铁道工程学报

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张楠

铁道工程学报. 2021, 38(7): 1-5.

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研究目的: 随着城市建设的快速发展,软土地区城市近年来涌现大量土岩组合地层基坑。然而针对此类基坑的受力性状及变形规律的理论研究较少,且尚未有实测研究。为探究此类基坑的变形特点,本文以杭州至富阳城际铁路工程典型土岩组合深基坑为例,结合工程监测数据进行分析研究。
研究结论: (1)土岩组合基坑开挖过程中,岩层段开挖引起的基坑侧向变形量较小;(2)由于岩层的约束限制,基坑整体变形量较小,统计结果显示基坑最大侧向变形出现在0.4~0.65倍坑深位置;(3)基坑的侧向变形随着岩面上抬而减小,最大变形出现位置也随之上移;(4)经实测值与设计值对比,基坑的实测变形明显小于设计值,常规设计方案偏安全,建议对土岩组合大型深基坑工程可采取更有针对性的分析研究,以兼顾安全性与经济性;(5)本研究成果可为类似土岩组合地层深基坑工程设计及优化提供参考。

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路堤下刚性桩复合地基稳定性分析方法研究

张东卿, 薛元, 罗强, 姜浩, 马宏飞

铁道工程学报. 2021, 38(7): 6-11.

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研究目的: 现阶段刚性桩复合地基稳定分析理论工作落后于工程实践,亟需开展路堤下刚性桩复合地基失稳破坏特性及稳定分析方法研究,建立与刚性桩复合地基破坏模式相匹配的稳定分析方法。
研究结论: (1)刚性桩复合地基的失稳破坏模式包括滑移破坏、弯拉破坏、弯压破坏、倾覆破坏以及桩间土绕流破坏;(2)刚性桩复合地基可采用基于破坏模式的稳定性分析方法:计算各种破坏模式对应的抗滑力,其中的最小值即为桩体能够提供的抗滑力,将最小抗滑力代入极限平衡法公式中,即可获得基于破坏模式的稳定系数;(3)刚性桩复合地基边坡至路肩附近位置,桩体以弯折破坏为主,宜增强桩身刚度或加强桩顶横向连系增强稳定性;路堤中心位置的桩以绕流破坏为主,宜缩小间距或者加大桩帽;(4)本研究结论可为工程实践和规范修订提供参考。

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渗流作用对人工冻结土体特性的影响

周洁, 李泽垚, 田万君

铁道工程学报. 2021, 38(7): 12-17.

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研究目的: 当使用人工地层冻结法建设地铁联络通道时,松散含水层中的渗流作用会对冻结土体产生影响。本文使用一种可控制渗流速度的人工冻结制样装置对粉土、粉砂进行冻结制样后,通过对冻结土进行单轴抗压试验并测定含冰量的方法探究渗流对人工冻结粉土、粉砂力学特性的影响,以及两种土质的水分迁移规律。
研究结论: (1)渗流能明显提高粉土的冻结强度和弹性模量;(2)渗流能略微降低粉砂的冻结强度,对冻结粉砂弹性模量的影响不大;(3)对于地铁联络通道的人工冻结工程,渗流可使粉土层产生过量冻结从而造成资源浪费,使粉砂层的冻结壁承载力不足而产生安全风险;(4)本试验结果可辅助地铁联络通道的人工冻结工程进行优化设计、精确预测隧道变形等,从而确保施工安全、节约成本。

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三主桁连续钢桁梁顶推弹性支垫设计研究

梁崇双, 丁仕洪

铁道工程学报. 2021, 38(7): 18-21.

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研究目的: 三主桁连续钢桁梁结构同截面三桁高差对支点反力影响非常敏感,采用顶推法施工时,因滑道梁施工误差、滑道受力下挠变形等因素,三桁滑移支点高差动态变化引起反力改变,影响结构安全。本文以济南黄河公铁两用桥为研究对象,对其高差与支反力的变化规律进行分析,对弹性支垫进行设计研究。
研究结论: (1)钢桁梁中桁相对高度与中桁支反力近似成线性关系;(2)橡胶垫压缩量与压应力关系满足胡克定律;(3)橡胶垫厚度为100 mm,压缩弹性模量不大于180 MPa时,极限工况下可将中桁相对高度从10 mm降低为5.8 mm,有效降低了三桁高差敏感性;(4)橡胶垫抗压强度大于28 MPa、抗剪强度大于2.4 MPa时满足受力要求,通过在其内部设置3块5 mm厚的钢板保证其结构承载能力;(5)本研究对顶推法施工钢桁梁三桁高差控制具有一定的参考意义。

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高速铁路拱承斜拉桥拱塔线形施工控制分析

施洲, 钟美玲, 余万庆, 纪锋

铁道工程学报. 2021, 38(7): 22-27.

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研究目的: 拱塔结构受力与变形复杂,施工控制则是确保成桥线形的关键。以沅江特大桥拱承斜拉桥为依托,建立全桥有限元模型,先采用试算法模拟拱塔竖转就位工况,在其基础上分析拱塔顶推和不顶推两种合龙施工方案下拱塔线形及受力结果。
研究结论: (1)拱塔在转体施工中过转0.007 43 rad能够平衡自重的影响,两种合龙方案线形迭代后,均能实现设计线形1 mm以内误差合龙;合龙后不顶推方案拱塔弯矩及最不利应力明显大于顶推方案;(2)两种方案下拱塔制造线形与设计线形横、竖向最大偏差分别为190.38 mm、162.49 mm和-36.74 mm、36.44 mm,顶推方案下制造线形更接近设计线形;(3)不顶推及顶推方案下,拱塔最大弯矩分别为-60 420 kN·m、-44 452 kN·m,拱塔上、下缘最不利应力分别为-94.5 MPa、-176.0 MPa和-114.0 MPa、-148.0 MPa,顶推方案拱塔基本处于受压状态,上、下缘应力相对均匀,受力更加合理;(4)本研究结果可为后续类似拱塔的施工与控制提供参考。

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横承式便梁法工程应用深化研究

赵志清

铁道工程学报. 2021, 38(7): 28-34.

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研究目的: 目前,加固铁路既有线顶进框构桥多采用传统的D型便梁法,但其存在人工挖孔桩施作困难、安全风险高、地质适应性差、加固体系整体刚度小等问题。本文借鉴和深化研究横承式便梁法的线外钻孔桩支墩与横承梁共同支承线路加固便梁的技术思路,采用钻孔桩支墩结合钢大横梁支承D梁进行线路加固,并将其应用于白银路下穿京包、集包两条既有铁路的立交桥工程中。
研究结论: (1)横承式便梁法可实现快速安拆和重复利用,明显提升铁路线路加固体系的刚度和稳定性,保证施工质量和安全,极大提高施工期间的运营安全;(2)横承式便梁法采用单线单孔整体拼装、整体横移就位的施工工法,将横承梁作为便梁的拼装平台和横移轨道,工序简洁,设备机具要求低;(3)横承式便梁法可解决工程地质复杂、地下水位高、中砂层较厚、施工中极易形成流砂等情况下,采用常规的人工挖孔桩支撑架空体系无法实施的技术难题;(4)借鉴横承式便梁法的技术思路,白银路下穿京包、集包两条既有双线铁路的立交桥工程的线路加固技术,可为横承式便梁法推广应用积累工程经验。

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强风化炭质板岩隧道大变形控制技术研究

王明胜

铁道工程学报. 2021, 38(7): 35-39.

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研究目的: 为进一步探索高地应力软岩隧道大变形控制技术,本文以某隧道强风化炭质板岩段为研究背景,通过数值模拟和现场试验两种方式,对三台阶法(工况1)和超前导洞扩挖法(工况2)两种方案的大变形控制效果进行对比分析。
研究结论: (1)数值模拟与现场试验具有较高的一致性;(2)从隧道变形控制效果来看,工况2的最大变形量相较于工况1减小了10%左右,减小幅度较小,工况1和工况2的最大变形量远小于隧道预留变形量,两个方案控制变形的效果很明显;(3)从施工效率来看,工况2相较于工况1增加了导洞的开挖与支护,施工效率降低了23.07%;(4)综合变形控制效果与施工效率,推荐该隧道强风化炭质板岩段采用三台阶法施工;(5)本研究结果可为强风化炭质板岩隧道工程提供参考和借鉴。

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传热系数及围岩条件对寒区隧道温度场影响

于建游, 王志杰, 蒋新政, 蔡李斌, 刘志忠, 段承刚

铁道工程学报. 2021, 38(7): 40-47.

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研究目的: 以2022年冬奥会重大交通保障项目金家庄特长螺旋隧道为依托,通过现场实测、理论分析和COMSOL数值模拟相结合的方法,建立隧道围岩区的随机裂隙模型,研究传热系数、围岩初始温度、导热系数和比热容对温度场的影响,并建立围岩初始温度与保温层设计厚度间的数学关系式。
研究结论: (1)围岩导热系数和初始温度对径向温度场的影响较传热系数和比热容大,但其温度变化规律均可用Asymptotic1模型表现,导热系数对径向温度场的影响以距离拱顶0.71 m处为界;(2)衬砌与围岩接触面的拱顶温度及平均温度均随着传热系数的增大而减小,随围岩导热系数、初始温度和比热容的增大而增大;(3)冻结深度随围岩导热系数的增大而增大,随初始温度的增大而减小,保温层设计厚度随初始温度的变化可用ExpDec1模型表现;(4)本研究结论可为寒区隧道的设计、施工及后期运营维护提供借鉴参考。

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高水压隧道衬砌背后水压力预测模型研究

袁金秀, 刘炳华, 高新强, 惠云杰, 黄启艳, 曹玉斌, 王道远

铁道工程学报. 2021, 38(7): 48-53.

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研究目的: 以邢和铁路天河山隧道为依托,开展隧道衬砌背后水压力预测模型研究。首先结合地下水动力学理论,考虑“围岩-注浆层-衬砌-防水板-盲管”不同介质渗透特性,理论推导隧道衬砌背后水压力和排水量预测公式;其次通过3DEC离散元验证理论预测模型的合理性;最后对衬砌背后水压力影响因素进行参数敏感性分析。
研究结论: (1)本文提出的衬砌背后水压力预测模型与数值计算结果误差不足10%,可准确预测高水压隧道衬砌背后水压力和排水量;(2)衬砌背后水压力P_ll与k_ss/k_gg和排水量Q_w均呈反比例线性关系;隧道排水量随k_ss/k_gg增大而减小,但非线性关系,其在k_ss/k_gg≤ 75范围内受k_ss/k_gg影响显著;(3)秉承“堵水限排”理念的高水压隧道施工过程中,可通过提升隧道排水量、减小注浆层渗透系数、增大注浆层厚度等组合措施来达到降低衬砌背后水压力的目的,其衬砌减压效果是“排”优于“堵”;(4)本研究成果对高水压隧道设计及施工具有重要的指导意义。

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隧道分岔段爆破掘进技术研究

刘传阳, 杨年华, 崔晋中, 张垒

铁道工程学报. 2021, 38(7): 54-59.

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研究目的: 隧道分岔段因两条单线隧道的中隔岩墙间距非常小,后行隧道爆破掘进后中隔岩墙两面临空,不当的爆破扰动可造成中隔岩墙严重损伤,甚至造成安全事故,因此需要研究适合隧道分岔段爆破掘进方法。
研究结论: (1)结合某铁路隧道分岔段钻爆掘进实践,证明Ⅲ级围岩的中隔岩墙最大爆破振动速度不超过20 cm/s是安全的;钻爆开挖使2.7 m厚中隔岩墙两侧临空后,各侧有0.65~0.9 m的松动损伤区;后行隧道爆破开挖后中隔岩墙侧向位移量达6 mm,并很快趋于稳定;(2)隧道分岔段采用预留光爆层分部开挖法,对中隔岩墙进行信息化跟踪监测,并按监测数据及时优化爆破方案,这是确保中隔岩墙安全的最有效控制爆破方法;(3)本研究成果不仅可用于隧道分岔段,也可用于两条并列小间距隧道的爆破施工中。

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某高铁客站钢结构抗连续倒塌分析

姜锐

铁道工程学报. 2021, 38(7): 60-65.

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研究目的: 大型铁路客站在遭受偶然事件引发局部破坏从而导致连续倒塌时,会造成大量的人员伤亡和经济损失,应对其抗连续倒塌能力进行分析研究。本文以某高铁客站站房和雨棚钢结构体系为研究对象,分别取不同部位的构件作为关键构件,按照规范的拆除构件法进行线性静力分析,旨在通过分析不同构件失效引起的结构破坏情况,判断各构件在抗连续倒塌设计中的重要性,并在设计中有针对性地采取不同的措施。
研究结论: (1)悬挑桁架根部钢柱属于重要的结构构件,其失效会引起结构连续性倒塌,应在设计及后期运营监测中重点考虑;(2)侧式站房与雨棚相接处根部桁架下弦、雨棚柱、雨棚顺轨向主梁等属于比较重要的结构构件,其失效可能引起结构局部破坏或不能满足正常使用的大变形,设计中应考虑一定的安全冗余;(3)侧式站房树状柱属于一般结构构件,其失效不会引起结构破坏;(4)本文方法计算简单、有效,可为类似结构的抗连续倒塌设计提供参考。

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双线盾构近距下穿既有地铁地表位移规律研究

杨万精, 王腾腾, 来弘鹏, 张林杰, 袁野, 罗维

铁道工程学报. 2021, 38(7): 66-73.

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研究目的: 为明确西安地铁5号线南稍门——文艺路区间隧道盾构下穿既有2号线施工过程中地表位移的规律,采用FLAC^3D研究盾构下穿过程中地表沉降与地表水平位移的变化,对比不同工况下的地表沉降及水平位移,从而给出盾构施工的合理参数。
研究结论: (1)盾构下穿施工的地表沉降曲线及水平位移均与普通盾构施工有着显著差异,处于既有隧道周围一定范围内土体的地表位移受既有隧道的影响,其沉降及水平位移曲线量值及形状均发生较大改变;(2)随着盾构施工参数(土仓压力与注浆压力)的增大,地表沉降量不断减小,当土仓压力超过0.18 MPa、注浆压力超过0.16 MPa后,调整施工参数已难对地表沉降起到显著效果,最终确定了0.18 MPa(土仓压力)、0.16 MPa(注浆压力)的施工参数建议值;(3)通过现场监测,地表沉降测线上最大沉降量均满足规范要求,表明施工参数建议值对地表沉降起到了较好的控制效果;(4)本研究成果可为其他地铁盾构下穿施工提供参考。

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地铁不同轨道类型振动传递规律对比研究

曾志平, 黄相东, 王卫东, 朱志辉, 吴志鹏

铁道工程学报. 2021, 38(7): 74-79.

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研究目的: 为克服现场试验对轨道结构振动传递规律评估时存在的误差较大、传感器测点的有限性等问题,并全面研究地铁轨道的动力响应及振动传递规律,采用有限元软件建立普通轨道、中等减振扣件轨道、梯形轨枕轨道、钢弹簧浮置板轨道4种不同轨道-隧道系统,模拟落轴冲击试验,进行不同轨道类型振动传递规律对比研究。
研究结论: (1)普通轨道和中等减振扣件轨道的道床竖向振动加速度最大值明显小于梯形轨枕轨道和钢弹簧浮置板轨道,对于隧道壁的竖向振动加速度最大值,普通轨道、中等减振扣件轨道、梯形轨枕轨道以及钢弹簧浮置板轨道依次降低;(2)钢轨至道床的竖向振动加速度最大值以及动应力最大值传递率均为中等减振扣件轨道最小,普通轨道次之,梯形轨枕轨道和钢弹簧浮置板轨道最大;(3)道床至隧道壁的竖向振动加速度最大值以及动应力最大值传递率均为中等减振扣件轨道最大,梯形轨枕轨道和钢弹簧浮置板轨道明显小于普通轨道和中等减振扣件轨道;(4)本研究成果对地铁轨道设计、选型以及轨道结构优化具有借鉴意义。

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盾构隧道施工对桩基影响的解析理论研究

秦东平, 何平, 张海彦

铁道工程学报. 2021, 38(7): 80-88.

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研究目的: 基于柱体空腔膨胀理论,引入桩侧荷载传递函数前沿成果,深化了地层应力、地层变形和桩侧荷载传递函数的计算表达式,并以此为基础,研究盾构隧道施工影响下桩基的附加轴力、摩阻力、竖向位移的解析理论以及桩基在隧道不同位置处的力学响应规律,同时辅以有限元计算结果进行对比分析。
研究结论: (1)在同一工况、不同荷载传递函数λ值下,桩基附加轴力及附加摩阻力随着λ值的增大而减小,桩基竖向位移不受λ值影响;(2)在不同工况、相同的荷载传递函数λ值下,桩基的竖向位移、桩基附加轴力及附加摩阻力均会随着桩基与隧道的水平距离的增加而减小,竖向位移的减小幅度为0.5 mm/m,附加轴力及附加摩阻力的减小幅度为0.16×2^n/3-1;(3)通过解析计算结果与有限元计算结果对比分析后发现,荷载传递函数λ取值为2可较好地反映盾构隧道施工对桩基的力学和位移影响。

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泥质粉砂岩地层盾构掘进问题及处理措施

高云龙

铁道工程学报. 2021, 38(7): 89-93.

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研究目的: 盾构在中风化泥质粉砂岩地层中掘进时主要遇到了盾构轴线偏差过大、盾构刀盘磨损严重或崩断、地层沉降急剧增大导致地面塌陷、局部基岩裂隙水发育影响施工进度、管片上浮等五方面的工程问题,本文详细分析以上问题发生的机理,并结合工程实践提出切实可行的处理措施。
研究结论: (1)设计时建议加强小半径曲线地段管片配筋,小半径曲线段施工时应特别注意盾构机长、盾尾间隙等控制盾构转弯特性的参数;(2)盾构选型时应提高刀盘、刀具、螺旋输送机等主要部位耐磨设计;应加大刀盘开口率、配置高压冲水装置和搅拌装置,应对结泥饼情况;(3)应加强对出土量、渣土情况的监测,必要时进行停机检查;盾构上方位于土岩结合面时,必须采用保压掘进;(4)应保证盾构机能在保压状态下实现较长距离掘进;(5)应合理控制浆液配比、注浆压力等参数,确保管片轴线不超过控制值;(6)本文研究成果可为泥质粉砂岩中盾构隧道设计、施工提供借鉴与参考。

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考虑停站延误随机性的地铁供电节能优化策略

杨少兵, 张征, 叶晶晶, 吴命利, 周京华

铁道工程学报. 2021, 38(7): 94-99.

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研究目的: 通过合理调整地铁列车时刻表可以提高再生制动电能的利用率,对于地铁节能降耗有重要意义。本文研究停站延误时间的统计特征,依托实测数据构建描述停站延误随机特性的数学模型,将之引入牵引供电网仿真分析,实现基于随机仿真的节能时刻表寻优策略。
研究结论: (1)停站时间是列车时刻表的关键参数,在运行优化中具有决定性作用,其实际值与计划值的差异将显著影响节能效果,本文提出的描述停站时间的实测概率模型,能准确反映运行时间偏差,提高列车时刻表优化的实效性;(2)传统的节能目标函数通常基于牵引变电所总能耗构建,难以评价再生制动电能被相邻列车利用的效果,本文设计了能耗转化率,将之用于节能策略寻优,在最优度和可操作性上具备优势;(3)提出了基于停站时间概率模型的列车时刻表动态描述方法,以遗传算法为例设计了节能策略的优化方案及详细步骤,针对实际运行线路进行了仿真计算和实测分析,验证了所提优化策略的有效性;(4)本文为地铁列车节能运行提供了优化思路与技术方法,在地铁能耗管理及运行图优化等方面具有良好应用前景。

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隧道工程运维成本PSO、BPNN、BIM控制方法研究

段晓晨, 钱睿, 孟楠

铁道工程学报. 2021, 38(7): 100-105.

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研究目的: 现行线性、滞后的定额测算运维成本模式并不能适应运维成本非线性、耦合的时序演变特点和规律。以大道梁隧道为实例验证运维成本估算与控制模型,以期提高维护成本测算的准确性和维修及时性,使得隧道工程结构设施能及时得到维护保养,从而有效降低运维事故发生率,保证实现和延长结构设计寿命和时限。在预测基础上,对运维成本动态发展进行优化控制,并辅以BIM技术可视化控制,从而达到降低并合理控制成本进而提高利润的目的。
研究结论: (1)本文运用PSO聚类、BPNN方法预测,结果表明,项目实际值与预测值的误差满足精度要求;(2)结合PDCA方法动态优化控制运维成本,通过实例运行一年半以来效果分析,总维护成本超支0.87%,验证了隧道运维成本控制模型的准确性和有效性;(3)结合BIM技术,建立运维成本辅助控制系统,帮助管理人员三维可视地管控运维成本。

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京津冀科技创新网络的高铁驱动与模拟研究

朱桃杏, 顼玉卿, 韩佳萌, 葛勇

铁道工程学报. 2021, 38(7): 106-112.

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研究目的: 纵横交错的高铁网络是要素联通的重要支撑,是区域协同创新的脉博。论文通过修正后的引力模型和社会网络分析法研究高铁与非高铁方式下京津冀科技创新联系特征,在此基础上应用系统动力学仿真高速铁路属性对京津冀区域科技创新的影响。
研究结论: (1)高铁条件下的京津冀区域间科技联系明显有所加强;(2)加入延迟函数的SD模拟结果显示高速铁路服务随着时间变化,对区域的科技创新能力的促进效果逐渐提升,说明高速铁路在促进区域科技创新的作用上存在着一定的延迟性特征。但延迟性对科技创新系统存在着负向作用,可能会弱化区域科技创新成果的即时效应;(3)加入阶跃函数表明增加高铁里程密度,对科技创新有促进作用,使得科技创新数量增加,并且增加的百分比逐步提高;(4)本研究结果可为高铁建设资源的空间配置和优化管理提供决策参考。

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2021年, 第38卷, 第7期　
刊出日期：2021-07-15

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