高速铁路隧道服役行为及安全风险控制研究

The operation length of high speed railway in China has been 11028km, which is about half of the world total and 1843km tunnel in it. It will continue great growth in 3~5 years. How to manage and operate tunnel matters much on operation safety and quality of high speed railway. However, because of vast territory and complexity of geology and meteorological condition, as well as maladjustment of existing theoretical method and technology system on high speed railway, study on service behavior and safety risk control theory and techniques of high speed railway tunnel become very necessary. Basted on methods of field investigation, model test and numerical analysis, the causal relationship library for structure damage phenomenon and cause of tunnel lining will be established. Risk event caused by different damage are to be forecast. The degradation curve and environmental form and variation of surrounding rock impact level are determined. Accidental extreme loading condition and variation of surrounding rock are entry point.Yearly decay curve for safety factor are solved, using minimum safety factor to be risk control thresholds to determine best repair time. Rapid tiny-hurt repair principle for lining cracking is to be studied, providing theoretical support and technical support for operation safety assessment and maintenance of high speed railway tunnel.

我国高铁运营里程已达11028km，其中隧道1843km，并在今后3~5年还会有较大的增长。管好用好隧道事关高铁运营安全与质量。然而，我国地域辽阔，地质、气象条件复杂多变，导致隧道百年服役期内存在一定的安全风险。本项目拟结合现场调查、模型试验、数值计算、理论分析等手段和方法，建立隧道结构损伤现象与原因的因果关系库，预测各类损伤可能会导致的风险事件，确定结构和附属设施劣化曲线/规律、环境类型与围岩变异作用等级，重点以偶然极端荷载和围岩长期变异累积效应为切入点，求解安全系数经年衰变曲线，并以安全系数最小指标作为风险控制阈值，确定维修时机，同时研发裂损衬砌快速微创修缮技术，解决隧道服役期行为演变规律与结构安全的偶然性风险事件识别方法、结构安全系数经年衰变曲线的求解方法和裂损衬砌快速微创修缮原理等关键科学问题，为高速铁路隧道运营安全评估与维修提供理论支撑和技术保障。

本项目通过对沪昆铁路、宝成铁路、成昆铁路、成渝铁路、达成铁路、渝利铁路等铁路线隧道的劣化形式、数量及病害程度的统计与分析，建立了高速铁路隧道损伤现象与原因的典型高风险事件核对表，得到了高速铁路隧道的风险识别表。分析了隧道全寿命期基本力学模型，提出了精细化建模和位移加载法的有限元求解方法。利用地面激光雷达技术检测隧道几何要素，自动建立衬砌表面数字高程模型并可提取任意位置的横断面，为隧道损伤识别服务。研发了一系列软件，对高速铁路隧道进行风险识别及评估。通过室内模型试验和数值计算对既有裂损隧道衬砌在地震等偶然荷载作用下的响应机理进行了研究。建立了围岩及衬砌材料长期力学参数演变规律，提出了一种可以计算同种材料参数不同步折减、多种材料不同步折减的安全系数计算方法，通过数值模拟，求解隧道结构体系安全系数经年演化曲线。进行了裂隙岩体隧道地下水、围岩与结构相互作用机理研究，通过试验与数值分析得出了单一裂隙、交叉裂隙渗透系数和裂隙岩体隧道水压力分布规律，分析了地下水作用下衬砌结构的力学特性。对高速铁路隧道底部结构服役期风险与安全评估开展了一系列研究。开展了高速铁路车辆-轨道-隧道一体化耦合模型的计算分析，并构建了铁路隧道底部构件动力累积损伤试验系统并进行了相关试验。针对高铁隧道运营特点，提出加固原则、理念，研发了板式短锚、新型锚网结构、钢筋碎石笼3种裂损衬砌快速微创修缮技术，通过数值模拟和室内模型试验对其力学机理进行了研究。本项目研究成果可为高速铁路隧道运营安全评估与维修提供理论支撑和技术保障。