不同因素影响下铁路隧道仰拱力学性能研究
发布时间：2021-12-10 22:00
仰拱是隧道衬砌结构的重要组成部分,起着使支护和衬砌一体化,约束围岩变形,提高围岩稳定性的作用。在围岩静载及列车振动荷载的作用下,仰拱结构易产生隆起开裂等病害,影响隧道结构稳定性和列车运营安全。因此,本文通过调研存在仰拱变形破坏的隧道,分析导致仰拱病害产生的主要原因,结合理论分析和数值模拟,以隧道仰拱结构为研究对象,依托于某既有铁路隧道,研究围岩静载作用下和列车荷载作用下仰拱结构力学响应特性,总结分析不同因素对隧道仰拱力学性能的影响。主要研究内容与成果如下:（1）通过对16座具有代表性的出现仰拱病害的国内铁路隧道进行调研,总结出导致隧道仰拱结构病害的主要原因。（2）研究了不同影响因素对围岩静载作用下仰拱结构力学性能的影响。通过数值模拟和现场实际验证,分析围岩静载作用下仰拱结构受力特性,仰拱填充层上表面受拉应力且出现上拱变形,中间位置变形量最大;分析了仰拱结构力学性能随围岩极限膨胀力、仰拱矢跨比、仰拱混凝土强度和仰拱厚度等因素变化的影响,随着围岩膨胀力的增加,仰拱矢跨比的减小,填充层顶面最大拉应力增大,上拱位移增大。随着仰拱强度的增大,厚度的增加,填充层顶面最大拉应力减小,隆起位移减小。（...
【文章来源】：南京林业大学江苏省
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
开裂段现场照片
图3-1IV级围岩隧道衬砌断面示意图（cm）Fig.3-1SchematicdiagramofliningsectionofclassIVsurroundingrocktunnel(cm)3.1.3隧道底部结构破损情况建设过程中，该隧道在斜井工区出现严重病害，病害段总长约450m，具体表现为：（1）初期支护变形过大，病害区段拱顶沉降及边墙收敛值均较大，并导致初期支护喷射混凝土开裂、破坏；（2）隧道底部隆起，并导致仰拱填充层开裂及中心水沟沟底及侧墙的隆起及破坏；（3）围岩变形不收敛并导致衬砌持续变形，造成衬砌混凝土开裂、掉块，脱落块体面积为50cm×60cm。衬砌上出现宽度1mm左右的环向或斜向密集裂缝。（a）中心水沟侧壁开裂（b）填充层开裂破坏（a）Sidewallcrackingofcentralditch（b）Crackfailureoffillinglayer图3-2开裂段现场照片Fig.3-2Sitediagramofcrackingsection隧道底部结构出现如图3-2所示的破损。由图3-2（a）可看出，中心水沟侧壁出现了13
表3-2混凝土损伤模型参数Table3-2Concretedamagemodelparameters膨胀角偏心率双轴抗压极限强度/单轴抗压极限强度（fb0/fc0）不变量应力比K粘性参数300.11.160.6670（2）边界条件数值模型边界施加约束为顶部为自由面，左右两侧施加控制水平X方向位移的约束，前后施加控制Z方向位移的约束，底部下边界施加控制X、Y、Z三个方向位移的约束，开挖边界上施加控制前后位移的Z方向约束，边界条件如图3-4所示。图3-4隧道模型边界条件Fig.3-4Boundaryconditionsoftunnelmodel（3）模型基本假定工程实际中，由于地形多变，构造复杂，无法完全用数值模型模拟出隧道开挖的具体情况，因此需要进行相应的模型简化，本文基于以下假定构造数值模型进行受力分析：(a)围岩应力-应变始终处于弹塑性范围内。(b)初始应力场只考虑围岩自重应力作用，利用应力线性插值构建应力常模型上端围岩自重应力场如下式（3-1）计算所得：=（3-1）式中：：围岩容重：地表至模型顶面深度计算得==2320×9.8×210=4.77pa，初始地应力为压应力。(c)衬砌采用混凝土塑性损伤模型。(d)采用全断面开挖法、快速支护、仰拱紧跟和及时施作二衬来模拟隧道开挖支护过程，通过应力释放来模拟实际开挖隧道的空间效应。隧道开挖过程中的应力释放采用收敛约束法，通过逐渐释放开挖边界节点的集中荷载来实现。收敛约束法第一步施加约束作用于围岩开挖面，达到初始地应力平衡，得到此时开挖面上节点反力。第二步放松约束，施加上步求得的节点力于对应节点上来模拟地应力，并让该节点力随时间衰减，此时节点力15
【参考文献】：
期刊论文
[1]近2年我国隧道及地下工程发展与思考（2017—2018年）[J]. 洪开荣. 隧道建设(中英文). 2019(05)
[2]高地应力层状软岩隧道大变形预测分级研究[J]. 陈子全,何川,吴迪,代聪,杨文波,徐国文. 西南交通大学学报. 2018(06)
[3]高地应力硬脆性围岩隧道失稳机理及处置措施[J]. 李建兴,张睿,黄磊,邹逸伦,方勇. 地下空间与工程学报. 2018(05)
[4]隧道仰拱常见病害原因分析及处治措施探讨[J]. 春军伟,曾仲毅. 交通科技. 2018(05)
[5]高地应力隧道围岩与支护结构作用研究[J]. 代超龙,张志强,尚明源. 四川建筑. 2018(03)
[6]挤压性破碎软岩隧道大变形特征及机制研究[J]. 李磊,谭忠盛. 岩石力学与工程学报. 2018(S1)
[7]狮子岭隧道病害成因分析与整治措施[J]. 赵鹏,付兵先,马伟斌. 铁道建筑. 2017(09)
[8]层状炭质页岩隧道底鼓机理分析[J]. 腾俊洋,唐建新. 铁道科学与工程学报. 2017(01)
[9]水压力作用下隧道底部结构裂损机理及其防治[J]. 郑波,吴剑,吴晓龙. 铁道工程学报. 2017(01)
[10]基底刚度影响仰拱混凝土疲劳损伤的试验研究[J]. 刘宁,彭立敏,施成华. 华中科技大学学报(自然科学版). 2016(12)
博士论文
[1]高速铁路隧道仰拱结构力学特性与安全性评价[D]. 杜明庆.北京交通大学 2017
[2]高速铁路隧道基底软岩动力特性及结构安全性研究[D]. 丁祖德.中南大学 2012
[3]基于损伤理论的高速铁路隧道结构振动响应分析及疲劳寿命研究[D]. 黄娟.中南大学 2010
硕士论文
[1]南吕梁山隧道底鼓机理及整治措施研究[D]. 孟令宝.石家庄铁道大学 2017
[2]膨胀岩隧道隧底稳定性研究[D]. 宋智琳.石家庄铁道大学 2016
[3]铁路隧道底部结构隆起变形及其工程对策研究[D]. 刘长帅.北京交通大学 2016
[4]深埋软岩隧道大变形特征及支护措施探讨[D]. 罗鑫.长安大学 2016
[5]重载铁路隧道动态测试及仰拱抗冲击性能试验研究[D]. 李幸吉.石家庄铁道大学 2014
本文编号：3533467
【文章来源】：南京林业大学江苏省
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
开裂段现场照片
图3-1IV级围岩隧道衬砌断面示意图（cm）Fig.3-1SchematicdiagramofliningsectionofclassIVsurroundingrocktunnel(cm)3.1.3隧道底部结构破损情况建设过程中，该隧道在斜井工区出现严重病害，病害段总长约450m，具体表现为：（1）初期支护变形过大，病害区段拱顶沉降及边墙收敛值均较大，并导致初期支护喷射混凝土开裂、破坏；（2）隧道底部隆起，并导致仰拱填充层开裂及中心水沟沟底及侧墙的隆起及破坏；（3）围岩变形不收敛并导致衬砌持续变形，造成衬砌混凝土开裂、掉块，脱落块体面积为50cm×60cm。衬砌上出现宽度1mm左右的环向或斜向密集裂缝。（a）中心水沟侧壁开裂（b）填充层开裂破坏（a）Sidewallcrackingofcentralditch（b）Crackfailureoffillinglayer图3-2开裂段现场照片Fig.3-2Sitediagramofcrackingsection隧道底部结构出现如图3-2所示的破损。由图3-2（a）可看出，中心水沟侧壁出现了13
表3-2混凝土损伤模型参数Table3-2Concretedamagemodelparameters膨胀角偏心率双轴抗压极限强度/单轴抗压极限强度（fb0/fc0）不变量应力比K粘性参数300.11.160.6670（2）边界条件数值模型边界施加约束为顶部为自由面，左右两侧施加控制水平X方向位移的约束，前后施加控制Z方向位移的约束，底部下边界施加控制X、Y、Z三个方向位移的约束，开挖边界上施加控制前后位移的Z方向约束，边界条件如图3-4所示。图3-4隧道模型边界条件Fig.3-4Boundaryconditionsoftunnelmodel（3）模型基本假定工程实际中，由于地形多变，构造复杂，无法完全用数值模型模拟出隧道开挖的具体情况，因此需要进行相应的模型简化，本文基于以下假定构造数值模型进行受力分析：(a)围岩应力-应变始终处于弹塑性范围内。(b)初始应力场只考虑围岩自重应力作用，利用应力线性插值构建应力常模型上端围岩自重应力场如下式（3-1）计算所得：=（3-1）式中：：围岩容重：地表至模型顶面深度计算得==2320×9.8×210=4.77pa，初始地应力为压应力。(c)衬砌采用混凝土塑性损伤模型。(d)采用全断面开挖法、快速支护、仰拱紧跟和及时施作二衬来模拟隧道开挖支护过程，通过应力释放来模拟实际开挖隧道的空间效应。隧道开挖过程中的应力释放采用收敛约束法，通过逐渐释放开挖边界节点的集中荷载来实现。收敛约束法第一步施加约束作用于围岩开挖面，达到初始地应力平衡，得到此时开挖面上节点反力。第二步放松约束，施加上步求得的节点力于对应节点上来模拟地应力，并让该节点力随时间衰减，此时节点力15
【参考文献】：
期刊论文
[1]近2年我国隧道及地下工程发展与思考（2017—2018年）[J]. 洪开荣. 隧道建设(中英文). 2019(05)
[2]高地应力层状软岩隧道大变形预测分级研究[J]. 陈子全,何川,吴迪,代聪,杨文波,徐国文. 西南交通大学学报. 2018(06)
[3]高地应力硬脆性围岩隧道失稳机理及处置措施[J]. 李建兴,张睿,黄磊,邹逸伦,方勇. 地下空间与工程学报. 2018(05)
[4]隧道仰拱常见病害原因分析及处治措施探讨[J]. 春军伟,曾仲毅. 交通科技. 2018(05)
[5]高地应力隧道围岩与支护结构作用研究[J]. 代超龙,张志强,尚明源. 四川建筑. 2018(03)
[6]挤压性破碎软岩隧道大变形特征及机制研究[J]. 李磊,谭忠盛. 岩石力学与工程学报. 2018(S1)
[7]狮子岭隧道病害成因分析与整治措施[J]. 赵鹏,付兵先,马伟斌. 铁道建筑. 2017(09)
[8]层状炭质页岩隧道底鼓机理分析[J]. 腾俊洋,唐建新. 铁道科学与工程学报. 2017(01)
[9]水压力作用下隧道底部结构裂损机理及其防治[J]. 郑波,吴剑,吴晓龙. 铁道工程学报. 2017(01)
[10]基底刚度影响仰拱混凝土疲劳损伤的试验研究[J]. 刘宁,彭立敏,施成华. 华中科技大学学报(自然科学版). 2016(12)
博士论文
[1]高速铁路隧道仰拱结构力学特性与安全性评价[D]. 杜明庆.北京交通大学 2017
[2]高速铁路隧道基底软岩动力特性及结构安全性研究[D]. 丁祖德.中南大学 2012
[3]基于损伤理论的高速铁路隧道结构振动响应分析及疲劳寿命研究[D]. 黄娟.中南大学 2010
硕士论文
[1]南吕梁山隧道底鼓机理及整治措施研究[D]. 孟令宝.石家庄铁道大学 2017
[2]膨胀岩隧道隧底稳定性研究[D]. 宋智琳.石家庄铁道大学 2016
[3]铁路隧道底部结构隆起变形及其工程对策研究[D]. 刘长帅.北京交通大学 2016
[4]深埋软岩隧道大变形特征及支护措施探讨[D]. 罗鑫.长安大学 2016
[5]重载铁路隧道动态测试及仰拱抗冲击性能试验研究[D]. 李幸吉.石家庄铁道大学 2014
本文编号：3533467
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