铁道工程学报

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周福川, 唐红梅

铁道工程学报. 2021, 38(9): 1-6.

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研究目的:软硬相间顺层边坡开挖路堑后常形成滑动灾变现象,特别在工程建设及运营中存在较大安全隐患。极限平衡理论可用于计算软硬相间顺层边坡的安全系数,但难以解释失稳过程中的动态物理机制,而基于弹性理论的能量法可获取边坡准静态阶段的动力学参数。为此,提出一种由滑块和下卧软岩组成的顺层路堑边坡“二元”系统模型,从系统的角度分析裂隙水压力、滑块压缩和剪切形变能等因素的影响,可作为极限平衡法的补充。
研究结论:(1)根据弹性理论获得了顺层路堑边坡的应力场解析式,基于能量平衡原理建立了系统能量增量平衡方程,分析了滑块形变能积聚、释放和下卧软岩能量耗散特征,提出图示法边坡失稳判据;(2)同时考虑滑块压缩变形和剪切变形的动力参数(动能、弹冲剧发速度、平均弹冲加速度和破坏行程),较仅考虑剪切变形的动力参数明显提高(分别约15.7倍、4倍、1.8倍和8.9倍);(3)本研究成果可为铁路、公路等领域的软硬相间顺层路堑边坡突滑失稳动力分析提供理论支撑。

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刚性挡墙平动模式下非饱和土土压力解

夏琼, 巨永前, 王旭

铁道工程学报. 2021, 38(9): 7-13.

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研究目的:目前国内外针对非饱和土土压力的研究,主要以极限状态下的土体为研究对象,未考虑挡土墙位移对土压力的影响,在实际工程的应用中有局限性。本文采用水平分层法,得到墙体向离开填土方向发生平动模式下的非饱和土非极限状态下土压力统一解,为考虑墙体位移的非饱土土压力计算提供一种理论方法。
研究结论:(1)考虑填土重度变化、土拱效应、土层间剪应力,以及黏聚力、摩擦角同墙体位移的非线性函数关系等诸多因素的影响,得到了平动模式下非饱和土土压力强度分布、土压力合力及其作用点的位置的计算式;(2)墙体位移达到极限时,本文理论结果与库仑理论较一致,两种方法对应的主动土压力分布在距墙底0.2H范围内差异明显;(3)是否考虑土拱效应、土层间剪应力对土压力合力大小不产生影响,但对距墙底0.2H范围内主动土压力分布产生影响;(4)本研究成果可应用于平动模式下非饱和填土挡墙土压力的求解计算。

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无砟轨道重载车辆作用下动力学分析

赵星

铁道工程学报. 2021, 38(9): 14-19.

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研究目的:随着我国高速铁路无砟轨道技术的日益成熟且广泛应用,重载无砟轨道技术应用也日趋广泛,重载无砟轨道在列车运行平稳性和安全性、消除有砟轨道对重载运行的不利影响方面有独特优势。本文以重载铁路无砟轨道运输为工程背景,以车辆-轨道耦合动力学理论为基础,采用理论分析、数值模拟等方法对无砟轨道重载车辆作用下动力学分析进行研究,分析不同工况下重载无砟轨道结构的动力性能,对开展重载铁路无砟轨道结构研究具有理论意义和工程应用价值。
研究结论:(1)建立了重载车辆-无砟轨道系统耦合动力学模型,推导系统动力学方程;(2)基于所建立的动力学模型,对不同速度作用下影响动力学响应参数作对比分析;(3)对三种不同轴重下重载车辆在不同轨道谱激励下动力响应进行分析;(4)本研究成果可为重载铁路无砟轨道结构动力学研究分析提供理论依据。

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有砟轨道框架纵向阻力试验研究

井国庆, 王新雨, 谢家乐, 郭云龙

铁道工程学报. 2021, 38(9): 20-23.

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研究目的:道床纵向阻力反映了道床限制轨道纵向位移的能力,直接影响轨道稳定性。为进一步研究有砟轨道框架的纵向阻力特性,本文建立足尺模型,进行一系列试验测试轨排的纵向阻力-位移曲线,探究了轨枕根数、枕盒道砟饱满度和轨枕间距对轨排纵向阻力的影响,并总结提出了纵向阻力增强措施。
研究结论:(1)随着轨枕根数增加,轨排纵向阻力增大,但平均到每根轨枕的纵向阻力减小;(2)砟盒饱满度对轨排纵向阻力影响较大,当砟盒道砟从无变为饱满时,轨排纵向阻力增大83.2%;(3)轨枕间距对轨排纵向阻力的影响明显,当轨枕间距由600 mm减小至500 mm时,纵向阻力增大了12.27%;(4)本文研究成果可应用于有砟轨道的设计、施工与维护,对提高有砟道床稳定性有一定借鉴作用。

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山地齿轨系统结构特点及关键参数选型设计

舒睿洪, 陈志辉, 杨吉忠, 肖飞知

铁道工程学报. 2021, 38(9): 24-28.

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研究目的:为确定山地齿轨交通的系统形式和结构参数,本文通过对不同齿轨系统特点及国外齿轨铁路应用现状分析,选取应用较为广泛且结构较为简单的Strub齿轨系统为研究对象,并基于齿轮齿条啮合原理,结合我国既有山地旅游齿轨铁路线路及车辆等接口参数,重点开展齿轨齿廓、模数、压力角、重合度、齿宽等齿轨结构参数合理选型设计,得到一组推荐用齿轨系统结构参数。
研究结论:(1)Strub齿轨系统齿廓宜采用具有中心距可分性的渐开线型齿廓;(2)推荐齿轨模数值为31.831 mm,压力角取值14.036°,齿轨和齿轮齿宽分别采用60 mm和70 mm;(3)建议重合度不小于1.3,顶隙不小于8 mm,齿侧间隙不小于0,滑动率不超过4;(4)本文研究可为山地齿轨铁路系统结构选型以及关键参数设计提供参考。

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隧道拱部衬砌混凝土浇筑结束控制标准研究

张民庆, 韩静玉, 王水善, 陈文义, 贾大鹏

铁道工程学报. 2021, 38(9): 29-33.

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研究目的:铁路具有“运量大、速度快、成本低”的显著特点,是我国重要的基础设施和大众化交通工具。铁路运输安全一直是人们关注的焦点,隧道作为铁路的重要组成部分,由于其“复杂性高、隐蔽性强”,因此隧道的安全问题更为重要。据不完全统计分析,铁路隧道拱墙衬砌混凝土质量缺陷风险比例最高,约为 61.7%,其中拱墙衬砌混凝土空洞风险比例最大,约为所有隧道运营风险的28.8%,因此,提升隧道衬砌混凝土质量是消除铁路隧道运营安全风险的关键。隧道衬砌混凝土质量缺陷产生的原因很多,影响因素十分复杂,其中衬砌混凝土浇筑结束控制标准是众多影响因素中最关键的一个,为提高隧道衬砌质量水平,需要研究隧道拱部衬砌混凝土浇筑结束控制标准。
研究结论:(1)隧道拱部衬砌混凝土采取有压浇筑方式,可以提高衬砌混凝土的浇筑质量,避免衬砌混凝土背后出现空洞;(2)浇筑压力控制和防脱空预警控制都能实现衬砌混凝土的有压浇筑,现场可结合实际情况,至少选择一种方法作为隧道拱部衬砌混凝土浇筑结束标准,混凝土用量对比方法可作为选用方法使用;(3)结合目前我国铁路隧道衬砌设计,浇筑压力宜采用20 kPa浇筑终压作为控制标准;(4)防脱空预警控制标准为所有声光报警器处于预警状态,继续浇筑混凝土3～5 min,并结合混凝土用量、排气管出浆情况等综合判断混凝土是否浇筑饱满;(5)混凝土用量对比控制标准为实际浇筑混凝土量=理论浇筑混凝土量+1～3 m³;(6)本研究成果可在隧道衬砌施工中推广应用。

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季冻区隧道聚氨酯-波纹板保温套衬技术研究

崔光耀, 麻建飞, 侯占鳌, 王道远

铁道工程学报. 2021, 38(9): 34-40.

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研究目的:如何有效防止冻害发生、发展及致灾,减少冻害引发的次生灾害,保障铁路隧道的安全运营是当前亟待研究和解决的关键问题之一。本文提出一种聚氨酯-波纹板保温套衬,依托某既有客专隧道冻害整治工程进行现场应用,并对其保温效果进行研究。
研究结论:(1)聚氨酯-波纹板保温套衬主要由波纹钢板、聚氨酯保温层及防水层构成,其具有施工速度快、保温效果好、防止混凝土剥落掉块、拆除更换方便等优点;(2)利用自行设计的轨道平板电瓶车、门式脚手架、拱架滑道等施工设备施作聚氨酯-波纹板保温套衬;(3)经现场连续3年温度测试,结果表明,在洞外自然温度-18 ℃～-20 ℃条件下,该隧道现场冻害整治段围岩温度均为正温,二衬与初支交接面温度均大于2.7 ℃,聚氨酯-波纹板保温套衬保温效果明显;(4)本研究成果可为类似工程的冻害整治和防冻设计提供参考。

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隧道掌子面附近涌水量预测研究

傅鹤林, 安鹏涛, 李凯, 李鲒, 余小辉, 陈龙

铁道工程学报. 2021, 38(9): 41-47.

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研究目的:针对二维渗流模型分析隧道掌子面附近渗流场的局限性问题,以掌子面所在平面为分界线,利用反映法将有界含水层用映射原理转变为无界问题,分别构建掌子面前后方涌水简化计算模型。基于流体质量守恒定律、达西定律及线性叠加原理推导涌水量计算公式,并与已有解析公式对比以检验公式的适用性,再对相关参数进行敏感性分析,最后通过与现场实测数据对比检验模型构建的合理性及公式推导的正确性。
研究结论:(1)增加注浆圈厚度或降低其渗透性均对减小掌子面前后方涌水量有利,但掌子面后方对注浆圈厚度及渗透系数要求高于掌子面前方;(2)掌子面前后方涌水量均随隧道内缘水头高度的增加而线性减小;(3)有注浆设计时,掌子面前后方理论计算与实测误差分别为12.8%与5.1%,无注浆设计时,掌子面前后方理论计算与实测误差分别为10.7%及6.9%;(4)本研究成果可为隧道掌子面附近涌水量预测提供理论指导,为掌子面前后方加固设计提供理论依据。

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孤石对大口径水平钻机钻进性能影响研究

郑东, 刘卫华, 黄达, 张晓景

铁道工程学报. 2021, 38(9): 48-53.

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研究目的:大口径水平钻机救援钻进碎石土型塌方体过程中,遇到尺度远比钻机大的孤石(直径 60 cm 以上)时,钻机需穿透石块,其受力性能与钻进正常的塌方体是有很大区别的,会影响救援效率。针对此问题,采用数值模拟分析法,对大口径水平钻机钻进过程遇孤石时DTH 潜孔锤钻头扭矩、阻力和外钻筒扭矩、阻力进行研究。
研究结论:(1)碎石土塌方体含孤石对钻机钻具受力影响较大,DTH 潜孔锤钻头扭矩、阻力和外钻筒扭矩、阻力都发生了成倍的增加;(2)钻机钻进塌方体含有碎石时,钻具的受力远远小于钻进孤石时;(3)钻进过程遇孤石时,应及时进行破碎作业,防止孤石对钻机产生不利影响;(4)本研究成果可应用于隧道塌方应急救援领域,供大口径水平钻机救援借鉴。

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川藏铁路贯通式柔性交流牵引供电系统

林云志, 魏应冬, 李笑倩, 李增勤

铁道工程学报. 2021, 38(9): 54-60.

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研究目的:川藏铁路沿途环境既特殊又复杂,对供电系统的性能要求非常高。本文提出基于静止功率变换器的贯通式柔性牵引供电系统方案,以达到适应川藏铁路特点和需求的目的。
研究结论:(1)从系统设计、运行方式、核心变流器拓扑、控制保护构架和功能方面给出了贯通式柔性牵引供电系统设计方案,能够克服长大坡度过分相、牵引负荷功率极端变化导致的电压损失高和短时峰值功率大等问题,具有高可靠性、高电能质量等优势;(2)以在建的北京大兴机场线贯通式柔性牵引供电系统为工程实例,说明了所提方案的有效性;(3)本研究结论可为川藏铁路等重要特殊场景的牵引供电系统设计提供参考。

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盾构近距离上跨既有隧道施工影响及控制研究

邢慧堂, 徐前卫, 刘浩, 刘毅, 贺翔, 伍兵

铁道工程学报. 2021, 38(9): 61-67.

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研究目的:城市轨道交通建设进入到一定阶段后,遇到盾构隧道近接施工的情况越来越频繁,尤其是新建隧道上跨已建隧道的工程案例,应就其地层分布特征及工程特点研究其普遍性和自身的特殊性。针对济南地铁R2线姜家庄出入场线盾构隧道上跨开源路站—烈士陵园站右线区间既有隧道工程,采用有限元数值仿真对盾构近距离上跨施工组织进行合理化分析,结合实际监测数据验证模拟计算结果,讨论隧道周边预先加固的必要性,并给出适用于济南地区地质条件的盾构掘进参数建议值。
研究结论:(1)为尽量减小上跨施工的不利影响,应合理安排盾构前后推进间隔,本案例中,出场线上跨完全通过再经过约20环间隔后,方让入场线到达上跨区域,变形控制良好;(2)实际监测数据显示上跨施工对既有隧道变形影响不大,说明在不进行预加固处理和既有隧道洞内支撑等措施情况下,仅通过动态调节盾构掘进参数是安全可行的;(3)掘进速度为40~50 mm/min、刀盘扭矩为2 000~4 000 kN·m、总推力为7 000~9 000 kN时,上跨施工下方的既有隧道变形控制更为有效;(4)本研究成果可为类似的盾构上跨工程施工提供参考。

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地铁矿山法隧道长距离侧穿桥梁桩基措施研究

曾东洋, 白东锋

铁道工程学报. 2021, 38(9): 68-73.

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研究目的:以地铁区间隧道长距离并行侧穿邻近桥梁桩基工程为研究背景,本文采取洞内深孔注浆、地面跟踪注浆措施超前预加固隧道洞周围岩,刚度加强以提高初期支护承载力,注浆填充初期支护壁后空洞以减少围岩变形,注浆填充二次衬砌壁后间隙以尽快形成整体永久承载力等措施,辅以三维有限元手段对相关措施进行数值分析。结合现场监测数据,对工程措施的有效性进行验证,并对桥梁的沉降变形和使用安全性进行评价。
研究结论:(1)受土体自承载效应和桩基与隧道距离影响,1号桩位沉降量最大,4号桩位沉降量较小;(2)实测桩基最大沉降量为6.8 mm,横向最大差异沉降量为4.2 mm,纵向最大差异沉降量为2.6 mm,均小于沉降控制指标值,满足正常使用要求;(3)洞周围岩超前加固区可有效提高夹土体承载力,发挥深层隔离作用,减少隧道开挖对桩基的扰动;(4)保持两线隧道掌子面纵向错开50 m,可有效避免在先行隧道扰动围岩尚未稳定情况下后行隧道二次扰动的叠加效应,确保建设安全性;(5)本研究成果可为矿山法隧道侧穿重要建(构)筑物的修建技术和保护措施提供工程借鉴指导。

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绿色铁路工程评价研究的系统回顾与指标探索

唐娟娟, 伍军, 王孟钧, 陈辉华, 刘柏建

铁道工程学报. 2021, 38(9): 74-80.

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研究目的:针对现有研究存在的评价对象碎片化、评价目的模糊性等问题,本文在绿色铁路工程评价国内外文献回顾与梳理基础上,提出目标明确、对象系统的绿色铁路工程评价指标体系建构思路,为研究确立绿色铁路工程重点发展方向提供理论支撑与实践指导。
研究结论:(1)绿色铁路工程评价已有研究基础,但评价标准尚未成熟,需要在碳管理、耐久性、铁路特色等方面深化评价内容;(2)基于行业发展需要明确了绿色铁路工程评价服务于产品认证的作用,从评价对象和目的两方面建构了共识;(3)通过同类工程对比凝练出铁路工程的绿色特点、绿色挑战及绿色需求,结合可持续发展的三重底线原则提出工程本体绿色、建造过程绿色、绿色创新效益、绿色文化治理、绿色示范贡献等评价指标的探索方向;(4)绿色铁路工程评价指标框架,既可应用于快速建构铁路工程项目目标,也可为绿色铁路工程评价标准研究提供借鉴与参考。

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艰险山区铁路机制砂混凝土绿色度评价研究

鲍学英, 李雨浓

铁道工程学报. 2021, 38(9): 81-86.

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研究目的:针对复杂艰险山区铁路工程建设过程中,因天然砂资源分布不均导致的过度开采对沿线江河生态环境造成不利影响、自然资源过度消耗的问题,本文提出一种基于G1法和改进数据包络分析( DEA) 模型的机制砂混凝土绿色等级综合评价方法,以绿色度的大小衡量不同种类机制砂混凝土对于复杂艰险山区铁路工程的适用程度。
研究结论:(1)对于地处艰险山区的铁路工程,选择使用天然砂混凝土对沿线江河生态环境、航运安全及防洪堤安全均不利;(2)艰险山区铁路工程选用机制砂混凝土应考虑其自身性能,主要包括工作性能及配合比、力学性能、耐久性能、干燥收缩及徐变;(3)各种类机制砂混凝土对于艰险山区铁路工程的适用程度应以综合考虑其自身性能、经济收益、社会效益、环境影响及制作工艺等方面为基准的绿色度来确定;(4)本研究成果可为复杂艰险山区铁路工程建设过程中选择使用机制砂混凝土提供参考。

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银西高铁宁夏段边坡绿植防护中的坡向差异性

米维军, 张飞, 贾燕, 丁丰亮, 张小博, 方中虎, 孙梦珂

铁道工程学报. 2021, 38(9): 87-92.

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研究目的:银西高铁宁夏段线路行经黄土塬区、荒漠区、黄灌区,平均蒸发量为平均降雨量的4.3～9.5倍,土壤贫瘠。在该种严酷的自然条件下,根据光照强度、土壤温湿度、植物生长状况等路堤左右侧的坡向性差异,确定边坡绿植的选种、栽植、维养等关键参数,为有效防止荒漠化发展、阻止风沙上道并完善铁路生态文明建设提供技术支撑。
研究结论:(1)银西高铁线路左侧(西向)边坡的光照强度是右侧(东向)边坡的1.28～1.46倍,相应土壤的温湿度分别是1.06～1.13倍、0.93～0.95倍,呈现出明显的坡向差异性;(2)受区域环境及高铁线路坡向差异性的影响,路堤边坡绿植防护中的成活率、密度、盖度等绿植生长指标,在路堤左侧、右侧(西向、东向)的比值分别为0.91～0.96、0.68～0.71、0.31～0.62,出现了相应且明显的差异性;(3)根据路堤边坡绿植防护试验中呈现出的差异性研究结果,建植时选择四翅滨藜、柠条等耐寒、耐碱、耐贫瘠的绿植物种,且在线路西向边坡加强绿植养护工作;(4)本研究成果已应用于银西高铁边坡绿植防护中,并可为干旱与半干旱区线性工程的绿植防护提供技术参考。

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铁路四电BIM建维平台设计及关键技术研究

靳辰琨, 李子龙

铁道工程学报. 2021, 38(9): 93-99.

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研究目的:为解决铁路四电工程施工工期短、参建单位多、涉及专业多、设备种类多、施工协调难度大、后期运维管理要求高等一系列问题,本文从工程建维一体化管理的角度出发,基于BIM技术,融合BIM与GIS模型,通过构建建设阶段BIM关键应用、建设与运维跨阶段BIM模型转换与数据集成和运维阶段BIM深入应用,实现工程施工、运维的可视化、协同化、一体化管理。
研究结论:(1)BIM的IFC数据交换标准及在铁路四电的标准拓展有助于铁路四电工程项目参建各方各个专业基于BIM模型实现跨阶段数据的交换和整合;(2)选用3DTiles作为BIM与GIS信息融合的三维数据标准,BIM与GIS集成融合实现铁路四电工程建设与维护的BIM展示与应用;(3)通过采用过滤几何信息、可视域剔除、分级加载、数据动态调整等BIM模型轻量化技术可剔除冗余数据信息,以简化BIM模型,减轻数据平台负担,有助于提高数据传输与渲染效率和可行性;(4)从工程建维一体化建设管理的角度出发,构建铁路四电工程建维一体化平台,打通建设阶段与运营维护阶段的信息数据,提高了工程的协同管理效率和精细化管理水平;(5)本研究成果可为铁路四电工程的一体化建设运维管理提供参考。

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高铁“流空间”产业经济协调发展DPSIR-SBM分析

刘敬严, 高敏, 赵莉琴

铁道工程学报. 2021, 38(9): 100-105.

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研究目的:在“流空间”视角下,结合DPSIR概念模型与DEA模型构建高铁流空间与区域产业结构协调发展框架,分析高铁流空间与区域产业经济协调发展效率及其影响机理。以DPSIR模型为框架,采用2008—2018年31个省市的面板数据,运用Super-SBM模型运算高铁流空间与区域产业经济协调发展程度,并借助Stata16软件进行回归分析来探讨影响机理。
研究结论:(1)高铁流空间与区域产业经济协同发展呈现出波动发展态势,地区间差异明显;(2)DPSIR模型中驱动力指标、状态指标、政府响应指标对高铁流空间与区域产业经济协同发展影响非常明显;(3)高铁流空间与区域产业经济协同发展,必须重视高铁驱动力效应,发挥政府响应的调控作用,促进产业结构升级;(4)本文研究完善了高铁“流空间”效应测度方法,并从实证角度验证了高铁区域产业经济协调表征,可为高铁规划与产业规划提供借鉴。

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地铁车站建设投资智能预测与控制方法研究

段晓晨, 孟春成, 施振东, 吴曼茜

铁道工程学报. 2021, 38(9): 106-111.

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研究目的:以成都地铁为研究载体,针对地铁车站建设极易出现的投资失控问题,将行业前沿的BIM可视化技术与计算机辅助管理手段综合集成余弦相似度算法、BP神经网络、挣值法和PDCA循环,提出一种地铁车站建设投资的智能预测与控制方法。
研究结论:(1)分析并提取地铁车站建设投资工程特征指标,构建已完地铁车站项目建设投资基础数据库,为后续研究提供数据支持;(2)将余弦相似度算法与BP神经网络相结合,建立地铁车站建设投资智能预测模型,预测精度高,可满足投资目标预测要求;(3)采用挣值法、PDCA循环和BIM技术对地铁车站建设投资进行动态可视化控制,进一步开发了基于BIM辅助管理的地铁车站建设投资动态智能控制系统,可辅助建设管理者实施投资控制与管理决策;(4)本研究可为地铁车站建设投资管理提供参考。

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2021年, 第38卷, 第9期　
刊出日期：2021-09-15

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