重载铁路隧道底部结构服役性能演化机制与设计方法研究

At present, The research on the effect of heavy haul on tunnel is still in the initial stage both at home and abroad, it is lack of guidance theory in the heavy haul tunnel design and construction. The project aims at the urgent need of construction of heavy haul railway tunnel in our country. Based on the systematic and deep research, the stress and deformation characteristics of tunnel bottom structures will be determined in the stack conditions of heavy train load，groundwater and strata stress; the redistribution law of stress and strain of tunnel bottom structure will be analyzed under the state of constructional deficiency; the gradual cumulative damage failure mechanism will be revealed on the coupling among dynamic load, groundwater and initial damage; the nonlinear cumulative damage analysis model of the tunnel concrete structure and the bottom of bedrock will be built and the influence of initial damage will be analyzed on tunnel bottom structure service performance. The reasonable structure forms, design parameters and tunnel bottom structure technical conditions of heavy haul railway tunnel bottom structures which meeting the long-term operation safety will be ensured. The design calculation method based on whole life of heavy haul railway tunnel bottom structure will be established. The research results in the research will be significant to the design of new heavy haul railway tunnel bottom structure in our country，it also provide diseases repairing and whole life of safety assessment and control to existing heavy haul railway tunnel bottom.

目前国内外关于重载对隧道的影响研究尚属初步，在工程设计、施工上缺乏指导性理论。本项目针对我国重载铁路隧道建设的迫切需要，通过系统深入的理论和试验研究，确定重载列车荷载、地下水和地应力叠加条件下隧道底部结构的受力和变形特征，分析施工不当引起缺陷状态下隧道底部结构的应力、应变重分布规律，揭示列车动载-地下水-初始损伤耦合作用下隧道底部结构的渐进累积损伤破坏机理，构建隧道底部混凝土结构及基岩的非线性累积损伤分析模型，分析初始损伤对隧道底部结构服役性能的影响情况，确定重载铁路隧道底部结构的合理结构型式、设计参数以及满足重载列车长期运营安全的隧道基底结构技术条件，建立基于全寿命的重载铁路隧道底部结构的设计计算方法。研究成果对我国新建重载铁路隧道底部结构的设计，既有重载铁路隧道底部病害的整治以及重载铁路隧道底部结构体系全寿命安全性的评估和控制都具有重要意义。

重载铁路已成为我国铁路运输发展的重要方向，列车轴重的增加将会导致隧道底部结构累积损伤加剧，影响隧道结构的长期运营安全。本项目以我国重载铁路隧道建设的迫切需要为背景，对多因素耦合作用下重载铁路隧道底部结构的动力响应和累积损伤特性进行了系统研究，主要研究成果如下。.（1）考虑轮轨接触关系，建立了列车-轨道-隧道一体化数值仿真模型，系统地探讨了重载列车作用下隧道底部结构的动力响应规律，得到了列车轴重、初始地应力、隧道基底条件等因素对重载铁路隧道底部结构动力特性的影响规律。.（2）研建了能考虑隧道底部结构所处力学环境的室内模拟实验系统，完成了不同条件下隧道底部结构累积损伤试验，揭示了列车动载与环境因素耦合作用下隧底结构的渐进累积损伤破坏机理，建立了能考虑多因素耦合作用的隧底结构累积损伤经验模型。.（3）构建了隧道底部混凝土结构弹塑性损伤模型，进行了相应的二次开发，实现了多因素耦合作用下隧底结构损伤分布的数值模拟分析，进一步通过计算，得到了不同列车轴重、初始应力和基底刚度条件下隧底结构的损伤分布规律。.（4）分析了不同结构型式及不同基底状况下重载铁路隧道底部结构疲劳寿命的变化规律，提出了满足隧道底部结构长期运营安全的设计参数建议值及隧道基底技术条件。.（5）提出了以初始损伤为输入变量的隧道底部结构累积损伤计算方法，通过交互式运算实现了隧道结构累积损伤的数值计算，进而建立了基于全寿命累积损伤的重载铁路隧道底部结构设计方法。.项目研究过程中已发表论文18篇，其中国际SCI期刊论文6篇，EI期刊论文7篇，CSCD论文5篇，录用待刊论文3篇；申请国家发明和实用新型专利各7项，已获授权发明和实用新型专利各3项；培养博士研究生1人，硕士研究生5人，研究成果已应用于蒙华重载铁路隧道设计中，为我国重载铁路隧道的建设提供了理论和技术支撑，对既有重载铁路隧道底部结构的安全评估及病害整治也具有重要的指导意义。