循环气动荷载谱下高速铁路隧道衬砌结构损伤机理及控制技术研究

我国高速铁路隧道衬砌结构设计没有考虑隧道气动效应对衬砌结构的长期受力影响，这与衬砌结构的实际工作状态有很大差异。本项目以循环气动荷载下的衬砌结构的损伤机理研究为核心，围绕衬砌结构耐久性及其控制技术开展系统深入的研究。通过采用理论分析、数值模拟、室内模拟试验相结合的方法，研究隧道气动荷载变化的时域及频谱变化规律，获取气动压力作用在隧道衬砌上的方式，在此基础上研究循环气动荷载作用下隧道衬砌结构受力变化特点，揭示其疲劳损伤机理，描述出包括隧道衬砌开裂发展趋势、衬砌表面混凝土剥离等破坏模式在内的损伤、破坏过程，建立描述隧道衬砌结构构件的累积损伤模型及非线性疲劳损伤演化方程；建立累积损伤与气动列车速度（隧道断面积）之间的统计经验关系式，对基于气动荷载谱下的衬砌结构疲劳损伤寿命进行预测。最终建立高速铁路隧道衬砌结构可靠性设计方法，并提出技术控制措施，为形成铁路隧道全寿命综合耐久性设计方法提供科学依据。

我国高速铁路隧道衬砌结构设计没有考虑隧道气动效应对衬砌结构的长期受力影响，这与衬砌结构的实际工作状态有很大差异。本项目通过采用理论分析、数值模拟、室内模拟试验相结合的方法，建立了高速列车进入隧道产生压缩波的三维粘性、不等熵、可压缩、非定常流的数值模型，试验和计算表明，隧道内压力变化的最大值与列车速度的平方成正比，压力梯度的最大值与列车速度的三次方成正比。列车的运行方式（即单、双线隧道）对隧道内压力变化有影响。研究了压缩波在隧道内的传播规律，压缩波在隧道内的传播与隧道的道床形式有关，长的板式道床的隧道中，由于压缩波的非线性效应的影响占主导地位，波前压力梯度边陡，同时耗散在克服隧道壁面和板式道床的摩擦力的能量也少。②在长碎石道床的隧道中，由于碎石道床具有渗透性，以及耗散在克服隧道壁面和碎石道床的摩擦力的能量较多，则压缩波的波形在传播过程中发生变化，且压力梯度降低。压缩波的衰减，在碎石道床的隧道中传播时其衰减要比在板式道床的隧道中大。并以隧道截面衬砌拱顶一定范围内的混凝土作为研究对象，建立了含初始孔隙的混凝土细观力学模型，对在高速列车运行条件下隧道中截面衬砌拱顶混凝土的力学特性进行了计算、分析研究，揭示了隧道混凝土在高速列车运行全过程条件下混凝土的应力变化规律。通过理论分析及数值模拟，揭示了衬砌裂缝在高速铁路进入隧道的过程中产生的气动荷载的作用下，有进一步扩大的趋势，衬砌结构混凝土在高速列车产生的气动循环荷载的作用下，其疲劳损伤进一步恶化，对衬砌结构的耐久性产生较大的影响；通过对高速铁路隧道所处的不同环境，隧道衬砌服役结构信息存在的随机性、模糊性和不确定性，在其耐久性评估与寿命预测中引入模糊性与随机性的概念，建立了基于不确定性的模糊评价方法，对高速铁路隧道衬砌结构进行耐久性评价；开发了基于循环荷载作用下的高速铁路隧道衬砌结构耐久性的安全评估软件系统。