一種確定地鐵運營列車動荷載與隧道長期沉降的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種確定地鐵運營列車動荷載與隧道長期沉降的方法，步驟：第一步，確定地鐵運營列車軸動荷載；第二步，建立荷載-鋼軌-扣件-隧道-地基力學(xué)耦合模型，確定單次列車對下方土體的加載大小及加載次數(shù)；第三步，建立二維有限元模型，依次進行隧道開挖、列車荷載加載分析步，確定隧道下方土體的初始偏應(yīng)力和列車荷載引起的動偏應(yīng)力；第四步，根據(jù)上述步驟的結(jié)果，確定隧道下方土體累積塑性應(yīng)變；第五步，確定列車荷載引起的隧道累積沉降量，并繪制隧道沉降曲線。本發(fā)明更為準(zhǔn)確地確定地鐵運營列車動荷載與隧道長期沉降量，方法簡便，便于推廣，適用于軟土地層盾構(gòu)隧道在列車荷載作用下的長期沉降分析及其控制問題。
【專利說明】一種確定地鐵運營列車動荷載與隧道長期沉降的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種建筑工程【技術(shù)領(lǐng)域】的方法，具體是一種確定地鐵運營列車動 荷載與隧道長期沉降的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 為了緩解城市化進程中急劇增加的人口給城市交通帶來的巨大壓力，我國許多城 市、特別是沿海發(fā)達城市已經(jīng)大力開展地鐵建設(shè)。沿海地區(qū)常沉積有深厚的第四紀(jì)濱海相 或河流沖積軟土，其含水量高、壓縮性大，地質(zhì)條件較為復(fù)雜。軟土地層中地鐵隧道常采用 盾構(gòu)法施工，其襯砌是由混凝土管片拼接而成。隨著盾構(gòu)隧道運營時間的增加，軟土地層中 的盾構(gòu)隧道極容易產(chǎn)生變形沉降。隧道長期沉降、特別是不均勻沉降會導(dǎo)致滲漏水、襯砌裂 縫、軌道扭曲，甚至威脅行車安全。沈水龍等于2014年在《Tunnelling and Underground Space Technology》（隧道和地下空間技術(shù)）發(fā)表了《Long-term settlement behavior of the metro tunnel in the soft deposits of Shanghai》（上海軟土地層隧道長期沉降現(xiàn) 狀）。該文指出盾構(gòu)隧道長期沉降是由列車荷載、區(qū)域地面沉降、鄰近隧道施工、隧道滲漏 水、隧道開挖等共同作用引起的。為了有針對性地控制隧道沉降及變形，有必要明確各個因 素造成的隧道沉降量。地鐵長期運營過程中列車通過鋼軌、道床及隧道會對下臥的地基土 施加了一系列的循環(huán)動荷載。軟土在循環(huán)荷載作用下會產(chǎn)生不可逆的塑性變形，從而導(dǎo)致 隧道沉降。由于列車動荷載在隧道沿線普遍存在，它是造成隧道沉降的重要因素。
[0003] 經(jīng)對現(xiàn)有的技術(shù)文獻檢索發(fā)現(xiàn)，交通循環(huán)荷載引起的地基長期沉降確定方法有很 多，主要集中在地面道路交通荷載、鐵路或高速鐵路的列車荷載，地鐵列車荷載引起的地基 沉降并不多見。由于隧道襯砌的存在對列車荷載起到一定的分散作用，地鐵列車荷載對地 基的加載方式有別于其它交通荷載，因而地面交通荷載引起的地基沉降確定方法尚不能直 接應(yīng)用于地鐵列車荷載引起的隧道沉降分析。李方楠等于2010年在《低溫建筑技術(shù)》發(fā) 表了《地鐵運行對隧道周圍土體的長期影響》。該文利用經(jīng)驗公式法計算了地鐵運行引起 的土體壓縮變形量，但其列車循環(huán)加載次數(shù)是憑借經(jīng)驗判斷，循環(huán)加載大小的計算也尚未 考慮鋼軌、扣件、道床及險道襯砲對荷載傳遞的影響。1?廣運等于2012年在《桂林理工大 學(xué)學(xué)報》發(fā)表的《地鐵循環(huán)荷載作用下上海軟土路基的長期沉降計算》中采用數(shù)值模擬結(jié)合 經(jīng)驗公式法預(yù)測了列車荷載作用下的隧道長期沉降量。該文考慮了隧道襯砌對荷載傳遞的 分散作用，但沒有考慮鋼軌、扣件對荷載的影響，同時對于列車的循環(huán)加載次數(shù)沒有給出明 確、可靠的分析，因而無法準(zhǔn)確確定列車荷載引起的隧道沉降量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供了一種確定地鐵運營列車動荷載與 隧道長期沉降的方法，在調(diào)查隧道設(shè)計、列車運營概況及土層特征的基礎(chǔ)上，通過建立荷 載-鋼軌-扣件-隧道-地基力學(xué)耦合模型確定列車對下方土體的加載方式，利用有限元 結(jié)合經(jīng)驗公式法確定隧道下方土體的應(yīng)力及塑性應(yīng)變，進而確定列車荷載引起的隧道沉降 量。
[0005] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，包括以下步驟：
[0006] 第一步、確定列車軸動荷載。
[0007] 所述的列車軸動荷載的滿足以下公式：Pd = Ps (1+α V)
[0008] 其中，Pd為列車軸動荷載；PS為列車軸重；V為列車的運行速度；α為與速度相關(guān) 的動力沖擊系數(shù)，普通線路α取〇. 005,無縫線路α取〇.〇〇3。
[0009] 第二步、建立荷載-鋼軌-扣件-隧道-地基力學(xué)耦合模型，確定單次列車對下方 土體的加載大小及加載次數(shù)。
[0010] 所述的荷載-鋼軌-扣件-隧道-地基力學(xué)耦合模型是指：對鋼軌、隧道分別采用 均勻連續(xù)的梁模擬，鋼軌和道床之間的扣件采用彈簧連接，隧道下方地基采用彈簧模擬。將 列車各軸的軸動荷載施加在鋼軌上進行力學(xué)耦合分析。
[0011] 優(yōu)選的，鋼軌抗彎剛度通過以下公式確定=(EI)i = EJp式中，（EI)i為鋼軌抗彎剛 度，民為鋼軌的彈性模量；L為鋼軌截面慣性矩，通過鋼軌橫斷面的尺寸計算。
[0012] 優(yōu)選的，隧道抗彎剛度通過以下公式確定：（EI)t= IlEtIt,式中，（EI)tS隧道抗 彎剛度，E t為混凝土彈性模量；It為隧道截面慣性矩，通過隧道橫斷面計算；η為縱向剛度 有效率，一般取1/7。
[0013] 優(yōu)選的，鋼軌和道床之間的彈簧間距即扣件間距，該處彈簧剛度ki為扣件的堅向 剛度。隧道下方地基的彈簧剛度通過以下公式確定：k 2 = KDtIs，式中K為地基基床系數(shù)，可 參考《上海巖土工程勘察規(guī)范（DGJ08-37-2012)》確定；D t為隧道外徑；Is為彈簧間距，與扣 件間距一致。
[0014] 所述的單次列車對下方土體的加載大小及加載次數(shù)是通過以下方式確定：通過荷 載-鋼軌-扣件-隧道-地基力學(xué)耦合分析，確定隧道下方地基壓縮力；以隧道縱向軸線為 橫軸，以地基壓縮力為縱軸，作出地基壓縮曲線；地基壓縮曲線中最大峰值即為單次列車對 下方土體的加載大小，最大峰值出現(xiàn)的次數(shù)即為加載次數(shù)。若兩個峰值之間的最小地基壓 縮力與峰值之比大于90%，則認為峰值出現(xiàn)的次數(shù)為1次。
[0015] 第三步、建立二維有限元模型，依次進行隧道開挖、列車荷載加載分析步，確定隧 道下方土體的初始偏應(yīng)力和列車荷載引起的動偏應(yīng)力。
[0016] 所述的二維有限元模型是指：利用有限元軟件建立平面應(yīng)變條件下的隧道-土體 模型并進行有限元網(wǎng)格劃分，模型水平范圍一般為隧道埋藏深度的10倍，垂直范圍一般為 地表至隧道下方25m處。土體采用彈性模型并賦予相應(yīng)的重度、彈性模量及泊松比。
[0017] 所述的隧道開挖分析步是指：將模型中土體單元移除并添加襯砌單元，控制土體 損失量在0.5%?1%。
[0018] 所述的列車荷載加載分析步是指：將列車荷載施加于隧道內(nèi)部的軌道位置，荷載 量為第三步中確定的單次列車對下方土體的加載大小的1/2。
[0019] 所述的土體初始偏應(yīng)力是指：隧道開挖分析步后得到的土體的偏應(yīng)力；
[0020] 所述的列車荷載引起的動偏應(yīng)力是指：列車荷載加載分析步后得到的土體偏應(yīng) 力；
[0021] 第四步、確定隧道下方土體累積塑性應(yīng)變。
[0022] 所述的土體累積塑性應(yīng)變滿足以下公式：
[0023]

【權(quán)利要求】
1. 一種確定地鐵運營列車動荷載與隧道長期沉降的方法，其特征在于，包括以下步 驟： 第一步，確定地鐵運營列車軸動荷載； 第二步，建立荷載-鋼軌-扣件-隧道-地基力學(xué)耦合模型，確定單次列車對下方土體 的加載大小及加載次數(shù)； 第三步、建立二維有限元模型，依次進行隧道開挖、列車荷載加載分析步，確定隧道下 方土體的初始偏應(yīng)力和列車荷載引起的動偏應(yīng)力； 第四步、根據(jù)上述步驟的結(jié)果，確定隧道下方土體累積塑性應(yīng)變； 第五步、根據(jù)上述步驟的結(jié)果，確定列車荷載引起的隧道累積沉降量，并繪制隧道沉降 曲線。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的確定地鐵運營列車動荷載與隧道長期沉降的方法，其特征在 于，所述的列車軸動荷載的滿足以下公式：Pd = Ps(l+ct V) 其中，Pd為列車軸動荷載；PS為列車軸重；V為列車的運行速度；α為與速度相關(guān)的動 力沖擊系數(shù)，普通線路α取〇. 005,無縫線路α取〇.〇〇3。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的確定地鐵運營列車動荷載與隧道長期沉降的方法，其特征在 于，所述的荷載-鋼軌-扣件-隧道-地基力學(xué)耦合模型是指：對鋼軌、隧道分別采用均勻 連續(xù)的梁模擬，鋼軌和道床之間的扣件采用彈簧連接，隧道下方地基采用彈簧模擬；將列車 各軸的軸動荷載施加在鋼軌上進行力學(xué)耦合分析。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的確定地鐵運營列車動荷載與隧道長期沉降的方法，其特征在 于，鋼軌抗彎剛度通過以下公式確定：(EI), = EJ,，式中，（EI)i為鋼軌抗彎剛度，民為鋼軌 的彈性模量；L為鋼軌截面慣性矩，通過鋼軌橫斷面的尺寸計算； 隧道抗彎剛度通過以下公式確定：（EI) t = η EtIt,式中，（EI) t為隧道抗彎剛度，Et為混 凝土彈性模量；It為隧道截面慣性矩，通過隧道橫斷面計算；η為縱向剛度有效率，取1/7 ; 鋼軌和道床之間的彈簧間距即扣件間距，該處彈簧剛度h為扣件的堅向剛度；隧道下 方地基的彈簧剛度通過以下公式確定：k2 = KDtIs，式中K為地基基床系數(shù)；Dt為隧道外徑； Is為彈簧間距，與扣件間距一致。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的確定地鐵運營列車動荷載與隧道長期沉降的方法，其特征 在于，所述的單次列車對下方土體的加載大小及加載次數(shù)是通過以下方式確定：通過荷 載-鋼軌-扣件-隧道-地基力學(xué)耦合分析，確定隧道下方地基壓縮力；以隧道縱向軸線為 橫軸，以地基壓縮力為縱軸，作出地基壓縮曲線；地基壓縮曲線中最大峰值即為單次列車對 下方土體的加載大小，最大峰值出現(xiàn)的次數(shù)即為加載次數(shù)；若兩個峰值之間的最小地基壓 縮力與峰值之比大于90%，則認為峰值出現(xiàn)的次數(shù)為1次。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的確定地鐵運營列車動荷載與隧道長期沉降的方法，其特征在 于，所述的二維有限元模型是指：利用有限元軟件建立平面應(yīng)變條件下的隧道-土體模型 并進行有限元網(wǎng)格劃分，模型水平范圍為隧道埋藏深度的10倍，垂直范圍為地表至隧道下 方25m處，土體采用彈性模型并賦予相應(yīng)的重度、彈性模量及泊松比； 所述的隧道開挖分析步是指：將模型中土體單元移除并添加襯砌單元，控制土體損失 量在0. 5%?1% ; 所述的列車荷載加載分析步是指：將列車荷載施加于隧道內(nèi)部的軌道位置，荷載量為 第三步中確定的單次列車對下方土體的加載大小的1/2 ; 所述的土體初始偏應(yīng)力是指：隧道開挖分析步后得到的土體的偏應(yīng)力； 所述的列車荷載引起的動偏應(yīng)力是指：列車荷載加載分析步后得到的土體偏應(yīng)力。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的確定地鐵運營列車動荷載與隧道長期沉降的方法，其特征在 于，所述的土體累積塑性應(yīng)變滿足以下公式：
其中，ερ*累積塑性應(yīng)變；qd為列車荷載引起的動偏應(yīng)力；qs為初始偏應(yīng)力；q f為土體 破壞偏應(yīng)力，滿足公式：qf = 2SU，Su為土體不排水抗剪強度；N為累積加載次數(shù)，滿足公式N =Nsro, Ns為單次列車加載次數(shù),C為每天發(fā)車次數(shù),D為地鐵運營天數(shù)；a, b, m, η為與土體 物理力學(xué)性質(zhì)相關(guān)的常量，對于高塑性粘土，a、b、m分別取為I. 2、0. 18、2. 4 ;對于低塑性粘 土，a、b、m分別取為I. 1、0. 16、2. O ;對于彈性粉土，a，b，m分別取為0. 84、0. 13、2. O ;對于 一般粉土 a，b，m分別取為0· 64、0· 10、L 7 ;n取值為1。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的確定地鐵運營列車動荷載與隧道長期沉降的方法，其特征在 于，所述的隧道累積沉降量滿足以下公式：
其中，S為隧道累積沉降量，ε p為土體累積塑性應(yīng)變，H為隧道底板至有限元模型底部 的厚度。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1-8任一項所述的確定地鐵運營列車動荷載與隧道長期沉降的方法， 其特征在于，在上述第一步之前，獲取地鐵運營列車概況和隧道、道床及軌道設(shè)計參數(shù)，以 及得到施工現(xiàn)場土層劃分信息和地質(zhì)信息。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的確定地鐵運營列車動荷載與隧道長期沉降的方法，其特征 在于，所述的獲取地鐵運營列車概況和隧道、道床及軌道設(shè)計參數(shù)，是指： 所述的地鐵運營列車概況是指：列車型號、編組、軸距及軸重，列車運營時速，發(fā)車頻 次、每天發(fā)車次數(shù)； 所述的隧道、道床及軌道設(shè)計參數(shù)是指：隧道襯砌直徑及厚度，鋼軌焊接類型，鋼軌軌 距，扣件型號、間距及堅向剛度； 所述的得到施工現(xiàn)場土層劃分信息和地質(zhì)信息，是指通過鉆孔取土對隧道周圍土層進 行劃分，在現(xiàn)場土體進行十字板剪切試驗，并提取各土層土樣進行室內(nèi)常規(guī)土工試驗，得到 施工現(xiàn)場土層劃分信息和地質(zhì)信息。
【文檔編號】G01C5/00GK104390629SQ201410658846
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月18日
【發(fā)明者】吳懷娜, 沈水龍, 袁斌, 許燁霜 申請人:上海交通大學(xué)