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原文传递列车荷载作用下炭质页岩高铁隧道动力响应特征及稳定性控制研究

论文题名：	列车荷载作用下炭质页岩高铁隧道动力响应特征及稳定性控制研究
关键词：	炭质页岩区;高铁隧道;动力响应;稳定性控制;列车荷载作用
摘要：	随着高速铁路建设的发展，出现了越来越多穿越软岩地层的高铁隧道，为了保证高速列车的正常运行，隧道结构动力学问题亟待解决。一方面，当列车速度提高时，列车对隧底结构的振动冲击作用增强，影响隧底结构的稳定性。另一方面，当隧道基底为软岩时，列车振动荷载与地下水的耦合作用下将其碾磨成泥浆，影响隧底结构的基础条件。因此，开展列车荷载作用下炭质页岩高铁隧道动力响应特征及稳定性控制研究，具有很强的现实意义。论文依托张吉怀高速铁路天桥山隧道工程进行研究，采用现场调查、室内试验、数值模拟、模型试验、工程应用等方法，对列车荷载作用下炭质页岩高铁隧道的动力响应特征进行研究，并提出可应用于依托工程的稳定性控制措施。主要研究内容与结果如下: 　　(1)首先收集了天桥山隧道的工程资料，总结了炭质页岩区段的工程地质条件。随后充分调查了隧道出现的不同病害类型，并从岩性、地下水、施工设计及外部因素等方面分析了病害的形成原因。最后建立了隧道底部结构动力计算模型，高速列车振动荷载采用激振函数来模拟，并确定了合理的激励函数数值形式，计算了不同列车时速下激励函数的各参量。　　(2)依托实际工程建立了数值模型，通过岩石物理力学试验获取了围岩参数，随后通过动力分析与流固耦合分析，研究了不同行车速度、地下水及基底注浆加固对隧底结构的动力响应影响。结果显示:位移、加速度与应力均随列车时速的提高而增大;地下水对位移响应的影响显著，对加速度及应力响应的影响较弱;基底注浆加固可以明显改善隧底结构的动力响应，其对结构位移的影响最为显著，应力次之，对加速度影响最小。最后，本文将数值计算结果与现场实测值进行了比较，结果比较吻合，证实了数值模型的准确性及可行性。　　(3)研制了炭质页岩相似材料，即选取重晶石粉、铁粉、石英砂、白水泥及硅油等原材料调配的混合物作为炭质页岩相似材料。通过相似材料物理力学测试，定性分析了各项参数的敏感性，确定了可以模拟炭质页岩的相似材料配比方案。研发了高铁隧道底部结构动力模型试验系统，包括:三维可视化模型试验台架、水压加载系统、动力加载系统、多元信息监测系统等，运用多种类型传感器对振动荷载加载过程中隧道底部结构的动力响应特征进行监测，还原了高速列车通过隧道时隧底结构的振动响应情况。结果显示:隧底加速度峰值随深度变化衰减较快，且随行车速度的提高而增大，列车振动荷载对仰拱以下4m范围内的加速度响应影响较大;隧底应力随埋深衰减较快，且列车振动荷载只会对仰拱底部以下有限范围的基岩产生影响;渗透压力随振动荷载的施加呈下降趋势，通过排水释压孔可以起到排水释压的作用。　　(4)提出了中心水沟增设排水释压孔与基底注浆措施，并将控制措施成功应用于依托工程。结果显示:依托工程在采取本文提出的措施后，隧道运营良好，可为类似隧道工程施工、病害整治提供借鉴。
作者：	刘海艇
专业：	建筑与土木工程
导师：	薛翊国;苏茂鑫
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2022