铁路隧道底部结构隆起变形及其工程对策研究

摘要

我国新建铁路隧道大部分采用无砟轨道，对隧道底部变形的要求非常严格。运营和在建的铁路隧道常有底部隆起变形发生，给行车安全和工程建设带来很大困难，急需深入研究并加以解决。但是，由于隧道底部结构隆起变形的机理非常复杂，目前尚缺乏合理的力学分析基础，以及相应的工程对策。所以，研究铁路隧道底部结构隆起变形机理以及工程对策具有重要意义。
　　本文首先通过调查国内外的铁路隧道底部隆起变形事例以及相关的岩石强度试验结果，分析铁路隧道底部结构隆起的影响因素和变形机理;然后，以兰新铁路福川隧道为背景，采用数值模拟的手段，研究含有少量膨胀性黏土矿物的沉积岩地质条件下铁路隧道底部隆起现象;最后，分析抑制铁路隧道底部结构隆起变形的工程对策。主要研究成果如下:
　　(1)通过文献调查和资料收集，对铁路隧道底部结构隆起变形的发生条件进行梳理，从地质岩性、围岩受力以及地下水等方面进行分析，明确了隧道底部隆起变形的机理主要有两大类，即隧道底部围岩的塑性变形（squeezing）和吸水膨胀（swelling）。
　　(2)根据既往的有关沉积岩强度的试验结果，发现含水率对岩体强度，特别是泥岩、泥质砂岩以及凝灰岩等沉积岩的强度有较大的影响，含水率增大会显著降低岩体的强度。
　　(3)在弹粘塑性理论的基础上，采用强度劣化有限元模型分析了铁路隧道底部结构隆起变形的力学机理。隧道底部围岩，由于含水率的增加，可能导致围岩强度的降低，使得底部围岩的塑性变形增大，引起底部结构隆起变形。
　　(4)依据强度劣化理论模型，采用数值模拟的手段，模拟兰新铁路福川隧道底部隆起现象。根据仰拱厚度不同分两种工况，得出随着围岩粘聚力的降低，底部结构隆起变形逐渐增大，底部拉应力数值和范围逐渐增大，底部结构和围岩塑性区也逐渐增大;仰拱厚度的不足使得围岩强度劣化引起的底部结构隆起变形更加显著。得到的隆起变形量以及仰拱填充层开裂的结果大致与现场监测结果相符。
　　(5)以兰新铁路福川隧道为模型，通过数值模拟研究铁路隧道底部结构隆起的工程对策，得出仰拱曲率的增大可以有效抑制围岩强度劣化引起的底部结构隆起变形。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 高地应力软弱围岩的隧道底部结构隆起变形研究

1．2．2 膨胀性围岩的隧道底部结构隆起变形研究

1．2．3 地下水水压的隧道底部结构隆起变形研究

1．3 存在的问题

1．4 研究内容

1．5 论文研究方法及技术路线

2 铁路隧道底部结构隆起变形的事例分析及既往试验

2．1 铁路隧道底部结构隆起变形的影响因素

2．2 铁路隧道底部结构隆起变形的事例分析

2．2．1 国内铁路隧道底部隆起变形事例

2．2．2 国外铁路隧道底部隆起变形的事例

2．2．3 铁路隧道底部隆起变形的影响因素

2．3 沉积岩强度的既往试验研究

2．3．1 泥岩强度的既往试验研究

2．3．2 泥质砂岩强度的既往试验研究

2．3．3 凝灰岩强度的既往试验研究

2．4 本章小结

3 弹粘塑性基本理论与强度劣化模型

3．1 弹粘塑性有限元解析

3．2 强度劣化模型

3．2．1 基本假设

3．2．2 强度劣化模型

3．4 本章小结

4 兰新铁路福川隧道底部结构隆起变形研究

4．1 兰新铁路福川隧道底部结构隆起变形调查

4．1．1 隧道底部结构混凝土钻孔取样

4．1．2 隧道底部结构隆起变形段的调查

4．1．3 隧道底部结构隆起变形量的监测

4．1．4 隧道底部结构离缝的监测

4．1．5 隧道底部结构裂缝的监测

4．2 兰新铁路福川隧道有限元模型及计算条件

4．2．1 计算模型

4．2．2 本构模型的选取

4．2．3 围岩和混凝土力学参数的选取

4．2．4 数值模拟边界条件及初始地应力

4．2．5 隧道开挖支护及围岩强度劣化过程的设定

4．2．6 有限元节点选取

4．3 兰新铁路福川隧道有限元模拟结果

4．3．1 隧道开挖支护过程的有限元模拟结果

4．3．2 隧道设计断面围岩强度劣化的有限元模拟结果

4．3．3 隧道仰拱厚度不足断面围岩强度劣化的有限元模拟结果

4．3．4 隧道设计断面和仰拱厚度不足断面底部隆起变形的比较

4．4 本章小结

5 隧道底部结构隆起变形工程对策

5．1 铁路隧道仰拱的力学作用

5．1．1 仰拱的定义

5．1．2 仰拱的力学作用

5．2 仰拱不同曲率对底部结构隆起变形的影响

5．2．1 仰拱不同曲率对底部结构位移的影响

5．2．2 仰拱不同曲率对底部结构应力的影响

5．2．3 仰拱不同曲率对底部结构以及围岩塑性区的影响

5．3 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集