地裂缝场地地铁荷载作用下盾构隧道—地层―地面建筑物振动响应研究

地裂缝场地地铁荷载作用下盾构隧道—地层―地面建筑物振动响应

研究

随着我国城市规模的不断扩大,轨道交通的建设在各大城市广泛兴起,地铁具有快捷、准时和运量大等优点,已成为一种重要的轨道交通形式。然而,随着城市地铁线网的不断加密,地铁运行引起的环境振动和噪声问题日益凸显,地铁列车荷载引起的隧道、地层和地面建筑物动力响应问题成为非常具有现实意义的课题。

由于西安各地铁线路普遍穿越了地裂缝,这使地裂缝场地条件下地铁荷载所致的隧道―地层―地面建筑物动力相互作用问题及体系的振动响应问题显得格外复杂和神秘,该课题是关于特殊场地地铁环境振动问题研究中亟待探明的问题,对地铁工程建设和理论研究有重要意义。本文依托国家自然科学基金项目“地铁动荷载作用下的地层―地裂缝―隧道相互作用研究(批准号:41172257)”,以西安正交穿越地裂缝带的盾构地铁隧道工程为研究背景,设计并开展了地铁荷载作用下隧道―地裂缝―地层―地面建筑物体系相互作用的大型物理模型试验,系统地研究了模型体系的动力响应特征,并通过数值模拟的手段对模型试验的结果进行了补充和验证,基于研究系统的振动响应分析结果,提出了地裂缝场地隧道结构和地面建筑结构的设计建议。

本文主要研究工作和成果如下:(1)总结了地铁运行引起环境振动的一般分析理论,详述了地铁振动数据采集与处理方法、评价指标及其计算方法、相关规范及限值标准等内容,整理了地铁振动在土中和地面建筑物中传播衰减的一般规律。(2)通过模型试验和数值模拟研究,揭示了地裂缝场地地铁荷载引起的动应力在衬砌与土之间及土中的传递与分布规律,得到了地裂缝对土中动应力沿竖向、隧道横向和纵向的影响范围,结果表明,地裂缝场地地铁荷载引起衬砌下卧土层中的动应力远小于重力荷载引起的静应力,但地裂缝附近土中动应力

存在不均匀分布的特征,这容易引起土体的不均匀沉降,从而影响隧道及轨道结构的安全服役。

基于此,提出了跨地裂缝带隧道结构设计和地基土处理的建议。(3)针对西安城区存在大量未探明的隐伏地裂缝的现状,采用数值模拟的手段,揭示了地裂缝出露和隐伏条件下场地地铁振动响应的异同点,同时分析了地铁荷载对地裂缝的影响规律,得到了地铁荷载可能加剧地裂缝上下盘之间相对错动的结论,该研究加深了对地裂缝场地地铁振动响应的认识。

(4)通过模型试验和数值模拟的方法,分析了地裂缝场地地铁荷载作用下土中和地表振动加速度的传播衰减规律,发现了地裂缝对场地的振动加速度响应存在放大和缩小的效应,得到了地裂缝对地表振动加速度的影响范围,同时总结了关于黄土地裂缝场地地铁环境振动分析与评价、轨道减振设防的建议。(5)采用模型试验和数值模拟的方法,从振级、振动加速度级和振动加速度有效值等方面对地裂缝场地地面建筑物的地铁振动响应进行了分析和评价,得到了振动加速度在建筑物内的分布规律,发现了地裂缝对建筑物的振级、振动加速度存在放大和缩小的效应,且建筑物内的z振级普遍超过了相关规范中规定的限值。

(6)基于模型试验的结果分析,得到了地铁行车速度对地裂缝场地和地面建筑物振动响应的影响规律,结果表明,适当降低列车运行速度可以有效地减弱场地和建筑物的振动响应。(7)通过上部建筑结构的振动响应数值模拟,以z振级为评价参量,分析了结构参数对地裂缝场地地铁运行所致建筑物振动响应的影响规律,提出了在地铁沿线地裂缝场地新建建筑物时的结构设计建议。

(8)通过模型试验的手段,得到了地裂缝场地隧道至地表及地面建筑物的振动加速度传递函数。针对地裂缝场地的特殊性,总结了以振动响应传递函数预测法为基础,将数值模拟、模型试验和实地测试手段相结合的地铁环境振动预测方法。