曲线隧道条件下地下列车加减速运行引起的环境振动预测模型及传播规律研究

The environmental vibrations induced by underground trains in urban areas may cause discomfort to people, damage the historic buildings, and interfere with the sensitive equipment. And the environmental effects become more serious due to the variable-speed trains in curved tunnels, so it is important to predict accurately the environmental vibrations in this condition before operation of an underground line. However predicting accurately and efficiently the environmental vibrations induced by the variable-speed trains in curved tunnels is not effectively solved at present. A model will be studied in this project to solve this problem, and this model can be verified by in-situ vibration measurements on metro lines. An analytical train-track model is firstly developed to calculate the dynamic forces on the tunnel invert for various styles of track in frequency-wavenumber domain, induced by the variable-speed trains in curved tunnels. And then the dynamic forces will be applied on a three-dimensional coupled periodic curved finite element-infinite element model to calculate the vibrations in the tunnel and ground. Furthermore, using this model and lots of in-situ vibration measurements on metro lines, the effect on mitigation of vibrations induced by underground trains for various styles of track will be studied due to some factors such as parameter of track, radius of curve, speed of train, acceleration of train, depth of tunnel, and ground condition.

城市地下列车运行引起的环境振动除影响沿线居民的正常生活外，还可能引起建筑物的损伤，干扰精密仪器的正常使用，尤其是曲线隧道内列车加减速条件下，环境振动影响更为严重,所以在线路开通前准确预测这种条件下的环境振动变得非常重要。而如何准确高效地预测曲线隧道内列车加减速条件下的环境振动，目前基本上还没有有效的解决方法。本项目提出一个预测模型，以解决这一难题，并利用运营地铁现场振动测试对此模型进行验证和优化。此模型先利用列车-轨道耦合动力解析模型计算出各种轨道形式下曲线段列车加减速条件下隧道基底上的动荷载，然后将动荷载施加在三维周期性曲线有限元-无限元耦合模型上，计算出隧道及地层中任意一点的振动响应。此外，利用此模型并结合大量的运营地铁现场振动测试研究各种轨道形式下，轨道参数、曲线半径、列车速度、列车加速度、隧道埋深、地层条件等因素对地下列车振动传播的影响规律。

城市地下列车运行引起的环境振动除影响沿线居民的正常生活外，还可能引起建筑物的损伤，干扰精密仪器的正常使用，尤其是曲线隧道内列车加减速条件下，环境振动影响更为严重,所以在线路开通前准确预测这种条件下的环境振动变得非常重要。对于地下列车运行引起的环境振动的预测模型，国内外绝大多数是在直线隧道和列车匀速运行的基本条件下进行的预测，而对于如何准确高效地预测曲线隧道内列车加减速条件下的环境振动，基本上还没有有效的解决方法。本项目提出了一个预测模型，并利用运营地铁现场振动测试对此模型进行了验证。此模型基于轨道的周期性特点先建立列车-轨道耦合动力解析模型，计算出各种轨道形式下曲线段列车加减速条件下隧道基底上的动荷载，然后利用地层在隧道轴向上的周期性特点建立三维周期性有限元-无限元耦合模型，将动荷载施加在三维周期性有限元-无限元耦合模型上，计算出隧道及地层中任意一点的振动响应。此模型成功解决了曲线隧道列车加减速条件下的环境振动预测这一难题，并大大提高预测的效率和准确性。本项目建立的曲线及加减速条件下轨道-隧道-地层动力响应预测模型，经过与北京地铁列车运行引起的隧道及地表振动的现场实测数据对比，此模型的计算结果与实测结果吻合良好，验证了此模型的有效性。利用此模型可以深入研究各种轨道形式、隧道形式、曲线半径、列车速度、列车加速度、隧道埋深、地层条件等因素对地下列车振动传播的影响规律，为地铁的减振设计及环境振动控制提供理论支持和数据支持，应用前景良好。