列車(chē)荷載對(duì)含空洞的高鐵隧道的損傷分析研究 交通運(yùn)輸專(zhuān)業(yè)

第1章緒論1.1引言自2005年以來(lái)，根據(jù)“十一五”、“十二五”對(duì)鐵路方面的規(guī)劃和我國(guó)制定的《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，全面推進(jìn)高速鐵路“四縱四橫”的鐵路網(wǎng)建設(shè)，到2015年末，我國(guó)在役的高速鐵路隧道有25條，總長(zhǎng)度約3200km，約2200座隧道，且有2900km的高速鐵路隧道正在建設(shè)階段，在加上目前已經(jīng)處于規(guī)劃、設(shè)計(jì)階段的高鐵隧道，我國(guó)的高鐵隧道總長(zhǎng)度將達(dá)到10000km?？v觀歷史，從2004年國(guó)務(wù)院審議通過(guò)的《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》到08年修改后，再到現(xiàn)在，我國(guó)的高速鐵路正處于飛速發(fā)展的階段，技術(shù)已經(jīng)相對(duì)比較成熟，在高鐵隧道修建里程及數(shù)量上已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)發(fā)達(dá)國(guó)家，成為了隧道超級(jí)大國(guó)REF_Ref475562167\r\h[1]REF_Ref475562184\r\h[2]REF_Ref475562187\r\h[3]REF_Ref475562189\r\h[4]REF_Ref475562191\r\h[5]。面對(duì)上述高速鐵路隧道問(wèn)題,在我國(guó)高速鐵路已經(jīng)進(jìn)入重要發(fā)展關(guān)頭,研究含缺陷高速鐵路隧道動(dòng)力學(xué)對(duì)于我國(guó)目前在役鐵路隧道和擬建的高速鐵路隧道來(lái)說(shuō),在鐵路運(yùn)營(yíng)的安全、舒適等方面的要求具有重大意義，為我國(guó)高速鐵路的發(fā)展開(kāi)辟?gòu)V闊的外部環(huán)境和發(fā)展空間勢(shì)在必行。1.2研究背景和意義1.2.1研究背景我國(guó)鐵路隧道每年300km甚至更快的建設(shè)速度增長(zhǎng)，盡管我國(guó)的高鐵技術(shù)已是世界先進(jìn)水平，但根據(jù)對(duì)我國(guó)5000座已建鐵路隧道的統(tǒng)計(jì)資料分析表明,隧道襯砌存在不同程度的空洞病害,病害隧道占比約50%,其中高鐵隧道空洞病害占比約為38%。隧道設(shè)計(jì)規(guī)范要求隧道襯砌與圍巖緊密貼合，實(shí)際上襯砌與圍巖之間常存在空隙或兩者之間回填不夠密實(shí)，這種現(xiàn)象叫做隧道背后空洞。在隧道襯砌的拱頂，拱肩，拱腰，邊墻等部位都存在不同程度的空洞病害，空洞的存在是造成隧道混凝土壓潰掉塊兒甚至整體失穩(wěn)的極大隱患，對(duì)行車(chē)及人員安全造成極大的潛在危害REF_Ref476647425\r\h[6]。隧道結(jié)構(gòu)中的這些空洞病害問(wèn)題，在運(yùn)營(yíng)中列車(chē)動(dòng)載的長(zhǎng)期作用下將會(huì)不斷累積，結(jié)構(gòu)中的缺陷會(huì)隨著動(dòng)荷載的重復(fù)作用，產(chǎn)生擴(kuò)展，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，特別在服役的中后期，加上長(zhǎng)期環(huán)境因素的影響，對(duì)隧道的耐久性影響將更大。圖1-1隧道病害檢測(cè)病害類(lèi)型占比Fig.1-1Percentageofdiseasetypesdetectedbytunneldisease（舉例說(shuō)明隧道災(zāi)害實(shí)例，以及因?yàn)榭斩此斐傻恼媸前咐﹫D1-2隧道襯砌結(jié)構(gòu)空洞病害Fig.1-2tunnelliningstructurecavitydisease1.2.2研究意義由于各種因素導(dǎo)致空洞這一缺陷的發(fā)生，并且以目前的施工技術(shù)是不可避免的，再加上現(xiàn)在高鐵列車(chē)速度越來(lái)越快，以復(fù)興號(hào)為例時(shí)速最高可達(dá)400Km/h，這樣給隧道結(jié)構(gòu)帶來(lái)了更大的質(zhì)量挑戰(zhàn)。由于高鐵軌道應(yīng)用的事無(wú)砟軌道，其雖然具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、美觀等優(yōu)點(diǎn)，但是由于整體形勢(shì)是混凝土，造成其整體的剛度比較大，彈性小，不利于列車(chē)荷載振動(dòng)波的傳播衰減。因此就需要高鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)必須在列車(chē)振動(dòng)荷載下具有結(jié)構(gòu)動(dòng)力穩(wěn)定性。由于隧道結(jié)構(gòu)的一些病害，導(dǎo)致違背了設(shè)計(jì)之初的理想條件，造成結(jié)構(gòu)承載力的減弱。而含缺陷的高速鐵路隧道結(jié)構(gòu)是在長(zhǎng)期遭受列車(chē)振動(dòng)荷載的影響下工作的，且這種形式的破壞通常不是瞬時(shí)破壞，而是長(zhǎng)期反復(fù)的列車(chē)振動(dòng)荷載作用下，導(dǎo)致缺陷處產(chǎn)生二次病害，如空洞位置處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，在列車(chē)荷載反復(fù)作用時(shí)，會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生裂紋、裂紋擴(kuò)展、裂紋貫通，隨著病害不斷的累積，最終發(fā)生掉渣、掉塊甚至坍塌。由此可見(jiàn)，研究含空洞的高鐵隧道結(jié)構(gòu)在列車(chē)振動(dòng)荷載下的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律對(duì)日后的預(yù)防和維修迫在眉睫。1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1空洞的定義隧道空洞主要指兩種：（1）二次襯砌的厚度不足造成的二襯與初支之間的空洞；（2）初支背后出現(xiàn)脫空的現(xiàn)象?？斩吹念?lèi)型不同，其成因也不同。圖1-3初支與二襯之間的空洞類(lèi)型圖1-4初支與圍巖之間脫空1.3.2空洞的成因1.3.2.1二次襯砌的厚度不足造成的二次襯砌與初支之間的空洞成因REF_Ref509418880\r\h[7]REF_Ref509418883\r\h[8]REF_Ref509418885\r\h[9]：（1）混凝土收縮造成脫空?；炷辆哂心淌湛s特點(diǎn)，如果不采用膨脹混凝土，即使將模板內(nèi)灌滿，在混凝土凝固后，拱頂處仍不可避免地出現(xiàn)小空隙。如果混凝土水灰比較大，混凝土收縮則更為明顯。（2）因?yàn)榛炷猎跐仓^(guò)程中是一種流動(dòng)體，受重力影響，大面積澆筑時(shí)，邊墻的空腔最易充填密實(shí)，而拱頂處和拱腰處最易發(fā)生二襯脫空的情況，主要是在混凝土澆筑過(guò)程中未振搗密實(shí)，澆筑完成后混凝土受自重影響向邊墻處下沉，拱部壓力減小，造成拱部縱向脫空。同理，在反坡施工時(shí)，與上一個(gè)循環(huán)已施作完畢的襯砌間也容易出現(xiàn)自重影響下的增壓氣囊，造成二襯背后環(huán)向脫空?；炷翝仓凉安繒r(shí)，一般臨近本循環(huán)混凝土澆筑結(jié)束，剩余混凝土數(shù)量難以精確掌握，容易導(dǎo)致拱頂混凝土灌注量不足；另外灌注過(guò)程壓力變化，導(dǎo)致拱部局部地區(qū)泵送混凝土不到位，二襯脫空。灌注完畢后，襯砌背后二次注漿孔堵塞或襯砌背后注漿施作不到位，也會(huì)造成襯砌與圍巖的不密貼。泵送混凝土僅利用個(gè)別窗口澆筑時(shí)，易出現(xiàn)混凝土流動(dòng)距離過(guò)長(zhǎng)的情況，距灌注窗口較遠(yuǎn)處，混凝土供應(yīng)數(shù)量不足、輸送泵壓力不足或運(yùn)行故障而易造成脫空。此外，當(dāng)混凝土擴(kuò)散度不足時(shí)，也可能無(wú)法擴(kuò)散填充密實(shí)而造成脫空。（3）泵送口角度不合理或選擇不當(dāng)就會(huì)造成脫空。模板臺(tái)車(chē)拱頂一般設(shè)置有三個(gè)或三個(gè)以上的泵送孔，這些泵送孔大多垂直模板設(shè)置。混凝土從管內(nèi)進(jìn)入模板，流動(dòng)方向改變?yōu)?0°，由此帶來(lái)的壓力損失很大，造成襯砌遠(yuǎn)端脫空。（4）防水層松鋪不足造成脫空。由于超欠挖的普遍存在，加上初期支護(hù)施工質(zhì)量不佳，初期支護(hù)表面經(jīng)常出現(xiàn)縱向或環(huán)向凹凸起伏。在初期支護(hù)表面不平整時(shí)，如果防水層鋪掛過(guò)緊，二次襯砌混凝土將被防水層阻斷而不能完全充填凹陷位置，因此形成邊墻空洞。如果混凝土泵送壓力過(guò)大，則可能擠破防水層，造成滲漏水。（5）封口不當(dāng)造成脫空。混凝土灌滿并達(dá)到一定壓力后，二次襯砌澆筑即可結(jié)束，此時(shí)需要停止泵送并封閉泵送口。在封口方法上，目前仍有大量單位采取拆管后用編織袋、土工織物封堵泵送口的方法。采用這種方法時(shí)，拆除輸送管后混凝土在自重作用下會(huì)向下流出模板，直接導(dǎo)致泵送口對(duì)應(yīng)拱頂襯砌脫空，這是襯砌中部脫空的主要原因。（6）襯砌模板臺(tái)車(chē)由于各種原因底部支撐不足，或未支撐牢固，澆筑混凝土?xí)r，臺(tái)車(chē)發(fā)生整體位移，不但造成二襯背后脫空，而且可能造成二襯侵限等嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題。若襯砌臺(tái)車(chē)模板在混凝土達(dá)到拆模條件前或混凝土強(qiáng)度不足以承受其自重前發(fā)生下沉、變形則可能導(dǎo)致二襯背后脫空?；炷翝仓r(shí)，模板臺(tái)車(chē)擋頭板封堵不嚴(yán)實(shí)，或在壓力作用下變形，與臨近模板脫開(kāi)，造成漏漿，導(dǎo)致二襯背后脫空或不密實(shí)。此情況多出現(xiàn)于拱頂處。1.3.2.2初支與圍巖之間的空洞成因與危害：原因在調(diào)查，對(duì)隧道影響不是很大，由于有鋼拱架的支護(hù)存在初支背后脫空現(xiàn)象（a）初支背后脫空現(xiàn)象(b)圖1-5初支背后脫空造成初期支護(hù)背后出現(xiàn)空洞的原因主要有REF_Ref509419752\r\h[10]：（1）施工人員質(zhì)量意識(shí)淡薄、偷工減料的結(jié)果。為追求高額利潤(rùn)，刻意降低噴射混凝土的用量，采用以下幾種不良手段，造成噴混背后空洞。（2）施工工藝不精的結(jié)果。容易產(chǎn)生空洞的部位是拱頂，由于混凝土的收縮特性和重力的作用，使噴射混凝土與巖面不能密貼，產(chǎn)生空隙，形成空洞。（3）爆破使圍巖破碎。在爆破后拱腳部位的巖體，已經(jīng)破碎，由于處于拱腳，爆破沒(méi)有使其產(chǎn)生位移，噴混后，開(kāi)挖下導(dǎo)，再實(shí)施爆破。開(kāi)挖下導(dǎo)坑，在重力的作用下，產(chǎn)生向下的位移甚至掉塊。掉塊后產(chǎn)生的空洞，顯而易見(jiàn)可以補(bǔ)噴混凝土，但是由于下滑產(chǎn)生的空洞不易發(fā)現(xiàn)，就成為質(zhì)量和安全的隱患見(jiàn)（圖1-6）。（4）隧道滲水或涌水是隧道施工中常見(jiàn)的問(wèn)題，噴射混凝土不可能立即堵塞滲水，初步成型的初凝后柔性噴射混凝土在地下水壓力的作用下變形或脫落，脫落的混凝土可以重新噴射，但是變形的混凝土其后容易形成空洞（見(jiàn)圖1-7）。圖1-6圍巖破碎初噴形成的空洞圖1-7隧道滲水的原因產(chǎn)生空洞初期支護(hù)噴射混凝土背后空洞存在的危害REF_Ref509419752\r\h[10]：（1）初支背后的空洞存在，使初期支護(hù)（包括拱架支撐）不能與圍巖接觸面密貼，不能與圍巖形成的自然拱而共同受力，不能有效地支撐破碎巖體的變形，加快圍巖的破壞，給支護(hù)增加壓力。（2）初支背后空洞將成為地下水的良好的存儲(chǔ)空間，水害是隧道最大的威脅，地下水存在流動(dòng)空間，細(xì)小顆粒在水動(dòng)力的作用下流失，使原來(lái)穩(wěn)定的圍巖加速破壞。（3）初支背后的空洞存水，對(duì)于寒冷地區(qū)的隧道，是混凝土凍害產(chǎn)生的主要原因。地下水在空洞內(nèi)積存，不能及時(shí)排除，在零下溫度下，產(chǎn)生凍脹，造成隧道襯砌破壞，甚至這造成隧道滲漏水，影響行車(chē)安全。1.3.3含襯砌背后空洞的隧道結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀對(duì)于隧道結(jié)構(gòu)襯砌背后空洞這一病害，國(guó)內(nèi)外的專(zhuān)家學(xué)者分別從理論分析、數(shù)值模擬仿真分析、室內(nèi)模型試驗(yàn)方面進(jìn)行了不同的研究。M.A.Meguid，H.K.DangREF_Ref509426608\r\h[11]研究了隧道襯砌背后存在空洞時(shí)，設(shè)定在不同位置、不同大小的空洞且襯砌的材料不同時(shí)，采用數(shù)值模擬分析了不同情況下的病害形勢(shì)對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力力學(xué)行為，并得到隨著空洞尺寸的增大，襯砌結(jié)構(gòu)在拱腰位置處的受力越大；當(dāng)拱頂處存在空洞時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響最大，在空洞周?chē)霈F(xiàn)了拉應(yīng)力，拉應(yīng)力過(guò)大，超出襯砌結(jié)構(gòu)承載力將會(huì)使襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。王春景，雷明峰等REF_Ref509426990\r\h[12]，采用荷載-結(jié)構(gòu)法的計(jì)算原理，從襯砌的厚度不足、襯砌的背后存在空洞等方面進(jìn)行數(shù)值模擬分析結(jié)構(gòu)的安全性能，研究結(jié)構(gòu)得出隧道襯砌結(jié)構(gòu)存在空洞時(shí)結(jié)構(gòu)的受力發(fā)生明顯的改變，威脅著結(jié)構(gòu)的承載力安全。彭躍，王桂林等REF_Ref509426999\r\h[13]，采用地層-結(jié)構(gòu)法，使用ANSYS有限元軟件，分別就空洞部位不同、大小不同進(jìn)行模擬，分析結(jié)構(gòu)在含缺陷時(shí)的受力安全度。結(jié)構(gòu)表明，空洞位置不同時(shí)襯砌的受力都存在變化，影響最大的是拱頂處有空洞時(shí)，在拱頂?shù)目斩粗車(chē)芰ψ兓顬槊黠@；空洞尺寸較小時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響并不明顯，當(dāng)空洞尺寸大于0.5m時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)的受力呈增大趨勢(shì)。崔文艷，宋建等REF_Ref509427008\r\h[14]采用模型試驗(yàn)和MIDAS有限元數(shù)值模擬仿真分析軟件，對(duì)比分析了在不同位置處存在空洞時(shí)隧道結(jié)構(gòu)的受力形勢(shì)及破壞狀態(tài)。其研究成果表明，隨著空洞位置下移，襯砌結(jié)構(gòu)的破壞也隨之下移，表現(xiàn)為出現(xiàn)裂縫，其數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)也與試驗(yàn)結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了結(jié)果的可靠性。劉海京，夏才初等REF_Ref509427015\r\h[15]從空洞的幾何情況不同出發(fā)，設(shè)置長(zhǎng)方形和半圓形兩種空洞形狀，利用接觸法原理，通過(guò)法向和切向彈簧來(lái)模擬襯砌結(jié)構(gòu)和圍巖的接觸，采用Goodman單元進(jìn)行模擬空洞，減少相應(yīng)的彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)空洞形勢(shì)。劉的結(jié)論如下：接觸法可以很好的模擬圍巖與襯砌的相互作用；空洞位置出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中；空洞的幾何形狀對(duì)結(jié)構(gòu)的受力影響并不明顯。周成濤，陳俊濤REF_Ref509427025\r\h[16]通過(guò)ANSYS有限元軟件，建立含不同尺寸巨形空洞的三維隧道模型，分析隧道襯砌的受力，并引入強(qiáng)度折減法，計(jì)算空洞存在時(shí)隧道襯砌的安全系數(shù)。結(jié)果表明，當(dāng)空洞尺寸增大到30°（按照襯砌結(jié)構(gòu)圓心角計(jì)算）時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力明顯增大，強(qiáng)度折減后的安全系數(shù)表現(xiàn)為顯著下降；導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)襯砌破壞的臨界拉應(yīng)力是：3.69MPa，臨界壓應(yīng)力為：-5.14MPa。王立川，周東偉等REF_Ref509427038\r\h[17]，運(yùn)用數(shù)值仿真模擬分析了鐵路隧道存在襯砌結(jié)構(gòu)空洞時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)的承載力存在的影響，王立川分析了襯砌結(jié)構(gòu)背后圍巖脫空形成的原因，及破壞的發(fā)展形態(tài)，根據(jù)自己長(zhǎng)期在工作中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，分別從管理和施工技術(shù)方面闡述了后期對(duì)空洞預(yù)防的一系列建議和具體實(shí)施的措施方案。佘健，何川等REF_Ref509427044\r\h[18]人以重慶的某個(gè)高速公路其中的一個(gè)隧道為例，通過(guò)室內(nèi)1:25的模型試驗(yàn)，研究在圍巖條件不同時(shí)、空洞位置不同時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)的受力形勢(shì)及劣化機(jī)理。研究表明：圍巖條件越差，結(jié)構(gòu)的承載力越弱；空洞對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的承載力具有明顯的影響；在水平壓力作用下，拱頂部位存在空洞時(shí)，隨著壓力的增大，在空洞邊緣和拱肩位置處出現(xiàn)裂縫；豎向荷載作用下，危害最為嚴(yán)重的是中等大小的空洞。李明，陳洪凱等REF_Ref509427051\r\h[19]以重慶市內(nèi)的“八一”隧道為原型，設(shè)置1:25的模型試驗(yàn)，研究襯砌背后含有不同尺寸大小的空洞時(shí)，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的健康等級(jí)影響，從而為日后隧道結(jié)構(gòu)健康等級(jí)診斷做出相應(yīng)的評(píng)判依據(jù)。李明等人的試驗(yàn)結(jié)構(gòu)表明：襯砌背后存在空洞時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)的承載力有一個(gè)明顯的下降趨勢(shì)，且隨著空洞尺寸的慢慢變大，承載力變化曲線呈現(xiàn)“S”形變化，在空洞尺寸為100~550mm承載力是呈現(xiàn)幾乎是直線下降。大于550mm時(shí)結(jié)構(gòu)基本破壞。張素磊REF_Ref509427056\r\h[20]分別從理論角度、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)三方面對(duì)襯砌背后含有空洞的病害機(jī)理進(jìn)行了深度的研究。研究發(fā)現(xiàn)：小空洞對(duì)結(jié)構(gòu)的受力影響并不明顯，空洞所在的位置周邊結(jié)構(gòu)有明顯的應(yīng)力集中；試驗(yàn)中素石膏和加有鋼筋的石膏模型，在其他設(shè)定參數(shù)相同時(shí)承載力變化曲線都是呈下降事態(tài)，但是當(dāng)破壞時(shí)，素石膏模型是整體壓潰，而加了鋼筋的石膏模型出現(xiàn)掉渣現(xiàn)象。王喚龍，劉黎，甘目飛REF_Ref509427559\r\h[21]為了研究二襯脫空位置及脫空面積對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力以及結(jié)構(gòu)安全造成的影響，針對(duì)西南山區(qū)典型的灰?guī)r隧道斷面，建立了脫空計(jì)算的地層–荷載模型，計(jì)算10種不同脫空位置及脫空面積下二襯內(nèi)力，進(jìn)而得到截面安全系數(shù)K。通過(guò)某隧道的無(wú)損檢測(cè)結(jié)果，討論了引起二襯脫空的4種主要原因，分別是：開(kāi)挖、混凝土澆筑、模板臺(tái)車(chē)強(qiáng)度以及防水板安裝。結(jié)合工程實(shí)例，最后分析了脫空對(duì)二襯結(jié)構(gòu)安全的影響，為高速鐵路隧道脫空防治提供一定的理論基礎(chǔ)。楊小玉REF_Ref509427565\r\h[22]對(duì)隧道二次襯砌脫空產(chǎn)生的原因進(jìn)行綜合分析，提出相應(yīng)的預(yù)防對(duì)策，并結(jié)合金寶頂隧道洞門(mén)二次襯砌與初期支護(hù)間脫空對(duì)隧道脫空治理的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討分析?？偨Y(jié)出隧道襯砌空洞對(duì)隧道危害極大，在施工中綜合運(yùn)用各種技術(shù)進(jìn)行預(yù)防襯砌脫空，對(duì)已造成的襯砌脫空采取合理的措施，分別對(duì)拱頂和拱腰進(jìn)行注漿處理，注漿工藝簡(jiǎn)單、操作方便，且注漿過(guò)程中需注意:(1)嚴(yán)格控制漿液的水灰比;(2)合理的安排注漿順序;(3)控制注漿壓力和進(jìn)漿量。綜合上述文獻(xiàn)，我們可以發(fā)現(xiàn)關(guān)于隧道襯砌結(jié)構(gòu)空洞方面的研究計(jì)較多，大都集中在靜載、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)等方面，考慮高速鐵路振動(dòng)荷載的影響較少，我們發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)破壞是損傷位置周?chē)Y(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載下?lián)p傷積累，不斷劣化，而缺少理論知識(shí)及有效措施導(dǎo)致最終的破壞。1.3.4隧道振動(dòng)響應(yīng)的研究現(xiàn)狀列車(chē)荷載是導(dǎo)致鐵路隧道病害的重要原因之一,許多學(xué)者從不同角度對(duì)鐵路隧道振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了研究,采用的研究方法有理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和模型試驗(yàn)等,研究?jī)?nèi)容主要集中于以下三個(gè)方面,即隧道襯砌結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)研究、隧道地基土振動(dòng)響應(yīng)研究和環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)與減振措施研究。最早的軌道模型是由Winkler于1867年提出的,該模型將鋼軌看成是常剛度基礎(chǔ)之上的無(wú)限長(zhǎng)梁。TimoshenkoS.P.REF_Ref509430108\r\h[23]和FrybaL.驗(yàn)證了該模型的正確性REF_Ref509430121\r\h[24]REF_Ref509430125\r\h[25],在以后的各種軌道系統(tǒng)(明線路基軌道系統(tǒng)或鐵路隧道軌道系統(tǒng)等)的理論分析中,軌道結(jié)構(gòu)一般用Winkler地基梁模擬,梁的運(yùn)動(dòng)方程主要采用Euler-Bernouli梁或Timoshenko梁描述REF_Ref509430147\r\h[26]REF_Ref509430148\r\h[27]REF_Ref509430150\r\h[28]REF_Ref509430152\r\h[29]REF_Ref509430155\r\h[30]。前者只考慮梁的彎曲,而后者還考慮梁的剪切變形和旋轉(zhuǎn)慣性矩,對(duì)于低頻激勵(lì),兩者所得的結(jié)果十分相近;對(duì)于高頻激勵(lì),后者所得的結(jié)果更為精確。隧道振動(dòng)響應(yīng)數(shù)值分析中采用的主要計(jì)算方法有限單元法、有限差分法以及有限元-邊界元合耦合等。其中以有限單元法居多,相關(guān)的研究工作有：ThiedeREF_Ref509431222\r\h[31]等運(yùn)用有限元法研究了不同頻率激勵(lì)下管片厚度對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響情況;GuanREF_Ref509431229\r\h[32]等采用三維有限元模型研究了主隧道運(yùn)營(yíng)引起的主、輔隧道振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律;ChuaREF_Ref509431244\r\h[33]、潘昌實(shí)REF_Ref509431250\r\h[34]、王祥秋REF_Ref509431265\r\h[35]REF_Ref509431268\r\h[36]REF_Ref509431269\r\h[37]、李德武REF_Ref509431278\r\h[38]、高峰REF_Ref509431282\r\h[39]、張玉娥REF_Ref509431288\r\h[40]REF_Ref509431289\r\h[41]等人基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)得到列車(chē)荷載譜,并將其引入到有限元模型中對(duì)隧道襯砌的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行模擬分析,得到一些基本結(jié)論列車(chē)振動(dòng)對(duì)基底及以下圍巖影響較大,對(duì)隧道襯砌拱圈影響較小,襯砌上出現(xiàn)了不利的拉應(yīng)力。1999年梁波REF_Ref509431395\r\h[42]，蔡英認(rèn)為目前高鐵隧道內(nèi)的軌道一般采用的是無(wú)縫線路，導(dǎo)致軌道與列車(chē)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)主要是由于軌道結(jié)構(gòu)的不平順現(xiàn)象，用激振力函數(shù)模擬列車(chē)行駛時(shí)的振動(dòng)荷載，考慮列車(chē)荷載的中、高、低頻及軌道幾何不平順涉及到的三個(gè)參數(shù)（即：行車(chē)的平穩(wěn)性、列車(chē)作用到線路上的動(dòng)力附加荷載、波形磨耗），得到列車(chē)荷載的表達(dá)式：（1-1）式中——車(chē)輪靜載(kN)；——分別為幾何不平順中的三個(gè)參數(shù)對(duì)應(yīng)的振動(dòng)荷載(kN)，；2000年A.V.Metrikine，A.C.W.M.VrouwenvelderREF_Ref509431613\r\h[43]REF_Ref509431615\r\h[44]建立二維模型，假定襯砌結(jié)構(gòu)為歐拉梁，把列車(chē)載荷假設(shè)為一個(gè)移動(dòng)的點(diǎn)荷載，后又改進(jìn)了模型，采用兩個(gè)歐拉梁進(jìn)行模擬，他這種模型雖然簡(jiǎn)單，容易操作，但是結(jié)果不夠理想。2001年，高峰、關(guān)寶樹(shù)REF_Ref509431621\r\h[45]針對(duì)京滬高鐵在穿越南京長(zhǎng)江時(shí)施工過(guò)程采用的沉管法，考慮日后列車(chē)荷載作用下對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的受力，進(jìn)行了三維有限元仿真模擬分析隧道受力及接頭處的受力情況。2011年開(kāi)始丁祖德REF_Ref509431628\r\h[46]REF_Ref509431630\r\h[47]REF_Ref509431631\r\h[48]等人，分別用有限元法、有限差分及市場(chǎng)上現(xiàn)有的商業(yè)軟件ABAQUS編寫(xiě)UMAT子程序?qū)Τ绦蜻M(jìn)一步開(kāi)發(fā)，建立圍巖與隧道結(jié)構(gòu)相互作用模型，分析隧道基底部分在不同車(chē)速作用下的影響，研究隧道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性、加速度及損傷演化的規(guī)律。并用試驗(yàn)研究了動(dòng)載與地下水的耦合作用。并得出，列車(chē)振動(dòng)對(duì)仰拱周?chē)膰鷰r影響范圍為豎向5m。2013年康立鵬REF_Ref509431705\r\h[49]對(duì)目前出現(xiàn)的立體交叉形式的高鐵隧道動(dòng)力響應(yīng)為出發(fā)點(diǎn)，用有限元進(jìn)行模擬分析在不同的車(chē)速作用下，設(shè)定多種工況分析隧道結(jié)構(gòu)的受力及圍巖的動(dòng)力響應(yīng)變化規(guī)律。列車(chē)振動(dòng)荷載在今年來(lái)的研究中受到大家的追捧，大都是研究列車(chē)振動(dòng)荷載下隧道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，多采用的是理論上總結(jié)列車(chē)荷載激振公式、有限元軟件模擬分析隧道受力、試驗(yàn)縮尺模擬，針對(duì)研究隧道襯砌結(jié)構(gòu)含空洞領(lǐng)域研究尚比較匱乏。1.3.5混凝土損傷力學(xué)研究近展高速鐵路隧道的主體部分是混凝土結(jié)構(gòu)。在隧道結(jié)構(gòu)建造的過(guò)程中，由于環(huán)境因素、混凝土養(yǎng)護(hù)、地質(zhì)條件等眾多因素的影響，導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)在形成之初就含有微觀空洞、裂隙等的初始缺陷。這些初始缺陷在后期運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)期的列車(chē)荷載振動(dòng)下及隧道周?chē)膸r體、土體等的環(huán)境因素變化下會(huì)不斷的擴(kuò)展，影響結(jié)構(gòu)的承載能力。由于隧道襯砌結(jié)構(gòu)在建成之初就存在關(guān)于其本身材料特性引起的微損傷，這類(lèi)微損傷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響是一段變化的過(guò)程，從它開(kāi)始形成后，受到外界的各種形式干擾，產(chǎn)生一定的劣化，此劣化是一個(gè)不斷積累的過(guò)程，當(dāng)微觀的初缺陷發(fā)展到宏觀的病害后將最終會(huì)演變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)的破壞。楊光松REF_Ref509432027\r\h[50]在其書(shū)中提到：材料的微觀損傷，后期發(fā)展演變，這整個(gè)過(guò)程占結(jié)構(gòu)全壽命周期的80%~90%，宏觀裂紋、空洞的形成，逐漸擴(kuò)展再到貫穿一般僅僅占用結(jié)構(gòu)壽命的10%~20%。對(duì)于這種帶初始損傷的材料有必要研究其材料損傷的本構(gòu)關(guān)系。為研究結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理及準(zhǔn)確計(jì)算結(jié)構(gòu)的承載力，研究混凝土損傷力學(xué)已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注。F.SidoroffREF_Ref509431951\r\h[51]提出能量等效的假定，此處提出的能量等效即無(wú)損傷材料彈性能與含損材料彈性與能在某種程度傷假定為相同的，從而建立損傷模型，對(duì)含損傷材料進(jìn)行分析，為后期的損傷理論研究形成鋪墊；到20世紀(jì)70年代Dougill才首次把損傷問(wèn)題引入到混凝土材料的研究。A.L.GursonREF_Ref509431931\r\h[52]基于已有的細(xì)觀方面的損傷力學(xué)本構(gòu)關(guān)系，建立含為孔洞的模型，研究空洞的成核及生長(zhǎng)規(guī)律，進(jìn)而得出結(jié)構(gòu)單元的屈服上限，這一模型為后期的研究提供了研究基礎(chǔ)。ChenLREF_Ref509431961\r\h[53]等人通過(guò)引入各項(xiàng)異性參數(shù)，建立了關(guān)于沉積巖各向異性的彈塑性損傷耦合模型，通過(guò)設(shè)定不同加載方向、不同圍壓進(jìn)行一系列數(shù)值模擬，并建立室內(nèi)三軸壓縮試驗(yàn)做對(duì)比，結(jié)果表明所建立的模型可以表明各向異性的巖石的力學(xué)行為。ShaoJFREF_Ref509431966\r\h[54]等人建立一種新的損傷本構(gòu)模型，用于描述各向異性脆性巖石，并從微觀力學(xué)的角度分析微損傷分布近似符合一個(gè)二階張量。研究表明損傷的劣化是在一個(gè)空間的不同方向發(fā)展擴(kuò)大的。其試驗(yàn)結(jié)果也很好的驗(yàn)證了其模型的真確性。DubéJFREF_Ref509431974\r\h[55]等人通過(guò)改變損傷演化方程表達(dá)式，推導(dǎo)出一個(gè)跟無(wú)關(guān)速率的含損傷模型。CerveraMREF_Ref509431980\r\h[56]等人提出與速率相關(guān)的各向同性混凝土壩損傷模型，加入地震荷載時(shí)混凝土大壩的受拉峰值增大50%。李慶斌，張楚漢REF_Ref509432044\r\h[57]等人采用前人已有的混凝土損傷本構(gòu)關(guān)系，進(jìn)行單軸拉、壓試驗(yàn)，加入動(dòng)靜載荷，研究混凝土動(dòng)力損傷方面的演化方程。李的研究為日后對(duì)混凝土關(guān)于動(dòng)力本構(gòu)關(guān)系的推導(dǎo)做了理論性的基礎(chǔ)。宋玉普REF_Ref509432050\r\h[58]在其“混凝土的動(dòng)力本構(gòu)關(guān)系和破壞準(zhǔn)則”一書(shū)中，進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，從加載地震荷載、沖擊力、疲勞、爆炸等，研究了混凝土的疲勞性能并建立了在疲勞荷載作用下混凝土的疲勞準(zhǔn)則及本構(gòu)關(guān)系。同濟(jì)大學(xué)李杰REF_Ref509432061\r\h[59]REF_Ref509432063\r\h[60]REF_Ref509432064\r\h[61]是近年來(lái)在混凝土損傷力學(xué)方面貢獻(xiàn)最多的一名國(guó)內(nèi)專(zhuān)家。從混凝土本身具有的初始微損傷出發(fā)，通過(guò)Helmholtz自由能及混凝土的彈塑性損傷能量釋放率，推到了滿足熱力學(xué)基