致灾机理研究的关键科学问题 张千里，马超锋，马伟斌，王志伟，郭小雄，余东洋 （中阈铁道科学研究院集团有限公硎铁道建筑研究所，北京】０００８１） 摘要：以高速铁路隧道健康服役重大需求为出发点，对高速铁路隧道缺陷结构检测及特征、动力 荷栽特征、力学行为及其动力损伤本构模型、动力响应规律、服役状态演变规律及服役性能评估等 方面进行研究；指出研究中的难点：复杂形态隧道缺陷结构表征特征，衬砌裂纹扩展机制及龟裂块 体结构的联动作用规律，典型缺陷结构的动力损伤本构模型构建，含缺陷高速铁路隧道三维精细仿 真模型构建，以及高速铁路隧道服役状态评价体系的构建和安全阈值的识别；同时指出高速铁路隧 道缺陷结构的受荷模式及动力荷载特征、缺陷结构体动力响应规律及其损伤特性、含缺陷高速铁路 隧道结构状态从“缺陷一病害一致灾”的演变机制是研究中的关键科学问题。针对研究中的关键科 学问题和研究难点分别提出拟采取的解决方法。 关键词：高速铁路；隧道；结构缺陷；致灾机理；服役状态 中图分类号：Ｕ４５７＋．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１－６８３Ｘ（２０１８）０６－０００１－０４ ＤＯＩ：１ Ｏ １ ９５４９／ｊ．ｉｓｓｎ．１ ００１－６８３ｘ．２０１ ８．０６．００１ 监测、状态评估及整治维护有重要意义’１－３１￣ ０引言 近年来，我困铁路隧道发展迅猛，无论从隧道的 缺陷是工程材料和工程结构的常见现象，是工 数量、长度，还是从隧道建设的速度来看，我国已成 程结构物全生命周期服役过程中的一种形式、一个阶 为世界上铁路隧道工程数量最多、建设规模最大、发 段。结构缺陷对结构病害的发生和发展有显著影响， 展速度最快、施 Ｔ 环境最恶劣、施工技术最复杂的隧 。 研究结构缺陷的力学行为对于结构体病害预防、检查 道大国 ｌ然而，部分隧道暴露出衬砌裂纹、衬砌背后 基金项目 家自然科学基金委员会一中同铁路总公 高速铁路 空洞和隧底层间空腔等结构缺陷。这些缺陷的存在 基础研究联合基金项目（ｕ１４３４２１ １）；中国铁路总公 科技研究开发计划项目（２０１７（｝００４一Ｄ）；中同铁 可能严重影响隧道结构体的健康服役和列车行车 安全。因此，研究隧道结构缺陷的力学行为及灾变 机制对于工程克缺、病害整治以及行车安全等极为 萤要 道科学研究院科技研究开发计划项目（２０１６ＹＪ０３２、 ２０ｌ７ＹＪ０２９） 第一作者： 张千里（１９６６一），男，研究员，博上。 Ｅ—ｍａｉｌ：ｔｋｙｚｑｌ＠１ ３９． （ｍ１ １主要研究内容 通过现场检测和室内试验，分析衬砌裂纹在列车 振动作用下的响应规律，揭示衬砌裂纹的“裂纹尖端 以高速铁路隧道健康服役重大需求为出发点，针 扩展一裂纹交错贯通一龟裂块体掉落”的动态发展过 对隧道衬砌裂纹、衬砌背后空洞和隧底结构层状剥离 程及其力学行为；研究衬砌背后空洞对列车振动荷载 ３种典型初始缺陷结构，以实现高速铁路隧道全生命周 的放大作用及其空鼓效应，揭示衬砌背后空洞“荷载 期健康服役为最终日标，综合运用现场监测与检测、 放大一腔体空鼓一衬砌开裂”的演变过程及其发生、 室内大比例尺模 试验、ｉ维精细数值模拟、预制缺 发展与演化机理；研究隧底结构层状剥离对列车振动的 陷材料构件力学试验和跨尺度跨学科理论分析等多种 荷载传递规律以及层问开合、拍手１‘和层问抽吸作用过 手段，开展以下研究。 程，揭示隧底结构层状剥离“层问开合＋拍打＋抽吸一 道床变形”的发生、发展规律。定义损伤变量并引入 １．１ 高速铁路隧道缺陷结构检测及特征分析 渊研、现场踏勘、无损检测等手段，系统掌握隧道 以新建和运营高速铁路隧道为载体，采用资料 用以描述缺陷累积效应的参数演变函数，结合一般岩 土介质和混凝土材料的损伤特性，借助损伤力学及连 岩、衬砌类型、赋存环境、施 条件等基础数据，分 续介质力学等理论，推导描述典型缺陷结构的动力损 析高速铁路隧道缺陷和病害的类型、分布、成因、危 伤本构关系。 害和动力敏感性等特征。 调查和掌握高速铁路隧道围岩、衬砌类型、赋 １．４含缺陷高速铁路隧道结构动力响应规律 以缺陷结构的荷载特征、力学行为和损伤本构关 存环境、施工条件等主要影响因素，分析隧道病害类 系为基础，构建含典型缺陷和病害的高速铁路隧道嗣 型、分伽、成因及危害等特征，研究描述缺陷结构体 岩与衬砌共同体的ｉ维精细数值分析模型，研究含缺 的表征方法、评价指标，对振动和气动荷载响应敏感 陷高速铁路隧道结构的动力响应规律。 的主要缺陷结构类型进行重点监测和试验。 分别建立包含衬砌裂纹、衬砌背后 洞和隧底结 构层状剥离等缺陷和病害的高速铁路隧道闱岩与衬砌共 １．２高速铁路隧道缺陷结构动力荷载特征分析 重点针对对振动和气动荷载响应敏感的衬砌裂 同体的三维精细数值分析模型，解决缺陷结构动力损伤 纹、衬砌背后空洞和隧底结构层状剥离等典型缺陷和 奉构模型的嵌入，缺陷体、衬砌结构体和赋存岩土体等 痫害，研究其在列车振动荷载和气功荷载作用下的受 跨尺度网格剖分，钢材、混凝土和岩土体等不同刚度材 荷模式及动力荷载特征 料的非线性本构关系设置，动荷载谱的合理施加，自ｒｎ 研究衬砌裂纹在列车振动荷载作用下的尖端应力 边界、粘弹性动力边界或无限远动力边界没置等关键问 集中影响范围、裂纹动态扩展机制及衬砌龟裂块体的 题。以含缺陷高速铁路隧道的二ｔ维精细仿真模型为基 联动作用规律；测试＿￡ｊ分析在列车振动荷载作用下不 础。研究列车振动作用下隧道衬砌裂纹结构体的动力响 同尺度、不同形状衬砌背后空洞的应力放大与响应机 应及动态发展过程，及其列高速铁路隧道结构的互馈作 制，以及在气动倚载交变作用下腔体的受力规律；研 用规律与致灾机制；研究衬砌背后 洞结构体对列车振 究高速铁路隧底结构层状剥离在列车循环动载作用下 动荷载的放大作用，以及空洞结构体的动态发展演变及 的荷载传递规律、层问相互作用特征以及层问泥水充 其对高速铁路隧道结构稳定性的影响机制；研究宅腔结 填物的冲刷与抽吸机理。 构体在气动荷载作用下的状态变化及其对隧道结构的影 １．３高速铁路隧道缺陷结构力学行为及动力损伤本构模型 响规律；研究隧底结构层状剥离病害在列车荷载作刚下 重点针对衬砌裂纹、衬砌背后空洞和隧底结构层 的应力场和位移场的状态演变过程及其对高速铁路隧道 状剥离等典型缺陷和病害，研究其在列车振动荷载和 隧底结构变形的影响。 气动荷载作用下缺陷结构的损伤演变规律和长期累积 １．５含缺陷高速铁路隧道结构服役状态演变规律及服 效 ，建 描述缺陷结构体力学行为和状态演变的动 役性能评估 力损伤本构模型 针对含典型缺陷和病害的高速铁路隧道，在三维 ．２． 二 ＣＨＩＮＡ ＲＡＩＬＷＡＹ ２０１８／０６ 卡占细数值分析模 基础 ，研究长期循环列车振动衙 ３．２ 衬砌裂纹扩展机制及龟裂块体结构的联动作用 载和气动倚载持续作川下含缺陷高速铁路隧道结构的 规律 受力使变形动态演变规律，结合现场检测和拳内试验 分析 价隧道的Ｋ期服役性能、 裂纹尖端的受 状态以及裂纹的扩展ｆ』【 足断裂 力学中的难点 首 ，拟采用 ‘展 『Ｉ５ｌ｛７ 法或离敞７ 在分析衬砌裂纹、衬砌背后 洲和隧底结构层状 法构建含裂纹结构的数优分析模型，进而实现对 裂 剁离等３类 缺陷结构表徊 指标、复杂受力状态、动 纹结构的裂纹尖端扩展机制 特点进ｆ 规 把摒； Ｊ坝伤夺构火系及其灾变发，１ｉ演变过程 ｊ敛灾机制的 其次．拟通过预刹含不同形态裂纹的块体ｉＪ｛＝件，进ｉ 基硎｛ 耀于禽缺陷结构的高速铁路隧道■维精细数 窜内加载试验；最 ，通过离敞元软件３Ｉ）ＥＣ或借助 下“父键块体珲沦”和“非连续变形分析卿论”的 值分析模） ，研究长期循环列车振动荷载和气动荷投 持续ｆ１１．』｝Ｊ下含缺陷高速铁路隧道结卡勾的受／ｆＪ及变形动态 ＤＤＡ软件实现龟裂块体结构的联动作』ｆＪ机制分析 演变舰律提 捕述高速铁路隧道结构健康服役性能的 ３．３典型缺陷结构的动力损伤本构模型构建 本构关系研究历米在岩上力学科学领域币Ｉｌ材料利． 闷标 数，构建高速铁路隧道结构服｛殳 Ｈ－能的量化评价 指标体系，胛清／ｆ 同 岩赋存条件和列车运营条件下含 学领域既是重点中的重点，也是难点【Ｉｌ的雉点、拟通 缺陷离速铁路隧道结构服役一Ｉ＂ｌ￣ｆｉＥ演变规律以及含缺陷高 过数学物理力‘法和保角变换 沦将不规则ｆｒ，ｊ裂纹、 速铁路隧道健康Ｈｌ连役评价体系发拿阈值界定与识别 规则形态的 洞、小平顺的隧底结构 状剁离转换 ２关键科学问题 规则形态的裂纹、规则形态的 涮以及平 状态的分 ，进ｍ通过 论分析的方‘法进仃初步研究 然 通 （Ｉ）高速铁路隧道缺陷结构的受荷模式及动力荷 过十Ｈ似比例预制含 同尺度或规模缺陷结卡勾的材料试 载特 块，进ｆ 室内加载｝＝Ｉｌ＝验，进而得ｆｌＩ缺陷结构 的幢力 应变关系、 （２）缺陷结构体动力响 规律歧其损伤特性 （３） 缺陷高速铁路隧道结构状态从“缺陷一病 ３．４含缺陷高速铁路隧道三维精细仿真模型构建 一敛灾”的演变机制 含缺陷高速铁路隧道一－维数值分析摸 的构建 涉及缺陷结构动力损伤奉构模 刚、跨 度刚格划 ３研究难点及解决方法 ３．１ 复杂形态缺陷结构表征特征分析 等缺陷结构表面形念复杂多样、分 状况纵横交错、 描述厅法 指标多种多样：因此．如何从不同维度、 分、材料非线性、模 几何非线性、变频变幅动筒戴 施加、动力边界实现等关键问题。首先，拟借助数值 衬砌裂纹、衬砌背后牵洞和隧底结构层状剥离 分析软件的开放端¨，将缺陷结构的动力损伤本构火 系程序化并通过程序端［Ｉ进行渊用来解决缺陷结构水 构关系凋用问题； 次，拟通过 尔运算等网格精细 办法解决缺陷结构、衬砌结构、『贼仔 土 不同视角、众多定 揣述或定趋指标中选出合适指标 剖分理论‘来表 缺陷结构的主要特征足此项研究内容的难点 、 体等跨 度模 元索的刚格剖分问题；最 ．拟越过 】粘弹性单元绀或进｛ 边界尤限远映射 例女『Ｉ，捕述隧道衬砌裂纹几ｆ【Ｉ』形态的物娜量有裂纹长 在模型底郎施力Ｉ度、裂纹深度、 式实现动力边界设置 、 通性等；捕述隧道衬砌背后 洞的 的力‘物理 仃 洲分 位 、空洲内腔形态、空ｆｆ，ｄ体积、 洲群连通 以及 洲Ｉ 表厚度等；描述隧底结构层状 ３．５隧道服役状态评价体系构建与安全阈值识别 高速铁路隧道服役状态评价涉熳材料学、 土 剥离的术讲有接触［ｆＩｆ刚度、接触 张丌度、接触而充 力学、 气动力学、防灾 Ｉｊ减灾学和隧道 等多学 政治影响等 填度等 拟结合自身需求，选取描述缺陷结构丰 特 科领域，包括单纯结构稳定层 及社会‘的物婵 ，以物理量的量化指标易于测试与量化为 软科学 而，是多参数、多层 的综合评价体系 卣 ，选定能充分表 高 ：发点，分｝ｊＩＪ总结＂；３种典型缺陷结构的表 特征及其 先，拟在明确 价闩标的荩舳Ｉ量化拊述力‘法和指标？ 速铁路隧道『ＪＫ役性能的指标，斤给 表 指标的 仇 ＣＨＩＮＡ ＲＡ／ＬＷＡＹ ２０１８／０６ ．曼要苎 一３一 高速铁路隧道结构缺陷致灾机理研究的关键科学问题张千里等 区问搜ｊ 物理意义；ｌ 次，采用模糊聚类分析法Ｊ，ｌｆｆＪ定 参考文献 各 价 ｆｒｔ之间ｎ０杖啊火系；最 ，构建包 多个显 ［１】张慧慧．混凝土结构缺陷的红外无损检测研究【Ｊ１． 化指标的一曲逑铁蹄隧道ＨＩ连役状态艟化 价体系 河南科技，２Ｏ１ ６（１ ９）：１ ２９ １ ３０． ４结论 （１）｝、ｆ砌裂纹、｛、ｆ砌背后 洲乖Ｉ１隧底 是铁 Ｉ Ｉｔ ，至＇－道常 的缺 肜式 ［２］黄世强．混凝土坝结构缺陷检测技术进展和展望Ｍ． 大坝与安全，２０１ ６（５）：１—９． 分离等 ［３】石玮荃．高速铁路板式轨道结构缺陷对动力学性能 的影响分析［Ｄ］．成都：西南交通大学 ２０ １ １． （２）Ｉ 速铁路隧道缺陷结构愉测技特 、动，Ｊ简 【４］赵勇，田四明 孙毅．中国高迷铁路隧道的发展及 载特 、 、 ：行为＾乏动力损伤夺恂模Ｊ 、含缺陷 、 速 规划［Ｊ］．隧道建设，２０１ ７，３７（１）：１ １—１ ７． 铁路隧道 陶动力响心姚律和服役状态演变规 役性能 丰嘤内容 ｉｉ等是禹述铁路缺陷结构敏灾机制研究－Ｉ一的 （３） 杂形念缺陷结构表 特 分析、｛寸彻裂纹 扩展饥；ｌｉ０ 电裂块 构的联动作川Ｉ规律、 缺陷 结构的动』Ｊ拟伤小构帧， 构建、 缺陷高速铁路隧道 ■维梢 仿 模 构建、高速铁路隧道服伎状念 价 体系构缱 ｊ发令 值 圳是研究ｃ㈨，Ｊ难点 ． （４）ｆ ’ 速铁路隧道缺陷结构的受简模式故动 Ｊ荷 裁特 、缺陷结卡勾 动 Ｊ响／－ 规 技 损伤特 、 缺Ｉ；ｆ１ 速铁路隧道 构状态从“缺陷一病 一 敛火” 的演变机；ｌｉ０是研究ＩＩｌ的父键利．学『【１Ｊ题 责任编辑牧稿日期李凤玲 ２０】８～０５】４ ＺＨＡＮＧ Ｑｉａｎｌｉ，ＭＡ Ｃｈａｏｆｅｎｇ，ＭＡ Ｗｅｉｂｉｎ，ＷＡＮＧ ＺｈｉｗｅｉＧＵＯ Ｘｉａｏｘｉｏｎｇ，ＹＵ Ｄｏｎｇｙａｎｇ ，（Ｒａｉｌｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｉｎａ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｒａｉｌｗａｙ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ＬｉｍｉｔｅｄＢｅｉｊｉｎｇ １ ０００８ １，Ｃｈｉｎａ） ，Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒ Ｈ ＳＲ ｔｕｎｎｅｌ ｈｅａｌｔｈｙ ｓｅｒｖｉｃｅｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｃａｒｒｉｅｓ ｏｕｔ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎ ，ｔｈｅ ｄｅｆｅｃｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｄｙｎａｍｉｃ ｌｏａｄｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｂｅｈａｖｉｏｒｓ ａｎｄ ｉｔｓ ｄｙｎａｍｉｃ ，ｄａｍａｇｅ ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅ ｍｏｄｅｌ，ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｒｕｌｅ，ｓｅｒｖｉｃｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｅｖｏｌｖｅｍｅｎｔ ｒｕｌｅ ａｎｄ ｓｅｒｖｉｃｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ＨＳＲ ｔｕｎｎｅ１．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｏｉｎｔｓ ｏｕｔ ｔｈｅ ｄｉｆｉｃｕｌｆｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ：ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ０ｆ ｄｅｆｅｃｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎ ｃｏｍｐｌｅｘ ｓｈａｐｅ ｔｕｎｎｅｌ，ｌｉｎｉｎｇ ｃｒａｃｋ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｉｎｋａｇｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｃｒａｃｋｅｄ ｂｌｏｃｋ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｏｆ ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｄｙｎａｍｉｃ ｄａｍａｇｅ ｏｆ ｔｙｐｉｃａｌ ｄｅｆｅｃｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｂｕｉｌｄｉｎｇ ｏｆ ３Ｄ ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ＨＳＲ ｔｕｎｎｅｌ ｗｉｔｈ ｄｅｆｅｃｔ，ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｏｆ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｓｅｒｖｉｃｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ＨＳＲ ｔｕｎｎｅ１ ａｎｄ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ ｏｆ ｓａｆｅｔｙ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ａｌｓｏ ｈｉｇｈｌｉｇｈｔｓ ｋｅｙ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ｉｓｓｕｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｌｏａｄｉｎｇ ｍｏｄｅ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｌｏａｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｄｅｆｅｃｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＨＳＲ ｔｕｎｎｅｌｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｒｕｌｅｓ ａｎｄ ，ｄａｍａｇｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｄｅｆｅｃｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，“ｄｅｆｅｃｔ ｄｉｓｅａｓｅ＊ｄｉｓａｓｔｅｒ”ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒａ１ ｓｔａｔｅ ｏｆ ＨＳＲ ｔｕｎｎｅｌ ｗｉｔｈ ｄｅｆｅｃｔ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｔｏ ｋｅｙ ｓｃｉｅｎｔｉｉｃ ｉｓｓｕｅｓ ａｎｄ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓ ｉｆｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＨＳＲ；ｔｕｎｎｅｌ；ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｆｅｃｔ：ｄｉｓａｓｔｅｒ．ｃａｕｓｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ：ｓｅｒｖｉｃｅ ＣＯｎｄｉｔｉｏｎ 一４一 曼 ＣＨＩＮＡ ＲＡＩＩＷＡＹ ２０１８／０６