鐵路運輸

襯砌—砂卵石地層隨動塌落傘拱力學模式研究

郭璇，鄒翠榮，劉保國，等

摘要：目的：襯砌作為地鐵的主體支護結構，圍巖作用的過程壓力及荷載效應是設計的主要難題。城市地鐵環境敏感、注漿及地層擾動重復交叉，水文地質條件復雜，土性參數變化顯著，襯砌結構設計不可避免偏保守；同時伴隨管網不斷擴容，空間有限等客觀制約，其精細化設計的研究也不斷深入。襯砌—砂卵石地層隨動塌落傘拱力學模式研究為其提供一種基礎理論方法和參考。方法：針對北京地鐵既有線穿越松散砂卵石、大顆粒粗砂、粉土互層交替、軟硬不均復合區間段的典型工程特點，開展淺埋襯砌1～3倍洞徑覆土的開挖破壞模型實驗，建立襯砌—砂卵石地層相互作用的隨動塌落傘拱結構力學模型，觀測襯砌周邊隨動滑移區的壓力拱特征，給出砂卵石復合地層地鐵襯砌土壓分布的分區分析。對比理論解、模型試驗及有限元模擬，細化淺埋地鐵襯砌隨動塌落傘拱的應力傳遞過程及主被動土壓作用模式。使用FLAC3D摩擦界面元模擬擾動地層的土壓分區分布、變形及應力傳遞，對比北京地鐵 5號線天壇東門站等拱頂土壓實際監測值，對其臨界滑移松動土壓及荷載模式進行驗證。結果：模型可較好描述滑裂區附近的局部成拱效應及分區土壓折減特征，涵括襯砌—土相互作用的地層擬成拱、漸進塌沉、瞬間塌穿等破壞過程。模型試驗結果表明，隨土體黏聚力和內摩擦角增大，襯砌結構的松動土壓力整體隨之減小，滑切面摩擦力垂直分量增大的微觀特征明顯，隧洞周邊土壓力呈非線性減小。砂卵石復合地層襯砌隨動塌落傘拱力學模式的動態應力傳遞過程可考慮為“擠密成瞬態拱—漸進塌落塌穿—新瞬態拱—塌落塌穿”等破壞模式的組合，擾動至襯砌上部地層全部塌穿至地表，為不成拱情況；成拱情況隨動塌落傘拱可形成非光滑壓力拱線，部分承擔上部土重及附加應力。發現：松散介質巖土體在淺埋隧道覆土臨界滑移狀態下，襯砌結構的松動土壓力均小于Terzaghi理論計算值。FLAC3D模擬顯示，應力模式中隨動塌落傘拱1D～2D范圍的豎向應力產生重分布，臨界滑切面周邊土體豎向應力明顯降低，伴隨應力傳遞過程發生了土壓折減。滑切面摩擦力隨深度增加而增大，轉角處出現明顯突變；摩擦力以轉折點為分界，呈明顯兩區域分布，下部區域摩擦力受兩側土體相對滑移的不同趨勢分別對主被動土壓折減產生相應影響。結論：（1）建立并初步檢驗襯砌—砂卵石地層相互作用的隨動塌落傘拱結構力學模型，細化襯砌周邊隨動滑移區的壓力拱特征，給出砂卵石復合地層地鐵襯砌算例土壓分布的分區分析。（2）臨界滑移狀態下襯砌隨動塌落傘拱應力傳遞模式伴隨成拱架升作用，應力軸旋轉，臨界摩擦角增大；土壓隨埋深增大呈非線性折減；隨動塌落傘拱結構力學模型考慮拱效應應力傳遞，與實測較為接近。（3）隨動塌落傘拱結構力學模型考慮相互作用的過程土壓折減及應力傳遞方式，可簡化襯砌—砂卵石地層超靜定結構的破壞模式，實現變形傘拱附近屈服塑形區向相鄰非屈服彈性應力區傳遞轉移的過程機制，較好描述滑裂區附近的局部成拱效應及分區土壓折減特征。模型解析解、模型實驗、模擬對比給出工程實例土壓折減的平截面分區范圍分布，與實測土壓較吻合，可涵括襯砌—土相互作用中的地層擬成拱、漸進塌沉、瞬間塌穿等漸進破壞過程，為類似的過程土壓荷載取值提供對比參考，初步驗證該力學模式。

來源出版物：鐵道學報, 2016, 38(5): 88-94

入選年份：2016

區間占用檢查邏輯的建模與安全分析

周果，趙會兵

摘要：目的：在軌道電路發生故障或分路不良時，列控中心無法根據軌道電路繼電器的狀態準確判斷區間列車占用情況，進而使得調度中心屏幕上出現所謂故障“紅光帶”和故障“飛車”現象，帶來安全隱患。為降低運行風險提出以軌道占用的4種邏輯狀態判斷占用情況，在列控中心軟件設計中加入占用檢查邏輯層，提高占用狀態判斷的安全性，并定量計算單程危險失效概率。方法：本文結合基于模型的安全分析（MBSA）的思想，提出了基于Markov決策過程（MDP）的系統行為建模和分析方法，首次對列車占用檢查邏輯進行了安全分析和驗證，該方法綜合了以上MBSA方法的技術如下：（1）對包括物理運動行為、正常行為和故障行為在內的3種行為分別進行建模，將系統中所有行為綜合統一到一個建模體系內；（2）對占用邏輯檢查層進行建模，處理來自軌道電路繼電器的設備狀態信息，并向CTC輸出安全的占用邏輯狀態，通過獨立模塊化可降低建模難度；（3）識別綜合行為模型CBM（comprehensive behavior model）中的系統級目標功能和隱患，識別所有可能的故障模式的組合，對其進行基于概率計算樹邏輯PCTL的屬性表達。最后，運用形式驗證工具PRISM對隱患和故障模式進行模型檢驗，生成所有最小割集和危險失效概率。結果：從建模理論顯示，建模方面全部基于 MDP進行，要完整地描述系統的行為，需要包含以下6個方面，（1）物理行為指的是分析對象如列車在場景中實際運動的過程模型，是整個系統行為模型的基礎，以1個5區段區間為基礎。（2）正常行為指的是無故障前提下分析對象作為 1個反應系統（reactive system）對外界環境的響應控制邏輯，該模型中的狀態轉移以概率分布 1執行，狀態值“0”表示無車占用的“空閑”狀態，狀態值“1”表示有車占用的“正常占用”狀態。（3）故障行為指的是分析對象中可能出現的故障模式對應的行為模型，主要的2種故障類型，故障占用和失去分路分別屬于時間性故障和請求性故障，且都是瞬態的，其中的狀態0和1分別表示未發生故障狀態和發生故障狀態。（4）邏輯檢查層模型，由于現在只是根據軌道電路繼電器狀態被動地進行傳輸和顯示該狀態，這導致在軌道電路出現故障時，TCC和CTC無法區分空閑、正常占用、故障占用和失去分路4種真實占用狀態，對這4類狀態的轉移邏輯根據文獻抽象出狀態機模型。（5）對運動模型和正常行為模型的修正就是修正它們的動作觸發條件，注入失效行為的影響后，由失效導致的觸發修正為正常觸發條件與故障觸發條件的或，由無失效保證的觸發修正為無故障條件和故障觸發的與。（6）形成的綜合行為模型是以上修正后模型的并發。結論：對區間占用邏輯的驗證表明，（1）建模過程經過驗證是正確的，即證明在無故障發生時，邏輯狀態能正確反映區間占用情況，且不會導致危險發生。（2）由于故障的獨立并發性，當場景中軌道電路發生故障時，需找出所有可能導致隱患發生的故障組合即最小割集。此時，割集非空時，對64個故障模式的組合進行檢驗，生成狀態572285個，狀態轉移17376014個，模型生成時間1.039 s，屬性檢驗平均時間0.028 s，得到3階以內割集6個，最小割集2個，無單點故障，即邏輯檢查層可對任意的單一故障占用和失去分路故障進行防護，不會出現危險情況，多點故障方面得到3個關鍵危險場景，并提出了加強條件的修改規則。（3）安全分析的最終任務是定量計算危險失效概率值，對 MDP是計算以初始狀態為起點的危險可達概率的最大值。根據廣鐵集團內部統計，可得單程容許危險失效概率，危險失效概率風險在可接受范圍之內。

來源出版物：鐵道學報, 2016, 38(4): 66-73

入選年份：2016