铁路隧道衬砌脱空的裂损机理及其失稳前兆研究

In the railway operating tunnel, the void behind lining and its induced fracturing, seepage and even the lining falling off are widespread, which threats the safety of trains in tunnels. The cracks propagation change the dynamic characteristics of structures. Microtremors, as one type of ambient vibration originating from the natural or artificial oscillations without specific sources, can reveal the dynamic properties of huge structures, and which indicates an effective method to investigate the stable state of the concrete lining. In this study, the similar tests and cracking simulation technology of EDEM will be carried out to study the crack characteristic and mechanism of tunnel lining with voids under surrounding rock pressure and vibrating loads of train. The influences of void location and size on the cracking will be analyzed and the damage of voids will be proposed. On this basis, The relation between the vibration parameters and instability induced by cracking will be analyzed. The microtremor monitoring system will be proposed to realize the tunnel lining microtremor monitoring theory to foresee instability. This research plays a significant role in the ensuring serviceability and safety reliability of tunnels.

我国正在运营的铁路隧道中，衬砌背后脱空及其诱发的衬砌裂损、渗漏水甚至掉块普遍存在，严重影响行车安全。衬砌内部的裂损扩展必然会引起自身动力特性的变化，而由自然或者人工震源诱发的结构常时微动又可以反映大型结构的固有动力特性，这便提供了一种基于常时微动监测的衬砌稳定性评价的新方法。本课题以衬砌裂损伤机理及其振动特性为基础，采用相似模型试验和扩展离散元裂隙模拟技术，研究围岩压力和列车振动荷载共同引起的脱空衬砌的裂损特征及裂损机理，分析脱空尺寸与位置、衬砌厚度等因素对裂损的影响，提出衬砌脱空的致害性依据；在此基础上，分析衬砌形状、混凝土和岩体力学参数对衬砌振动特性的影响，建立裂隙扩展诱发衬砌失稳与振动特征参数的关系；提出和完善隧道衬砌的常时微动监测体系，形成基于常时微动监测的隧道失稳前兆分析的新理论。该研究成果对于保障铁路隧道的运营安全具有重要意义。

我国正在运营的铁路隧道中，衬砌背后脱空及其诱发的衬砌裂损、渗漏水甚至掉块普遍存在，严重影响行车安全。衬砌内部的裂损扩展必然会引起自身动力特性的变化，而由自然或者人工震源诱发的结构常时微动又可以反映大型结构的固有动力特性，这便提供了一种基于常时微动监测的衬砌稳定性评价的新方法。本课题以衬砌裂损伤机理及其振动特性为基础，采用相似模型试验和扩展离散元裂隙模拟技术，研究脱空衬砌的裂损特征及裂损机理，分析脱空尺寸与位置、衬砌厚度等因素对裂损的影响；在此基础上，分析衬砌形状、混凝土等对衬砌振动特性的影响，建立裂隙扩展诱发衬砌失稳与振动特征参数的关系；提出和完善隧道衬砌的常时微动监测体系，形成基于常时微动监测的隧道失稳前兆分析的新理论，对于保障铁路隧道的运营安全具有重要意义。.取得如下研究结论：1、在地层荷载和列车动载共同作用下，在脱空长度较小时，衬砌破坏发生在脱空范围的中心，随着脱空长度的逐步增大，衬砌破坏发生在脱空范围的两端；在相同脱空尺寸的情况下，拱腰脱空处的动应力较拱顶处更高；脱空长度对衬砌破坏影响最大，其次是脱空弧长，而脱空深度影响最小。2、在荷载作用下，结构破坏呈现线性变形、拱腰拱底开裂、贯穿破坏三个阶段。同时，对应自振频率随着结构开裂破坏，也出现两次显著降低，分别对应开裂和贯穿破坏。3、衬砌脱空（范围、深度、位置和数量）、岩石-混凝土界面刚度、衬砌刚度都会对衬砌自振频率产生影响，引起低阶自振频率的降低。随着脱空范围和数量的增多，同时会产生新的模态。4、通过开展隧道常时微动现场监测，进一步验证衬砌脱空可以诱发常时微动低阶自振频率的降低和振动模态的增多。