ISSN 1673-0291 CN 11-5258/U
针对新建矩形顶管上穿作用下盾构隧道结构受力和变形特点认识不足的问题，以双线矩形顶管综合管廊上穿地铁盾构隧道工程为背景，通过建立三维有限元模型，研究既有盾构隧道在双线矩形管廊上穿施工诱发下的管片及其接头变形机制.首先，构建接头受力-位移的关系模拟管片间接头的受力变形过程，并以管环承载性能足尺试验验证其有效性.然后，依托工程实例，进一步建立盾构隧道结构-地层三维有限元模型.最后，对比现场监测和数值模拟的结果，全面分析盾构隧道纵向变形、环间错台和接头剪力等规律.研究结果表明：首次穿越的综合管廊诱发的盾构隧道隆起占据主导，而二次穿越的低位箱涵对最大隆起量贡献仅为9%；主要穿越区内管环呈现竖椭圆化收敛变形，拱顶隆起位移最大，分别为拱腰和拱底的1.15倍和1.35倍；盾构隧道沿纵向的隆起曲线呈现“阶梯状”，隆起位移主要以管片环间受剪切产生的错台为主，其中拱顶错台量最大，为拱腰和拱底的1.1倍和2倍；穿越影响区内管片环间接头剪切力呈现非均匀分布，拱顶和拱腰遭受较大剪力，而拱底所受剪力最小；穿越区边缘位置管片环间接头剪切力最大，约为穿越中心区管片环间接头剪切力的2.6~2.8倍.相关研究成果可为新建隧道上穿盾构隧道保护与监测提供支持.
针对城市地铁隧道下穿高速铁路的施工过程中，CFG桩复合路基对地层沉降的响应机理不明确、路基的沉降预测与控制理论缺乏的问题，依托郑州轨道交通8号线盾构区间下穿郑州东站咽喉区工程，提出CFG桩复合路基沉降预测方法.基于地基加固理论，分析CFG桩对路基的加固效果，并通过物理模型试验，研究盾构隧道下穿对高速铁路CFG桩复合路基的影响规律.研究结果表明：CFG桩可以大幅提升路基压缩模量，盾构隧道下穿不会影响CFG桩复合路基的整体性，复合路基的变形规律符合Peck沉降曲线；CFG桩复合路基能够将地层的等效内摩擦角提高约50%，降低约23%的地层沉降量；盾构隧道下穿引起CFG桩复合路基的沉降量最大值为1.65 mm，在盾构隧道掌子面距离路基中线10 m时地层开始发生显著沉降变形，其中83.6%沉降量发生在盾构穿越阶段；盾构远离阶段，路基沉降量仍会继续增大，建议沉降监测持续到沉降稳定.研究结果可为盾构隧道下穿高速铁路CFG桩复合路基的沉降预测和加固处理提供参考.
地表堆载或侧方开挖卸载易诱发盾构隧道病害，影响施工及运营安全.现有研究难以综合定量评价超、卸载作用下盾构隧道的承载性能，其数值模型大多仅考虑环向或纵向接头的单一影响，将接头等效为切向及法向弹簧，难以考虑接头的非线性，或是直接将螺栓嵌入混凝土中，忽略螺栓预紧力的承载贡献，接头精细化程度不足.为此，建立考虑环、纵向接头的盾构隧道精细化数值模型，对顶部超载和侧方卸载工况作用下结构的受力特性和承载性能展开分析，获取不同工况下结构的承载极限及相应的变形阈值，并利用足尺试验验证了数值模型的可行性.研究结果表明：本文数值计算结果与足尺试验吻合良好，二者椭圆度变形差异小于10%；计算精度较仅考虑环向接头影响时提高约6%，较未考虑接头影响时（均质圆环）提高约30%，可实现盾构管片结构变形过程及损伤演化的动态模拟；盾构隧道有一定的富余承载力，当隧道上方超载达138 kPa或侧方压力卸载达26.3%时，结构相应的椭圆度分别为27.4‰和22.1‰，结构达到正常服役的极限状态，当隧道超出正常服役极限状态后，接头塑性铰逐步成型，结构软化并逐渐失效，接缝张开及管片错台也急剧上升；隧道侧方压力卸载达26.3%后，其接缝张开及管片错台曲线不再光滑，侧压卸载超36.8%后，曲线的起伏波动更为明显，隧道侧方卸载过程中结构受力响应更为复杂、敏感.
针对新建盾构下穿高速铁路隧道变形控制难的问题，以石家庄地铁4、5号线以及北京地铁8号线等3个典型的穿越高铁工程为依托，研究下穿高铁隧道沉降变形控制标准.首先，利用有限元软件Midas GTS NX构建精细化的无砟轨道-隧道三维有限元模型，计算盾构下穿整体现浇隧道、盾构法隧道及U型槽段引起的不同沉降工况下的结构内力值，得出满足裂缝宽度限值的结构允许变形值，并且计算了满足规范限值要求的CRTS Ⅱ型和CRTS Ⅲ型轨道结构的允许变形值.然后，利用Abaqus软件构建车轨耦合动力模型，计算不同列车速度和沉降工况下车辆的安全性和舒适性指标，得出轨道高低不平顺允许值.最后，汇总各结构的允许变形值，给出结构沉降变形控制标准.研究结果表明：从结构裂缝宽度限值、轨道10 m弦长高低偏差限值和动力学最敏感指标限值方面计算的既有结构允许变形值能够作为盾构下穿高铁隧道沉降变形的控制标准，可作为现行规范的支撑与补充.研究成果可为类似风险大、要求较严的高速铁路穿越工程项目提供隧道及轨道变形控制值参考.
针对深圳侨城东路宝鹏大型地下互通式立交涉及的300 m2级5车道超大断面隧道，开展施工技术方案及结构受力研究.首先，提出一套“分硐室开挖+衬砌加强支护”的超大断面隧道九硐室开挖施工技术.然后，结合隧道几何尺寸及支护方案，建立Midas三维有限元数值计算模型探究5车道超大断面隧道开挖施工动态力学响应特性.最后，提取隧道各分部结构应力云图，统计特征测点应力及位移监测曲线.研究结果表明：施工期间需采用超前小导管+管棚注浆措施对围岩进行预加固；现场需通过双侧壁导坑+双临时横撑构成九硐室开挖工法，并采用双层初期支护+加强加厚二次衬砌支护方案；现场开挖施工后结构应力与位移呈现快速增加趋势，而后隧掌子面不断前移各统计曲线逐步趋于平稳；围岩压力峰值可达2.01 MPa，拱顶位置超前小导管内力值最大为10 kN，两侧拱腰位置管棚内力最高为20 kN，拱腰及拱脚位置钢拱架内力最大为113 kN，拱肩位置锁脚锚杆内力在第66开挖施工步达到18 kN；初支结构测点应力峰值为2.4 MPa；初支拱顶、拱肩部位沉降峰值分别为12.4、6.8 mm；管棚、锁脚锚杆等结构联合支护效果明显.
针对公路隧道二衬钢筋现场焊接、绑扎效率低、质量控制难度大的弊端，基于直线型混凝土软化本构模型及钢筋应力应变关系，推导得到钢筋混凝土衬砌截面的极限承载力计算式.结合螺栓连接面极限承载力，以应力分布系数作为控制因素，将轴心压缩状态、大小偏心分界点以及纯弯状态时的最危险截面作为特征截面，控制钢筋混凝土截面极限承载力以及螺栓连接面极限承载力在特征截面处的大小，得到连接面处螺栓的设计方法.选取某隧道隧址围岩参数及其断面尺寸、支护参数，运用得到的螺栓设计方法进行螺栓选型并设计连接面处的螺栓分布，给出钢筋预制节段的划分方案，通过数值模拟验证了二衬钢筋装配化螺栓的接头设计的合理性.研究结果表明：钢筋骨架采用螺栓装配化预制连接后，二衬结构的应力进行了重分布，应力与变形的增长速率放缓，并逐渐稳定.最终，左拱肩和左拱脚处的应力分别降低58%和53%，位移量同样有不同程度的降低；在拱底螺栓连接面，应力相较提高，但由于螺栓的高承载性能，隆起量反而有所降低，充分发挥了螺栓的性能，实现了结构优化.
为研究插入道岔施工（Turnout Inserting Construction,TIC）对既有高速道岔锁定轨温（Stress-Free Rail Temperature of Existing high-speed Turnout,SFRTET）的影响，提出基于双向应变法的锁定轨温变化测试方案，推导不同因素影响下的锁定轨温变化测量原理，确定监测数据的处理方法，并开展道岔锁定轨温变化现场试验研究.研究结果表明：基于锁定轨温变化监测方法确定的传感器安装时轨温与实测数据差异仅1.4%，验证了测试方案的合理性和数据处理方法的正确性；高速道岔的锁定轨温会受插入道岔各工序施工的影响，其在轨道结构拆除、轨道结构施工、道岔形位精调和工电联调3个工序中表现出显著的动态变化特征，即锁定轨温经历多次循环变化才达到稳定状态；既有高速道岔锁定轨温受侧股钢轨重新焊接施工影响最为显著，尤其是靠近焊接位置的侧股钢轨，其锁定轨温变化达12.87 ℃，建议侧股钢轨重新焊接工序尽可能选择在轨温接近既有道岔原锁定轨温时开展.
为研究高速铁路轨道板与钢轨之间的时空关联规律，提出变分模态-转换器（Variational Mode Decomposition-Transformer， VMD-T）反演模型，该模型通过分解轨道板振动加速度来反演估计钢轨振动加速度.首先，对数据进行预处理并利用双门限法检测振动端点，分离振动信号与静默信号、干扰信号，再将提取后的振动信号整合输入到VMD-T模型.其次，利用VMD模型将轨道板振动加速度数据分解成一系列不同的子模态，并网格遍历搜索与钢轨振动加速度相关系数最大的子模态，以降低原始数据的复杂度以及非平稳性，提升Transformer模型的特征抽取能力.然后，通过Transformer模型对搜索出的轨道板振动加速度子模态与钢轨振动加速度数据进行反演估计训练.最后，将该模型应用于某城际高速铁路轨道板与钢轨实测振动加速度数据反演估计试验.现场高铁试验结果表明：与单一Transformer模型相比， VMD-T模型均方根误差（Root Mean Squared Error， RMSE）、绝对平均误差（Mean Absolute Error， MAE）及决定系数（R2_score）分别提升近20%、11%及48.1%，特征学习能力更强，反演估计效果更佳，初步实现钢轨垂向振动加速度幅值非接触式监测估计.
为探究地铁钢轨焊缝不平顺对轨道结构振动特性的影响规律，对0.5 mm焊缝不平顺、0.3 mm焊缝不平顺和无焊缝3种工况进行现场动静态测试，对比了3种工况下轨道部件振动响应的时域、频域以及振动传递特性.研究结果表明：测试区段钢轨焊缝不平顺超标较严重，下行超标率超过50%，且钢轨焊缝形态不一，致使地铁振动显著增大；3种工况下振动响应自钢轨传递至隧道壁逐渐降低，说明由于轮轨间相互作用致使振动主要发生在车轮和钢轨之间；测试路段铺设弹性长枕，振动响应损失主要发生在轨枕与道床之间，减振效果较好，焊缝不平顺工况振动响应损失较大；钢轨存在焊缝时各测点低频振动增加且频谱成分更丰富，影响人们乘坐的舒适性；与无焊缝工况对比，0.3 mm焊缝不平顺工况和0.5 mm焊缝不平顺工况下各测点振动量值最大增幅分别为25%、650%；建议应重点关注焊缝施工工艺和现场验收过程，严格控制钢轨焊缝不平顺不超过规范规定的0.3 mm限值要求.
针对城市轨道交通诱发的振动噪声问题，对轨面短波不平顺进行研究.首先，对上海市轨道交通线路轨面短波不平顺实测数据进行零均值化、剔除异常值、消除趋势项等预处理.其次，利用改进的协方差法计算得到轨面短波不平顺功率谱，分析轨道类型、曲线半径及钢轨接头对轨面短波不平顺功率谱分布规律的影响.然后，基于非线性最小二乘法对轨面短波不平顺谱进行拟合.最后，提出我国城市轨道交通轨面短波不平顺统计谱表达式.研究结果表明：直线段接头区轨面短波不平顺功率谱密度曲线在整个分析波长范围内具有较多特征峰值；直线段接头区上、下行短波不平顺功率谱密度值随波长的分布特征和数值相差不大，说明上、下行的轨面不平顺状态基本相同；钢轨的磨耗程度与曲线半径呈负相关，内、外轨面不平顺功率谱密度的差异随曲线半径的增大而减小，曲线半径是影响轨面不平顺状态的主要因素之一；线路类型对轨面短波不平顺功率谱的影响不大，不同曲线半径、焊接接头影响明显，在对轨道进行维护和养护时需关注小曲线半径区段以及焊接接头区段的不平顺状态.
针对自密实混凝土（Self-Compacting Concrete，SCC）灌注过程中出现的轨道板上浮以及扣压装置受力过大的问题，基于耦合的欧拉-拉格朗日（Coupled Eulerian-Lagrangian， CEL）方法，建立直线地段CRTS Ⅲ型板式无砟轨道自密实混凝土灌注过程的流固耦合模型，从理论上研究不同施工参数对自密实混凝土灌注过程的影响规律和机理，重点分析漏斗高度、漏斗数量等参数对填充率、轨道板垂向和横向位移以及扣压装置受力等关键指标的影响. 研究结果表明：漏斗高度与数量的增加均会减少灌注时间、提高施工效率，且增加漏斗数量的效果更明显；单孔灌注时的轨道板最大垂向位移出现在板边中部，双孔灌注时出现在观察孔附近，而最大横向位移仅出现在扣压装置附近；增加漏斗高度导致自密实混凝土对轨道板的压强增大，因而轨道板垂向与横向位移增加，扣压装置的垂向和横向力均增大；与单孔灌注相比，双孔灌注时轨道板上浮量、横向位移以及扣压装置受力明显增大.
大跨度悬索桥在风荷载和大交通流的作用下，极易发生振动.为规避采用并置双缆结构的超大跨度悬索桥在运营期间产生的双缆碰撞风险，研究并置双缆间的振动异步性问题.建立包括车辆子系统、桥梁子系统、风场子系统的风-汽车-桥梁耦合系统动力分析模型，并以某超大跨悬索桥并置双缆方案为例，对比研究横风和随机车流作用下，分离式吊索、共用吊索-缆间铰接和共用吊索-缆间刚接3种吊索方案的主缆振动异步性.研究结果表明：横风是并置双缆振动异步性的主要诱因，并主要呈现为横向振动异步性；共用吊索方案可有效降低横向振动异步性，但会略微增加竖向振动异步性；分离式吊索方案的风致横向振动异步性最大，并置双缆横向靠近量约为净距的1/4，初步判别不存在碰撞风险.
针对人群荷载随机性对行人振动感知的影响，研究随机行走模型中行人感知振动响应动态变化规律.首先，基于随机人群行走模型，建立了考虑行人实感的竖向振动响应分析方法.然后，对比分析不同随机行走模型下行人实感最大振动响应、出现时刻以及位置区间上的变化规律.最后，通过研究行人实感最大振动响应与结构跨中峰值加速度之间的相关关系，定义振动响应折减系数和变异系数，提出行人实感最大振动响应的近似计算方法.研究结果表明：有序排列模型（Ordered Arrangement Model， OAM）、随机到达模型（Stochastic Arrival Model， SAM）、随机分布模型（Stochastic Distribution Mode， SDM）、动态平衡模型（Dynamic Equilibrium Model， DEM）4种人群行走模型下，行人实感的最大加速度响应服从近似的正态分布，OAM的值域范围大于其他3类模型；最大响应出现位置以及出现时刻取决于行人的行走方式，随人群密度增长无明显变化； OAM与SAM分布规律相同，出现时刻主要集中在总时程内的中间段，而SDM与DEM分布相对均匀；行人实感的最大响应计算值与实际值最大误差不超过5%.
为合理地解决环境敏感区铁路线路方案综合优选问题，研究顾及环境敏感特征的铁路线路方案优选方法.首先，基于文献调研和环境敏感区特征探析，分析总结影响线路方案的因素，构建涵盖4大方面18项指标的顾及环境敏感特征的铁路线路方案优选指标体系.其次，在专家经验主观赋权和工程信息客观赋权的基础上，运用灰色关联分析理论进行组合赋权.然后，结合改进优劣解距离法（Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution， TOPSIS ）确定各线路方案的相对贴近度，进而实现线路方案优选.最后，以新建铁路西宁至成都线合作至郎木寺段线路方案选择为例进行优选方法验证.研究结果表明：该区段线路的4个备选方案的相对贴近度依次为0.527 9，0.523 6，0.508 7，0.522 7，方案一的相对贴近度最大为最优方案，基于本方法的优选结果与实际专家论证结果一致；与传统TOPSIS比较，基于改进TOPSIS的运算结果避免了计算结果受单方面优势指标影响的弊端，在运算过程中将线路方案涉及的极端优劣指标进行综合权衡考量，得到的运算结果更贴近实际情况.研究成果可为未来环境敏感区线路方案优选问题提供一种新的优选思路.
针对列车运行受到干扰下运行图调整问题，对前继列车晚点条件下换乘客流的接续方案进行研究，将换乘客流和在车客流影响最小化作为优化目标对列车运行图进行相应调整.在前继列车晚点条件下，假定换乘客流既可以换乘到原接续列车，也可以选择其他符合换乘条件的列车，建立所有列车上的旅客延误时间最小和换乘失败旅客数量最少的多目标模型，以期在保证换乘成功的前提下最小化列车运行计划调整.以京沪高铁和郑徐高铁上行部分区段为例验证模型的有效性.研究结果表明：当考虑列车总调整时间和换乘客流失败成本相互制约关系时，可以通过增加列车运行调整时间来提高换乘成功客流量；当考虑所有列车上的旅客延误时间和换乘旅客失败成本相互制约关系时，可以通过牺牲部分换乘旅客来减少在车旅客的总延误时间；当其他接续列车空余席位大幅减少时，接续方案倾向于调整原接续列车的到发时刻，避免换乘失败的旅客量大幅增加.
针对民航碳排放问题，对民航客运碳排放影响因素进行研究，构建飞机碳排放因子模型，选取保有量较高的典型机型进行实证研究，分析机型大小、航程、客座率、经停次数对碳排放因子的影响.研究结果表明：飞行器技术提升、客座率、平均运距、大型飞机的比例上升，我国民航客运碳排放因子呈下降趋势；仅改变航程时，碳排放因子随航程增加而下降，2 000 km航程下典型机型A330、B787、A321、B737满载且以额定巡航速度飞行的碳排放因子较800 km下降13%~22%；仅改变经停次数时，碳排放因子随经停次数增加而增大，且大型飞机经停的碳排放因子增幅更大，1 000 km航程下，A330、A321满载时经停1次碳排放因子较直达时分别增加约31%、19%；经停导致的碳排放因子上升可由经停带来的客座率提升抵消，为保持碳排放因子保持不变，大型飞机所需客座率上升的比例更高，1 500 km航程下，直达航班客座率为50%时，A330、A321机型经停1次的客座率需要分别达到62.1%、57.7%，才能使经停航班的碳排放因子与直达航班保持一致；从碳排放角度考虑，中型客机比大型客机更适合开行经停航班.
高速公路匝道收费站全域交织比例和换道次数较高，通常会产生小区域内的排队现象，给收费站带来拥堵压力.为实时量化匝道收费站全域的排队状况，提出1种匝道口-站前广场的车辆排队计算方法.首先，分析匝道收费站不同区域内产生排队的影响因素，选择车辆在收费站的平均行驶时间、电子不停车收费系统（Electronic Toll Collection，ETC）服务时间和人工半自动收费车道（Manual Toll Collection，MTC）服务时间作为收费站非拥堵自由流时间.其次，结合匝道的驶入率和收费站的驶出率，构建包括匝道出口、单类型收费车道和站前广场3个排队子系统的匝道收费站全域动态网络负载排队模型.然后，确定匝道收费站的排队阈值计算方法，并依据该阈值将收费站划分为非拥堵和拥堵两个状态，为收费站管理者提供预警信息.最后，通过实地交通调查数据以及仿真模拟数据对模型的有效性进行验证.研究结果表明：全域排队模型对于匝道口排队处于5辆车以内、站前广场的排队车辆在17辆车以内时的计算精度较高.当排队阈值大于0.85时收费站处于拥堵状态.
在逐步推行出租车全面电动化的背景下，针对目前对纯电动出租车行驶状态评估的不足，建立一种基于运动学片段的纯电动出租车行驶特征模式挖掘方法，研究纯电动出租车行驶状态特征.首先，基于行驶轨迹GPS数据，从速度特征、加减速和行驶状态3个方面，确定超速比例、加减速频率、行驶速度、怠速时间占比等13个特征指标刻画运动学片段，建立纯电动出租车运动学片段提取方法，研究纯电动出租车行驶状态特征.然后，根据行驶特征指标主成分的特征值大小及累积贡献率，确定关键特征指标，结合K-均值聚类算法，生成多时空场景下的纯电动出租车行驶特征模式，综合评价车辆行驶状态.最后，以深圳市共计9天采样间隔为1 s的700万条纯电动出租车GPS行驶轨迹数据为驱动，提取了1 757条纯电动出租车运动学片段.根据安全性、效率性和舒适性8个关键特征指标进行聚类分析，生成包含主干路、次干路和支路在早高峰、平峰和晚高峰9种时空场景下27类纯电动汽车行驶状态的特征模式库.研究结果表明：综合安全性、效率性、舒适性3方面，早高峰期间的纯电动出租车综合行驶状态优于平峰和晚高峰时段；基于运动学片段、主成分分析及多时空场景聚类分析的纯电动出租车行驶特征模式挖掘方法，能够有效反映并评估纯电动出租车行驶状态，并向驾驶员提供合理的驾驶建议.
