基于势能驻值原理的隧道底鼓变形计算理论OA北大核心

针对铁路隧道底鼓的病害难题,首先建立隧道仰拱隆起变形的围岩-支护体系统一力学模型,采用势能驻值原理和瑞利里兹法进行解析计算;深入分析仰拱边界条件、矢跨比、衬砌厚度、围岩厚度与级别、地应力以及温度力等参量的影响规律;最后阐释隧道仰拱隆起变形研究对高原铁路隧道工程建设具有的启示意义。研究结果表明:(1)隧道仰拱隆起病害是构造应力、膨胀力或外水压力在抗力不足的软岩中作用的结果;(2)当二衬厚度取30 cm,仰拱隆起1 cm时隧底垂向应力为17.37 kPa,而二衬厚度取60 cm时为30.48 kPa,两者相差43%,因此如果不考虑围岩作用,二衬对仰拱隆起影响显著,在高应力区域突显了铁路隧道设置仰拱作为安全储备的必要性;(3)参与支护作用的围岩厚度取600 cm,仰拱隆起1 cm时垂向应力为569.47 kPa,而不考虑围岩作用时仅为33.94 kPa,因此隧道仰拱支护中围岩起主要承载作用;(4)Ⅲ级围岩仰拱隆起1 cm时垂向应力为1336.22 kPa,Ⅴ级围岩为187.40 kPa,表明围岩类型对隧道仰拱稳定的影响显著;(5)地应力80 MPa仰拱隆起1 cm时垂向应力为436.32 kPa,如果不考虑地应力为566.11 kPa,因此在隧道仰拱稳定性设计中,地应力作用不可忽略;(6)高原非均匀高应力场、强地震活动性、大埋深、复杂地质环境是铁路沿线隧道面临的主要问题,其中穿越活动断裂带和软弱岩层地段成为影响工程建设的关键带,因此沿线地球动力学、地震活动性、地应力场和岩体流变学的研究对于隧道结构安全性至关重要。