高强绝缘防护网在电气化铁路无衬砌隧道加固中的应用

针对电气化铁路无衬砌隧道存在的落石掉块病害,研究采用高强、绝缘、耐腐、阻燃的芳纶防护网进行加固的技术措施。以丰沙(丰台—沙城)线8号隧道为依托,介绍了该隧道无衬砌段病害情况,分析了采取的整治措施及尚待解决的问题。提出使用芳纶防护网进行加固,通过试验分析验证了芳纶防护网的物理性能,并阐述了隧道加固施工工艺。     

高速铁路隧道衬砌掉块气动力学行为及演化机制

随着我国高速铁路建造技术高质量发展,高速列车运行速度不断提升。受列车运行速度、隧道服役时间等众多因素的影响,高速铁路隧道在服役期间,衬砌裂损掉块病害现象日益凸显,严重危害行车安全。为探究行车环境下,列车风及其流场结构对隧道衬砌掉块下落过程的影响规律,建立列车-隧道-衬砌掉块-空气三维气固耦合计算模型,模拟行车环境下衬砌掉块自隧道拱顶脱落到下降落地的全过程。研究结果表明：1)衬砌掉块的下落过程包括3个方向的平动与转动,平动以沿列车纵向运动为主,纵向运动位移约为横向运动位移的4倍,转动以横轴为主;2)列车风与衬砌掉块相互作用相互影响,列车风作用在掉块时,掉块周围的流场出现漩涡、绕流等现象继而改变掉块的运动姿态和方向。与此同时,掉块的运动又进一步使其周围流场结构发生改变,以此不断反复直至落地;3)沿列车纵向上是流场结构的主要流动方向,列车风作用在掉块上,推动其运动,故沿列车纵向为衬砌掉块的主要运动方向。衬砌掉块随时间变化与流场结构产生不同的夹角与不同强度的绕流,故衬砌掉块的转动以横轴为主。研究结果对防治隧道掉块病害及提高行车安全性具有一定的参考价值。     

落石冲击力计算方法

针对现有落石冲击力算法计算所得结果严重偏小的问题,提出应考虑落石冲击过程中落石重量和反弹效应对落石冲击力的影响,并基于冲量定理和在日本道路公团算法以及有关试验数据的基础上研究新的落石冲击力计算方法。通过法向恢复系数引入落石反弹效应计算项,通过定义落石冲击力放大系数建立落石最大冲击力和平均冲击力之间的联系,从而导出适用于不同冲击速度、不同缓冲土层厚度和不同冲击角度的落石最大冲击力算法,并给出对应于工程中常见落石尺寸和冲击速度的冲击力放大系数取值曲线。通过实例验证了利用该算法和冲击力放大系数取值曲线可解决工程中有关落石冲击力的计算问题。     

铁路隧道衬砌灌注质量智能化保障技术

隧道结构时有掉块、水害、底鼓、开裂等病害产生,衬砌掉块因其发生无预兆、严重危及行车安全的特点被称为铁路隧道首害。空洞、脱空等衬砌质量缺陷是导致掉块等病害发生的主要隐患。既有检测技术的局限性、施工期间环境的特殊性、混凝土多相混合的模糊性、工艺工法的隐蔽性,导致长期以来无法掌握混凝土冲顶的实际状态。经深层次分析拱顶空洞成因,针对性研发了衬砌灌注状态监测装置,设计隧道衬砌冲顶状态智能判释系统,形成高速铁路隧道衬砌冲顶质量智能化保障技术。该技术于京张高铁八达岭隧道开展试用,为现场提供实时指导依据,达到了降低衬砌施工质量缺陷、提升隧道品质的目的。     

铁路隧道进出口段落石冲击力计算分析

研究目的:崩塌落石是高陡的岩质边坡中,一种常见地质灾害,如不加以治理,可能造成交通中断以及巨大的人员伤亡和经济损失。在山区修建铁路工程时,尤其是隧道进出口段,为了防止崩塌落石对轨道结构的影响,常采用明洞、棚洞等处理措施,落石冲击力是进行明洞、棚洞及拦石墙等被动防治结构设计的主要荷载之一。目前,落石冲击力主要是通过一些半经验半理论的公式计算得到,这些方法的适用性、合理性有待通过充分研究讨论。研究结论:本文对几种已有的落石冲击力计算方法进行了探讨分析,结合襄渝铁路隧道口增设棚洞工程,采用路基工程手册法、隧道手册法、Labiouse法、Kawahara法、杨其新法等方法进行了落石冲击力计算,结果表明这5种计算方法的计算结果在量值上相差不大,路基工程手册法、隧道手册法计算结果稍大。考虑到两手册中的经验方法经过了大量的工程验证,因此推荐以两手册方法的计算结果作为增设棚洞工程设计时的设计荷载,并据此开展工程设计。     

隧道衬砌施工缝质量缺陷分析及预控措施

隧道衬砌施工缝是隧道衬砌受压及防排水的薄弱部位,是隧道衬砌工程质量的关键控制点。在我国大部分铁路隧道衬砌混凝土施工后,仰拱、二衬施工缝极易出现不同程度的裂纹、开裂、掉块、脱空、渗漏水等质量缺陷,直接影响隧道的使用功能,甚至对后期运营安全问题埋下隐患。本文结合在建成兰铁路隧道工程实体质量缺陷防控情况,对隧道工程已出缺陷进行分析,针对隧道仰拱、二衬施工缝质量过程控制提出了相应的预防措施,可为同类隧道工程施工缝质量控制措施提供借鉴和研究。     

落石冲击大跨度拱形明洞结构作用机理研究

研究目的:为探明落石冲击作用于拱形明洞结构荷载分布规律,确保明洞结构安全,本文以铁路双线双耳墙式明洞为研究对象,采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA,通过改变落石质量、冲击速度和回填土厚度分析落石冲击力和落石冲击所在横、纵断面明洞结构受到的冲击压应力,提出计算落石冲击力、冲击压应力的方法。研究结论:(1)当回填土厚度从1 m增大至4 m时,落石冲击力没有明显变化,而落石冲击作用于明洞结构的最大压应力迅速减小,说明应以落石冲击压应力和回填土自重应力作为明洞结构设计依据;(2)落石冲击压应力随着距落石冲击点水平距离的增大而减小,近似成圆台形分布,其扩散角约为50°;(3)落石冲击力、冲击压应力随落石质量、冲击速度的增大而增大;(4)综合落石质量和冲击速度提出了以冲击能量计算落石冲击力和冲击压应力的方法;(5)本研究成果可为明洞设计提供参考。     

隧道衬砌分岔裂缝特征提取研究

随着高速铁路的快速发展,高铁隧道的病害问题逐渐受到重视,而隧道衬砌分岔裂缝发育造成的衬砌剥落掉块已成为常见的隧道病害之一,因此对于分岔裂缝的检测与防治十分重要。基于数字图像处理的隧道衬砌裂缝特征提取研究方面,国内外专家学者已经做了很多工作,但大都基于单线裂缝,针对分岔裂缝的特征提取研究还很少。利用MATLAB软件编程,在单线裂缝特征识别的基础上,通过对分岔裂缝进行分支化处理,提取了分岔裂缝的拐点特征。并加入了分岔点生长编码作为分岔裂缝新的裂缝特征,该特征能够量化分岔裂缝的初始生长方向。经裂缝匹配试验验证,不同时期的分岔裂缝图像,其拐点特征和分岔点生长编码特征能够达到高度匹配。两种特征能够为分岔裂缝的机器自动化识别提供可靠依据,进而为实现隧道衬砌剥落掉块预警奠定基础。     

高水位富水隧道衬砌结构设计刍议

本文应用渗流理论建立岩体渗流计算模型，推导了隧道衬砌外缘剩余水头的计算公式，并对荷载——结构计算模型、理论解析计算和有限元计算三种抗水压隧道衬砌结构设计方法予以介绍。     

铁路隧道钢筋混凝土衬砌结构可靠度分析

研究目的:针对现行《铁路隧道设计规范》中钢筋混凝土构件极限状态方程存在的不足,本文细分钢筋混凝土衬砌中钢筋的各种受力状态,并寻求更精确适用的功能函数及可靠度计算方法,为按可靠度理论修订《铁路隧道设计规范》提供参考。研究结论:(1)基于荷载-结构法模型,通过调研分析得出钢筋受力状态判断的界定方程,建立了适用于隧道钢筋混凝土衬砌结构的大、小偏心受压构件的功能函数及极限状态方程;(2)根据钢筋混凝土衬砌功能函数,应用JC法基本原理,通过分析推导提出一套钢筋混凝土衬砌结构可靠度分析方法,并在铁路隧道标准图衬砌可靠指标计算中得到成功验证;(3)本文提出的钢筋混凝土衬砌的功能函数及可靠度分析方法可直接指导铁路隧道钢筋混凝土衬砌设计。     

隧道衬砌结构体系可靠度研究

针对隧道二次衬砌结构,从其在围岩荷载作用下的内力分布出发,建立了衬砌结构的串并联体系,由此确定其体系失效模式,进而以蒙特卡罗-随机有限元法为基础,充分考虑材料性能参数、几何尺寸、围岩弹性抗力系数及荷载等的随机性影响,采用区间估计的"宽界限法"对隧道衬砌结构的体系可靠度进行了分析。最后结合一典型工程实例对隧道结构体系的可靠指标进行了计算,计算结果表明:尽管隧道衬砌结构存在局部截面的可靠指标较小,但其体系可靠指标仍较高,整个隧道衬砌结构处于安全状态。     

隧道洞口波纹板防护结构的动态性能

考虑现有隧道洞口防护结构的优缺点,本文提出了一种隧道洞口波纹板防护结构。利用足尺试验分析不同冲击能量下隧道洞口波纹板防护结构内力、变形及基础受力特性。应用LS-DYNA动力学软件建立落石冲击波纹板防护结构动力学分析模型,对落石冲击作用下波纹板防护结构的内力、变形及基础压力进行了分析。结果表明:采用300 mm×110 mm及以上波形,在500 kJ冲击能量作用下,即使板材个别位置出现屈服,拱顶整体变形仍然较小。因此采用大波形作为隧道洞口防护结构是可行的。     

铁路隧道衬砌表观病害等级评定研究

运营期铁路隧道衬砌存在不同程度的裂缝、渗漏水、剥落（掉块）等表观病害。本文首先分析了GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》、TB/T 2820.2—1997《铁路桥隧建筑物劣化评定标准隧道》等规范和标准评定隧道衬砌表观病害等级时存在的差异，针对QC/R 405.2—2019《铁路桥隧建筑物劣化评定第2部分：隧道》中存在的对细长裂缝没有给出判定规则、未考虑环向位置对等级评定的影响、不能依据检测图像对剥落（掉落）病害进行等级评定等问题，对裂缝长宽等级进行了细分，对病害环向位置进行了划分。在此基础上，对Q/CR 405.2—2019中高速、普速铁路隧道衬砌裂缝、渗漏水的等级评定规则进行了细化，实现了对不同属性特征的隧道衬砌表观病害等级的比较全面的评定。最后给出了隧道衬砌表观病害关注程度分类规则和不同等级病害的应对措施。     

复杂地质隧道衬砌变形分析与工程治理技术

研究目的:新建兰渝(兰州至重庆)铁路是我国《中长期铁路网规划》的重点项目,兰渝铁路两水隧道在施工过程中遇到高地应力,围岩最大水平主应力值为6.5~11.3 MPa,隧道围岩呈现变形大、速率快的特点。在隧道掘进施工前期,隧道初期支护结构变形大,部分钢拱架扭曲、断裂,支护结构失稳,初期支护结构侵入衬砌净空,拆换拱情况频繁发生。隧道贯通后,发现隧道已完衬砌局部区段出现衬砌混凝土开裂、掉块,断面变形乃至侵限现象,给隧道施工及运营带来极大的安全风险隐患。针对隧道衬砌出现的问题,经过会同有关专家充分分析其发生变形、开裂的原因,并就衬砌拆除换拱试验段工艺参数进行研究,通过严密的监控量测,分析隧道支护和衬砌结构受力和变形规律,提出合理的控制变形的工程处理措施。研究结论:(1)两水隧道通过区域地质构造十分复杂,软弱的薄层板岩、千枚岩或炭质千枚岩在高地应力作用下发生围岩大变形,造成较长段落初支变形和衬砌破坏;(2)在总结施工经验的基础上,结合大量的现场试验段围岩量测数据分析,采取双层初期支护和双层衬砌工程技术措施,进一步优化和增强初支拱架强度,可以有效的控制隧道大变形;(3)针对具有极高安全风险的衬砌拆除换拱施工,采用短拆除、快支护、设置临时套拱、打设锁脚锚管以及快速紧跟隧道二次衬砌等措施,可以进一步降低和控制安全风险;(4)本研究成果不仅是根据铁路大断面双线隧道通过软岩大变形地质条件下,出现罕见初支变形和衬砌破坏的工况,所采取的处理整治措施,而且对今后类似隧道工程施工中具有一定的指导价值。     

明洞隧道衬砌环向非受力裂缝分析及控制技术

目前国内对明洞隧道拱墙衬砌浇筑过程中出现的环向裂缝研究较少,该类裂缝由于是非受外力作用产生,没有引起足够的重视,但该类裂缝会引起隧道渗水、甚至影响结构耐久性。为了解决明洞隧道拱墙衬砌环向裂缝问题,依托京张高铁东花园明洞隧道工程实例,对明洞隧道衬砌环向非受力裂缝宽度影响因素进行了深化研究,通过对环境温度、配筋率、每版衬砌长度、底边墙的约束度等不同工况进行理论分析,提出明洞隧道衬砌混凝土非受力裂缝关键影响因素,并对裂缝的宽度和长度进行理论量化计算,提出该类裂缝控制关键技术,研究结果可为其他类似的明洞隧道衬砌设计、施工提供借鉴和参考。     

基于有限单元法的隧道抗水压衬砌结构设计

研究目的：客运专线铁路隧道结构设计中往往会碰到水荷载作用计算难题，考虑抗水压衬砌结构设计仍然是隧道设计与研究热点之一。为检验隧道衬砌结构设计的安全性及防水性，有必要对抗水压衬砌设计结构进行内力计算。研究方法：针对金沙洲隧道特定地质条件和工程设计要求，采用基于有限单元法的荷载结构模型，对按围岩类别设计的3种隧道断面衬砌结构受力进行数值模拟。研究结果：研究得到了衬砌外水压力以及结构内力及分布特征，并验算了衬砌结构的安全系数。通过对计算结果分析验证，选出了各自围岩级别下合适的衬砌结构。研究结论：在全断面封闭排水的衬砌结构设计中，应着重考虑发挥混凝土的抗压性能；在富水区地下水头较大时。采用帷幕注浆法改善堵水圈的渗透系数，可有效降低衬砌的外水压力；选择仰拱外轮廓隅角半径、仰拱与曲边墙的连接处的半径以及仰拱厚度作为控制变量，可以改善衬砌结构受力特征。     

隧道衬砌结构地震响应的三维数值分析

运用Ansys软件对盾构隧道在不同地质条件下的水平、竖向耦合地震的响应进行三维数值模拟，分析隧道衬砌结构的不同部位上应力和位移的分布状况，探明了盾构隧道在地震作用下衬砌结构的动力响应规律，找出了衬砌衬砌结构的受力最薄弱部位，研究可对盾构隧道的抗震设计提供理论参考。     

基于离散元方法的落石冲击力变化规律研究

采用PFC 2D离散元软件模拟落石冲击铁路棚洞现场试验,从落石冲击力大小、冲击作用时间2方面将数值计算结果与试验结果进行对比分析,验证了数值模拟计算结果与试验结果基本一致。对不同半径、不同密度的落石冲击作用进行了数值模拟,发现在冲击能量相同的情况下,同一密度而半径小或者相同半径而密度小的落石冲击力更大;落石回弹加速度在相同高度的条件下也遵循同一密度而半径小或者相同半径而密度小的落石回弹加速度更大的规律。     

隧道火灾后衬砌承载能力的可靠度评估方法

本文采用可靠度理论中的复合并串联系统，探讨了铁路隧道在发生火灾事故后，衬砌结构承载能力的可靠性评估方法，并结合有关试验测试资料，对不同火灾温度场作用下，衬砌结构的儿概率和可靠度进行了评估，在此基础上，提出了评价隧道火灾后，衬砌结构的可靠 指标。     

盾构隧道衬砌结构计算若干问题研究与探讨

研究目的:目前广泛应用的盾构隧道衬砌结构计算方法中,衬砌结构单元长度划分和衬砌单元四周约束弹簧的作用形式比较随意,将地面超载直接施加在衬砌结构上,忽略了地面超载在应力转变过程中的折减,因此需要提出明确的单元长度划分原则与弹簧作用方式,并根据地面超载的作用机理与影响程度,提出相应的理论计算方法。研究结论:(1)衬砌结构单元长度对结构内力计算结果影响不大,但相对精细的衬砌单元有利于得出更加准确的计算结果;(2)可采用水平向与竖向弹簧取代法向与切向弹簧,实现与地勘报告相对应的弹簧参数取值;(3)地面超载可根据松弛土压力或塌落拱高度折减,并提出了相应的荷载折减系数,指出了超载对衬砌内力的影响与其荷载水平正相关;(4)应根据局部超载作用范围及其与隧道间的相对位置关系,以及荷载在地层中的应力扩散角综合确定其对衬砌结构内力的具体影响,提出了不同范围局部超载作用下的衬砌结构附加荷载计算模型;(5)该研究结论可为正确的地下隧道工程结构计算模型与计算理念提供借鉴与指导。