考虑地基动参数随频率变化的地铁盾构隧道环境振动算法研究

在地铁盾构隧道环境振动计算中，常用的一种方法是以某中间结构为刚性分界，人为地将其割裂成两个或多个子系统，分别讨论各子系统内的振动响应，却很少考虑子系统间的相互耦合关系。但是随着城市轨道交通环境振动问题的日益严重，如何实现对其精确计算已是共同关注的重大难题，其中子系统间动参数相互耦合的作用机理及其模拟方法等问题也已越来越引起学者们的普遍重视。鉴于此，为了在这方面做一些探索性的研究工作，本申请项目将从地基小应变范围内刚度、阻尼比与参振质量随加载频率变化的规律分析入手，研究在车辆-轨道-盾构隧道-地基耦合动力模型和盾构隧道-地基-建筑物有限元模型（或边界元、有限元-边界元或2.5维有限元）之间实现上述地基动参数随加载频率变化的交互运算方法，然后在与实测对比完善算法的基础上，进一步探讨考虑地基动参数随加载频率变化对软土地铁盾构隧道环境振动计算精确度的影响

从软土地铁盾构隧道环境振动与长期沉降的实际工程问题入手，着重阐述实测数据展现出的特殊规律及其与土体动力非线性行为的相关性，并结合当今软土动力非线性与盾构隧道纵向力学的研究成果，尝试建立了考虑地基动参数随应变频响非线性变化的车辆−轨道−盾构隧道−地基垂向耦合动力学理论分析模型，用以研究软土动模量随应变频响非线性变化及其累积变形对地铁盾构隧道系统振动响应的影响规律，并揭示出软土地基与地铁隧道线路动力性能的内在关系。主要结论有：（1）大铁路的环境振动以固定轮轴周期性加载的频率为主，但是对于地铁这类低速线路来说，由于它对轨面平顺性与基础强度的要求不高，所以地铁周边环境的中高频振动相对突出，频带又较宽，影响范围也较广；（2）通过统计我国软土动模量、阻尼比随应变非线性变化的情况可知，不同区域、不同类型软土的动力非线性差异明显，离散性较大。不过，江苏长江以南地区的黏土与武广红黏土之间具有较好的一致性，且又位于规范与地震局的推荐值之间，不失一般性，所以它们均可近似作为我国华东地区软黏土非线性动参数的推荐值；（3）针对我国地铁盾构隧道与长枕埋入式整体道床的特点，基于车辆−轨道耦合动力学理论，并通过引入软黏土动刚度与其动应变关系曲线的数学表达式，建立了可考虑地基动模量非线性变化的三类车辆−轨道−盾构隧道−地基垂向随机振动的理论分析模型；（4）在软土地铁盾构隧道的振动问题中，软土动模量随应变频响非线性变化不仅影响隧道频域振动的幅值大小还影响其频域分布；此外，软土动力非线性对地铁盾构隧道系统振动的影响还与轨面平顺性、隧道纵向抗弯刚度及软土最大动模量密切相关，并随着这些因素的恶化，其影响亦愈发显著；（5）软土地铁盾构隧道纵向不均匀沉降引起的轨面高低变化对车体振动的影响很小，这说明受沉降影响的敏感波长对轨道谱的贡献很小，更加不会恶化地铁环境振动。不过，地基不均匀沉降对地铁盾构隧道纵向刚度的弱化会显著提高隧道的高频振动，或急剧增加隧道的低频振动，所以盾构隧道强度的减弱将提高软土地基内的振动能量，加速扰动与软化地基，使其发生更大的不均匀沉降，继而又反向进一步弱化隧道纵向刚度。如此循环往复的长期相互作用势必将持续恶化软土盾构隧道的沉降与环境振动问题。总之，地基不均匀沉降主要是通过弱化隧道纵向刚度来影响地铁环境振动的。