浅埋黄土隧道下穿火车站场区的动力响应研究

随着城市轨道交通的高速发展,地铁隧道下穿既有铁路或火车站,成为城市地铁建设中不可避免的问题。下穿隧道施工安全和既有铁路运营安全,成为此类隧道建设必须解决的关键问题。但是,相关动力响应研究鲜有报道。因此,本文以地铁四号线下穿西安火车站为工程背景,基于动力学理论,利用现场测试和ABAQUS有限元软件,分析了机车振动在黄土地层中的传播规律及其对下穿浅埋隧道的动力作用。取得的主要研究成果如下:(1)采用现场振动测试,对机车股道、黄土地层和下穿隧道进行动力测试。机车股道测试结果表明:钢轨接缝处的振动加速度幅值比钢轨无缝处和道岔处大,道岔处幅值次之。地层测试结果表明:振动加速度幅值随地层深度增加而减小,但由于下穿隧道采用全断面注浆的工艺,使得地层深度4.2m以下的土层发生扰动,并在此处出现加速度幅值的反弹。下穿隧道测试结果表明:当机车通过下穿隧道正上方时,下穿隧道衬砌结构的振动响应最大。(2)建立修正轮轨模型,基于测试数据,分析得到了机车动载。将其施加在三维数值模型上,进一步分析地铁隧道的修建对机车振动衰减规律的影响。并预测地铁列车通车后,整个轨道-路基-隧道系统的动力响应。动力分析表明:铁路路基下方存在隧道时,由于波的反弹作用,出现动力作用局部放大效应。当机车和地铁列车同时行驶时,地层深度4.2m以上的振动衰减趋势由机车荷载主导,以下土层由地铁列车荷载主导。(3)建立三维数值模型,分析机车行驶速度、行驶方式、衬砌参数及机车股道类型对下穿浅埋隧道衬砌结构动力响应的影响。动力分析表明:当单列机车行驶速度为90km/h时,下穿隧道振动响应最大;当双列机车以90km/h的速度同向行驶时,下穿隧道振动响应最大,此时振动速度和动位移的幅值接近规范值;初衬混凝土强度等级的增强对振动响应影响不大,但初衬厚度的增加可以减弱上方机车的动力作用;当机车经过不同类型股道时,下穿隧道衬砌处的振动加速度时程曲线保留原有时程曲线的波形特征。