详情

原文传递高速铁路泥岩隧道仰拱底鼓机制与控制技术研究

论文题名：	高速铁路泥岩隧道仰拱底鼓机制与控制技术研究
关键词：	泥岩隧道;仰拱底鼓;相似材料;模型试验;数值模拟;底鼓控制;高速铁路
摘要：	我国西部地区沟壑纵横且泥岩地层分布广泛，伴随着“西部大开发”战略、“一带一路”倡议、“交通强国”等政策的深入实施和切实推进，越来越多的高速铁路隧道工程将应运而生。高铁线路对底部变形的要求极其严格，而泥岩遇水具有膨胀、软化及崩解的特性，因此，对泥岩隧道仰拱病害机理及控制对策的研究具有重要的理论意义和科学价值。　　本文旨在探究高铁隧道仰拱底鼓变形的演变机理及控制技术措施，以泥岩地区仰拱底鼓变形特征为研究出发点，通过运用文献调研、理论分析、模型试验、数值模拟等方法手段，总结了仰拱内力、底鼓量的计算公式及其影响因素，研发了隧道仰拱底鼓的模型试验装置，研制了泥岩相似材料，开展了泥岩隧道仰拱底鼓模型试验，探讨了基底膨胀和软化复合作用下泥岩隧道仰拱的受力特性、变形规律以及仰拱底鼓的控制措施。主要研究成果如下：　　（1）通过理论分析，结合板壳理论给出仰拱的受力特性及变形公式，总结出仰拱位移及内力的计算方法。在隧道底鼓工程资料及文献调研的基础上，归纳出了影响隧道底鼓变形的内部和外部因素，总结了底鼓变形量由弹塑性位移、流变位移、湿胀位移与扩容位移组成，并给出泥岩隧道仰拱底鼓的变化特征及底鼓变形量的估算公式。　　（2）配制出了用于模拟隧道围岩的泥岩相似材料，由骨料(河砂、膨润土)、调节材料(铁粉、重晶石)和胶结材料(石灰、石膏)组成。基于自主研发的仰拱底鼓试验装置，开展了浅埋隧道基底均匀膨胀、不均匀膨胀以及深埋隧道基底均匀膨胀三种情形下的仰拱底鼓模型试验，得到了基底膨胀作用下衬砌的应变、围岩压力及位移的变化规律，并结合衬砌及围岩的变形破坏现象，分析了洞周位移、衬砌内力、围岩压力的分布特征及发展规律，阐明了泥岩隧道衬砌的受力特性及变形规律，重点探讨了隧道仰拱底鼓变形的发展过程及破坏特征，揭示了隧道仰拱底鼓变形的演化机制。研究表明：基底均匀膨胀作用致使浅埋隧道仰拱中心出现拉裂缝，进而引发底鼓破坏，基底压应力集中于拱脚附近，该处围岩压力较大；基底不均匀膨胀会引起洞周位移和洞周围岩压力在偏压侧较大，偏压作用将导致隧道仰拱表现出剪切错动型底鼓破坏；深埋隧道的空间收缩以净高收敛为主，仰拱土压力呈现“中间小，两端大”分布。仰拱底鼓是随着基底隆起而渐进破坏的，纵向裂缝的产生及发展是导致仰拱底鼓破坏的直接原因。　　（3）从泥岩湿度变异的角度出发，将基底围岩劣化分为基底围岩湿胀和泥岩软化效应，仰拱底鼓是泥岩湿胀和泥岩软化复合作用的结果，综合运用“温度比拟法”和“参数折减法”来等效模拟膨胀作用和软化作用。采用有限元数值模拟方法，考虑泥岩隧道施工的工法及时空效应，同时引入混凝土塑性损伤(CDP)模拟隧道支护结构，开展基底不同劣化深度和不同劣化程度条件下泥岩隧道受力特性、仰拱变形和损伤特性分析，获取了膨胀特性与软化特性对洞周围岩竖向位移、仰拱和填充层的应力及变形、填充层损伤系数的影响规律。分析表明：泥岩膨胀和软化复合作用会加剧仰拱底鼓的发展，而泥岩软化对拱顶沉降具有一定抑制作用；在基底劣化作用下，填充层和仰拱的竖向位移不断增大，均呈“钟形”对称分布；随着基底围岩劣化深度的加深和劣化程度的加强，填充层的拉伸、压缩损伤程度均不断增大，拉伸型损伤是填充层发生破坏的直接原因。　　（4）针对仰拱底鼓病害，采用数值模拟的方法，在基底最不利劣化条件下开展了锚杆加固措施分析。结果表明：加固后隧底隆起位移、仰拱及填充层的底鼓变形量均有明显减小，锚杆加固可有效降低填充层的拉伸损伤，对仰拱底鼓控制效果显著。　　通过上述泥岩地区高铁隧道仰拱底鼓和控制措施研究，以期为类似泥岩地区高铁隧道的安全特性分析及仰拱底鼓机理剖析提供理论参考。
作者：	赵涛
专业：	道路与铁道工程
导师：	梁庆国
授予学位：	博士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2022