[发明专利]一种确定地铁运营列车动荷载与隧道长期沉降的方法

权利要求书

1.一种确定地铁运营列车动荷载与隧道长期沉降的方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，确定地铁运营列车轴动荷载；

第二步，建立荷载-钢轨-扣件-隧道-地基力学耦合模型，确定单次列车对下方土体的加载大小及加载次数；

第三步、建立二维有限元模型，依次进行隧道开挖、列车荷载加载分析步，确定隧道下方土体的初始偏应力和列车荷载引起的动偏应力；

第四步、根据上述步骤的结果，确定隧道下方土体累积塑性应变；

第五步、根据上述步骤的结果，确定列车荷载引起的隧道累积沉降量，并绘制隧道沉降曲线。

2.根据权利要求1所述的确定地铁运营列车动荷载与隧道长期沉降的方法，其特征在于，所述的列车轴动荷载的满足以下公式：P_d＝P_s(1+αv)

其中，P_d为列车轴动荷载；P_s为列车轴重；v为列车的运行速度；α为与速度相关的动力冲击系数，普通线路α取0.005，无缝线路α取0.003。

3.根据权利要求1所述的确定地铁运营列车动荷载与隧道长期沉降的方法，其特征在于，所述的荷载-钢轨-扣件-隧道-地基力学耦合模型是指：对钢轨、隧道分别采用均匀连续的梁模拟，钢轨和道床之间的扣件采用弹簧连接，隧道下方地基采用弹簧模拟；将列车各轴的轴动荷载施加在钢轨上进行力学耦合分析。

4.根据权利要求3所述的确定地铁运营列车动荷载与隧道长期沉降的方法，其特征在于，钢轨抗弯刚度通过以下公式确定：(EI)_r＝E_rI_r，式中，(EI)_r为钢轨抗弯刚度，E_r为钢轨的弹性模量；I_r为钢轨截面惯性矩，通过钢轨横断面的尺寸计算；

隧道抗弯刚度通过以下公式确定:(EI)_t＝ηE_tI_t，式中，(EI)_t为隧道抗弯刚度，E_t为混凝土弹性模量；I_t为隧道截面惯性矩，通过隧道横断面计算；η为纵向刚度有效率，取1/7；

钢轨和道床之间的弹簧间距即扣件间距，该处弹簧刚度k₁为扣件的竖向刚度；隧道下方地基的弹簧刚度通过以下公式确定：k₂＝KD_tl_s，式中K为地基基床系数；D_t为隧道外径；l_s为弹簧间距，与扣件间距一致。

5.根据权利要求1所述的确定地铁运营列车动荷载与隧道长期沉降的方法，其特征在于，所述的单次列车对下方土体的加载大小及加载次数是通过以下方式确定：通过荷载-钢轨-扣件-隧道-地基力学耦合分析，确定隧道下方地基压缩力；以隧道纵向轴线为横轴，以地基压缩力为纵轴，作出地基压缩曲线；地基压缩曲线中最大峰值即为单次列车对下方土体的加载大小，最大峰值出现的次数即为加载次数；若两个峰值之间的最小地基压缩力与峰值之比大于90％，则认为峰值出现的次数为1次。

6.根据权利要求1所述的确定地铁运营列车动荷载与隧道长期沉降的方法，其特征在于，所述的二维有限元模型是指：利用有限元软件建立平面应变条件下的隧道-土体模型并进行有限元网格划分，模型水平范围为隧道埋藏深度的10倍，垂直范围为地表至隧道下方25m处，土体采用弹性模型并赋予相应的重度、弹性模量及泊松比；

所述的隧道开挖分析步是指：将模型中土体单元移除并添加衬砌单元，控制土体损失量在0.5％～1％；

所述的列车荷载加载分析步是指：将列车荷载施加于隧道内部的轨道位置，荷载量为第三步中确定的单次列车对下方土体的加载大小的1/2；

所述的土体初始偏应力是指：隧道开挖分析步后得到的土体的偏应力；

所述的列车荷载引起的动偏应力是指：列车荷载加载分析步后得到的土体偏应力。