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原文传递地铁营运动载下软土盾构隧道动力响应及动力特性研究

论文题名：	地铁营运动载下软土盾构隧道动力响应及动力特性研究
关键词：	地铁运营;营运;动载;软土盾构隧道;动力响应;地层;隧道稳定性;地基土液化;动力性状;隧道埋深;列车;临界动应力比;动力稳定性;接缝;管片;行车;效应;隧道间距;反比关系;振动
摘要：	近年来我国地铁规模得到空前发展，使得地铁运营列车振动可能会引发的各种问题越来越受到人们的关注。地铁列车运行时会产生振动效应与循环效应两种作用，当隧道埋置于软土地层之中时，由于软土物理力学性质的特殊性，行车动载下盾构隧道产生动力响应及软弱地基土发生液化、软化或振陷的可能性进而引发隧道动力稳定性等问题都必须予以重视和加以预测。本文以珠江三角洲软土地区盾构隧道地铁运营为背景，以数值计算和理论分析为主要手段，考虑动力场、流场、动孔压、动力软化等方面的耦合作用，既考虑瞬间效应又考虑长期效应，对行车动载引发的软土盾构隧道动力响应和动力特性等问题进行了深入探讨。论文进行了大量程序二次开发，较大程度地扩展了软件分析能力。采用考虑管片接缝的盾构隧道三维动力精细模型，对A-B-K管片块、环缝、纵缝、注浆层、道床接缝、隧道地基土、地层以及地表等方面在行车动载下的动力性状进行了详尽的分析研究，对地铁营运期隧道动力性状和稳定性作出了全面而细致的分析。就地层软硬程度、隧道埋深以及两平行隧道间距等因素对营运期隧道动力性状的影响进行了深入分析，得到了地层弹性模量的临界值，找出了地层软硬、隧道埋深和两隧道间距等影响因素与隧道动力响应的规律并拟合出关系函数，对于复杂情况下隧道动力性状的预测具有重要意义。采用振动超静孔压与动力软化相结合的动力计算分析方式，较真实地分析了地铁长期营运条件下隧道地基土液化、软化、振陷及由此引起的隧道和轨道沉降变形等问题，并对长期运营行车安全性和隧道稳定性进行了评价。研究表明，管片动力性状受列车轮对滚过直接影响，响应强度与地层性质紧密相关；管片接缝的存在使隧道抗振性能下降，盾构隧道动力响应在下半环较大，由环底向环顶逐渐衰减，各接缝在道床两侧边缘附近受动应力影响最大，在软硬地层交界处比其它地层处危险；地层与地表的振动效应随动力传播距离的增大而快速衰减。考虑接缝与否对管片环动力性状有一定影响，但对地层振动影响不大，故当针对衬砌结构进行精细分析时应考虑接缝，而当针对隧道整体进行分析时可采用管片概化模型以提高计算效率。隧道动力响应强度与地层强度和隧道埋深均成类反比关系；地层弹模以10MPa为临界值，小于此值后隧道动力响应将急剧增大；两并行隧道同时行车时动力相互效应强烈区主要分布于两隧道相间区域，强度与双线间距成反比关系；适当增大地层强度、隧道埋深和双线间距对减小隧道动力响应以及地表噪音和振感有明显效果。地基动孔压和动应力随列车通过呈周期性变化，大小与隧道埋深、两隧道间距成反比；软土存在一临界动应力比，但由行车动载所引起的隧道地基土动应力比远小于其临界动应力比，地基土不会发生液化和软化。但从安全的角度出发，应采用强度较大的地基土作为持力层或进行地层加固，特别是当隧道穿越软硬交错地层时更应采取加固措施严格控制不均匀沉降。地铁运营隧道稳定性由单趟列车通过引发的动力稳定性和长期运营引发的变形稳定性两方面共同构成。单趟列车通过引发的动力稳定性主要取决于周围地层的软硬程度，与埋深和双线间距略成反比关系。当地层弹模大于临界值10 MPa时，单趟列车通过引发的隧道不稳定发生的可能性较小；当单趟列车通过不直接引发稳定性问题时，长期运营基本不会引起隧道地基土液化或振陷，但尚会产生长期沉降并最终趋向稳定，此长期沉降量与地基土性质相关。但若地层弹模小于10 MPa时，隧道动力响应将急剧增大，隧道稳定性将得不到保证，此时应对隧道地基土进行注浆加固处理以提高地层强度。此外还应采取积极措施防止管片下半环特别是道床边缘处的接缝因受循环增减的压应力和剪应力的作用而受损进而引发止水条失效产生渗漏等问题的发生。
作者：	邓飞皇
专业：	结构工程
导师：	莫海鸿
授予学位：	博士
授予学位单位：	华南理工大学
学位年度：	2007
正文语种：	中文