高铁隧道空洞几何特征及劣化机制研究

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1、中文图书分类号：TU9密级：公开UDC：624论文题目：高铁隧道空洞几何特征及劣化机制研究论文作者：任仁学科：建筑与土木工程指导教师：董军教授李玲教授级高工论文提交日期：2018.4分类号TU9学号2108521315018学位论文高铁隧道空洞几何特征及劣化机制研究Researchofgeometricalcharacteristicsanddeteriorationmechanismofliningofhigh-speedrailwaytunnel任仁指导教师姓名董军教授北京建筑大学李玲教授级高工北京城建设计研究院

2、申请学位级别硕士学位类别工学硕士专业名称建筑与土木工程年级2015论文答辩时间年月学位授予单位和日期北京建筑大学年月答辩委员会主席×××职称论文评阅人×××职称、×××称摘要北京建筑大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或他人为获得北京建筑大学或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了

3、明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文作者签字：日期：年月日北京建筑大学硕士学位论文版权使用授权书本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于北京建筑大学，允许论文被查阅和借阅。学校有权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文纸质版和电子版，可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印、或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。保密学位论文在解密后的使用授权同上。学位论文作者签名：校内导师签名：年月日年月日校外导师签名：年月

4、日I摘要摘要高速铁路运输行业的快速发展，大力推动我国综合交通运输体系规划建设，同时也伴随新的问题。如何对隧道缺陷进行有效检测和整治，保证列车在隧道内正常通行和人员安全是必要要解决的问题。因此，有必要对隧道衬砌普遍存在且影响严重的空洞现象深入研究，为隧道检测后期有针对性的综合治理提供参考。本文通过检测数据分析，得出铁路隧道在施工和运营阶段都存在不同程度的衬砌空洞现象，集中分布在隧道拱部和边墙位置。统计分析衬砌空洞缺陷几何特征，包括空洞几何尺寸、空洞纵向长度、空洞径向高度、空洞角度范围、空洞几何形状等因素。根据检测统计分

5、析结果，设计正交多因素数据分组对衬砌应力敏感性分析。引入破损阶段法安全系数评估空洞受力劣化程度。最后，提出空洞几何特征影响受力劣化程度判断标准。本文主要研究内容及结论如下：（1）对隧道检测数据统计分析，得出所检测区段衬砌碳化深度与衬砌混凝土强度总体达到隧道工程安全合格条件。说明衬砌碳化深度与衬砌混凝土强度不是分析的首要因素，需要对衬砌空洞进行针对性研究。衬砌空洞的存在削弱了衬砌与围岩之间的受力关系，出现衬砌支撑结构承载力不连续，隧道支撑结构的整体稳定性受到结构初始约束条件影响。（2）根据某客运专线A区段隧道检测，按照

6、空洞出现位置，拱顶位置空洞高度大于拱腰和边墙。衬砌拱顶和拱肩位置产生空洞的概率较高，拱腰次之，边墙相对较少。大量缺陷病害区段位于隧道拱部位置，主要表现为衬砌裂损、衬砌空洞、衬砌裂缝以及衬砌渗漏水等现象。衬砌厚度与空洞高度的关系是相对应的，空洞高度相对于空洞范围的影响越小，认为空洞高度与衬砌结构应力状态关联较弱。运用变异系数分析区段空洞高度相应累积测线长度数据，空洞高度在8cm到24cm范围内显示出明显正态分布规律。空洞的纵向长度采用统计分析，空洞纵向长度常见数值为3~6m。隧道衬砌的空洞段纵向长度与相应位置的空洞高度

7、数值没有明显的关联性。（3）通过正交数据实验设计方法对空洞几何形状和空洞范围设计分组。得出隧道空洞角度范围对纵向应力和环向应力影响最大，空洞形状的影响次之。然而当隧道空洞范围较小和空洞较小时，环向应力表现为负值，此时衬砌局部范围内受力状态与原始状态接近。拱顶存在空洞时，动载作用下动力响应敏感程度依次对应隧道位置边墙>拱脚>拱肩>拱顶。衬砌几何特征尺寸较小时，空洞几何形状对纵向应力影响较大。空洞几何形状为矩形受力劣化状态最严重，依次为矩形空洞受力劣化发展趋势大于三角形空洞，三角形大于圆弧形空洞。空洞高度40cm范围对应

8、K最大值为6.25，在此数值点受力劣化状态急剧严重增大。（4）建立衬砌拱顶含空洞隧道ABAQUS有限元力学模型，围岩运用Druker-Prager准则采用非关联流动法则非对称求解，衬砌采用混凝土损伤塑性CDP模型实现，赋予I摘要材料损伤计算参数。运用Mappde映射多精细度网格划分技术完成隧道衬砌模型单元积分网格，解决精度逐渐过渡和曲线边界网格