高速铁路隧道结构动力累积损伤机理与控制方法研究

This project aims to study on the key technical problems on the design and operating safety of high-speed railway's tunnel. Through the field test of dynamic response of high-speed railway tunnel and the similar material's test to simulate the dynamic interaction among the monolithic track bed, tunnel's lining and surrounding rock of tunnel. Applying wavelet transforming methods and intelligent acoustic detection technologies to obtain the high-speed train vibrating characteristics and the cumulative damage characteristics of lining structure of high- speed railway's tunnel. Based on the elastoplastic damage constitutive models of concrete, and introducing dynamic damage variable of material's tensile and compressive properties, to establish a dynamic damage constitutive model that it can simulate the initial damage duo to the tunnel's construction and the secondary damage induced by the vibration of high -speed train on the lining structure of tunnel;And based on the Miner non-linear theory of cumulative damage, the accumulated damage evoluting equation will be derived out for the lining structure of high -speed railway's tunnel. On the basis of Ansys software,the dynamic damage program module of numerical analysis will be developped out for the lining structure of tunnel. And then, the mechanism of dynamic cumulative damage and key affecting factors about the dynamic cumulative damage of high speed railway's tunnel will be discussed deeply.for the more, the controlling theory and methods of dynamic cumulative damage will be proposed for the the lining structure of tunnel,so as to provide an important theoretical and experimental researching foundation for improving the theory and method of structure design and the long-term operational safety of high-speed railway's tunnel.

针对我国高速铁路隧道设计与运营安全存在的关键技术问题开展研究。通过高速铁路隧道动力响应现场测试以及整体道床-衬砌结构-隧道围岩动力相互作用相似材料模型试验，应用小波分析方法与智能声波检测技术获取高速列车振动荷载特性以及高速铁路隧道衬砌结构累积损伤特征。基于混凝土弹塑性损伤理论，引入混凝土材料拉、压动力损伤变量，构建可综合考虑隧道初始损伤与高速列车振动荷载长期作用下的隧道衬砌结构二次损伤动力本构模型；并基于Miner非线性累积损伤理论，推导高速铁路隧道衬砌结构动力累积损伤演化方程。基于Ansys数值分析软件开发高速铁路隧道衬砌结构动力损伤程序模块，研究探讨高速铁路隧道衬砌结构动力累积损伤机理，提出高速铁路隧道衬砌结构动力累积损伤控制理论与方法，从而为完善高速铁路隧道结构设计理论与方法，提高高速铁路隧道长期运营安全提供重要的理论与实验研究基础。

本项目以武广高速铁路为研究背景，通过现场测试、理论分析与室内模型试验相结合的研究方法对高速铁路隧道结构动力累积损伤机理进行系统性研究。通过武广高速铁路现场测试，获得了高速列车与隧道结构振动响应特征。以武广高铁金沙洲隧道为原型，基于相似材料动力学原理，设计制作了隧道结构缩尺试验模型，并进行了动力累积损伤试验。基于动力累积损伤试验成果，利用混凝土动力损伤理论，建立了高速铁路隧道动力累积损伤本构模型，并基于ABQUAS非线性有限元分析软件，分析研究了高速铁路隧道衬砌结构以及隧道围岩疲劳损伤特性。以武广高速铁路双线隧道线路结构为研究对象，建立围岩-隧道衬砌结构-线路底部结构动力相互作用分析模型，研究了隧道线路底部结构轨道板、混凝土支承层以及仰拱填充层动力响应特征与疲劳损伤寿命。在此基础上，对高速铁路隧道结构抗振减振技术进行数值模拟研究，探讨了合理的隧道抗振减振结构与措施。.研究结果表明：高速列车运行在隧道衬砌结构内产生的振动频率主要集中在25~60Hz之间，与普通提速铁路相比有较大幅度提高。高速列车振动荷载作用下，隧道中部断面沿隧道轴向方向的动应变均表现为拉应变，隧道端部断面动应变在拱脚以及侧墙部位表现为压应变，而在仰拱部位则表现为拉应变。隧道振动初期，动应变幅值随累积振动次数呈线性增大，当累积振动次数达到某一临界值时动应变幅值逐步趋于稳定。隧道衬砌结构各部位的累积损伤呈现相似的变化规律，隧道仰拱和拱脚处动力损伤相对于侧墙与拱顶处更加明显，隧道端部动力累积损伤相对于隧道中间部位更加显著，隧道接触面处围岩的动力累积损伤相对于隧道衬砌结构本身更加严重。隧道衬砌结构初始损伤裂纹的分布密度对其疲劳损伤寿命影响显著，高速铁路隧道衬砌结构施工时，应尽量避免产生初始损伤裂纹，以提高隧道整体抗振性能。高速铁路隧道结构性损伤主要集中在隧道线路底部结构，其动力累积损伤寿命少于60年，在轨道板与混凝土支承层之间设置粘弹性减振结构层，可有效降低隧道底部结构的动力响应，从而有效提高隧道衬砌结构的疲劳损伤寿命；高速铁路隧道端部断面是隧道工程抗振减振的关键部位，应更多关注隧道出入口部位的设计与施工质量。隧道底部围岩是隧道动力损伤最密集的区域，采用高压注浆形成稳定的隧道底部基层，可有效提高隧道结构的动力损伤寿命。本项目的研究成果，对提高我国高速铁路隧道设计与运营管理水平具有重要的理论与工程应用价值。