公交停靠站对相邻车道通行能力的影响-杨晓光

1、公交停靠站对相邻车道通行能力的影响_杨晓光文章编号:1001-4098(202008-0074-06公交停靠站对相邻车道通行能力的影响X杨晓光1,徐辉2,龙科军2,谭振霞2(1.同济大学道路与交通工程重点实验室,上海202004;2.长沙理工大学交通运输工程学院,湖南长沙410076摘要:针对城市道路中路边式与港湾式公交停靠站,由于公交车辆的停靠,对路段相邻车道通行能力将产生一定的影响,结合交通流理论和排队论的相关成果,分别从定性分析与定量计算两方面进行研究。以公交进出停靠站对相邻车道的影响时间为基础,建立了公交影响时间模型,进而推导出路边式、港湾式无溢出、港湾式有溢出三种情况对相邻车道通行能

2、力模型,并通过仿真对模型进行检验。在此基础上,对模型结果、仿真结果在不同公交流量与社会流量条件下进行模型结果分析,给出路边式与港湾式公交停靠站的设置条件。关键词:交通工程;通行能力;公交停靠站;交通流;排队论;仿真中图分类号:u491文献标识码:A公交停靠站是乘客上下公交车最基础的设施,按照设置形式不同可以分为直线式和港湾式两种。直线式停靠站在公交车辆停车时,占用外侧机动车道,使得后续车流不得不变换车道,减少了停靠站相邻机动车道的通行能力1,同时在交通负荷比较高的情况下,机动车变换车道对次外侧机动车道也产生很大的影响;与直线式公交站点相比,港湾式停靠站在一定程度上规范了驾驶员的进站行为,减少公

3、交车辆对旁侧与后续交通的干扰,增加安全性,但是当车道流量达到一定程度时,若采用港湾式停靠站,公交车将无法驶回原来的路线,使公交车的延误加大,此外,公交车在进出停靠站的过程中争道抢行,社会车辆为了保证安全又不得不对其施行避让,增加了相邻车道社会车辆的延误,严重影响了相邻车道的通行能力。这两种设置模式在交通负荷高的情况下容易形成时空上的瓶颈,造成交通阻塞。国内外学者对此进行了大量研究,LarryA.Bowman和MarkA.Turnquist2对无公交专用道的非港湾式停靠站的通行能力进行了研究,得出了通行能力计算模型来评价公交站点处乘客接受服务所需等待时间的灵敏度;通行能力手册(HCM20003中

4、，对公交车辆进出停靠站对道路通行能力影响进行研究，没有考虑公交车的平均停靠时间,以及进出站的加减速所需花费的时间;王茜等4针对公交占用机动车外侧混合车道停靠的情况进行了定量分析，得出了公交停靠损失时间、建立了由于公交停靠引起的信号交叉口通行能力变化模型，彭庆艳等5针对不同的因素对停靠时间的影响，建立了公交中途停靠站时间模型;杨孝宽等6利用公交影响时间来建立停靠站对路段通行能力影响模型，但模型中对具体时间是采用调查数据拟合。综上所述，国内外学者对停靠站通行能力以及停靠时间的研究较多，而对停靠时间对相邻车道通行能力的折减研究相对不足。鉴于此，本文对设在路段上的两种公交停靠站模式的停靠站时间进行分析

5、，得出相应的损失时间模型作为相邻车道通行能力的影响系数，为公交停靠站处相邻车道的通行能力修正提供依据。1公交停靠站车辆运行特性分析公交站点设置模式公交站点的纵横向设置模式有多种，本文主要研究城市道路中路段上常见的路边式与港湾式两种，第一种是不受非机动车影响的路边式公交停靠站，这种站点形式简单、易于设置，此种模式的公交站点影响的是自身所停靠的外侧车道的通行能力，具体设计模式如图1所示;第二种是不受非机动车影响的港湾式公交停靠站，公交车在停第27卷第8期(总第188期系统工程Vol.27，No.82020年8月SystemsEngineeringAug.，2020X收稿日期:2020-04-27项

6、目:国家自然科学资助项目（70631002;50608010;湖南省教育厅青年项目（06B006简介:杨晓光（1959-,男，江苏宿迁人，同济大学教授，博士生导师，研究方向:智能交通运输系统，公共交通运输系统，交通系统控制与管理，交通系统分析与设计。靠站上下客时对外侧车道无影响，但是进出停靠站对外侧车道产生影响,此种模式的公交站点影响的是与停车泊位相邻的最外侧车道，具体设计模式如图21JI#r-T-TJ1t1!rT1F-T1I|亠%F1.金殳肾*is1+BbBR=PP丄T.7申b-|inban图1路边式公交停靠站图2港湾式公交停靠站所示。1.2公交进出停靠站运行分析（1路边式公交进出停靠站特性

7、分析对于路边式公交站点，在公交车停靠静止阶段（即开关门和上下客，公交车辆将占用一条车道,形成道路瓶颈，对道路通行能力产生折减，停靠时间越长，道路通行能力折减程度越大。因此,采用公交占用站台时间描述路边式停靠站公交停靠静止阶段对交通流的影响。的TransitCapacityandQualityofServiceManual-2nd7描述的是一个车门的情况,本文新增了上下客车门分开的情况,具体路边式公交停靠时间计算模型如下:td=Pata+Pbtb+toc,任意车门都可以上下客maxPata,Pbtb+toc,上下客车门分开（1其中:td指平均停靠时间（s;Pa指最忙碌车门的下车乘客数（人;ta指

8、下车乘客服务时间（s/人;Pb指最忙碌车门的上车乘客数（人;tb指上车乘客服务时间（s/人;toc指车辆开门和关门时间（s。（2港湾式公交进出停靠站特性分析研究表明公交车辆的到达符合负指数分布,到达率为K,根据调查及经验,公交车辆的停靠时间服从服务率为u的负指数分布。对于港湾式公交停靠站S个停车泊位可以看作是S个服务台数，并且到达的公交车辆均按先后顺序进站，且按照由远至近的停靠原则,这样就能保证停车位得到尽可能充分利用,即只要有停车位空闲,公交车辆就可以进站接受服务。则公交进站过程可以近似用M/M/S排队服务系统来表示，服务强度用Q表示。公交车站只对在该站停留的公交车辆提供服务，而且所有的公交

9、线路的发车频率之和可以表征该站的公交车辆平均到达率，所以有:K=工mi=1(2u=1td(3Q=KSu(4其中:K指研究站点的公交车辆到达率(veh/s;Pi指通过所研究站点的第i条公交线路的发车频率(veh/h;m指通过所研究站点的公交线路总数;u指公交站点对公交车辆的服务率(veh/s。2公交停靠站对相邻车道通行能力影响为了建立更适合城市道路路段公交停靠站对相邻车道通行能力的影响模型,提出以下假设条件:1公交车辆按先后顺序进出停靠站，并且按照由远至近的原则停靠；公交停靠站设置于路段，不受交叉口及沿线进出交通的影响；公交停靠站设置于机动车道最外侧，不受非机动车以及行人的影响;%公交进站、出站

10、认为对相邻车道通行能力产生影响；%公交车出站时需让行机动车道上的社会车辆，待寻找足够的间隙再汇入机动车道;%公交车在进入停靠站之前认为公交车在最外侧车道行驶，无变换车道过程。公交进出站或停靠影响时间本文研究的公交停靠站对相邻车道通行能力影响是基于公交车停靠对道路时间上的消耗，造成通行能力的折减。公交进出站影响时间（Ti是指一个小时内所有公交车停靠某个停靠站的时间之和（对于路边式停靠站或者进出某个停靠站影响时间之和（港湾式停靠站。因此，对于不同类型的停靠站影响时间的计算方法不同。对于路边式公交停靠站而言，公交影响时间指公交车辆停靠后开关门以及上下客时间;对于港湾式公交停靠站而言，分成排队无溢出与

11、排队有溢出两种情况分析:对于排队无溢出的公交影响时间指的是减速进站、加速离站与出站寻找足够的车流间隙而引起停车延误的时间之和，对于排队有溢出的情况，则需再加上排队溢出公交车等待进站的时间。则公交影响时间对相邻车道通行能力的折减率用f表示,代表的是公交一个小时内总的影响时间所占的百分比，即:f=Ti3600（5其中:Ti表示公交进出或停靠影响的时间，下标i代表不同停靠类型。75第8期杨晓光,徐辉等:公交停靠站对相邻车道通行能力的影响相邻车道通行能力影响模型（1通行能力计算模型无论是路边式还是港湾式,都是由于公交车进出站及停靠造成对相邻车道的通行能力影响,所以可以用式(6来计算相邻车道通行能力值;

12、然后分别对路边式与港湾式公交停靠站两种停靠影响时间进行详细的研究,建立公交影响时间模型。C=Cp(1-f=Cp(1-Ti3600(6其中:C指道路设计通行能力(pcu/h;Cp为道路可能通行能力(pcu/h。(2路边式停靠站对相邻车道通行能力影响根据以上分析可知,路边式公交停靠站影响公交车所停靠的车道通行能力,影响时间为公交停靠静止阶段的时间之和,分别有两种情况:一种是当公交停靠时间小于道路车流的平均车头时距,则认为对道路没有影响;另一种是当公交停靠时间大于道路车流的平均车头时距时,则公交停靠对道路通行能力产生影响。假设所研究机动车道的车流量为ql(veh/h,停车时间为td(s，则机动车道的

13、平均车头时距htl可表示为：htl=3600ql(7路边式停靠站公车停靠影响时间模型为:Tl=K(td-htl=0,tdhtlK(td-36001,tdht1(8其中:T1表示一小时内路边式公交停靠上下客与开关门的时间之和。则根据式(5、式(6、式(8可得路边式公交停靠站影响相邻车道通行能力为:C1=Cp(1-T13600Cp,tdhtlCp1-K(td-3600q13600,tdht1vv(9其中:ci为路边式公交停靠站对相邻车道通行能力修正后得出的值(pcu/h,td可通过式(1计算得出。(3港湾式停靠站对相邻车道通行能力影响1假设排队无溢出的情况港湾式停靠站公交车停靠无溢出的影响时间可以

14、通过两个部分来计算,第一部分计算公交进出站对相邻车道的延误时间,第二部分计算公交车出站寻找足够车头间隙而停车等待的延误时间,而停靠载客时间认为对相邻车道无影响。进出站加减速延误时间:进站延误时间是指平均行驶速度为V减速到速度为0的情况,则延误时间为:Dd二Jt0-aidt+0vdt=t-ad2vt2(10由于t=Vad,则可以推导出进站延误时间为:Dd=v2ad(11同理可得:加速出站延误时间为:Da=2aa(12所以进出站总的延误时间为:tad=v2aa+v2ab=v2(1aa+1ab(13其中:tad为进出站延误总时间(s,Da、Dd分别为加速损失时间和减速损失时间(s；v为行驶速度(m/

15、s;aa、ad分别为起动平均加速度(m/s2、制动平均减速度(m/s2。若考虑公交停靠受自行车或其它交通流干扰时,tad的取值应适当增加。出站停车延误时间:公交出站延误时间是指由于相邻车道的机动车辆没有足够的车头间隙,使得公交车进入相邻机动车道而造成停车的损失时间。由间隙接受理论8-9与排队论10可知,将等待时间看成一个M/M/1的排队系统中的延误时间，设相邻机动车车道的交通流量为q2(veh/h,而公交车辆从公交车站进入机动车道所需的临界间隔为S(s,机动车车头时距服从负指数分布,则有：P(ht2S=eq2S3600(14ts=E(t=1q23600e-q2S36003600q2-S(15由

16、式(7和式(15可得出：ts=E(t=ht2e-q2-ht2-S(16其中:ts为公交出站停车延误时间(s,ht2为相邻车道平均车头时距(s。则由式(13和式(16可得出港湾式停靠站公交车无溢出的总停靠影响时间为:T2=K(tad+ts=K112(1aa+1ab+ht2e-q2S-ht2-S(17有溢出的情况公交有溢出的情况可近似用排队论的知识来建立公交车辆的排队等待时间,则公交站点的排队系统可以用M/M/S系统进行近似分析。根据排队论中生灭过程的平衡分布11可得:P0=n=01n!Kun+1s!(1-QKus(18其中:P0表示没有公交车等待的概率。根据李太勒(Little公式可以推导出溢出

17、公交车平均等待时间为：76系统工程2020年tw=Lq=zn=s(n-sPnKzgn=sn-ssn-ss!KunP0K(sQsQP0s!(1-Q2K(19其中:tw表示溢出公交车平均等待时间(s,Lq为平均排队长度(皿,n表示排队的车辆数（veh。另外,当公交出站不满足可接受间隙时,公交车必须等待,即为式(16的停车延误时间,本小节研究的是公交车辆有溢出的情况,当公交出站等待时认为路边等待进站的公交车辆不能顺利进站,所以停车时间还需再加上出站延误时间。因此,对于排队有溢出的公交车总影响时间可由式(17和式19得出:T3=K(t2+tw=Kv2(1aa+1ab+2(ht2e-q2S-ht2-S+

18、(sQsQP0s!(1-Q2K(20将T2和T3代入式(6可以分别计算出港湾式公交停靠站排队无溢出与排队有溢出对相邻车道通行能力值。C2=Cp(1-T13600Cp1Kv2(1aa+1ab+ht2e-q2S-ht2-S3600,无溢出1-Kv2(laa+1ab+2(ht2e-q2S-ht2-S+(sQsQP0s!(1-Q2K3600有溢出(21其中:C2为港湾式公交停靠站对相邻车道通行能力修正后得出的值(pcu/h。3模型检验综上所述，考虑两种公交停靠站设计模型影响下对相邻车道通行能力计算方法主要由3部分构成J路边式公交停靠站对相邻车道通行能力影响模型;港湾式公交停靠站无溢出对相邻车道通行能力

19、影响模型；港湾式公交停靠站排队溢出对相邻车道通行能力影响模型。下面用仿真的方法对这3个模型进行检验，比较在各种相同输入条件下，模型计算结果与仿真结果之间的差异。所采用的仿真软件为VISSIM4.30，通过调整驾驶员行为参数及车速，对公交车辆不同到达频率得出的公交影响时间所占比例进行标定，以保证计算模型和仿真具有相同的输入条件。3.1路边式停靠站对相邻车道二-通行能力影响模型检验本节对2.2节（2中的路边式停靠站对相邻车道通行能力影响模型进行仿真检验。基本参数条件为:公交开关门时间为3s，上下客车门分开，上下客时间为15s，损失时间为2s;公交车辆的到达率K分别取10veh/h、20veh/h、

20、30veh/h湘邻车道的流量选取1001200veh/h。最终用公交影响时间对相邻车道通行能力的折减率（f表示对相邻车道的影响程度，并给出不同公交到达率条件下模型计算结果与仿真结果对比如图3所示,平均误差为3.1%。图3路边式停靠站对相邻车道通行能力模型检验港湾式停靠站排队无溢出对相邻车道通行能力模型检验本节对2.2节（3中的1港湾式停靠站对相邻车道通行能力影响模型进行仿真检验。基本参数条件为:公交车辆进出停靠站的加减速度分别取aa=0.8m/s2、ad=1.5m/s2;公交车辆的平均行驶速度为30km/h倒达率K分别取10veh/h、20veh/h、30veh/h湘邻车道的流量选取10012

21、00veh/h;公交车辆从停靠站进入机动车道所需要的临界间隔为7s,机动车车头时距服从负指数分布。最终用公交影响时间对相邻车道通行能力的折减率（f表示对相邻车道的影响程度，并给出不同公交到达率条件下模型计算结果与仿真结果对比如图4所示，平均误差为2.7%。图4港湾式停靠站无溢出对相邻车道通行能力模型检验港湾式停靠站排队溢出对相邻车道通行能力模型检验本节对2.2节（3中的港湾式停靠站对相邻车道通行能力影响模型进行仿真检验。由于公交溢出港湾停靠站77杨晓光,徐辉等:公交停靠站对相邻车道通行能力的第8期影响情况是基于无溢出的情况，所以，港湾停靠站无溢出基本参数条件都满足，另有基本参数条件为:公交到达

22、率K分别取20veh/h、30veh/h;停靠站服务时间u为20s,停靠站泊位数取S=1,则排队系统为M/M/1系统;相邻车道的流量选取1001200veh/h。用公交影响时间对相邻车道通行能力的折减率(f表示对相邻车道的影响程度，并给出不同公交到达率条件下模型计算结果与仿真结果对比如图5所示，平均误差为2.4%0,27山240.210.180,!50.120.090.060.030.00-公交达到卒为模型结果-11交到达车为30veh/h(5真结卑公交达到率为2D陀h/h梗士堵果一-公交到达率为20veh/hM结果1丄_*一._Ii100200300400500600700SOO900100

23、011D012决相邻机动车到达率仁h/h)图5港湾式停靠站有溢出对相邻车道通行能力模型检验4模型结果分析通过建立模型及对模型的仿真检验证明模型具有较高的准确度，本节将从路边式停靠站、港湾式停靠站两种情况对模型的适应性进行分析4.1路边式停靠站对相邻车道通行能力影响结果分析从图3可以看出，当公交到达率为10veh/h时模型计算结果与仿真值很接近，当社会车辆到达率不大于300veh/h时对相邻车道通行能力没有影响，主要因为公交停靠时间小于社会车辆的平均到达率，当社会车辆到达率大于400veh/h时，曲线变化趋势趋于平缓，对相邻车道通行能力的影响基本为定值。公交到达率为20veh/h、30veh/h

24、时，由于在仿真中车流是随时到达，某些时间段车辆到达数较多或较少造成仿真结果上下波动，但总体与计算结果吻合的较好，而且当社会车辆到达率为200500veh/h影响比较明显;当公交车辆速度为30km/h、社会车辆速度平均为40km/h时，对于某固定到达率的公交车辆的影响时间为定值，从图3中可以看出,当社会车辆到达率为1100veh/h时公交影响时间基本仅与公交车到达率有关，此时外侧车道通行能力也只有1100veh/h，这可作为有路边式公交停靠站影响下的外侧车道设计通行能力建议值。4.2港湾式停靠站对相邻车道相邻机动孚到达率（V血h）Q000.270.240,210.18CL150.120.03CL

25、06CL031002003DQ4QC500600700BOO9001000HOD1200相邻机动车到达至（作远通行能力影响结果分析由于港湾式公交停靠站公交车有无溢出情况变化趋势基于相同，本节将一起分析对相邻车道通行能力的影响。从图4、图5可以看出，模型计算结果与仿真结果吻合的较好，当公交流量达到30veh/h、相邻机动车道流量达到1200veh/h时，公交停靠时间对相邻道路的通行能力折减分别达到24.5%、25.6%，公交车的延误将迅速上升;当相邻机动车流量继续增加时，公交出站将寻找不到足够的车头间隙，公交车将一直在站内等待，使得后续到达的公交车辆在路边排队，后续社会车辆绕过公交车辆继续在外侧

26、车道行驶，以至于公交不能出站形成死循环，此时必须通过拓宽道路等工程手段来解决。同时,本节对于港湾式公交停靠站，当公交车辆达到12veh/h时,将模型计算结果、仿真结果与HCM2000中的平均重返延误进行对比（车辆随机到达,得到的对比如图6所示。结果表明,模型计算结果、仿真结果与HCM结果拟合的很好，而且随着相邻机动车流量的增加,重返延误将迅速增大。图6重返延误在不同到达率下各模型结果对比5结语公交停靠站对道路通行能力具有一定的影响,如果是路边式停靠站且没有设置超车道,公交车辆在站台停靠等待时,则会在路段上产生交通瓶颈,即对于社会车辆来说停靠站路段通行能力小于正常路段的通行能力,公交车辆停靠时间

27、越长,则对相邻车道通行能力影响越大;如果是港湾式停靠站,公交车辆到达率很小时,对社会车辆产生的影响较小,当公交与相邻车道社会车流量不断增加时,公交重返延误加大,后续到达公交车辆在路边排队等待,将对相邻车道通行能力产生严重的折减。论文建立了不同站点形式下对相邻车道通行能力影响,得出了能够定量分析的影响模型,并对模型计算结果与仿真结果进行对比,最终对模型结果进行了分析,给出一些结论。结果表明模型对相邻车道通行能力折减率的计算具有重要的实用价值,分析的结论能够为城市道路建设提供参考依据,减少公交停靠站对道路路段形成的时空瓶颈。现实中公交出站并不一定让行社会车辆,某些公交车78系统工程2020年第8期

28、杨晓光,徐辉等:公交停靠站对相邻车道通行能力的影响抢道出站,迫使路段交通流减速,流量大时可能行成道路交通拥堵,这些问题有待于进一步的研究,今后将对公交停靠站近交叉口设置对道路进出口道通行能力以及交叉口通行能力的影响程度展开深入的研究。79影响分析J.土木工程学报,2003,36(1:5874.5彭庆艳，杨东援.公共汽车中途站停靠时间模型J.长安大学学报(自然科学版,2002,(1:63-65.6杨孝宽，曹静，宫建.公交停靠站对基本路段通行能力影响J.北京工业大学学报,2020,(1:6571.7TCRP.Transitcapacityandqualityofservicemanual-2ndZ

29、.Washington,DC:TransportationResearchBoard,NationalResearchCouncil,2003.8王殿海交通流理论M.北京:人民交通出版社,2002:132148.9张起森，张亚平道路通行能力分析M.北京:人民交通出版社,2002:7296.10运筹学教材编写组运筹学(第三版M.北京：清华大学出版社,2020:301339.11王玮道路交通工程系统分析方法M.北京:人民交通出版社,2020:137163.参考文献:1寇学智.道路通行能力制约因素分析J.华东公路,1999,(2:2527.2BowmanLA,TumquitsMA.Servicefr

30、equency,schedulereliabilityandpassengerwaittimesattransitstopsJ.TransportationResearch:PartA,1981,15(6:465471.3TransportationResearchBoard.Highwaycapacitymanual2000Z.NationalResearchCouncil,2000:27-127-30.4王茜,杨晓光.信号控制交又口进口道公共汽车停靠TheEffectsofBusStopsonCapacityofNeighboringLanesYANGXiao-guang1,XUHui2,

31、LONGKe-jun2,TANZhen-xia2(1.KeyLaboratoryofRoadandTrafficEnganeefingoftheMinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai202004,China;2.CollegeofTraffic&TransportationEngineering,ChangshaUniversityofScience&Technology,Changsha410076,ChinaAbstract:Directedatroadsideandharbor-lebusstopsonurbanroads,thispa

32、permakesqualitativeandquantitativestyanalysisoftheeffectsofthestoppedbusesonthecapacityofneighboringlanesbycombiningtherelatedresultsoftrafficflowtheorywithqueuingtheory.Basedontheeffecttimeofbusstoponthecapacityofneighboringlanes,theeffecttimemodelofbusstationisestablished,fromwhichthreecapacitymod

33、elsofneighboringlanesofroadsideandharborstylebusstops,wherethebusesareoverflowedandunoverflowed,arederivedandtestedwithsimulationmethod.Thenundertheconditionsofdifferentarrivalratesofbusesandcommunityvehicles,theresultsofmodelandsimulationwereanalyzed,andthesettingconditionsofbusstopswerefinallygive

34、n.Keywords:TrafficEngineering;Capacity;BusStation;TrafficFlow;QueuingThoery;Simulation第25卷第3期岩土力学Vol.25No.32004年3月RockandSoilMechanicsMar.2004收稿日期:2002-12-09简介:余振翼,男,1974年生,硕士,从事结构计算机计算与分析的研究。文章编号:1000-7598-(200403044105顶管施工对相邻平行地下管线位移影响因素分析余振翼1,魏纲2(1.宁波市建筑设计研究院,浙江宁波315012;2.浙江大学岩土工程研究所,浙江杭州310027摘要

35、:顶管施工引起的管道周围土体移动会对相邻地下管线造成危害。采用三维有限元方法分析了顶管施工引起的相邻平行地下管线的位移,研究了注浆、纠偏、离顶管距离的远近、地下管线埋深、管线与土体弹性模量比及不同管材对地下管线位移的影响。计算结果表明,注浆与纠偏压力越大,地下管线的位移越大;地下管线距离顶管越远,引起的位移越小;地下管线弹性模量越小,产生的位移越大。关键词:顶管;地下管线;三维有限单元法;土体移动中图分类号:TU470文献标识码:AFactorsanalysisofparallelundergroundpipelinesdisplacementsaffectedbypipejackingYUZ

36、hen-yi1,WEIGang2(1.NingboMunieipalDesignInstituteofArchitecture,Ningbo315012,China;2.InstituteofGeotechnicalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,ChinaAbstract:Theparallelburiedpipelineswillbedamagedbysoilmovementsaroundpipeinducedbypipejacking.Thedisplacementsofparallelburiedpipelinesinduce

37、dbypipejackingareanalyzedby3D-FEM.Displacementsofburiedpipelineaffectedbyinjectionslurry,alignments,thedistancebetweenpipelineandpipejackingaxis,thedepthofburiedpipeline,thematerialsofburiedpipeline,theelasticmodulusratiobetweenburiedpipelineandsoilarestudied.Theanalysisresultsshowthatthemorepressur

38、eofinjectionslurryandalignments,themoredisplacementsofburiedpipeline;themoreburiedpipelineapartfrompipejacking,thelessdisplacementsofburiedpipeline;themoreelasticmodulusofburiedpipeline,themoredisplacementsofundergroundpipeline.Keywords:pipejacking;undergroundpipelines;3D-FEM;soilmovements1引言顶管法施工是借

39、助于主顶油缸及管道中继间等的顶推力,使工具管或掘进机从工作坑内穿过土层,并一直推到接收坑内吊起。与此同时,将紧随工具管或掘进机后的管道埋设在两坑之间,这是一种非开挖的铺设地下管道的施工方法1。顶管施工中经常会遇到顶管设计轴线附近有地下管线的情况。顶管施工会对周围土体产生扰动,引起土体移动,带动相邻的地下管线产生移动。当顶管施工在地下管道中产生的附加应力或变形超出管道的允许应力或变形后,管道就会产生破坏。地层运动对地下管线的影响与顶管轴线和地下管道的相对位置有关,当管道与开挖方向垂直或平行时,其影响最为显著2。地下管线安全性判别方法可以分为两大类:应力判别法和管道张角判别法3,如果已知地下管线的

40、位移就可以采用张角判别法来判断管线是否会因变形过大而造成破裂、漏水或漏气。目前,国内对于顶管施工引起的地下管线位移研究非常少，且通过现场测试得到实测数据非常困难。因此，本文采用三维有限元方法模拟了顶管施工对相邻平行地下管线产生的影响，研究了地下管道的位移模式，对影响地下管线位移的主要因素进行了分析。2三维有限元模型的建立本文采用三维有限元方法模拟土压平衡式顶土力学2004年管在顶进过程中对原有相邻地下管线的影响。土压平衡式顶管是通过机头前方的刀盘切削土体并搅拌，同时由螺旋输土机输出挖掘的土体。掘进机在前进过程中会受到迎面阻力（包括水、土压力。掘进机的出土量和顶进速度对迎面阻力有影响，当顶进速度

41、过快，则迎面阻力会上升。当出土过快时，迎面阻力会下降;而当出土过慢时，迎面阻力则会上升。顶管施工时，周围土体受到的荷载为管壁处沿纵向的摩擦阻力、掘进机的迎面阻力、注浆压力和纠偏时的纠偏作用力。2.1基本假定本文的三维有限元分析建立在以下基本假定的基础上：(1土体为各向同性的连续介质线弹性体，为便于讨论，土体不分层考虑；(2管线为等直径、等壁厚，且不考虑管道接头的影响，管道材料为各向同性的线弹性体；(3土体在自重作用下产生的变形和应力在开挖前已经完成，在弹性计算中不予考虑；(4在顶进过程中不考虑土体变形的时间效应；(5掘进机的迎面阻力为圆形均布荷载，顶管管道与土体间的摩擦阻力以均布切向荷载的形式

42、沿管道纵向均匀分布，顶管纠偏作用力沿掘进机部分均匀分布，注浆压力沿顶管管道纵向均匀分布。(6管道与周围土体紧密接触，即在变形过程中，管与土不产生相对滑动或脱离。2.2有限元网格的划分及参数的选取为方便计算,提高运算速度，可近似认为要分析的结构为一对称结构，则根据结构对称性，计算模型取顶管的一半进行研究。根据工程经验及有限元试算结果，实际计算范围取为:沿X方向取20m,Y方向取20m,Z方向取50m。共划分14950个单元,其中原有地下管线共有1200个单元。如图1,2所示。(1计算模型的位移边界条件计算体的上边界Y=20m，取为自由边界,底边界Y=0m处,约束其Y方向的位移;平面X=0m和X=

43、20m处,约束其X方向的位移;平面Z=0m和Z=-50m处，约束其Z方向的位移。(2计算参数及单元类型土体的弹性模量E=2.0MPa,泊松比p=0.45。土体单元采用空间八节点协调单元。实际工程中常用的地下管线为钢管、铸铁管、混凝土管、PVC管。本文假定管道外径为0.6m,壁厚取16mm，其弹性模量分别为:2.06xl05,9.0 xl04,2.5xl04,2.261xl03MPa;对应的泊松比分别为0.3,0.275,0.17,0.35。考虑到管壁厚度与管径相比很小,可将管道视为薄壁管,故采用壳单元进行有限元分析4。图lXY面网格平面图Fig.lXYFEMmeshplane图2三维网格划分图

44、Fig.23D-FEMmeshsubdivision(3由于顶管机头和衬砌的刚度远大于土体的刚度,考虑到弹性体位移连续性的要求,不考虑顶管机头和衬砌,而以力、位移和边界条件来模拟。(4顶管长度取25m，掘进机长度为3m，顶管外径为1.44m，顶管轴心到地表距离为4m。(5掘进机顶进时,会对周围土层产生剪切力,本文为计算简便,将该剪切力纳入迎面阻力,结合工程经验,取值为0.4MPa;顶管管道与土体间的摩擦阻力取值为3kPa。(6注浆压力取值为0.2MPa,掘进机纠偏对土体产生的压力近似为均布荷载,取值为0.6MPa。3影响地下管线位移的因素分析顶管施工过程中管道周围的土体会受到千斤顶顶进力、注浆

45、压力、纠偏荷载等作用,另外由于土体开挖导致土体应力释放,会引起土体产生移动。地面的位移和浅层地下土体的运动显然会影响到周442第3期余振翼等:顶管施工对相邻平行地下管线位移影响因素分析边管道,带动相邻的平行地下管线移动。地下管线的位移具有“空间”性,呈三维动态分布。地下管线的纵向位移很小,本文的有限元计算结果表明,L=1D,H=4m的钢管最大纵向位移为2.86mm。因此,为了便于分析,可以忽略地下管线的纵向位移,只考虑地下管线的水平和竖向位移。文中L为地下管线中心线到顶管轴线的水平距离;H为地表到地下管线轴心的距离，即埋深;D为顶管管道外地下管线的位移受到注浆、纠偏、离顶管距离的远近、埋深、管

46、线与周围土层的相对刚度、管道材料、顶管施工工艺等诸多因素的影响。为了便于分析规律,本文在考虑某一因素的影响时,假定其它条件不变,比如在考虑地下管线离顶管轴线距离对其位移影响时,均假定地下管线的材质、管径、壁厚、埋深、土质相同。3.1注浆与纠偏对地下管线位移的影响如果顶管施工现场控制得非常好,则对周围地下管线的影响会非常小,但实际施工中由于各种因素不可避免地会对周围土体产生扰动,特别是注浆与纠偏对地下管线的影响,更为显著。纠偏时掘进机轴线偏离原来顶进的轴线方向,产生侧向纠偏荷载。施工中纠偏表现为掘进机对拟偏转方向一侧土体产生挤压,此时,当应力超过等效屈服应力时,就会产生粘塑性变形,导致土体的位移

47、;另一方面,在另一侧则产生间隙,这也引起土体的位移。这两种状态下都会产生土层位移。图3是L=1D,H=4m的钢管在注浆直线顶进与注浆纠偏（向地下管线侧时产生的位移图。水平位移为正值,表示地下管线向远离顶管方向移动;竖向位移为正值,表示地下管线向上移动;随着顶管的顶进,离开挖面的距离由正值变为负值（见图35,数值符号表示意义相同。如图3所示,注浆纠偏产生的地下管道水平和竖向位移要明显大于注浆直线顶进时引起的位移,且注浆、纠偏压力越大,引起的位移越大,所以,应尽可能减小顶管偏斜,采用合适的注浆压力。地下管线的位移与离开挖面的距离有直接关系。随着顶管掘进机的前进,地下管线要向外侧及向上产生移动。约离

48、开挖面距离10m左右时，地下管线开始出现位移,水平位移在开挖面通过以后3m,即掘进机尾部通过时达到最大。竖向位移在2.75m左右达到最大，随后逐渐变小，趋于稳定。说明地下管线在顶管掘进机尾部通过前后最危险,图3注浆与纠偏对地下管线位移的影响Fig.3Displacementsofparallelburiedpipelineaffectedbyinjectionslurryandalignments由于沿顶管前进整根地下管线都会经受这种变形,因此,如果有个别接头较差,则易出现损坏情况。考虑最不利原则,以下计算中都将考虑纠偏。3.2地下管线离顶管距离的远近对其位移的影响图4是钢管在H=4m的情况下

49、改变离顶管距离得到的。从图中可以看出，地下管线离顶管越远,其位移值越小。图4(a表明，地下管线要向外侧移动。水平位移在开挖面前10m(约7D左右开始出现向内的位移，但位移值很小;在离开挖面前5.75m处出现拐点，随后向外侧移动，在离开挖面-3.25m处出现最大水平位移，随后逐渐变小。图4(b表明，地下管线整体上要向上移动,说明顶管施工产生向上的挤压力。在11m出现拐点，最大竖向位移位于开挖面以后-2.75m处。水平位移随距离呈抛物线下降，竖向位移随距离呈近似直线下降，说明离顶管轴线距离对地下管线的水平位移影响要比竖向位移大。3.3不同管材对地下管线位移的影响图5是在H=4m,L=1D情况下采用

50、不同管材得到的。如图所示,管道材料不同对于地下管线位移影响很大，引起的位移从小到大依次为:钢管、铸铁管、混凝土管、PVC管。这说明地下管线的弹性模量越小，与土体的变形协调能力就越强，产生的附加应力就越小5。所以，在其他条件允许的情OnamiaI-Ql上i丄hIQ5fl韦寸OG1-25WTflfM开擢閒眨寓/柿注荼岂性地T日戡高肾挖面腹443L-U岩土力学2004年曲60旳40印Mi1-105Q*5-L0离开整血呃厲丿如g也卜爭住木平位科MsJJ2Iliesm幵擅丙熨离/m*114“(_112520151050-5-10-15-20-25地下管线离开挖面距离/rtir、Lit.Mr1.TTff4

51、fh图4离顶管轴线距离对地下管线位移的影响Fig.4Displacementsofparallelburiedpipelineaffectedbythedistancebetweenpipelineandpipejackingaxis444WWW-10*如131050-i-IO&）迪F習魁水平忖越I234s6*35201510S0-5-10-时擂下甘堂肉汙揑面龜离dm-30!423456，I，八|0人.125201$1050-5-10-15-20-25地下管线离开挖面距离图5管材对地下管线位移的影响Fig.5Displacementsofburiedpipelineaffectedbythem

52、aterialsofburiedpipeline况下,应优先采用弹性模量较小的PVC管。3.4地下管线埋深对地下管线位移的影响图6是L=1D的钢管在埋深不同时得到的。考虑到地下管线的埋深一般为06m,故仅对这一范围内的埋深作了分析。从图6中看出,随着埋深的增加,水平位移先增大,后减小,基本上以顶管轴线为对称线,总体上向外侧移动,说明水平位移跟地下管线离顶管的距离基本呈线性关系。竖向位移图6地下管线最大位移与地下管线埋深的关系Fig.6Relationsbetweenthemaximaldisplacementsofburiedpipelineandthedepthofpipeline随埋深的增

53、大呈反S型，先增大,到埋深2.5m左右处达到最大,随后开始减小，在埋深4.6m处（顶管底部位置为零，再向下则变为负值，在埋深5.3m左右处，又开始增大。说明位于顶管管道底部以下的地下管线要产生向下移动。在埋深3.2m左右最大水平位移与竖向位移相等,3.2m以上最大竖向位移大于最大水平位移,3.2m以下则相反。3.5土体弹性模量的改变对地下管线位移的影响图7是H=4m、L=1D的钢管通过对土体进行加固后得到的。Esj为加固区土体弹性模量;Es为原土体弹性模量。由图7可得，地下管线最大水图7地下管线最大位移与Esj/Es的关系Fig.7Relationsbetweenthemaximaldispl

54、acementsofburiedpipelineandEsj/Es第3期余振翼等:顶管施工对相邻平行地下管线位移影响因素分析平和竖向位移随Esj/Es的比值增大先是急剧减小，在Esj/Es=3时，位移只有Esj/Es=1时的40%左右，随后逐渐缓慢变小，说明Esj/Es对地下管线的位移影响显著。可见，在同等的情况下，通过改良地下管线周边土的土质可有效地控制地下管线位移6。4结语(1顶管施工引起的平行地下管线移动具有空间性，纵向位移极小，主要是水平向与竖向位移。注浆与纠偏对地下管线位移影响很大，注浆、纠偏压力越大，位移也越大。在纠偏情况下，随着开挖面通过前后，地下管线位移会先增大，而后减小直至稳

55、定，峰值出现在掘进机尾部通过前后，这时也是地下管线最危险的时候，并且随着顶管前进，整根地下管线都会经受这种考验。(2地下管线与顶管水平距离越大，其位移值越小。地下管道埋深对地下管线位移影响很大，最大水平位移以顶管轴线为对称线，随着埋深的增大，而呈先增大后减小的趋势，总体上是向外侧移动;最大竖向位移则呈反S形,处于顶管上方时地下管线向上移动;在顶管底部位置减小为零，处于顶管底部以下，则变成垂直向下移动。(3管材不同，引起的地下管线位移值也不同，从小到大排列顺序依次为:钢管、铸铁管、混凝土管、PVC管,弹性模量越小，位移越大。(4地下管线周围土体的弹性模量大小对位移有很大影响，可以通过注浆等方法加

56、固土体，以减小地下管线的位移。另外，还可以通过对地下管线与顶管之间的土体竖向加固，来减小地下管线位移，达到保护的目的。参考文献1余彬泉，陈传灿顶管施工技术(第1版M.北京：人民交通出版社，1998.445445邰勇.开挖隧道引起的地层运动对邻区地下管道的影响硕士学位论文D.上海:同济大学,1989.李大勇,俞建霖,龚晓南.深基坑工程中地下管线的保护问题分析J建筑技术,2002,33(2:95-96.4Fernando.N.S.NJ.P.Carter.ElasticanalysisofburiedpipesundersurfacepatchloadingsJ.JournalofGeotechni

57、calandGeoenvionmentEngineering,1998,124(8:720-728.余振翼,陈水福.软土地区路基下横穿管线的三维有限元分析J.市政技术,2002,(1:20-22.李大勇,龚晓南,张土乔.深基坑工程中地下管线位移影响因素分析J.岩石力学与工程学报,2001,20(增1:1083-1087.大连理工大学硕士学位论文索力变化对斜拉桥特性及承载能力的影响姓名：杨新刚申请学位级别：硕士专业：防灾减灾工程及防护工程指导教师：周晶;冯新20200601大连理1二大学硕七学位论文摘要不论是分析桥梁的结构响应，还是长期监测桥梁的健康状态，一个准确和有效的“基准”有限元模型都是不

58、可缺少的。但由于多年使用，一些斜拉桥的结构、材料等都已经发生变化，仅依靠设计资料不能建立完全反映实际结构状态的模型，所以要依照现场测试结果将初始有限元模型修正为符合现阶段实际情况的有限元模型。对于部分拉索已经偏离设计状态的斜拉桥，还要用数值模拟来研究索力调整的方法。同时，斜拉索由于锈蚀的影响寿命多在20年以下，在使用过程中，如果某一根斜拉索失效则很可能导致结构遭到灾难性的破坏，因而有必要对拉索失效或者在维持正常交通的情况下更换斜拉索的安全性进行研究。本文针对上述问题，主要做了以下内容：介绍了国内外斜拉桥领域研究的现状和存在的一些问题。以黄河胜利大桥为工程背景，简要介绍了桥梁检测的理论、方法和数

59、据处理方法。用ANSYS通用软件的二次开发功能开发了索力修正程序，并使用在黄河胜利大桥的模型修正上。根据胜利大桥设计资料建立了该桥初始有限元模型，在此过程中分析了斜拉桥各种结构体系的特点和模型简化方法。建模过程中发现，施工顺序对成桥状态也有着很大影响。本文通过ANSYS特有的单元生死功能模拟了施工顺序，研究了它对结构状态的影响。初始模型修正以现场测试时各级加载工况下挠度、索力的变化情况作为控制目标，最终建立了能够反映挠度变化、索力变化的全三维基准有限元模型。以该基准模型为基础，分析了桥面挠度对索力变化的敏感性，进而对索力进行了优化，调整了斜拉桥的线形和索力，为今后斜拉桥的索力优化和改善整座桥的

60、工作情况提供了理论参考依据。本文在基准有限元模型的基础上还分析了拉索失效对斜拉桥承载能力和工作状态的影响。分别模拟了88根索各自失效的情况，并比较了失效前后桥梁的静、动力特性变化情况。本文的研究对于斜拉桥换索工程及特殊情况下拉索失效时桥的工作状态分析提供了参考资料。介绍了胜利大桥自身动力特性情况，为今后整座桥梁的健康状态监测奠定基础。关键词:ANSYS;索力优化；施工顺序；线形大连理T大学硕十学位论文StudyonStructuralCharacteristicsandCarryingCapacityofCablestayedBridgeunderChangesinCableForceAbst