铁路运输

衬砌—砂卵石地层随动塌落伞拱力学模式研究

郭璇，邹翠荣，刘保国，等

摘要：目的：衬砌作为地铁的主体支护结构，围岩作用的过程压力及荷载效应是设计的主要难题。城市地铁环境敏感、注浆及地层扰动重复交叉，水文地质条件复杂，土性参数变化显著，衬砌结构设计不可避免偏保守；同时伴随管网不断扩容，空间有限等客观制约，其精细化设计的研究也不断深入。衬砌—砂卵石地层随动塌落伞拱力学模式研究为其提供一种基础理论方法和参考。方法：针对北京地铁既有线穿越松散砂卵石、大颗粒粗砂、粉土互层交替、软硬不均复合区间段的典型工程特点，开展浅埋衬砌1～3倍洞径覆土的开挖破坏模型实验，建立衬砌—砂卵石地层相互作用的随动塌落伞拱结构力学模型，观测衬砌周边随动滑移区的压力拱特征，给出砂卵石复合地层地铁衬砌土压分布的分区分析。对比理论解、模型试验及有限元模拟，细化浅埋地铁衬砌随动塌落伞拱的应力传递过程及主被动土压作用模式。使用FLAC3D摩擦界面元模拟扰动地层的土压分区分布、变形及应力传递，对比北京地铁 5号线天坛东门站等拱顶土压实际监测值，对其临界滑移松动土压及荷载模式进行验证。结果：模型可较好描述滑裂区附近的局部成拱效应及分区土压折减特征，涵括衬砌—土相互作用的地层拟成拱、渐进塌沉、瞬间塌穿等破坏过程。模型试验结果表明，随土体黏聚力和内摩擦角增大，衬砌结构的松动土压力整体随之减小，滑切面摩擦力垂直分量增大的微观特征明显，隧洞周边土压力呈非线性减小。砂卵石复合地层衬砌随动塌落伞拱力学模式的动态应力传递过程可考虑为“挤密成瞬态拱—渐进塌落塌穿—新瞬态拱—塌落塌穿”等破坏模式的组合，扰动至衬砌上部地层全部塌穿至地表，为不成拱情况；成拱情况随动塌落伞拱可形成非光滑压力拱线，部分承担上部土重及附加应力。发现：松散介质岩土体在浅埋隧道覆土临界滑移状态下，衬砌结构的松动土压力均小于Terzaghi理论计算值。FLAC3D模拟显示，应力模式中随动塌落伞拱1D～2D范围的竖向应力产生重分布，临界滑切面周边土体竖向应力明显降低，伴随应力传递过程发生了土压折减。滑切面摩擦力随深度增加而增大，转角处出现明显突变；摩擦力以转折点为分界，呈明显两区域分布，下部区域摩擦力受两侧土体相对滑移的不同趋势分别对主被动土压折减产生相应影响。结论：（1）建立并初步检验衬砌—砂卵石地层相互作用的随动塌落伞拱结构力学模型，细化衬砌周边随动滑移区的压力拱特征，给出砂卵石复合地层地铁衬砌算例土压分布的分区分析。（2）临界滑移状态下衬砌随动塌落伞拱应力传递模式伴随成拱架升作用，应力轴旋转，临界摩擦角增大；土压随埋深增大呈非线性折减；随动塌落伞拱结构力学模型考虑拱效应应力传递，与实测较为接近。（3）随动塌落伞拱结构力学模型考虑相互作用的过程土压折减及应力传递方式，可简化衬砌—砂卵石地层超静定结构的破坏模式，实现变形伞拱附近屈服塑形区向相邻非屈服弹性应力区传递转移的过程机制，较好描述滑裂区附近的局部成拱效应及分区土压折减特征。模型解析解、模型实验、模拟对比给出工程实例土压折减的平截面分区范围分布，与实测土压较吻合，可涵括衬砌—土相互作用中的地层拟成拱、渐进塌沉、瞬间塌穿等渐进破坏过程，为类似的过程土压荷载取值提供对比参考，初步验证该力学模式。

来源出版物：铁道学报, 2016, 38(5): 88-94

入选年份：2016

区间占用检查逻辑的建模与安全分析

周果，赵会兵

摘要：目的：在轨道电路发生故障或分路不良时，列控中心无法根据轨道电路继电器的状态准确判断区间列车占用情况，进而使得调度中心屏幕上出现所谓故障“红光带”和故障“飞车”现象，带来安全隐患。为降低运行风险提出以轨道占用的4种逻辑状态判断占用情况，在列控中心软件设计中加入占用检查逻辑层，提高占用状态判断的安全性，并定量计算单程危险失效概率。方法：本文结合基于模型的安全分析（MBSA）的思想，提出了基于Markov决策过程（MDP）的系统行为建模和分析方法，首次对列车占用检查逻辑进行了安全分析和验证，该方法综合了以上MBSA方法的技术如下：（1）对包括物理运动行为、正常行为和故障行为在内的3种行为分别进行建模，将系统中所有行为综合统一到一个建模体系内；（2）对占用逻辑检查层进行建模，处理来自轨道电路继电器的设备状态信息，并向CTC输出安全的占用逻辑状态，通过独立模块化可降低建模难度；（3）识别综合行为模型CBM（comprehensive behavior model）中的系统级目标功能和隐患，识别所有可能的故障模式的组合，对其进行基于概率计算树逻辑PCTL的属性表达。最后，运用形式验证工具PRISM对隐患和故障模式进行模型检验，生成所有最小割集和危险失效概率。结果：从建模理论显示，建模方面全部基于 MDP进行，要完整地描述系统的行为，需要包含以下6个方面，（1）物理行为指的是分析对象如列车在场景中实际运动的过程模型，是整个系统行为模型的基础，以1个5区段区间为基础。（2）正常行为指的是无故障前提下分析对象作为 1个反应系统（reactive system）对外界环境的响应控制逻辑，该模型中的状态转移以概率分布 1执行，状态值“0”表示无车占用的“空闲”状态，状态值“1”表示有车占用的“正常占用”状态。（3）故障行为指的是分析对象中可能出现的故障模式对应的行为模型，主要的2种故障类型，故障占用和失去分路分别属于时间性故障和请求性故障，且都是瞬态的，其中的状态0和1分别表示未发生故障状态和发生故障状态。（4）逻辑检查层模型，由于现在只是根据轨道电路继电器状态被动地进行传输和显示该状态，这导致在轨道电路出现故障时，TCC和CTC无法区分空闲、正常占用、故障占用和失去分路4种真实占用状态，对这4类状态的转移逻辑根据文献抽象出状态机模型。（5）对运动模型和正常行为模型的修正就是修正它们的动作触发条件，注入失效行为的影响后，由失效导致的触发修正为正常触发条件与故障触发条件的或，由无失效保证的触发修正为无故障条件和故障触发的与。（6）形成的综合行为模型是以上修正后模型的并发。结论：对区间占用逻辑的验证表明，（1）建模过程经过验证是正确的，即证明在无故障发生时，逻辑状态能正确反映区间占用情况，且不会导致危险发生。（2）由于故障的独立并发性，当场景中轨道电路发生故障时，需找出所有可能导致隐患发生的故障组合即最小割集。此时，割集非空时，对64个故障模式的组合进行检验，生成状态572285个，状态转移17376014个，模型生成时间1.039 s，属性检验平均时间0.028 s，得到3阶以内割集6个，最小割集2个，无单点故障，即逻辑检查层可对任意的单一故障占用和失去分路故障进行防护，不会出现危险情况，多点故障方面得到3个关键危险场景，并提出了加强条件的修改规则。（3）安全分析的最终任务是定量计算危险失效概率值，对 MDP是计算以初始状态为起点的危险可达概率的最大值。根据广铁集团内部统计，可得单程容许危险失效概率，危险失效概率风险在可接受范围之内。

来源出版物：铁道学报, 2016, 38(4): 66-73

入选年份：2016