围岩空洞缺陷对高铁隧道动力响应影响规律研究

发布时间：2020-06-21 22:08

【摘要】：当前中国铁路建设飞速发展,极大地改变了人们的出行方式、给人们的出行生活带来了极大地便利性,高速铁路的不断发展,也正成为中国大国崛起的一面旗帜、一张名片。但是,在我国已经投入运营的铁路隧道中衬砌周围围岩存在不同程度的空洞,隧道衬砌背后围岩空洞的存在,改变了衬砌与周围土体的紧密接触状态,导致了隧道衬砌结构受荷不均匀,会进一步导致隧道出现裂缝、掉块以及渗漏水等病害。因此,本文以国家自然科学基金-中国铁路总公司联合基金项目(U1434211)为依托,结合当前实际投入使用的部分高速铁路隧道衬砌背后存在围岩空洞的实际状况,运用理论分析、现场检测和数值模拟的综合研究方法,开展了在列车振动荷载作用下,围岩空洞缺陷对高速铁路隧道动力响应影响规律的研究工作。本文的主要研究内容以及研究成果如下:(1)开展了隧道衬砌背后围岩空洞现场检测和针对某一工程实际隧道的动力响应现场测试。通过隧道衬砌围岩空洞缺陷的现场检测,对检测数据进行统计整理与分析研究,了解到了空洞缺陷几何特征、掌握了空洞缺陷分布规律,为后续围岩空洞缺陷下高速铁路隧道的动力响应影响分析提供了现实工程基础和理论背景;同时结合某铁道科研院所的工作要求,开展了针对现有某高速铁路隧道结构的现场动力响应测试,测试的主要内容为隧道衬砌观测点的竖向加速度值和横向加速度值,对采集到的加速度数据进行对比和分析研究,得到了在高速列车振动荷载作用下隧道衬砌结构的动力响应特性和振动规律的演化特点。(2)阐述了损伤力学理论,介绍了典型的损伤本构模型,在此基础上,详细介绍了混凝土塑性损伤模型的基本理论内容和塑性损伤参数的计算方法,结合我国2010版《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)中的混凝土应力应变本构关系,推导了混凝土塑性损伤模型,在考虑损伤效应的基础上,得到了混凝土拉、压应力损伤表达式,按照推导得到的公式,讨论了混凝土塑性损伤模型中相关参数的计算方法,并结合ABAQUS有限元软件内嵌CDP模型实现了数值化模拟计算,为进一步研究在列车激励荷载的作用下,多工况围岩空洞对高速铁路隧道衬砌结构动力响应影响规律打下了良好基础。(3)利用推导的本构关系模型,采用ABAQUS有限元软件对无空洞条件下高铁隧道衬砌在列车激励荷载作用下的动力响应规律进行了模拟计算,并将数值模拟结果与实际高铁隧道现场动态加速度测试数据进行对比分析,验证了有限元模型的精确度。进而重点分析研究了在拱顶、拱腰存在单一空洞或者多空洞组合情况下,衬砌关键测点的位移、加速度、最大和最小主应力随时间变化的时程曲线和衬砌关键测点的位移、加速度、最大和最小主应力峰值随空洞角度以及深度的变化规律,为实际存在围岩空洞的高铁隧道的研究和综合整治提供了参考和借鉴意义。结果表明:隧道衬砌背后拱顶或者拱腰存在围岩空洞时,只对相对应位置处的衬砌截面处的加速度、位移、动应力等动力响应参数影响较大,对其余衬砌截面处的动力响应影响较小;对比围岩空洞角度以及围岩空洞深度对衬砌各关键测点的动力响应参数影响规律可以发现,衬砌背后围岩空洞角度范围的变化对衬砌结构的动力响应影响更大。(4)拱顶位置处围岩存在空洞时,随着空洞角度范围增加,拱顶处竖向位移先减少,而后又反向增大;拱顶处加速度峰值随着空洞角度的增加不断增大,拱顶处混凝土的最大主应力随着空洞角度增加而增大,当空洞角度为60°时,拱顶处最大主应力达到1.15MPa;拱腰位置处围岩存在空洞时,随着空洞角度范围增加,拱腰处竖向位移先减少,而后又反向增大,与拱顶存在空洞情况下,拱顶位置处的位移变化规律基本相同。拱腰处混凝土的最大主应力随着空洞角度的增加不断增大,当空洞角度为60°时,拱腰处最大主应力达到1.51MPa,比15°空洞条件下的最大主应力值增加了1.21MPa,对于衬砌混凝土受力极为不利,可能引起混凝土的受拉破坏。(5)通过进行横向对比,我们对比了在单一空洞及不同空洞组合情况下,拱顶及拱腰处的最大主应力变化情况:在空洞角度为30°、深度为0.3m的情况下,对于拱顶A测点的最大主应力来说,最大主应力表现为:拱顶单空洞(II-2)情况下A测点的最大主应力拱顶与左拱腰空洞组合(IV-3)拱顶与双拱腰空洞组合(VI-3);对于拱腰B测点的最大主应力来说,最大应力表现:拱腰单空洞(III-2)情况下B测点的最大主应力双拱腰空洞组合(V-3)拱顶与拱腰空洞组合(IV-3、VI-3)。
【学位授予单位】：北京建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U451;U459.1
【图文】：

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出快速发展的强劲势头：根据《铁路发展规划》（如图 1-1 所示），“十三五”规划，我国将建设新增铁路线 3 万公里，到 2020 年，全国铁路的里程将达到 15 万公里中包括 3 万公里的高速铁路。在全面贯通“四纵四横”的基础上，推进“八纵八横通道建设，与此同时，中西部铁路网进一步扩大，规模达到 9 万公里左右。由于我域广阔，山区面积占国土面积高达 2/3 以上，同时由于高速铁路建造要求标准高，铁路线路要求曲线半径大等特点，加之隧道有改善铁路线路线性，躲避不良地质点，所以，在高速铁路线路规划选址时，必然会涉及到隧道工程方案[1][2]。因此，铁路、尤其是高速铁路的迅猛发展，铁路隧道的建造规模和数量也必将不断攀升。文献资料显示[2][3],截至 2015 年底，包括在建铁路隧道、规划隧道和运营隧道，全道总计有 21579 座，总里程为 31075 公里。其中，正在建设的高速铁路隧道总共有 13，总长度约为 2868km。我国已经建成通车的高速铁路隧道数量超过了 2200 座，总大约为 3200 公里。很显然，中国已经成为名副其实的隧道大国、隧道强国，并且今后相当长的一段时间之内，中国隧道的建设和发展必将更加繁荣昌盛，更好地服经济建设和社会发展。

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第 1 章绪论但是，在我国地域广阔,复杂的工程地质条件,早期隧道设计标准偏低,施工技术相对落后及组织管理能力较弱等诸多不利因素的影响下,我国已运营铁路隧道存在不同程度的缺陷，如衬砌裂纹、衬砌背后围岩空洞及不密实、隧底结构层状剥离等[4]（如图 1-2所示）。缺陷是高速铁路隧道的常见现象，缺陷在一定条件下可以转化为病害，缺陷对于隧道病害的产生起了决定性作用。缺陷的存在劣化了隧道衬砌结构的受力性能，加剧了隧道结构的病害，引起隧道结构产生多种隧道病害问题[4]：衬砌混凝土裂缝掉块、渗漏水、翻浆冒泥、隧底上拱等（如图 1-3 所示）。

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