高速铁路交叉隧道动力特性及结构安全性理论研究

随着我国交通基础设施建设的发展，现在和今后一段时期都将涌现大量的高速铁路交叉隧道，这些交叉隧道种类多样、施工方法各异，在遭受高速列车振动、列车气动以及地震震动等"三动"荷载作用下呈现复杂的动力响应，容易出现隧道结构的动力损伤累积效应并威胁隧道安全。项目以国内多座典型的高速铁路交叉隧道为依托，研究不同工法、不同交叉结构类型、不同结构和围岩参数等条件下交叉隧道结构体系在列车振动、列车气动和地震震动荷载作用下的结构动力特性及其损伤演化规律，揭示该类隧道在动力荷载下的损伤演化机理及其动力破坏模式，分别建立交叉隧道结构体系列车振动和列车气动的影响分区标准与分区方法，提出不同条件下保证交叉隧道耐久性和长期运营安全性的具体措施。研究成果可为高速铁路交叉隧道结构体系的耐久性设计、整体安全性评估和累积损伤病害下的维护与加固提供理论和技术支撑。

本项目针对高速列车振动、列车气动和地震震动“三动”荷载作用，开展高速铁路交叉隧道动力特性及结构安全性理论研究，从而揭示交叉隧道动力特性、损伤累积机理，提出安全性控制方法和措施，为高速铁路交叉隧道选线设计、结构耐久性设计及其运营维护加固提供理论和技术支撑。具体完成工作如下：. 研究了不同列车振动荷载、不同围岩级别条件下交叉盾构隧道结构的动力响应；研究了矿山法隧道在围岩级别、列车通过方式、列车速度、交叉角度和岩柱高度等五种影响因素下隧道衬砌的动力响应及其拟合函数；揭示了列车在隧道内行驶时，特定观测点对应的列车行驶影响区；通过模型试验研究了铁路盾构隧道列车振动荷载下衬砌结构及围岩动力响应。. 研究了高速列车以350km/h的速度通过顶部单开口、顶部双开口、顶部单间缝、顶部双间缝和条带式单开口等5种缓冲结构时隧道内的气动规律；分析了高速铁路隧道交叉结构段列车风的时程变化规律和空间分布特点，研究了交叉结构段最不利位置处接触网的风致振动特性；分析了三维湍流非定常流场条件下高速铁路隧道接触网系统的振动特性。. 通过振动台模型试验及数值模拟，探明了平行双孔高速铁路隧道及空间不同夹角交叉高速铁路隧道地震作用下结构动力响应特征，揭示了高速铁路主隧道与联络横通道交叉结构的地震动力响应规律，提出了隧道合理抗震设防范围及相应的抗减震措施。. 提出了一种名义应力寿命预测方法；探明了不同条件下交叉隧道隧底结构疲劳寿命变化规律；研究了地震荷载作用下交叉隧道结构的损伤特性及分布规律；采用线性损 伤累积的方法，在地震损伤作为初始损伤的基础上，分析了不同交叉条件下列车荷载作用对隧道结构疲劳寿命的影响。. 项目执行期间，获2015年度国家技术发明二等奖，2014年度中国铁道学会科学技术一等奖。获授权发明专利4项，实用新型专利1项。出版专著1部，发表期刊论文41篇（SCI收录5篇，EI收录21篇）。