高速鐵路隧道抑拱結(jié)構(gòu)力學(xué)特性與安全性評價.pdf

1、高速鐵路隧道具有列車運行速度快、斷面大、結(jié)構(gòu)振動更劇烈、可靠性要求高等特點，高速鐵路隧道建設(shè)期間，隧道仰拱的底鼓病害是影響隧道施工安全的重要因素;列車運行期間，在圍巖靜載及列車動載共同作用下隧道仰拱的破壞或急劇擴(kuò)展，直接影響列車運行安全。但由于破壞誘因、過程、機(jī)制及程度的不同，對隧道施工及列車運行安全的影響有著顯著的差異，使得仰拱安全性控制的難度及效果相差懸殊。針對這一系列問題，論文首先從高速鐵路隧道仰拱破壞模式出發(fā)，研究仰拱底鼓破壞機(jī)

2、制及演化規(guī)律，并對其影響因素進(jìn)行分析，提出高速鐵路隧道仰拱設(shè)計原則;其次基于振動波傳播機(jī)理，明確隧道仰拱動力響應(yīng)及衰減規(guī)律;最后提出高速鐵路隧道仰拱安全性評價方法。主要開展工作及研究成果如下:
　　(1)研究了高速鐵路隧道仰拱破壞演化規(guī)律，從受力特征及破壞形態(tài)的角度出發(fā)，提出了隧道仰拱底鼓破壞的基本模式，分別為彎曲張裂型、彎剪拉裂型以及剪切錯動型，并揭示了相應(yīng)的破壞機(jī)制。彎曲張裂型以受彎破壞為主，破壞集中于跨中位置;剪切錯動型以受

3、剪破壞為主，由水平方向過大的軸力引起剪切錯動;彎剪拉裂型同時受彎剪作用，破壞集中于拱腳位置。
　　(2)建立了荷載結(jié)構(gòu)模型與地層結(jié)構(gòu)模型相耦合的力學(xué)模型，獲得了仰拱內(nèi)力場的解析解，給出了對數(shù)螺旋線方程及仰拱內(nèi)力場的求解流程?；谡辉囼灲o出了高速鐵路隧道仰拱結(jié)構(gòu)變形影響程度排序，建立了高速鐵路隧道仰拱變形預(yù)測模型，得到了仰拱底鼓變形效應(yīng)的表征和計算公式。提出了高速鐵路隧道仰拱設(shè)計的基本原則，將高速鐵路隧道仰拱底鼓分為輕微、中度、嚴(yán)

4、重三個等級，并給出了各等級判別標(biāo)準(zhǔn)。
　　(3)建立了列車—軌道—仰拱相互作用模型，基于數(shù)值計算及現(xiàn)場試驗對仰拱結(jié)構(gòu)在高速列車荷載作用下的振動特性進(jìn)行了分析，將高速列車作用下仰拱結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)分為超前振動、通過時振動以及駛離后振動三部分，通過時振動最為劇烈是仰拱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動病害的主要因素。給出了列車振動荷載作用下仰拱及其填充層的動力響應(yīng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)豎向振動加速度及動應(yīng)力響應(yīng)與深度成反比，與列車運行速度成正比，指出仰拱及其填充層是列車

5、振動荷載的主要載體。
　　(4)分析提出了高速鐵路隧道仰拱結(jié)構(gòu)在圍巖靜載及列車動載作用下裂縫的擴(kuò)展規(guī)律，指出圍巖靜載作用下出現(xiàn)的裂縫遭遇列車動載時存在急劇擴(kuò)展現(xiàn)象。基于對仰拱疲勞累積損傷的研究，給出了仰拱疲勞壽命的計算方法。
　　(5)建立了高速鐵路隧道仰拱安全性分析模型，提出了以隧道圍巖性質(zhì)及仰拱結(jié)構(gòu)條件、靜力響應(yīng)、動力響應(yīng)三個方面為核心指標(biāo)的評價模型，建立了包含破壞模式、隆起位移、裂縫開度、裂縫深度、裂縫長度、振動加速度