（道路与铁道工程专业论文）地铁车站施工与铁路干线运营的相互影响.pdf

摘要 摘要 地铁车站采用浅埋暗挖法施工穿越铁路一级干线时 因开挖过站作业时将引 起地面线路的变形 如何做到在施工期间不影响铁路客 货运的行车安全 尽量 不降低运输能力 保证地铁车站工程的施工安全 以及地铁建成后 防止铁路高 速运行造成的动荷载对地铁车站结构产生破坏 是地铁设计 施工及铁路 地铁 运营管理部门非常关心的问题 本文对地铁隧道采用浅埋暗挖法施工下穿铁路干线引起的地面变形及其影 响范围 借助经验方法及有限元数值模拟进行分析计算 然后叠加上海铁路局轨 检车实测的沪宁铁路轨面不平顺数据 得出不同工况下铁路轨道的不平顺状态 选用不同的车型 运营速度 分别计算客 货车的脱轨系数和轮重减载率 对地 铁车站旌工期间的铁路行车安全指标以及列车在不同行车速度下轨道不平顺的 安全限值问题进行研究 用数值分析与经验公式预测地铁南京站站过站隧道开挖引起的地面沉降的 主要影响范围为4 0 m 6 0 m 采用弹塑性有限元法模拟隧道的开挖问题的计算结 果 双洞隧道开挖施工由于塑性效应 地表沉降将出现双峰形式 在地铁隧道施 工期间 线路下沉对脱轨系数和偏载系数的影响较大 当列车进入线路变形区 2 5 m 前后的范围是脱轨系数最大的点 轨道动态水平限值为1 2 r a m d 2 4 型施工便 梁处于悬空状态 货车速度为5 0 k m h 时 便梁的横向振幅超限 施工期间列车 行车限速应为4 5k m h 在对钢轨的垂直力 横向力和便梁振幅监控量测的状态 下 并满足行车安全的的基础上 再考虑适当放宽限速 将几种轨道加固措旃作了对比分析 推荐出合理的轨道结构加固方案 采用 d 2 4 施工便梁对轨道结构的加固效果明显 分析了d 2 4 型施工便梁的动力特点 针对d 2 4 型施工便粱的横向刚度对行车安全起控制作用的计算结果 提出行车限 速建议和轨道动态不平顺的限值 由于铁路繁忙i 级干线车流量非常大 列车在高速行驶中产生的动荷载将通 过轨道结构等对地铁车站在施工期间和正常运营期间的地铁隧道结构产生不利 的影响 本文就地铁车站施工期间铁路行车产生的动应力对地铁隧道初衬的影响 以及地铁建成后运营期间铁路行车产生的动应力对地铁隧道结构的影响采用土 的动本构关系 进行弹塑性分析计算 获得施工期间隧道上覆土层动力响应规律 以及隧道初衬动力响应规律 进一步研究了地铁车站建成后货车与客车过站时隧 道上覆土层及隧道结构的动力响应规律 对结构设计提出了建议 线路下方隧道 结构的存在 将减弱列车动应力往深层传递的衰减 尽管隧道洞顶离轨顶面约 摘要 7 m 动应力对隧道结构的影响仍然存在 在旋工中应引起重视 对线路采用d 2 4 便梁加固后 大大减小了列车动荷载对施工期地铁站初衬的影响 当地铁车站建 成之后 铁路干线行车在隧道衬砌中产生的附加动应力为1 3 m p a 建议在设计 中考虑列车长期荷载对混凝土抗裂性的影响 以南京地铁南北线一期工程南京站站穿越铁路繁忙i 级干线大站为工程背 景 结合本工程的工法特点 提出满足行车条件下的轨道状态控制的工程措施 并提出相应的监控和行车安全防范措施 铁路轨道结构的保护措施 隧道开挖的 施工控制措 施 铁路行车安全的控制措施等 在制定出详尽的监测方案的基础上 针对地铁车站旖工过程 进行信息化旅工控制 对地表沉降 拱顶下沉 净空收 敛 格栅钢架内力 土压力等实时监控 确保施工的顺利完成 要制定周密的安全措旌 应组织力量在施工过程中对地表变形和隧道变形加 强量测 及时采取有效的应对措施 实行动态管理 以保证列车安全运行和地铁 车站的安全施工 关键词 地下铁道 管棚法 线路平顺性 脱轨系数 有限元 动应力 ab s t r a c t w h e ns u b w a ys t a t i o nl o c a t e su n d e r p a s st h ec l a s slr a i l w a y t h ec o n s t r u c t i o no f t h et u n n e lw i l lc a u s eg r o u n ds e t t l e m e n ta tc o n s t r u c t i o nd u r a t i o n a n di tw i l la f f e c tt h e r a i l w a yo p e r a t i o nn o r m a l l y h o w t oe n s u r et r a i n sr u n n i n gs a f e l ya n dn oi n f l u e n c i n gt o t h er a i l w a yt r a f f i c a n da ts a m et i m e t h es a f e t yo fs u b w a ys t a t i o nc o n s t r u c t i o nm u s t b ei n s u r e da tt h ec o n s t r u c t i o nd u r a t i o n h o wt op r e v e n tt h ed e s t r o yo fs u b w a ys t a t i o n s t r u c t u r ec a u s e db yt h ed y n a m i cl o a do ft r a i n sr u n n i n go ni ta r et h ei m p o r t a n t p r o b l e m se m p h a s i z e db yd e s i g n c o n s t r u c t i o nd e p a r t m e n t so fs u b w a ya n dr m l w a y o p e r a t i o nd e p a r t m e n t s t h i sp a p e ru s e st h em e t h o d so fe m p i r i c a lf o r m u l aa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt o s t u d yt h eg r o u n ds e t t l e m e n tm a g n i t u d ea n dt h ei n f l u e n c er a n g ec a u s e db yt u n n e l c o n s t r u c t i o nw i t ht h em e t h o do fs h a l l o w q m d e de x c a v a t i o n b a s e do nt h i s o v e r l a p p i n gt h ea c t u a li r r e g u l a r i t yd a t am e a s u r e dw i t ht r a c k i n s p e c t i o nc a rt ot h et r a c kg e o m e t r yo fs h a n g h a i n a n j i n gr a i l w a yo p e r a t e db ys h a n g h a i r a i l w a ya d m i n i s t r a t i o n a n dc a l c u l a t i n gt h et r a i nr u n n i n gs a f e t ya n ds t a b i l i t yo nt h e i r r e g u l a r i t yt r a c ku n d e rt h ed i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n d i f f e r e n tt y p eo fl o c o m o t i v e s a n dr u n n i n gv e l o c i t i e sa r ec h o s e nt oc a l c u l a t et h ei m p a c t i n gc o e f f i c i e n ta n dr e d u c i n g r a t eo fw h e e ll o a d a n dt h es a f el i m i to fi r r e g u l a r i t yv a l u eo ft r a c kg e o m e t r yo n d i f f e r e n tr u n n i n gv e l o c i t ya n dt r a i nr u n n i n gs a f et a r g e t sa tt h es u b w a ys t a t i o n c o n s t r u c t i o nd u r a t i o na r es t u d i e d s o m el i n d so fr e i n f o r c e m e n tm e t h o df o rs u b w a ys t a t i 佣c o n s t r u c t i o nw e r e c o m p a r e d t h i sp a p e rr e c o m m e n d e dr e a s o n a b l er e i n f o r c e m e n ts c h e m e o fr a i l w a y s t r u c t u r e t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fd 2 4i n s t a n tb e a mw a sa n a l y z e d t h ea d v i c eo f r e s t r i c t i n gt r a i nv e l o c i t y a n dt h et r a c ki r r e g u l a r i t yl i m i tv a u ew e r ep u tf o r w a r d a c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t i n gr e s u l t s a n dc o n s i d e r i n gt h et r a n s v e r s er i g i d i t yo fd 2 4 i n s t a n tb e a mi st h em a i nf a c t o rt h a tc o n t r o l st h et r a i nr u n n i n gs a f e t y i ne a s eo ft h et r a f f i co fc l a s slr a i l w a yi sb u s y t h ed y n a m i cl o a do ft h ef a s tt r a i n r u n n i n gw i l lc a u s e a d v e r s ee f f e c to ns u b w a yt u n n e ls t r u c t u r ee i t h e ra tt h ec o n s t r u c t i o n d u r a t i o no ra ts e 州c et i m e t h i sp a p e rs t u d i e st h ee f f e c to fd y n a m i cs t r e s sc a u s e db y t h et r a i no nt h et u n n e ll i n i n gb o t ha tt h et u n n e lc o n s t r u c t i o nd u r a t i o na n ds e r v i c et i m e t h i sp a p e re s t a b l i s h e st h es t a t i c p l a s t i cc a l c u l a t i n gm o d e lo nt h eb a s i so fd y n a m i c c o n s t i t u t i v ee q u a t i o n so fs o i la n ds t u d i e sd y n a m i cr e s p o n s ep r i n c i p l eo fo v e r b u r d e n i a b s t r a c t s o i lo ft u n n e la n dd y n a m i cr e s p o n s el i n i n go ft u n n e ld u r i n gc o n s t r u c t i o n a tt h es a m e t i m e t h i sp a p e ra l s os t u d i e st h et r a i nd y n a m i cr e s p o n s eo no v e r b u r d e ns o i la n dl i n i n g a tt h es e r v i c et i m e i nc a s eo fn a n ji n g z h a ns t a t i o ng o e st h r o u g hu n d e rt h ec l a s sl r a i l w a yo ff i r s t p h a s ee n g i n e e r i n g o fs o u t h n o r t hl i n eo fn a n j i n gm e t r o a s s o c i a t e dw i t ht h e c h a r a c t e r i s t i co ft h es u b w a ys t a t i o ne n g i n e e r i n g t h i s p a p e rp u t sf o r w a r ds o m e e n g i n e e r i n gm e t h o d st om e e tt h er e q u i r e m e n to ft h et r a i nr u n n i n g a n dp u t sf o r w a r d s o m em e t h o d so fs u p e r v i s o r ya n ds a f ec o u n t e r m e a s u r ew h i l et r a i nr u n n i n g p r o t e c t i n g c o u n t e r m e a s u r e so ft h er a i lt r a c ks t r u c t u r e s ot h et r a i nr u n n i n gs a f e t yc a nb ee n s u r e d o nt h eb a s i so fc o n s t i t u t i n gad e t a i ls u p e r v i s o r ys c h e m e ai n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o n c o n t r o lw a sm a d ew i t ht h ep r o c e e d i n go ft h es u b w a ys t a t i o nc o n s t r u c t i o nt oe n s u r et h e a c c o m p l i s h m e n to ft h ec o n s t r u c t i o nt r o u b l e f r e e i n c l u d i n gm o n i t o r i n gt h es e t t l e m e n t o fg r o u n ds u r f a c e s e t t l e m e n to fa r c c o n v e r g e n c eo fn e ts p a c e i n n e rf o r c eo f 面d s t e e lf l a m ea n ds o i lp r e s s u r e t h es e t t l e m e n tm a i ni n f l u e n c er a n g ec a u s e db ys u b w a ys t a t i o nc o n s t r u c t i o n f o r e c a s t e dw i t he m p i r i c a la n dn u m e r i c a lm e t h o d si s4 0 6 0 m t h ec a l c u l a t i n gr e s u l t s o ft h es i m u l g i o nt h r o u g hf i n i t ee l e m e n tm e t h o d so fs t a t i c p l a s t i ca r e t h es e t t l e m e n to f g r o u n ds u r f a c ea p p e a r st ob ed o u b l e p e a kf o r m a t i o no fd o u b l e e a v et u n n e lb e c a u s eo f p l a s t i ce f f e c t a tt h ec o n s t r u c t i o nd u r a t i o no ft h es u b w a yt u n n e l t r a c ks u r f a c e s e t t l e m e n th a sm u c hi n f l u e n c eo nt h ei m p a c t i n gc o e f f i c i e n ta n dr e d u c i n gl o a d c o e f f i c i e n tw h i l et r a i nr u n n i n go ni t t h ee f f e c to fr e i n f o r c e m e n to nr a i lt r a c ks t r u c t u r e i sg r e a t e rt h a nt h a tu s i n gd 2 4t h ei n s t a n tb e a m t h em a x i m u m i m p a c t i n gc o e f f i c i e n t o c c u r so nt h et r a c ki si nf r o n to rb e h i n d2 5 ms e t t l e m e n tz o n e t h ed y n a m i cl i m i t a t i o n v a l u eo ft r a c kl e v e li s12 r a m w h i l et h ed 2 4i n s t a n tb e a mi si nt h es t a t eo fs u s p e n d a n dt r a i nv e l o c i t yi s5 0 k m h t h ea m p l i t u d eo fv i b r a t i o no fc r o s sd i r e c t i o no fi n s t a n t b e a mi so u to ft h el i m i t a t i o nr a n g e s ot h el i m i t 撕o nv e l o c i t yo ft r a i ni s4 5 k m ha tt h e c o n s t r u c t i o nd u r a t i o n b u ta c c o r d i n gt om o n i t o r i n ga n dm e a s u r i n go ft h ev e r t i c a lf o r c e l a t e r a lf o r c eo nt h et r a c ka n dv i b r a t i o na m p l i t u d eo nt h ei n s t a n tb e a m t h er e s u l t s s h o w st h a te v e nt h el i m i t a t i o nv a l u eo ft r a i nv e l o c i t yc a nb ec o n s i d e r e dt ob e u n c o n t r o l l e d t h et r a i ns a f e t yc a nb es a t i s f i e d t o o t h ee x i s t e n c eo ft h et u n n e lu n d e rt h er a i l w a yl i n ew i l lr e d u c et h et r a n s f e r r i n g a t t e n u a t i o no ft h ed y n a m i cs t r e s so ft r a i nt od e e p e rs o i ll a y e r s t h o u g ht h et o po ft h e t u n n e li sa b o u t7 mf a rf r o mt h er a i lt r a c ks u r f a c e e f f e c to f d y n a m i cs t r e s so ns t r u c t u r e s t i l le x i s t i ti sn e c e s s a r yt oe m p h a s i z ed u r i n gt h ec o n s t r u c t i o n t h em e t h o do fd 2 4 i n s t a n tb e a mo nr f i l w a yl i n eg r e a t l yr e d u c e st h ee f f e c to fd y n a m i c1 0 a do ft r a i no n l i n i n go ft h es u b w a yt u n n e l t h ea d d i t i o n a ld y n a m i cs t r e s sc a u s e db yt h et r a i nr u n n i n g o nt h ec l a s slr a i l w a yo nt h et u n n e ll i n i n gi s1 3 m p aa f t e rt h ea c c o m p l i s h m e n to ft h e s u b w a ys t a t i o n i ti sp r o p o s e dt h a tt h ee f f e c to fl o n g t i m el o a do ft r a i no nt h e a n t i c r a c ko fc o n c r e t es h o u l db ec o n s i d e r e di nd e s i g np h a s ea n ds e td o w nd a a i l e d s a f e p r e v e n t i o n s t r e n g t h e n i n gt h em o n i t o ra n dm e a s u r eo ft h eg r o u n ds u r f a c e s e t t l e m e n ta n dt u n n e ld e f o r m a t i o nd u r i n gt h ec o n s t r u c t i o na n da d o p te f f e c t i v e m e t h o d si nt i m e a c to nd y n a m i cm a n a g e m e n ti no r d e rt oe n s u r et h es a f e t y t h et r a i n r u n n i n ga n d t h ec o n s t r u c t i o no ft h es u b w a ys t a t i o n k e yw o r d s m o r r o p ip er o o f r e 毽 u l a r i t yo ft r a c kg e o m e t r y i m p a c t i n gc o e f f i c i e n t f i n i t e e l e m e n tm e t h o d d y l l a m i cs t r e s s 学位论文版权使用授权书 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集 保存 使用学位论文的规定 同意如下各项内容 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版 并采用影印 缩印 扫描 数字化或其它手段保存论文 学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务 学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版 在不以赢利为目的的前 提下 学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动 同济大学学位论文原刨性声明 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师指导下 进行 研究工作所取得的成果 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浅埋暗挖法因其独特 的优势而被越来越多地应用于类似的地下工程建设中 城市轨道交通的建设必须保证安全第一 首先是在城市轨道交通的施工期间 其本身结构和周围环境的安全 其次是城市轨道交通的运营期间的其本身结构和 周围既有建筑物的安全 在繁忙铁路干线下面施作地铁车站 地面变形 列车运 行而产生的动荷载等会影响地铁车站的施工安全和既有铁路的运营安全 地下工 程建设中的施工效应 导致土体内水的流失 围岩的应力重新分布 旖工扰动都 第1 章绪论 会引起地面变形 地面的变形又会影响到铁路轨道的平顺状态 轨道的状态是线 路直接影响列车运行品质 控制行车速度的限制因素 轨道不平顺是引起铁路机 车车辆振动 产生轮轨动作用力的主要原因 根据现行铁路维修规则 列车速度 v l o o k m h 线路轨道的几何尺寸容许偏差管理值为 轨距 8 姗 一4 咖 水平 6 m m 高低6 珊 轨向6 咖 三角坑6 m m 地铁隧道的旋工所造成的地面纵向和横 向变形导致铁路线路变形 由此引起的附加线路不平顺将加大轮轨间的冲击力 不仅影响列车的行车安全 而且导致路基内的动应力加大 从而使隧道结构承受 的附加动应力增大 列车的动应力与隧道开挖施工产生的应力释放叠加作用后在 旖工期对初衬混凝土将会产生多大的影响 以及地铁车站建成之后列车运行的动 荷载对隧道结构的影响 这些问题涉及到地铁施工期的开挖施工安全 铁路列车 的运行安全 地铁建成后的隧道结构安全以及周围环境的安全等 解决这些问题 对城市轨道交通的设计 施工 管理 既有铁路的运营管理都具有重要的理论意 义和现实意义 也是本研究课题的目的所在 1 2 国内外研究现状 新奥法 新奥地利隧道施工方法 n e wa u s t r a nt u n n e lli n gm e t h o d n a t m 是奥地利学者拉迪斯勒斯 冯 腊布希维兹 l v r a b c e w i cz 于一九四八年提 出的一种具体应用岩体动态性质指导地下工程设计和旖工的力学理论 运用隧道 工程经验 以岩体力学的理论为基础 将锚杆和喷射混凝土组合在一起作为主要 支护手段 及时地进行支护 控制围岩的变形和松弛 使围岩成为支护体系的组 成部分 并通过对围岩及支护的监控量测 来指导隧道设计和施工 1 1 口1 嘲 嘲嘲 新奥法自1 9 5 8 年申请专利以来 在奥地利 德国 日本 中国 英国 美国 意大利 法国 瑞士 巴基斯坦 希腊 韩国等国家得到了应用 应用的隧道类 型有 水工隧洞 公路隧道 铁路隧道 地铁隧道以及几乎所有其它的地下工程 目前 新奥法原理已经成为世界各国隧道及地下工程中普遍遵循的原理m 刀 隧道施工中新奥法的出现 将整体式衬砌发展到采用锚喷和复合支护结构 是隧道技术上的一次很大进步 也大大丰富了隧道力学的理论内涵 随着计算机 方法和数值分析手段的进步及其在隧道力学与工程中应用的日益完善 使隧道力 学的研究范畴更超出了原新奥法的准则 如反面分析 岩土流变 设计优化 作 业面空间效应 考虑分部开挖等施工程序的影响 监控与预报以及隧道动力学问 题等方面的研究 一门新的学科分支一 隧道与地下结构旌工力学 的形成及其 许多成功的设计实践 都己取得了巨大的技术经济效益嘲 9 隧道埋深超过某一临界值时 才有可能形成天然拱 这种隧道被称为深埋隧 道 反之则称为浅埋隧道 一般来说 当地面与隧道顶部之间的岩土层厚度小于 2 第l 章绪论 塌方平均高度的2 2 5 倍时即为浅埋 暗挖则是指相对于明挖来讲的一种封闭 式开挖方式 深埋和浅埋隧道的分界 按荷载等效高度值 并结合地质条件 隧道断面形 式及跨度 施工方法等因素综合判定 按荷载等效高度的判定式为 h p 2 2 5 也 h q q r q o 4 5 2h n r w 1 i h 心 q r 0 4 5x2h r w r o 4 5 x 2h 1 十i h 心一深浅埋隧道分界 深度 m h q 一荷载等效高度 m 当b s m 时 i 取0 2 当b 5 1 5 m 时 i 取0 1 在一般矿山法施工的条件下i 岩可取h p 2 5 h g 即h p 2 5 h g 2 5 x o 4 5 x2h 1 十i h n 0 3 通常深埋隧道荷裁按塌落拱计算 浅埋隧道按全土柱重量计算 超浅埋隧道 则按全土拄加地面动 静换算荷载计算n 浅埋暗挖土质隧道所处的地质体 从宏观上可以根据c 和 值等指标把土体 分为粘性土和砂性土两类 在粘性土和砂性土中开挖浅埋隧道 具有不同的地表 沉降变形规律 第一个地面沉降变形公式s s 一 e 啾 o 5 x 2 i i 2 是p e c k 于 1 9 6 2 年提出的 池v a f a c i a n 在p e c k 公式的基础上进一步研究 提出经验公式 s s 一 c o s 2 卢 c o s 9 0 7 来模拟在粘性土地层中开挖浅埋隧道而引起的隧 道上方的地表面及隧道两侧的地层朝向洞内变形规律 与量测结果比较一致 在 砂性土中开挖浅埋暗挖隧道所引起的地表沉降 用卢东明的公式 形 x o 5 w o i 形b 石0 5i v l l 预计结果较可靠m 1 超浅埋地下工程是指埋深 5 且覆跨比 一 i i l 一左线l l 一右线l 开挖步 0 琏 岛暑一o 5 1 5 2 2 5 3 方案二 弋 j l i 1 i b 左线l 右线i 第2 章地铁车站施工队地面变形的影响研究 开挖步 o 3 逝 女 o 5 一1 5 2 5 3 方案三 i 1 s k o 一 l 吣k 心 l 一 亡缘i j l 右线l 噬 睁o 1 0 2 o 3 0 4 0 5 0 6 一o 7 开挖步 舍 逝 蛙o 5 一1 5 2 2 5 3 方案四 ll t 弋 h l 左线f l 右线l 图2 9 各方案分步开挖步引起地面沉降峰值变化 未架设便梁 一 ri r i l l 一 l 7 i j t 左支墩 中间箱涵 右支墩 开挖 0 进 0 1 蛙 一o 2 0 3 一o 4 一o 5 一o 6 0 7 吣 一 弋 j i l lk k 1 i k k 一左线 一中回箱涵 j 一右线 弋i r i 蝽o i l l l 一o 2 r 一o 3 0 4 o 5 一左线 中间籍涵 o 6 一右绕l 步 方案4 图2 1 0 各方案分步开挖步引起支墩沉降变化 架设2 4 m 便梁 第2 章地铁车站旌工队地面变形的影响研究 2 3 开挖推进过程对轨道高低的影响 已有的大量工程的监测数据表明 浅埋隧道掌子面推进过程中引起的隧道纵 向地表下沉分为4 个阶段 1 微小变形阶段 地表距离掌子面为 t o d 2 o d 时 即开始发生沉降 沉降量约占总变形量的l o 1 5 主要是由于工作面的开挖导致前方地层的应力 场发生变化以及地下水的流失而引起的轻微变形 2 变形急剧增大阶段 在距离掌子面一1 o d 3 d 范围内时 地表沉降速率急 剧增大 变形量急剧增大 此阶段的变形量约占总变形量的6 0 7 0 该阶段 的变形主要是由于隧道的开挖而造成的边界条件的改变 对上覆层的土体产生了 一定的扰动 引起的应力场的重分布 明显的卸荷效应是产生沉降的主要原因 3 缓慢变形阶段 距离掌子面超过3 o d 之后 变形速率开始减缓 变形量缓 慢增加 沉降曲线开始收敛 一直延续到5 0 d 之后 此阶段的变形量约占总变 形量的1 0 1 5 9 6 4 变形基本稳定阶段 距离掌子面5 0 d 之后 直至延续到8 0 d 地层趋向稳 定 此阶段的变形量为总沉降量的5 很明显在第 2 阶段的地层沉降斜率是 最大的 在4 d 范围内 沉降量将由l o 1 5 达到6 0 7 0 9 6 根据这个规律 此处 对掌子面推进引起地面沉降做一个估计 一3 0 2 0 1 0 0 1 02 0 3 04 05 0 6 0 l d j 躯 i 剪期沉降匮 一一 图2 l l 纵向沉降示意图 第2 章地铁车站施工队地面变形的影响研究 前面已经在利用p e c k 公式计算横向沉降时 分为单漏与双洞两种情况 计 算半径分别为5 5 m 7 8 m 通过估计 2 阶段的沉降监线的曲率 轨距为1 4 3 5 m m 得到了在最大沉降为i 1 0 c m 时一股道上两条钢轨表面的高差 列于表2 8 表2 8 开挖引起轨面高差汇总 最大沉降 单洞轨面高差 双洞轨面高差 c m m m r a m l0 1 8o 1 3 20 3 6o 2 5 30 5 40 3 8 40 7 2o 5 l 5o 9 0o 6 3 61 0 80 7 6 7 1 2 6 o 8 9 8i 4 41 o l 9l 6 l1 1 4 1 01 7 91 2 6 在最大值相同的条件下 双洞开挖引起的轨面高差小于单洞开挖引起轨面高 差 很明显这是由于双洞开挖对地层的扰动范围较大 最大值相同 则地面沉降 曲线就较为平滑 在地表沉降最大值达到1 0 c m 时 轨面高差无论是双洞还是单 洞均未超过2 m m 这说明纵向开挖引起的地面沉降对于双轨面高差是很小的 在 实际工程中 由于采用了纵向跨越3 股线路的箱涵 这无疑是增加了轨道的在隧 道开挖纵向上的刚度 因此开挖引起的轨道高差对于列车行车的影响可以不计 2 4 小结 本章对南京地铁南京站站过站开挖施3 q l 起的地面变形进行了模拟分析 得到以下结论 1 根据p e c k 公式和有限单元法计算 地铁南京站站过站隧道开挖引起的地 面沉降的影响范围大致为4 0 m 6 0 m 2 采用有限单元法对不同开挖方式进行了比较 计算结果表明 双洞隧道开 挖施工由于塑性效应 地表沉降将出现双峰形式 两峰值之间间距近1i m 沉降 最大峰值为2 6 9 8 r a m 这种小间隔沉降峰值沉降容易给运行列车造成冲击作用 3 对隧道洞顶的线路采用便梁加固时 中间支墩采用静压桩基础 开挖引起 的沉降量为7 m m 若选用1 6 m 便梁时 两侧两支墩的沉降为1 0 m m 若选用2 4 m 便梁时 两侧支墩的沉降为2 1 建议采用2 4 m 便梁进行隧道施工期间的加固 4 掌子面推进过程中 导致的钢轨间的高度差异小于2 m m 为了预防在施工 2 7 第2 章地铁车站施工队地面变形的影响研究 中涌水 或失水 不可预见差异沉降 建议在施工期间右线与左线开挖掌子面暂 停位置设于站台下面 也可设置于4 道与5 道之间或5 道与6 道之间 开挖面在 正线下面通过 应及时封闭 并加强轨道变形监测 5 根据4 种不同的开挖方案对施工过程中的地面沉降进行了分析 计算的结 果表明各开挖方案对于地面沉降影响的区别不大 采用2 4 1 便梁加固方案后分步 开挖 各开挖步不同对支墩与中间箱涵的影响区别不大 第3 章铁路辘道结构变形对行车安全的影响 第3 章铁道线路变形对行车安全的影响 轨道几何形位指的是轨道各部分的几何形状 相对位置 基本尺寸 轨道几 何形位基本要素有 轨距 水平 前后高低 方向 轨底坡等 当钢轨与轮缘之 间的游间过大时 会使车辆行驶时的蛇行运动的幅度加大 横向加速度 轮缘对 钢轨的冲角及作用在钢轨上横向力也随之增加 行车速度愈高 这种影响愈严重 列车运营遇到三角坑 钢轨的水平偏差 时 在最不利的情况下 车轮会爬上轨 顶 引起脱轨事故 长波前后高低使车轮对钢轨产生附加动应力 附加动应力与 高低不平顺的深度及行车速度成正比 短波前后高低使车轮对钢轨产生振动冲击 力 振动冲击力与波长成反比 与高低不平顺的深度及行车速度成正比 轨道方 向不良 对横向水平力 脱轨系数 横向水平加速度影响很大 铁路轨道结构在 列车运行一段时间后 会产生道床的累积变形 路基不均匀下降 木枕腐朽 三 角坑 弹性不均匀 导致轨道的几何形位偏离了正常状态 如第2 章所述 在铁 路下方施作地铁隧道期间 会造成了地面变形 当铁路既有的不平顺和地铁旋工 造成的地面变形叠加以后形成的混合不平顺将会对铁路行车安全影响更大 本章 就上述问题进行研究 3 1 基本理论 1 1 钮 理论上 轨道被当作连续支承无限长e u l e r 梁 但在实际处理过程中 常将 钢轨视作有限长简支梁 事实上 当轨道计算长度取得足够长时 这样的处理可 以获得令人满意的效果 图3 1 就是连续弹性离散点支承梁轨道模型 辨 一轨枕块质量 一轨枕垫层刚度 屯一枕下支承刚度口 图p l 连续弹性离散点支承梁轨道模型 2 9 第3 章铁路轨道结构变形对行车安全的影响 3 1 1 钢轨振动微分方程 厨掣坼掣 n 死 f 比一而 若4 啪 以一嘞 其中 o k z g t z 鲋o c 2 g r 一乞o g f p f 一p o 式中z 囊 f 为轨枕振动位移 p 以 为轮轨间总的作用力 p 为静轮载 钢轨振动微分方程为四阶偏微分方程 为了进行数值分析 需将其转化为二 阶常微分方程组 为此采用r i t z 法 引入钢轨正则振型坐标 应用简支梁的正则 振型函数 最后可得钢轨振型坐标微分方程组的详细形式为 吼 喜c 匕g t 鬈虼能 f 罢 竽 4 吼o 喜k k 一 鬈瓦 一b 一 一 3 2 z c n x e o z k 五传玩p g 也k 3 1 2 轮轨接触关系 在垂直平面内 车辆子系统和轨道子系统之间的耦合作用是通过轮轨接触而 实现的 轮轨垂向作用力由赫兹非线性弹性接触理论来确定 1 p f 击 s z t l 引2 3 3 u 式中g 为轮轨接触常数 对于锥形踏面车轮 g 4 5 7 足以mx 1 0 4 m n 们 3 4 对于磨耗型踏面车轮 g 3 8 6 r 0 1 1 5 1 0 8 m n 2 7 3 3 5 瑟 f 为轮轨闻的弹性压缩量 包括车轮静压量和轮轨相对运动位移两部 分 即 8 z t 酝 瓯 而舷篙旧咐 3 6 l 4 第3 章铁路轨道结构变形对行车安全的影响 式中z 衍 f 为t 时刻第 位车轮的动位移 z b f 为f 时刻第 位车轮下钢轨的动位移 因此 轮轨力可表示为 p p 2 仃 芦1 沪z f 椭 3 n 川 4 3 1 7 l o a z t o 式中 r t 为轮轨表面几何不平顺 轮轨接触应力 o t 研po l 3 3 8 式中 s 为由h e r t z 理论表述的应力常数 n 2 舟 m 2 在r 0 1 5 o 6 m 范围内 对于锥型踏面车轮和磨耗型踏面车轮 s 可分别表示为 吨1 伽兰嚣激2篡纂二 伊9 i 4 9