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运营隧道健康诊断及剩余寿命评估研究

杨艳青  
【摘要】:运营隧道作为铁路运营线路上的重要基础设施,其技术状态直接影响着铁路行车安全。因隧道衬砌先天不足而造成的缺陷,以及因运营逐渐劣化而形成的病害,都在严重降低衬砌结构承载力安全储备,缩短其剩余寿命,进而影响隧道的正常使用。然而,目前对于隧道技术状态,尤其是衬砌结构剩余寿命的评估方面尚缺乏全面深入的研究。本文采用有效的调查、检测手段获取影响运营隧道衬砌结构的主要技术参数,运用合理的评估模型,对衬砌结构剩余寿命给出合理评价,为运营隧道的维修养护和新建隧道工程设计提供理论参考。 1、运营铁路隧道衬砌结构安全性检算方法研究 研究了影响运营隧道衬砌结构安全性的隧道荷载类型和取值,衬砌结构尺寸、材料性能,以及结构计算模型等因素,提出以运营隧道实际技术状态为依据的衬砌结构安全性检算方法,并通过算例验证其合理性。与拟建隧道工程计算方法相比,该方法更具有针对性,得出的计算结果更符合运营隧道的实际情况。 2、运营铁路隧道安全性评定研究 在总结吸收国内外研究成果的基础上,采用实际调查与理论研究相结合的方法,对我国铁路运营隧道管理的现状进行分析,基于运营铁路隧道安全信息表征,归纳总结出影响隧道安全性的七个主要参数,并通过相应指标对主要参数划分等级,提出定性和定量相结合的多指标、多参数运营隧道安全性评定模型和方法。为了获得较为合理的评价结果,将隧道衬砌安全性评价指标划分为三个层次,应用模糊数学理论,提出了运营铁路隧道衬砌安全性三级模糊综合评价方法,并通过工程实例举例说明该方法的评价过程。计算结果表明,采用此方法得到的评价结果与基于经验判断的评价方法相吻合,证明了此评价方法的可行性和合理性。 3、运营隧道衬砌结构剩余寿命评估模型研究 以铁路隧道混凝土整体式衬砌为研究对象,全面分析了影响隧道衬砌结构剩余寿命的诸多因素,包括衬砌与围岩之间的接触状态、围岩状态劣化、衬砌裂损、渗漏水及冻害、衬砌材料劣化、计算模型等,建立起基于荷载-结构模型的运营隧道衬砌结构剩余寿命评估模型。该模型以衬砌混凝土强度为可变参数,结合隧道衬砌结构当前状况计算衬砌结构内力,采用破损阶段法求出衬砌各截面安全系数,并以三截面破坏作为衬砌结构剩余寿命终结的标准,最终确定其剩余寿命。评估模型充分发挥了隧道衬砌承载力,较好地反映了各主要影响因素,符合运营隧道的实际情况。同时,通过算例分析可知,病害的存在会大大降低衬砌结构承载力安全储备,缩短其剩余寿命。 给出衬砌结构剩余寿命评估流程,重点分析了评估模型主要参数的获取方法。衬砌结构几何尺寸和衬砌与围岩之间的接触状态可采用隧道限界量测方法结合地质雷达法获得。衬砌混凝土材料特性,尤其是混凝土强度检测需要通过大量室内试验、无损检测来获得。围岩状态的检测包括围岩及衬砌背后回填料的材料特性、围岩松动高度(围岩压力)等的检测,需要进行室内试验、原位测试和地质雷达法检测确定。衬砌结构裂损、渗漏水及冻害等衬砌病害需进行现场调查和观测,病害较严重时,需要对衬砌裂损的范围及发展情况、水压力、围岩冻胀力等进行量测和检测。 4、铁路隧道衬砌状态地质雷达检测模拟试验研究 以我国单线铁路隧道常见的模筑混凝土整体式衬砌和复合式衬砌为研究对象,建立衬砌试件和隧底模型,并在模型中设置衬砌背后空洞、回填不密实等工况类型,进行地质雷达检测模拟试验。试验结果表明,地质雷达检测可反映出试验中预设的各种工况类型,可识别衬砌试件及隧底模型中各介质层层位,并能够定量分析出其厚度。地质雷达法是检测隧道衬砌结构尺寸及衬砌与围岩接触状态的目前尚可利用的有效方法之一。


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