考虑轨道随机不平顺与随机参数的高速铁路黄土隧道动力特性研究

At present,there are about 700 high-speed railway tunnels constructing and planning,with total length more than 1000 km. The scale and technolgies of railway tunnels are pushed to new heights in our Country,and a lot of technical problems are coming out.One of these problems is the dynamic stability of tunnel structures under high-speed train induced load..This reseach is to study the dynamic characteristics and reliabilities of high speed railway tunnel under train induced random vibration load by using the principles of random vibration theory and system dynamic analysis.The reseach focuses on following problems:①to analyse and determine random distribution of material parameters of surrounding rock and lining of loess tunnel .②to study the method for train random vibration response analysis in frequency domain and rules of random vibration response of train considering the train induced random vibration loadt.③to investigate the dynamic response analysis of loess tunnel in frequency domain and the statistical characteristics of response with the randomness of surrounding rock and structure parameters of tunnel in the frequency domain method .④ to probe into the dynamic reliability of structures based on the extreme value distributions of tunnel structure response..The research results will provide theoretical support for the design of loess tunnel on high speed railway, lay the foundation for limit state method application in tunnel construction, improve theory and design method for random vibration analysis of tunnel, promote design code based on limit state method.

目前我国在建和拟建的高速铁路隧道约700座，总长度超过1000km。高速铁路的兴建把我国铁路隧道建设规模和修建技术推到了新的高度，同时也给铁路隧道修建与运营带来了许多技术难题，其中之一就是高速列车动载作用下隧道结构的动力稳定问题。.本课题拟运用随机振动理论和系统动力学分析原理，分析研究高速铁路隧道在随机列车振动荷载作用下的动力特性及可靠度，主要内容包括：黄土隧道围岩和衬砌材料参数的随机分布特征研究；考虑轨道随机不平顺激励时列车随机振动响应的频域分析方法及列车随机振动响应规律研究；考虑隧道围岩及结构参数随机性的黄土隧道动力响应频域分析方法及响应统计特征研究；隧道结构的动力可靠度研究。.本项研究成果可为高速铁路黄土隧道设计提供理论支撑，为极限状态法在隧道工程中的应用、完善隧道随机振动分析理论和设计方法、推动基于极限状态设计规范的形成奠定基础。

高速铁路的兴建把我国铁路隧道建设规模和修建技术推到了新的高度，同时也给铁路隧道修建与运营带来了许多技术难题，其中之一就是高速列车动载作用下隧道结构的动力稳定问题。本研究运用随机振动理论和系统动力学分析原理，分析研究高速铁路隧道在随机列车振动荷载作用下的动力特性及可靠度，主要内容和结论包括：.(1)在广泛收集与黄土隧道相关的研究技术资料成果的基础上，归纳总结了黄土的工程特性、黄土隧道围岩的稳定性特征。在对已有黄土隧道围岩物理力学参数试验研究成果总结分析的基础上，进行了黄土的物理力学参数试验，获得了黄土的物理力学参数的统计特征参数。.(2)列车在轨道上运行中车辆车体的振动、作用在轨道上的轮轨力，列车通过时引起的结构物的振动等均是随机振动，提出车辆-轨道-隧道动力学问题采用随机振动理论来解决。.(3)采用子结构法建立车辆-隧道耦合系统垂向模型，分为车辆-轨道-隧道仰拱填充子系统模型和轨道-隧道-围岩子系统模型；构建了两个子模型的运动方程；对轨道不平顺谱中的德国谱、美国谱进行了从空间频域到时间频域的转换推导，分析了日本轨道不平顺Sato谱、中国高速铁路无砟轨道不平顺谱。.(4)考虑车辆、轨道、隧道基底结构特点及轨道随机不平顺，采用车辆—轨道—隧道仰拱填充垂向耦合动力学分析模型，计算了不同运行速度和不同围岩条件下车辆—轨道—隧道仰拱填充的列车随机振动响应，结论为：列车速度对系统振动响应的影响比较明显，围岩级别对响应影响很小。要在高速条件下，保证行车安全，必须完善轨道结构。.(5)采用轨道-隧道-围岩子系统模型，计算了高速铁路黄土隧道在随机列车荷载作用下的随机振动位移和主应力响应的均值及均方差，分析结果是：列车振动荷载对隧道结构的主应力影响很小，但恶化了隧道衬砌结构墙底的受力状态。.(6)考虑围岩荷载和列车振动荷载共同作用，采用JC法，计算了高速铁路黄土隧道衬砌结构可靠度指标，结果发现：隧道衬砌结构关键部位的抗压和抗拉可靠度指标都大于4.0，而墙底抗剪强度的可靠度指标较低，小于2.4，左墙底的抗剪强度可靠度指标最小，只有1.1。