重载铁路隧道隧底围岩劣化的CFD-DEM模拟研究

研究目的:重载铁路隧道隧底结构较普通铁路受到更大的动力作用,列车动载-地下水耦合作用下隧底软弱围岩将发生劣化,甚至形成脱空,引发基地下沉、翻浆冒泥等一系列隧底病害。本文采用CFD-DEM耦合分析方法研究列车动载-地下水耦合作用下重载铁路隧道隧底软弱砂性土围岩劣化及脱空规律,为重载铁路隧道设计、施工及病害治理提供参考。研究结论:(1)列车动载-地下水耦合作用下隧底附近围岩细颗粒向两侧迁移流失,仰拱-围岩接触面形成局部脱空;(2)列车动载-地下水耦合作用下仰拱-围岩接触压力逐渐减小,隧底结构受力劣化,轨线位置最为明显;(3)列车轴重和行驶速度的增加将加速隧底围岩脱空及劣化的发展;(4)本研究成果可用于优化重载铁路隧道隧底结构设计,减少隧底病害,提高隧道的耐久性。     

重载铁路隧底结构病害特点及疲劳损伤机理分析

现场调查结果表明,隧底结构病害主要为隧底下沉、翻浆冒泥、侧沟外挤、混凝土破损和混凝土不密实,隧底病害连续长度多集中在3～9 m区间,围岩越差隧底结构病害越严重,隧底病害的影响因素主要为大轴重、围岩缺陷和地下水作用。基于通过疲劳寿命曲线预测铁路隧道结构疲劳损伤的方法,建立计算模型对重载线路疲劳损伤过程进行模拟分析。结果表明:在重载列车长期荷载作用下隧底结构道床、仰拱填充层和仰拱均依次出现了损伤;运行12年后重载线路道床最早出现损伤,轨枕下方损伤影响范围由上至下逐渐增大。     

重载铁路隧道基底脱空条件下服役状态影响研究

隧道基底在重载列车动力荷载的长期循环作用下,将不可避免地出现累积损伤、疲劳破坏以及基底围岩脱空等现象.为了揭示重载铁路隧道基底脱空对仰拱结构的影响,采用数值模拟方法建立动载-隧道-围岩三维数值动力学模型,探明不同基底脱空状态下重载铁路隧道过车时基底结构的动力响应特征,并基于弯拉状态下的混凝土S-N曲线得到不同脱空状态下...     

不同轴重下双线重载铁路隧道基底结构动压力分布研究

以重载铁路张唐线付营子隧道为工程依托,针对Ⅳ级围岩条件下双线重载铁路隧道在25、27、30 t三种轴重下的基底结构不同结构层表面的动压力分布及竖向传递规律,开展了现场大型激振试验和实时远程监测。根据激振试验所得土压力传感器典型时程曲线,得到了各结构面动压力的横向分布及竖向传递规律,最后根据远程监测数据对27 t轴重下基底结构的动压力分布规律进行对比验证。结果表明:Ⅳ级围岩条件下,双线重载铁路隧道重载线路在重载列车荷载直接作用下,该侧的动压力均大于普通铁路,各结构面不同测点的动压力数值随着与激振点水平距离的增加而降低,列车轴重提升使线路下方作用荷载的增大,双线铁路隧道基底结构易出现失稳。动压力竖向传递规律显示,各结构面表面接触压力对列车轴重的响应由上至下逐渐减弱。远程实测数据分析结果与激振试验结果比较接近,表明试验结果可用于双线重载铁路隧道基底结构设计参考。     

30 t轴重下重载铁路隧道隧底结构疲劳损伤研究

鉴于重载铁路隧底结构疲劳损伤现象较普通客货共线铁路更加明显,根据现场调查对重载铁路隧底结构病害进行分类,并确定了影响其疲劳损伤的主要因素为重载列车长时间大轴重碾压。依托张唐铁路双线重载铁路隧道大型现场原位激振试验,得到了Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩条件下道床结构表面的轴重列车附加动荷载分布规律,利用Ansys Workbench仿真软件对重载铁路隧底结构损伤分布及疲劳损伤进行模拟,并结合试验所得道床和仰拱结构的动应力验证其计算结果的准确性,结果表明:将实测所得动压力时程曲线作为Workbench动力初始条件进行疲劳损伤计算具有客观性,计算得出:随着围岩条件降低,隧底结构损伤范围及损伤程度逐渐增加;在相同围岩级别30 t轴重条件下隧底结构损伤出现的时间由上至下依次递增,且损伤程度逐渐降低。研究成果可为重载铁路隧道运营期长期服役性能研究及疲劳寿命预测提供借鉴和参考。     

双线重载铁路隧道基底结构受力特性现场激振试验研究

依托于张唐线双线重载铁路隧道——付营子隧道现场试验,在Ⅴ级围岩条件下利用大型激振设备不同频率和配重块组合模拟了25、27、30t轴重的重载列车作用。根据光纤光栅传感器采集时程曲线提取的静压力和瞬时动压力幅值,针对基底不同结构层表面上不同测点的接触压力横向和竖向分布规律进行研究。结果表明:双线重载铁路隧道基底结构通车前静压力分布基本对称,重载列车荷载作用下,因仅半幅受到重载荷载影响,其动力响应明显于普通客运线路使基底结构受力不平衡易发生失稳。在重载线路中心、轨道位置和客运线路轨道3条监测线上各结构层表面动压力竖向衰减规律类似,均可拟合为三次多项式用于类似工程的设计和受力预测。     

30t轴重条件下隧道技术标准研究

研究目的:货运重载是铁路发展的趋势之一,目前我国重载列车的轴重是25 t,近期的发展目标是轴重达到30 t.轴重增加将使轨道和轨下基础承受较大的荷载,也将增加隧道基底病害的发生几率.因此需要深入研究轴重增加对隧道基底结构的影响,研究30 t轴重下隧道的技术标准.研究结论:以客货混跑的太行山隧道为基础进行重载铁路隧道的断面设计基本上是可行的;重载铁路隧道应取消单纯的铺底结构,在Ⅲ级以上围岩设置仰拱,且仰拱的矢跨比和厚度应不低于客运专线隧道标准;由于重载列车荷载的复杂性和围岩的千差万别,在制定30 t轴重条件下隧道技术标准时需要结合目前重载线路进行大量现场测试.     

基底脱空条件下重载铁路隧道铺底结构疲劳性能试验研究

结合重载铁路隧道基底脱空病害特征,设计基底脱空条件下隧道铺底结构疲劳试验装置,并考虑隧道基底无水、富水环境等因素,开展隧道铺底脱空病害下的结构疲劳试验.基于试验结果的分析,探讨脱空条件下隧道铺底结构的疲劳演化特性,拟合得到300 mm脱空条件下隧道铺底结构试件疲劳寿命演化曲线.研究结果表明:基底脱空条件下,隧道铺底结构疲劳性能呈"倒S型"演化趋势,结构疲劳寿命随着应力水平增大而显著缩短;受地下水的影响,富水环境隧道底部结构疲劳寿命显著短于无水环境,且随着应力水平的升高,缩短的比例也越大;建立的基底脱空条件下隧道铺底结构疲劳寿命演化曲线,可用于隧道底部结构损伤状态的评价.     

山西中南部铁路通道重载铁路隧道隧底加固方案研究

山西中南部铁路通道将开行30 t轴重列车,荷载计算与有限元数值分析表明,列车轴重增加后位于富水软弱围岩及土质地层段隧道基底应力增大,在列车活载反复作用下隧道底部易形成病害。本文论述了对已先期建成的隧道进行基底加固的必要性,论证了采用隧底注浆方案进行基底加固合理可行。     

铁路隧道基底病害产生机理及整治措施

运用理论分析及模型试验和现场试验的方法,对铁路隧道基底结构的受力状态、病害产生的机理以及病害的整治措施进行研究。研究表明:隧道基底结构在列车静载作用下处于受弯拉的受力状态,在列车运行荷载作用下则会产生挠曲振动,其基底结构会随之产生疲劳破损直至断裂;隧道基底病害的产生和发展是列车动载、地下水、施工质量等多种因素综合作用的结果,各因素之间又有着相互促进,相互恶化的关系。对隧道基底病害的整治要采用改善隧道基底的结构形式和排水设计、减弱列车振动对基底结构及基岩的影响以及保证施工质量等多种措施和手段进行综合治理。     

重载列车对四心圆隧道结构受力的影响研究

结合我国重载铁路隧道结构特点,利用大型有限元软件ANSYS建立围岩-隧道结构-轨道结构三维动力分析模型,采用移动荷载模拟重载列车竖向动荷载,着重分析了重载列车荷载在隧道基底的分布、传递特性以及隧道结构内力的空间分布特性。     

重载铁路隧道基底病害微型桩加固技术研究

结合我国重载铁路隧道基底病害特点,提出了一种隧道基底微型桩加固技术。同时,利用大型有限元软件ANSYS建立隧道基底微型桩加固分析模型,采用30 t列车动压应力实测值模拟重载列车竖向动荷载,着重分析了30 t重载列车通过隧道基底病害区段时微型桩的加固效果,结合某隧道现场测试与混凝土检测结果以及新旧混凝土结合面强度统计分析结果,提出了基底采用微型桩加固基底混凝土厚度要求,为今后采用该法进行基底加固提供借鉴。     

运营铁路隧道基底结构快速补强技术研究

由于设计施工不当、地下水、列车动荷载作用等原因,常致隧道底部结构出现病害.运营隧道基底病害的表现形式为下沉、翻浆冒泥、及整体道床开裂等,这些病害会危及行车安全.目前隧道基底病害的整治方式无法在短时间内提高基底结构强度,维修施工影响列车运营.采用高强发泡树脂作为材料,以高压注浆的方式对隧道基底进行加固,可将基底填充密实,并在较短时间内提高隧道基底结构承载力,有效减少对运营的影响.     

基底脱空条件下铁路隧道行车安全性分析

结合大瑶山隧道基底病害,在混凝土塑性损伤本构模型基础上,建立隧道-围岩相互作用动力计算模型,研究基底脱空对铁路隧道行车安全的影响。结果表明:随隧道基底脱空距离增加,隧道底部结构动力响应和损伤增大,且脱空距离超过一定深度后变化加剧;对于内侧单边脱空、两侧对称脱空和中间扩展脱空方式,当脱空距离分别达60、60、180cm时,需采取限速、加固等措施保证隧道行车安全。各脱空方式中,以两端向中间脱空方式所受影响最大。在该脱空方式下,当脱空距离从0cm增加到90cm时,底部结构竖向位移最大增幅达1.5倍;加速度最大增幅达17.2倍;主应力最大增幅达3.2倍;损伤值最大增幅达1.4倍。当脱空距离达120cm时,底部结构已发生破坏。可见,基底脱空对结构稳定和受力极为不利,将加剧结构损伤破坏。研究结果可为铁路隧道行车安全性评价和基底脱空整治提供参考。     

朔黄铁路隧道基底结构病害分析

我国重载铁路隧道基底病害问题突出,已严重影响线路行车安全。本文采用地质雷达法和高密度电法对朔黄铁路17座隧道的基底结构病害情况进行无损检测。检测结果表明:重车线侧基底病害比其他区域严重;基底结构破损最为常见,基底不密实次之,基底下沉也时有发生;围岩级别越差,基底混凝土厚度不足和基底不密实的情况越严重。     

井点降水在铁路隧道病害整治中的应用研究

对既有铁路隧道尤其是重载铁路隧道运营过程中出现的基底病害进行了研究,重点论述和分析病害检测、评估与整治措施等方面的内容。针对铁路隧道中以地下水为诱因的基底病害,介绍了"井点降水+注浆"这种适合既有铁路隧道基底水害"疏堵结合"的复合式整治措施,并在大秦铁路九山隧道基底病害整治工程中加以推广应用,取得了良好的工程效果,可为类似工程提供参考。     

高速铁路隧道列车振动响应影响因素分析

运用有限差分法,建立了隧道-围岩相互作用的动力计算模型,分析围岩条件、列车运行速度、隧道底部结构设计参数以及基底状况对列车振动荷载作用下隧道结构动力响应的影响.结果表明:隧道衬砌结构动力响应随着围岩级别的提高、行车速度的增加和基底软弱层厚度的增加而增大,随着仰拱厚度、填充层厚度和仰拱矢跨比的减小而增大.隧道底部结构厚度...     

砂层隧道列车振动响应与地基累积变形研究

采用动力有限元数值计算方法,对列车荷载作用下狮子洋隧道典型砂层段的动力响应进行计算分析。进一步借鉴路基累积变形计算方法,对列车长期荷载作用下隧道基底砂层累积变形计算方法进行探讨。狮子洋隧道基底砂层段孔隙水压力消散较快,基底土层实际动应力比小于其临界动应力比,隧道基底砂层不会由于列车长期运营而产生局部液化破坏;在列车荷载作用下,隧道衬砌结构中应力、位移均变化不大,隧道结构在列车运营荷载作用下处于安全状态;在列车长期运营荷载作用下,隧道基底砂层累积塑性变形小于25mm,隧道基底地基土累积塑性变形不会对列车长期运营造成破坏性影响。     

重载列车作用下隧底结构动力响应分析

重载列车作用会导致铁路隧道基底结构动力响应不断增大，从而使基底结构产生破坏。采用数值模拟方法，建立单、双线隧道-围岩耦合计算模型，对重载列车作用下单、双线隧道动力响应随深度变化规律进行研究，对列车轴重、行车速度和填充层厚度对隧底结构动力响应特性的影响规律进行计算分析。结果表明：隧道横断面上的拉应力沿深度方向先增大后减小，在初支部位达到峰值，单线隧道轨下断面为最不利断面，双线隧道中线断面为最不利断面；随轴重增加，隧底仰拱各特征点竖向位移及填充层最大主应力响应均呈现线性变化趋势；随列车速度增加，各特征点竖向位移略有增大，但幅值变化不大；随填充层厚度增加，隧道仰拱最大加速度及最大主应力均呈减小趋势。     

水平层状泥岩铁路隧道底鼓机理及解析方法研究

西南地区缓倾层状泥岩地层铁路隧道仰拱底鼓病害频发,当列车高速通过时因轨道不平顺导致晃车现象,严重影响列车行车速度及安全。针对缓倾层状泥岩铁路隧道底鼓病害问题,以YD隧道底鼓段为研究对象,通过对隧道底鼓段进行长期变形监测和理论分析,对缓倾层状泥岩铁路隧道底鼓特征及机理开展研究。研究结果表明：隧道左线、中心和右线道床板中心位置处测点底鼓明显,即仰拱中部底鼓量较大,底鼓严重区段6 a持续上鼓约69.75 mm,沿隧道纵向底鼓区段长度约40 m,而隧道两侧边墙墙脚处未发生变形;对于中薄层缓倾层状泥岩地层,在水平构造应力作用下,隧道仰拱底部缓倾层状岩体在弹性阶段向临空面发生一定程度的挠曲变形,隧道边墙围岩沿节理面发生水平剪切滑移变形,隧道拱顶部位围岩发生垂直层理面的弯曲变形,由于衬砌结构作用拱部围岩变形较小。依据隧道平底板受力特征,基于竖向及水平双向荷载作用的简支梁力学模型,建立缓倾层状围岩隧道底板底鼓力学解析模型,分析揭示了隧道仰拱最大底鼓变形量与弹性模量E和底板厚度h成反比,与竖向地应力σz,水平地应力σx和隧道跨度l成正比。研究成果可为类似工程隧道仰拱设计及底鼓治理提供理论依据。