正交型立体交叉隧道的动力响应研究

随着更多复线工程的修建或者受地质条件、既有建筑物的限制以及城市地下空间综合开发的需求，不可避免的会出现许多近接或者交叉的隧道。为解决正交型立体交叉隧道结构地震动力响应特性及相互影响规律等问题，在单向El地震波作用下完成了3种地震烈度、5个工况的交叉隧道振动台试验，并分别对正交型立体交叉隧道中上跨和下穿隧道环向及轴向应变在不同加载工况下的应变峰值进行分析研究。试验结果表明: 1）地震烈度越高，隧道各特征点的地震环向应变越大，下穿隧道环向应变峰值整体大于上跨隧道；下穿隧道边墙部位向应变峰值最大，下穿隧道仰拱部分次之，其次是上跨隧道的仰拱与边墙部分应变峰值。2）当地震烈度较小时，两交叉隧道的环向应变峰值基本持平。3）当地震烈度较大时，下穿隧道的环向应变峰值远大于上跨穿隧道。下穿隧道轴向应变峰值整体大于上跨隧道，且上跨隧道仰拱轴向应变峰值最大，上跨隧道仰拱次之，上跨隧道与下穿隧道拱顶轴向应变峰值最小。最后对上跨隧道与下穿隧道的动力响应规律进行了对比分析。     

不同进洞高程黄土隧道洞口段振动台模型试验研究

黄土地区的隧道开挖打破了边坡内部原有的平衡状态,在地震作用下隧道洞口段可能受到严重的破坏而反映出不同的动力特性和震害特征。以宝兰客运专线大断面黄土隧道为工程背景,基于坡脚进洞和1/2倍坡高程进洞2种工况,开展黄土隧道洞口段的大型振动台模型试验,重点研究边坡不同高程位置处进洞的隧道洞口段坡-隧系统所表现出的震害特征和加速度响应特征。结果表明:(1)模型Ⅰ(坡脚进洞)洞口边坡发生震陷型滑塌,表现出纯黄土边坡的破坏特点,坡-隧系统相互作用不明显;模型Ⅱ(1/2倍坡高进洞)洞口边坡发生失稳性滑塌,并由坡顶前缘横向拉裂缝逐步向洞口附近扩展,拉张裂缝逐步发展为剪张裂缝,表明隧道自坡腰进洞影响了洞口边坡的稳定性,坡-隧系统相互作用明显;(2)进洞高程对衬砌结构加速度响应的影响与激振幅值的大小密切相关,进洞高程对高烈度地震作用下隧道洞口段衬砌的加速度响应有显著的放大作用,在隧道洞口段的抗震设计中应加以适当考虑。(3)在2种工况下隧道仰拱压力在20 cm位置处均达到最大,距洞口20 cm距离的部位是坡-隧系统相互作用最强烈的部位。当地震波幅值较小时,进洞高程对仰拱的外表压力有影响,对拱顶影响不大,随着地震波幅值加大,进洞高程对拱顶的外表压力影响明显增大,而对仰拱的影响显著降低。     

黄土隧道结构的振动台模型试验研究

为了研究黄土隧道结构在不同地震波及降雨条件下的地震响应和橡胶减震层的减震效果，按相似理论分别设计制作了缩尺比为1∶40的减震黄土隧道及非减震黄土隧道，在总降雨量50 mm，降雨强度10 mm·h^-1的条件下，分别加载近、远场地震波El-Centro波和Taft波，对比了地震波不同加速度条件下黄土隧道各测点的地震响应情况及土压力变化情况，通过减震模型和非减震模型各测点的应变变化情况分析了黄土隧道的减震效率。结果表明：在调幅和持时一致的情况下，黄土隧道结构对于不同的地震动具有明显的选择性，El-Centro地震动条件下的动力响应大于Taft地震动条件下的动力响应，说明黄土隧道结构的动力响应不仅取决于地震动的强度及持时，也与地震波的频谱特性有关，黄土隧道结构对近场地震波的响应大于远场地震波；对模型横向加载，模型各点的横向加速度和竖向加速度均有变化，横向的加速度响应大于竖向的加速度响应；拱顶位置的土压力较大，拱脚位置虽然土压力较小，但应变变化较大，应力集中现象明显；通过设置减震层可使衬砌不同部位的应变值均有所减小，且应变越大的部位减震率越高，不同工况下拱顶及拱脚的应变减震率接近50%，设置减震层不但可以减小衬砌结构的变形，而且能吸收地震能量，发挥围岩结构和衬砌结构的协同作用，减小土体的裂缝宽度及深度。     

跨断层带隧道结构力学与地震动响应特性研究

通过分析现场实测应力数据,首先对雅康高速跨断层破碎带的紫石隧道进行了支护结构的力学特性研究,然后进一步通过三维数值仿真分析,对紫石隧道进行了地震动力响应研究。研究内容包括地层位移响应、衬砌结构与围岩的加速度响应及二衬结构的内力分布特征等。研究结果表明:穿越断层破碎带隧道二衬需要分担50%～60%围岩压力;内力最大的截面为拱顶和拱脚处;隧道衬砌内力前30d快速增长,30d后增速降低,90～100d后趋于稳定,二衬弯矩在截面上呈"云状"分布;地震作用下,隧道断层破碎带段围岩位移和加速度的动力响应均比普通围岩更为明显;断层破碎带与普通围岩接触面存在较大的位移错动量,且该处加速度响应不同步,容易引起错动破坏;隧道各段衬砌横断面上的内力分布特征基本相同,但断层破碎带段有更大的内力极值,内力极值位于断面共轭45°方向;隧道抗震设防既应考虑断层破碎带段,也应考虑其与普通围岩的过渡段等。     

大跨度过江隧道结构在地震动作用下响应分析

以南京过江隧道工程为研究对象,在复杂地质条件下,对大断面双层过江盾构隧道与竖井连接处进行三维数值模拟计算,根据分析结果提出了针对性的工程抗震措施.地震动力响应分析采用三维动力有限差分方法,对其模型输入不同方向的南京波与修正后的汶川波,得出了过江隧道结构在三维围岩环境下的动力响应、应力、变形特征等.研究表明最大压应力一般集中在拱腰处,在仰拱部位和盾构与竖井连接处会出现受拉区,最大位移一般出现在拱顶和盾构与竖井连接处;输入修正后的汶川波比南京波所引起的位移和应力都要大得多.最后提出了能进一步增强隧道抗震性能的建议.     

隧道洞口部边坡动力响应特性振动台试验研究

我国西南地区建有大量的公路、铁路隧道工程,地震条件下隧道洞口部边坡的动力响应特性不仅控制边坡的变形破坏机制,而且也是隧道洞口部边坡动力支护设计的依据。采用大型振动台模型试验,对隧道洞口部边坡加速度及位移动力响应特性进行研究,并对比分析不同地震波波形的输入对边坡动力特性的影响。结果表明:与一般公路及建筑边坡不同,隧道洞口部边坡坡面的响应加速度具有先增大再减小再增大的特性;边坡动力支护设计采用单一峰值是偏于危险的,应综合考虑多种波形的影响。位移监测结果表明:地震波较小时边坡坡顶变形比较明显,但随着地震波幅值的增加,隧道洞口部边坡坡脚的变形急剧增加且超过了坡顶变形,因此应增强边坡坡脚的支护强度。     

铁路立体交叉隧道施工爆破震动响应研究

通过建立不同交叉角度、净距和围岩条件的实验工况,对交叉段新建隧道施工爆破地震波引起的既有隧道衬砌的峰值速度进行分析,探讨了不同因素作用下立体交叉隧道施工爆破的动力响应.研究结果表明：处于迎爆侧的拱底和墙脚之间区域影响最为显著;除净距是上下交叉隧道最显著的影响因素外,随着交叉角度的增加,拱底速度峰值呈增大趋势,并且增长率逐渐加快;岩体坚硬完整,爆破振动波传播衰减越慢,爆破地震波在传到既有隧道之前,出现峰值回升.     

浅埋双洞错距山岭隧道洞口段地震响应试验研究

由于岩土非线性本构模型以及地震动力方程的复杂性,采用数值模拟或解析法分析隧道抗震性能均存在一定不足,因此模型试验仍是当前研究隧道抗震的有效途径。以强震区勒不果喇吉隧道为原型,设计相似比为1∶30,以河砂、机油与粉煤灰热融混合料作为围岩的相似材料,以石膏作为隧道衬砌相似材料,在隧道模型衬砌内外侧对称粘贴应变片以监测应变应力值,同时在隧道模型及振动台上安设结构加速度计来反演模型围岩的地震响应,采用大型振动台模型试验研究浅埋错距双洞隧道洞口段震害特征与工程减震措施。结果表明:隧道模型围岩对输入地震波有较明显的扩大效应,其频率谱也发生了改变,15 Hz以下频段的地震波得到了强化而其余频段发生衰减;岩土体对隧道结构的约束作用减轻了隧道结构的地震响应,按照模型试验相似比换算,可以将45 m作为隧道洞口段抗震设防长度;隧道墙角位置与仰坡拱肩45°角处为山岭隧道洞口抗震的薄弱环节;洞口段错距部位的震害要比其他部位更加严重,设计中可以考虑在错距部位适当增加岩土体积,以增强该部位的岩土约束作用;地震波作用下浅埋双洞错距山岭隧道地下结构之间存在较强的动力相互作用;在隧道结构周围设置大阻尼结构减震层可以有效降低隧道洞口的地震响应,减弱衬砌应变损伤。     

临近建筑物对黄土地铁隧道地震响应的影响

新建地铁隧道临近地表既有建筑物,在地震作用下地面临近建筑物的存在必然会对地层产生扰动,引起地铁隧道结构抗震性能的变化。该文以双线地铁隧道侧向下穿某既有多层建筑物为研究对象,构建地面建筑-土层-地铁隧道结构共同作用体系二维数值计算模型,分析临近建筑物对地铁隧道结构地震反应特性的影响。同时研究了隧道与建筑相对位置变化及不同的地震波对地铁隧道抗震性能的影响。研究结果表明:1临近建筑使得地铁隧道拱顶与拱底相对位移有所增大;2地表建筑物存在,使得隧道衬砌结构动内力比无建筑时明显增大,拱肩与拱脚处内力最大;3建筑物与隧道相对位置改变也会对地铁隧道抗震性能产生影响。     

大断面黄土隧道洞口段地震动力特性研究

黄土山岭地区的隧道开挖破坏了原有边坡内部的平衡状态。在地震动荷载作用下,隧道洞口段及边坡都可能受到严重破坏,也会反映出不同的动力特性和变形特征。首先通过大型振动台对边坡坡度为60°坡脚进洞工况进行试验,然后利用Midas-GTS有限元软件对边坡坡度为60°不同高程进洞的工况进行了数值模拟分析。结果表明:坡顶加速度随着进洞高程的增大而增大,同种波形和输入方向,输入峰值加速度增大,加速度放大效应减小,出现放大效应趋于饱和现象;隧道洞口段最大主应力先增大后减小,仰拱大于拱顶,一般在距洞口15 m达到峰值,50 m后趋于平稳;试验中坡顶出现拉剪破坏,隧道衬砌与上部土体自振频率不同导致的错动形成竖向裂缝,两侧坡脚处出现横向裂缝且发展速度较快,坡面整体发生破坏,震陷滑塌现象很明显且大块土体整体滑落,有隧道一侧滑塌破坏程度大于纯边坡一侧;应力最大值断面距洞口42 cm,是2.33倍的隧道最大跨径,最大加速度多出现在距洞口约3.89~4.06倍隧道跨径处;由于临空面的存在,洞口段具有明显的动力放大效应,各监测点位移都有一个略微增大再减小的过程,最大值出现在距洞口60 m处,因此大断面黄土隧道的抗震设防长度取5倍隧道洞径较为合适;相较于振动台试验,数值模拟数结果偏大,但是可以较好地反映出加速度和土压力的基本变化规律。     

超大直径过江盾构隧道口字件不同连接型式地震响应特征研究

随着隧道设计施工技术的快速发展,水下超大直径盾构隧道在跨越江河中日益频繁。口字件在大直径公路盾构隧道断面结构采用较多,其具有施工速度快、充分利用断面空间资源等优点,一般采用预制装配式结构,与隧道管片的连接一般采用铰接或者刚接方式,在地震荷载作用下,口字件的不同连接方式对隧道断面结构的地震内力响应不同,为了对超大直径过江隧道盾构段的抗震设计提供可靠的依据,利用ABAQUS有限元分析计算软件,考虑50 a超越概率2%地震波加速度时程曲线(重现期2 475年),选取了4个代表性断面,采用时程分析法对盾构段隧道口字件部位在刚接与铰接的情况下的地震响应特征进行了计算对比研究。结果表明:在铰接的情况下,口字件部位截面的最大轴力有所减小或保持不变;当埋深较浅时,最大剪力略有减小,当埋深较深时,口字件部位最大剪力有所增大;采用铰接的情况下,最大弯矩均有所减小或保持不变,铰接部位的弯矩有显著减小,口字件部位最大变形有所减小或保持不变;从隧道抗震的角度来讲,口字件部位采用铰接的方式要优于刚接;在铰接的情况下,口字件部位轴力最大值向非铰接侧偏移,弯矩与变形的最大值向底板部位偏移,在隧道抗震设计中应对以上部位进行重点关注。     

车行横洞对隧道正洞衬砌结构裂缝的影响分析

青海大酉山隧道在建造过程中衬砌结构出现了较多的裂缝,尤其在车行横洞与主洞交叉段衬砌结构裂缝更为明显,为了破解车行横洞施工与交叉段衬砌结构裂隙的关联性,利用数值计算方法建立了有限元三维计算模型,对车行横洞施工过程中大酉山隧道主洞衬砌的变形与应力状态的影响变化进行了仿真计算,对隧道交叉区段各关键部位的计算数据进行跟踪记录与分析。通过对交叉段各关键部位位移、应力的分析表明:车行横洞不同区段的施工对主洞衬砌结构的位移及受力的影响各有不同,其中,在车行横洞最初的11m范围内其施工对主洞的影响最为显著,随后11m以外范围施工的影响逐步减弱;车行横洞对隧道正洞衬砌结构的影响最为显著的部位为拱顶与仰拱,其中拱顶的位移最大达1.7cm。     

立交隧道相互作用三维数值模拟与实测对比研究

以温福铁路琯头岭隧道下穿同三高速公路隧道为例,研究新建下穿隧道与既有隧道工程之间相互影响的问题。采用ANSYS有限元软件,模拟上覆公路隧道和下穿铁路隧道的位移和应力变化情况,并与现场监控量测结果对比,得到以下结果:下穿隧道拱顶沉降量较小,水平收敛值较大,下穿隧道立交段拱腰和边墙是需要重点支护的对象;上覆隧道在立交段下沉值变大,变化幅度为仰拱边墙拱腰拱顶,隧道中部和下部水平收敛值变化较大;受下穿隧道开挖影响,立交隧道上覆地层受力产生不均匀变化,造成扭矩存在,地面水平位移整体呈现"8"字形,立交隧道的建设对地层产生了较大的转动扰动。     

高海拔特长隧道斜井上联络风道不同开挖方式对比分析

基于国道G109线那曲至拉萨段控制性工程中的羊八井2号隧道工程实例,运用有限元分析方法对上跨联络风道的全断面法及上下台阶法开挖过程进行数值模拟,分析在上跨联络道开挖过程中隧道围岩及下方主隧道支护体系变形和应力的响应规律,并对比分析了两种开挖方式对主隧道的影响。结果表明：在上跨联络风道开挖过程中,特别是靠近上下两隧道交叉的部分,对主隧道变形和受力影响较大;采用上下台阶法时比采用全断面法开挖时变形可减少32%,主隧道拱顶处拉应力可减少35%,主隧道拱脚处压应力可减少72%,同时采用上下台阶法施工时也可缩小对主隧道的影响范围;上下台阶法更能保证工程的安全,避免对下方主隧道产生过大的扰动。     

山岭隧道振动台模型试验研究的现状与展望

山岭隧道在地震作用下的动力响应与抗震性能,是近10年来国内外工程界及学术界的一个研究热点。采用振动台模型试验,直接模拟与再现地震作用下围岩与隧道结构的动力响应,是研究其动力特性和抗震性能的一种重要手段。针对山岭隧道的振动台模型试验研究,从对象与目的、相似理论、相似材料、模型制作、地震波选取等5个方面,系统地论述国内外山岭隧道振动台模型试验的研究现状,同时也对其今后的发展趋势进行了展望。     

埋置式波纹钢-混凝土受力特性及地震动响应研究

埋置式波纹钢-混凝土结构多用于公路明挖隧道和棚洞，但目前对该类结构的研究较少。以某绕城高速公路为例，针对在高填方填土荷载及地震动力荷载作用下，研究明挖隧道中使用波纹钢-混凝土结构作为顶棚的安全性及其地震动力响应规律。研究表明：1)在填土及地震动力荷载作用下，波纹钢-混凝土结构具有良好的整体受力性能，其挠度与应力均满足静力荷载下的安全要求；2)在选用的卧龙波作用下，波纹钢-混凝土结构在左侧拱肩处位移响应最大，在左侧拱肩至拱顶处应力与加速度响应最大；3)结构不同波峰、波谷、波中截面的地震动力响应差异不大。     

暗挖隧道下穿跨河桥部分桥桩的影响分析及对策——以北京地铁14号线北工大站-平乐园站区间为例

为研究在不降水情况下暗挖隧道下穿跨河桥桥桩的影响并确定设计与施工方案,以北京地铁14号线北工大站-平乐园站区间(以下简称北-平区间)为例,根据暗挖隧道下穿桥桩后结构变形特点建立有限元模型,进行计算分析后进一步细化设计方案（暗挖断面架设临时仰拱）; 采用全断面深孔注浆对土体进行预加固,同时兼做堵水措施。施工过程中对桥桩变形进行全过程监测,并与有限元模型计算结果进行对比。目前该隧道已经通过竣工验收,桥梁结构稳定,最终变形收敛至稳定值。结果表明： 暗挖隧道通过架设临时仰拱+注浆堵水下穿桥桩是可行的; 有限元模型可预测隧道下穿桥桩的变形,可为今后类似工程提供参考。     

软土地基明挖矩形框架隧道动力响应及震陷加固分析

为探明软土地基明挖矩形框架隧道动力响应特性及震陷加固效果,对某一裙边加固及桩基础加固的明挖隧道建立三维模型进行动力分析。研究结果表明:1)地震过程中软土地层随地震波振动的同时,逐渐下沉并发生震陷,且在软土区域中心沉降值最大; 2)隧道顶板中心处受力最大,抗震设计中应重点考虑,底板及侧墙受力较小; 3)桩基础及裙边加固能够显著降低隧道的动力响应及地表沉降,其中桩基础深度对加固效果有较大影响,加大桩基础深度并穿越软土地层可取得良好的加固效果,增加裙边加固深度对减轻震陷的作用不明显。     

近场脉冲地震作用下穿越断层带隧道地震响应

在地震动峰值、速度脉冲及结构的地震响应等方面，近场地震动常表现出和远场地震动不同的特性。依据地震动破坏势从NGA-West2地震动库中选出2条近场脉冲型地震动，并与2条远场地震动进行对比分析，从而得到其频谱特性，即近场脉冲型地震波具有较明显的速度幅值，PGV与PGA比值及PGD与PGA比值较大，速度敏感区位于长周期段等特点。结合都汶高速公路龙洞子隧道工程，建立穿越断层带的隧道结构三维有限元模型，并以横断面方向分别输入近、远场地震波进行计算，研究近场脉冲型地震作用下穿越断层带隧道结构地震响应特性。结果表明：在近场脉冲型地震动作用下隧道的等效应变峰值较远场地震动大，并且在速度脉冲特性更显著的集集地震波作用下的应变峰值更大；与远离断层处相比，在断层面附近隧道横断面的等效应变峰值分布规律发生了变化，其横截面等效应变峰值最大处由拱脚变为拱顶，且在4种地震波作用下拱顶处结构的等效应变均超过了混凝土的峰值应变，进入破坏阶段；断层带内的隧道地震响应明显强于围岩条件较好的地层中的隧道，而断层带与较好围岩交界面附近的隧道地震响应更为剧烈，应变峰值随距断层距离的增大而迅速衰减。所得数值模拟结果与实际震害现象一致，可以为近场脉冲型地震动作用下穿越断层隧道的抗震设防提供参考。     

不同频率地震波作用下的土质边坡动力响应研究

运用有限差分软件FLAC2D，通过改变正弦波的频率，研究边坡的位移、加速度和速度的动力响应。结果表明:坡体对地震波加速度有放大作用，随着竖直高度的增加或距离坡面距离的减小，放大效应愈加明显，且在坡顶处放大系数最大；在坡面中部，坡体对地震波速度有削弱作用，但在坡顶和坡脚处表现为放大作用，且速度最大值位于坡脚处。边坡在地震波持续作用下位移增大，且最大位移出现在坡脚处，当其达到临界状态时边坡失稳。当地震波频率逐渐增大，加速度峰值放大系数呈增大趋势，速度放大系数呈增大趋势，坡体位移呈减小趋势。