隧道及地下结构性能与环境耦合作用机制

学科前沿讲座作业

——隧道及地下结构性能与环境耦合作用机制本次的土木工程前沿讲座主要是由丁祖德老师为我们讲解，关于隧道及地下结构性能的知识。此次课程包含有三个主题，主题之一：高速铁路隧道基底软岩动力特性及结构安全性研究（疲劳问题）；主题之二：硫酸盐侵蚀环境下隧道结构损伤机制及演化规律（腐蚀问题）；主题之三：地下结构性能与环境耦合作用机制（全寿命：疲劳+腐蚀+其他）。虽然我们不是学的这个方向，但是为了丰富我们的知识体系，拓展我们的知识框架，这个讲座还是非常有意义的。

针对主题一的内容主要讲解了：混凝土和软岩弹塑性损伤模型，隧道基底软岩动变形特性试验，高速铁路隧道底部基岩动力响应特性分析，高速铁路隧道地基长期累积变形分析，基底状况对高速铁路隧道结构性能的影响。

随着改革开放的推移，中国经济飞速发展，为了满足社需需要，高铁就成为发展的一个推动因素，然而高铁的速度快，需要的工艺，施工，技术的要求就更高，稳定性也成为其研究的方向。高速铁路建设由于要求高，结合我们的国家地理位置情况，势必会涉及到大量隧道的开挖。高铁所处的地理位置不同，地下的地质条件也不同，在软弱段会出现沉降问题，这对高铁是一个致命性的问题，需要研究处理，以保证铁路的正常运行，这对隧道的结构动力稳定性要求则更高。隧道还存在一定的结构病害，例如结构开裂、破损、下陷等病害。这些多需要研究处理，以达到设计及运行要求，保证工程的质量，符合社

会需求。在这些研究中会涉及到的主要因素及意义有：隧道衬砌结构和基底围岩的动力损伤量，高速铁路隧道地基长期累积变形，基底状况对高速铁路隧道结构性能的影响，我国高速铁路隧道的合理设计和施工提供科学依据。

研究现状

当列车在不平顺轨道上行驶时，轮轨间相互作用力将会通过轨道系统传递到隧道支护结构上，激起隧道支护结构的振动，从而影响结构的耐久性和使用寿命；同时，随着振动在地层中的传播与扩散，进一步对周边环境产生影响。隧道列车振动响应问题涉及振源、隧道结构和地层的振动响应以及振动响应环境影响等方面。针对列车荷载作用下隧道结构动力响应问题，国内外学者进行了大量研究，但这些研究大多针对的隧道结构本身，对隧道周边围岩动力响应问题研究不多。而对于动力作用下的地层累计变形研究方面，目前主要集中在路基变形研究。早在1955年，有人根据黏土循环三轴试验，提出动应力水平越高，累计变形越大。其后，许多学者基于理论和实验研究，分析加载次数，动应力和围压比值等对土体累计变形影响，但对于列车往复动载作用下隧道基层砂层累计变形研究还是太少。而在丁老师讲解的过程中，还是有这方面的研究。

隧道振动与诸多因素相关，其分析涉及列车、隧道结构、土层的模拟以及相互作用，各分部动力参数的确定以及远、近动力特性的描述。由于解析计算的局限性，采用数值计算方法进行隧道振动响应分析已获得越来越多的认可，逐渐成为隧道列车振动响应分析的主要手

段。国内外学者通过采用各种数值计算方法，建立了越来越多的隧道振动响应计算模型。包括二维和三维有限元模型，二维和三维有限元-边界元耦合模型，但二维模型不能反映振动波沿轨道方向的传播，而三维模型计算代价昂贵。为克服此不足，近年来，学者们提出并发展了2.5维有限元模型，能有效地解决轨道-隧道-土体的三维动力相互作用问题，在此基础上，进一步发展了2.5维有限元-边界元耦合模型，以及2.5维有限元-无限元耦合模型。在对列车振动环境影响的评估与分析中，现场试验是最直观、最可靠的研究方法。早期有关地铁振动预测就是基于现场测试结果，通过建立起相应的经验公式进行分析的。由于我国高速铁路建设起步晚，受多方面条件限制，目前有关高速铁路隧道振动的现场测试还很少。这里我们就可以用计算机模拟和借鉴国外的测试数据，以及和我国有限的测试相结合，提取其中的有用的研究结果。

对于混凝土和岩石损伤模型研究而言，这是研究隧道必不可缺少的研究。导致材料力学性能劣化的微观结构变化称之为损伤。一旦结构出现损伤，就有可能出现损伤扩散的可能，这对结构是不利的，我们要研究你发展状况。对于混凝土材料而言，其内部存在的大量微空洞、微裂纹、微裂纹的发展，外载作用下的刚度劣化、强度下降等都是混凝土损伤的表现；对于岩土材料而言，如裂隙、节理、断层、颗粒间粘结力降低、强度软化等都可以看成是损伤的表现形式。损伤力学就是研究材料及构件在一定荷载和环境作用下，内部损伤出现、发展导致宏观力学性能不断劣化直至破坏这一过程的演化规律。结合