城市轨道交通盾构下穿既有高速铁路的相互作用研究

摘要

城市轨道交通因其快速、便捷、方便、舒适、占地少、载客量大以及运营安全等特点作为支撑城市正常运行的大动脉在全国各大城市得到了迅速大规模的发展。同时，经过高速铁路建设和对既有铁路的高速化改造，我国已拥有全世界最大规模以及最高运营速度的高速铁路网。两者的线路在特定的空间位置不可避免地产生交叉。为了减少土地占用和对既有交通的影响，同时为了降低工程成本和对周围环境的影响，城市轨道交通下穿既有高铁线路成为主要形式，但下穿施工会导致既有高铁线路变形，产生轨道不平顺等现象，影响列车运行的平稳性和乘客的舒适性，并给列车运行安全带来隐患，同时列车的运行会给下穿施工和隧道的运营带来激扰，对两者相互作用关系进行研究显得十分必要。
　　本文以某城市轨道盾构下穿既有高铁线路为工程背景，利用ABAQUS有限元软件对盾构开挖施工进行了仿真，研究了开挖沉降规律;并基于车辆-轨道耦合动力学理论建立了车辆-轨道-路基-下穿隧道耦合精细化动力学模型，分析了隧道开挖施工、运营与既有高速铁路线路列车运行的相互影响。主要研究成果如下:
　　(1)建立了大尺度、精细化、接近工程实际的无砟轨道-路基-地基开挖模型和车辆-无砟轨道-路基-下穿隧道耦合动力学模型
　　基于有限元软件ABAQUS丰富的岩土材料本构模型，建立了无砟轨道-路基-下穿隧道实体模型，利用生死单元技术模拟土体开挖、管片安装、盾尾脱空、壁后注浆等盾构施工过程;依靠轮轨动力学原理，通过Explicit模块罚函数接触属性建立车辆-无砟轨道-路基-下穿隧道耦合动力学模型。
　　(2)揭示了盾构开挖过程中既有高铁轨道结构的沉降规律并考虑不同埋深和开挖半径的影响
　　基于所建立的无砟轨道-路基-地基开挖模型，研究了盾构开挖至距高铁线路不同位置处，既有高铁轨道的沉降规律，并对不同隧道埋深、不同开挖直径的工况进行沉降规律对比分析，结合现有的高速铁路设计规范对开挖导致的不均匀沉降进行评估。
　　(3)分析了盾构开挖至不同位置处和不同速度的高铁列车通过时既有轨道结构和下穿隧道的动力响应
　　在所建立的车辆-无砟轨道-路基-下穿隧道模型基础上，将盾构施工导致的不平顺赋予给无砟轨道结构，探索开挖至距既有高铁线路不同位置处列车运行时轨道结构的动力响应，并对不同速度列车运营进行对比，研究表明，各车辆系统动力指标均在安全范围之内。
　　(4)研究了开挖离缝扩展后各结构的动态响应规律
　　在ABAQUS模型中，离缝区域之外轨道板与砂浆层设置tie绑定接触属性（模拟实际中的“粘结”作用），在离缝区域采用铁路通用的正弦曲线模拟层间离缝，分析了0～15mm离缝量下各结构层的动态响应。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外研究现状

1．2．1 下穿施工对土体影响

1．2．2 隧道施工对线路不平顺影响

1．2．3 列车运行对下穿隧道影响

1．3 本文主要研工作

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究内容

1．3．3 技术路线

第2章 盾构施工理论及有限元软件介绍

2．1 盾构法施工技术与原理

2．1．1 盾构分类及组成

2．1．2 盾构施工的基本原理

2．2 盾构施工引起地层损失原因

2．3 盾构开挖沉降控制措旋

2．4 有限元软件ABAQUS介绍

2．5 本章小结

第3章 盾构下穿高速铁路引起的轨道变形分析

3．1 模型概述

3．1．1 钢轨及扣件系统

3．1．2 无砟道床

3．1．3 路基

3．1．4 地基土体及衬砌

3．2 施工过程模拟

3．3 不同开挖步下各结构变形

3．4 不同半径下轨道变形

3．5 不同埋深下轨道变形

3．6 盾构下穿高速铁路的变形控制标准

3．6．1 路基变形控制标准

3．6．2 轨道变形控制标准

3．7 本章小结

第4章 盾构隧道旋工与高铁列车运行相互作用

4．1 模型建立

4．1．1 车辆模型

4．1．2 轨道不平顺模型

4．1．3 轮轨接触模型

4．2 动力仿真安全限定指标

4．3 盾构施工过程中车辆在不同速度下的响应

4．3．1 左线隧道旋工至线路正下方

4．3．2 左线隧道贯通

4．3．3 右隧道施工至线路正下方

4．3．4 右线隧道贯通

4．4 本章小结

第5章 下穿隧道运营与高铁列车运行相互作用

5．1 列车通过时隧道受力分析

5．2 各结构在不同速度下的响应

5．2．1 车辆动力响应

5．2．2 轨道结构动力响应

5．2．3 路基及衬砌动力响应

5．3 离缝扩展后各结构响应

5．3．1 车辆动力响应

5．3．2 轨道结构动力响应

5．3．3 路基及衬砌动力响应

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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