含缺陷高速铁路隧道在列车和气动荷载作用下的状态响应及衰变机制研究

In this project, the performance and safety evaluation of high-speed rail tunnel during their long-time service period are researched and developed. Focus on the defects of high-speed rail tunnel, the cracks in the lining concrete, the holes behind the lining component, and the strips of the underlying structure are studied based on the vibration of train and the sensitivity of aerodynamic load response. The following five fundamental issues are emphasized: (1) The comprehensive detection and analysis of the defective structure characteristics for high-speed rail tunnel. (2) The analysis of dynamic load characteristics for high-speed rail tunnel defective structure. (3) The mechanical behavior and dynamic constitutive model for high-speed rail tunnel defective structure. (4) The law of dynamic response for high-speed rail tunnel defective structure. (5) The evolutive pattern and estimation for the long-term service performance. A precise numerical model is to be established based on the defective structure units, as while as, the mechanical behavior and dynamic damage law of defective structure units are to be developed to reveal the dynamic response and potential progressive deterioration under the long-time vibration and aerodynamic loads for the defective structure. An evaluation system is proposed to assess the long-term performance for the high-speed rail tunnel, which is the theoretical basis to achieve the safe operation and service.

本项目依托服役高铁隧道工程，着眼于隧道结构的服役行为及安全风险控制研究，针对含缺陷的高速铁路隧道，以对列车振动和气动荷载响应敏感的衬砌裂纹、衬砌背后空洞和隧底结构层剥离等缺陷和病害体为主要研究对象，开展以下五个方面的基础研究：(1) 高速铁路隧道缺陷结构检测及特征分析；(2) 高速铁路隧道缺陷结构动力荷载特征分析；(3) 高铁路隧道缺陷结构力学行为及动力损伤本构模型；(4) 含缺陷高速铁路隧道结构动力响应规律；（5）含缺陷高速铁路隧道结构服役状态演变规律及服役性能评估。构建嵌入缺陷结构单元体的高铁隧道三维精细数值模型，研究缺陷结构单元体的力学行为及其动力损伤规律，揭示动力荷载及其长期作用下含缺陷高铁隧道结构的动力响应规律与劣化机理，提出含缺陷高铁隧道长期服役性能的评价方法，为实现高铁隧道的安全运营和健康服役提供理论支撑。

针对衬砌含空洞缺陷隧道结构，实测了某高铁隧道衬砌边墙部位的振动加速度；总结了衬砌空洞缺陷结构的几何尺度特征；研究了高铁隧道拱部衬砌含空洞和不含空洞两种工况在不同列车振动荷载作用下的动态响应规律。.针对衬砌含裂纹缺陷隧道结构，采用三维有限元方法，考虑截断边界的粘弹性效应，获得基于理想完整衬砌条件下的隧道动力响应的时空分布规律；基于粘聚裂缝单元，考虑衬砌中初始裂缝缺陷的局部化分布，开展系列模拟分析，取得典型初始裂缝缺陷分布对隧道动力响应的影响规律；基于ABAQUS平台和数值均质化思路，构建了双尺度分析框架，也基于ABAQUS和3DEC平台构建了面向隧道衬砌结构的细部子模型动力分析框架。采用Instron 8874测试系统开展带切口混凝土三点弯梁的疲劳断裂破坏试验研究，重点关注和比较了低频（0-10Hz）和中频（10-20Hz）动载激励下混凝土疲劳断裂响应规律。.针对基底含缺陷隧道结构，基于热力学原理与能量耗散原理，考虑高速铁路隧道基底混凝土结构“拉-压-拉-压”反复受力特点，定义双标量损伤变量，引入硬化函数，修正弹塑性亥姆霍兹自由能，推导了可描述混凝土受拉、受压条件下应变软化、非线性的随机动力损伤本构模型。建立了“弹性预测－塑性修正－损伤修正”数值分析求解算法，并结合UDEC程序与FLAC3D程序二次开发，实现了随机损伤本构模型的数值化计算。基于此分析了隧道基底无缺陷，隧道基底填充层有离缝且含有地下水及隧道基底填充层有离缝不含水三种工况下隧底动力响应规律及损伤疲劳寿命。针对轨道板基础与填充层离层、填充层内离层、填充层与仰拱离层在列车荷载及振动作用下，层间离合→拍打，底部结构由缺陷→病害→致灾过程，基于PMS-500动力疲劳加载系统设计了无水及有水两种条件下含初始离缝缺陷的隧道基底混凝土结构动力模型试验与疲劳模型试验，分析了混凝土结构交界面致灾过程，得到了混凝土结构体积减小、离缝交界面磨损量与加载次数、外力大小、外力作用时间、混凝土强度组合之间的关系。揭示了基底分层“层间开合+拍打+抽吸→道床升降”的发生、发展规律和高铁隧道基底结构升降的联动作用机理，掌握了离缝交界面动水压力与振幅和频率之间的关系。