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1、Vol.41，No.3第41卷第3期June，2015SichuanBuildingMaterials2015年6月列车动载作用下隧道及土体动力响应分析1,2曾颖林(1.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室,上海200092;2.同济大学地下建筑与工程系,上海200092)摘要:列车行驶导致隧道中产生的动力响应在轨道表1土层力学参数交通领域已成非常重要的研究课题。通过构造“基础土层土层密度/(kg·m-3)变形模量/MPa泊松比-盾构隧道”三维模型,输入地铁列车振动荷载,运用通杂填土18001．40．29用有限元软件ANSYS的动力计算模块LS
2、-DYNA3D进行计褐黄色粉质粘土186010．50．29算,并对在不同水平间距的相邻两隧道、不同垂直间距的灰色砂质粉土18609．050．26相邻两隧道、不同间距的斜交隧道等不同工况下基础土层灰色淤泥质粉质粘土18303．10．30的振动响应情况进行了对比分析。褐黄色粉质粘土19805．230．37关键词:列车动载;动力响应;隧道结构黄色粉砂19705．340．28隧道周边土体188050．30中图分类号:U451文献标志码:B文章编号:1672-4011(2015)03-0116-02DOI:10.3969/j.issn.1672-4011.
3、2015.03.0550前言随着城市的迅猛发展,国内外各大都市为缓解城市交通压力,都兴建了大量的公共交通设施,其中轨道交通在当中扮演着重要且不可替代的角色,但由振动引发的周边环境问题同样引起人们深思。在世界范围内,发达国家投入大量的人力、物力研究列车振动对周边环境的影响,根据相关测试及理论分析,即使列车速度较低,饱和软黏土地基在其长期循环荷载作用下,土体中空隙水压力以及土体微结构变化也能最终导致土体长期振陷等问题的产图1隧道-土层三维模型[1-2]生。另外列车振动荷载具有作用时间长,有一定作用2列车振动激励荷载的获取周期的循环特性,其与一般静力作
4、用下对隧道及周边环境影响有很大的差异性。同时列车振动向外传播的能量大多列车行驶直接作用在隧道结构上的荷载并非为列车与被周围土体吸收,其所产生的问题具有长期性和隐蔽性。轨道结合处的振动荷载,而是车轨间振动引起轨道下部扣件特别是在轨道交通形成网络以后,平行隧道、上下交叠隧产生随时间变化的时程荷载,并通过道床作用在隧道结构道之间存在相互影响,往往会加剧运营振动所导致的隧道[3-5]上。基于此思想,在对列车动载引起的隧道结构及土与土体的振陷,所以我们必须有预见性的看待振动引发的体的动力响应进行分析时,常用的一种手段是分别建立列问题。车-轨道模型和隧道-土
5、层模型。通过列车-轨道模型获得轨道下部扣件上的时程荷载,并将此时程荷载施加至隧1隧道土层有限元模型的建立[6-7]道-土层模型上,进而分析隧道及土体中的动力响应。目前,上海地区地铁隧道已形成网络化,地铁隧道上有限元分析中,轨道结构的模拟常采用Euler梁和Timosh-下行线主要以水平穿行为主,同时存在不同垂直间距、不enko梁,其中Euler梁不考虑梁的剪切刚度和转动惯性矩。同斜向间距以及不同间距的交叉穿行的情形。本文拟以上根据周彪的研究,列车振动在钢轨上的传播多属于低频振[8]海轨道交通一号线为背景,通过建立一倍隧道外径距离的动,剪切变形影响
6、较小,本文采用Beam3弹性梁单元即平行相邻两隧道及土体的有限元模型分析列车动载作用下Euler梁模拟钢轨,轨下扣件采用Combin14弹簧-阻尼单隧道结构及土体的动力响应。根据上海轨道交通一号线勘元,由上述,建立列车-轨道有限元模型如图2所示。察资料,并基于上海轨道交通一号线的典型土层分布,主Y要土层力学参数如表1所示,由于是考虑隧道运营期土体在振动荷载条件下的响应问题,而在运营期间,根据上海市的实测经验,土体已经发生塑性变形,土体的特性也发图2轨道模型生相应的变化,所以在本模型中对隧道周边0．5D范围内土体的各参数加权平均值进行折减。通过有限
7、元计算得到的轨道下部扣件上随列车行驶的时上海地区隧道外径6．2m,厚度0．35m,为钢筋混凝程变化曲线,并利用Matlab软件进行四阶傅立叶拟合后,得到土结构。根据上述信息建立隧道-土层三维模型如图1。列车速度为72km/h时,轨下扣件的荷载时程曲线如图3。3隧道及土体动力响应分析作者简介:曾颖林(1988-),男,江西丰城人,在读硕士研究生,主要研究方向:地铁隧道的振动与检测。将轨下扣件时程荷载施加于隧道-土层三维有限元模·116·第41卷第3期Vol.41，No.32015年6月SichuanBuildingMaterialsJune，201
8、5型后,提取轨道下方道床上节点的位移时程曲线,如图4。表2隧道及土体动力响应地铁隧道加速度峰值/(m·s-2)隧道下方土体最大应力/Pa
