强震区围岩局部缺陷对隧道衬砌受力影响分析

研究目的:已有震害调查表明,围岩施工塌方引起的局部缺陷段在地震作用下均出现了不同程度的二衬剥落、错台、整体垮塌等震害,而国内外隧道相关规范多关注洞口和断层的结构抗震问题,对围岩局部缺陷段关注甚少。因此有必要深入探讨围岩局部缺陷条件下隧道结构震害特征及参数敏感性,以期为强震区围岩缺陷段设计及施工处置提供理论参考。研究结论:(1)围岩局部缺陷几何尺寸的增大不会改变动峰值加速度PGA、主应力、内力响应频谱变化规律,但会不同程度增大隧道衬砌主要部位PGA、主应力峰值和内力峰值大小;(2)局部缺陷位置变化(拱顶、拱肩、拱腰)具有显著的"局部区域特性",但无论缺陷位于什么部位,拱肩、拱顶均为薄弱部位,实际工程应对相应位置抗减震措施设置予以重视;(3)围岩状态越差、埋深越浅,越不利于隧道衬砌结构抗震;(4)围岩局部缺陷影响因素(缺陷位置p、围岩级别s、隧道埋深h、环向角度θ、径向长度l、轴向长度b)对隧道衬砌结构动力响应影响敏感性强弱关系为:缺陷位置p围岩级别s轴向长度b环向角度θ径向长度l埋深h。     

水平层状围岩铁路隧道地震动力响应特征研究

研究目的:中国汶川8.0级特大地震中,均出现了大量隧道结构的严重震害。国内学者对隧道结构抗震进行了细致深入的研究,主要集中在复杂地质及破碎地段隧道地震反应、偏压隧道与隧道洞口段地震反应、隧道抗减震研究等方面。虽然目前关于隧道与地下结构抗震分析的研究颇丰,但大多是按照均匀连续介质模型进行模拟,考虑水平层状围岩特性的隧道结构动力响应分析还不多见。本文基于连续介质力学的离散元方法软件CDEM模拟水平岩层的结构面特性,主要针对不同水平岩层的厚度和不同地震动输入方向,共计12种计算工况,分析隧道衬砌关键部位的动力响应特性。研究结论:(1)结构面(层面)存在会引起主应力增加,产生相对位移,降低加速度,尤其对穿越中厚层状围岩的隧道要加强措施;(2)地震动方向对隧道衬砌大主应力的影响比较明显,特别对拱顶、墙腰、仰拱的大主应力(压应力)影响比较大,对拱顶的影响尤其明显,且岩层越薄,影响越大;(3)地震动方向对隧道衬砌拱顶的拉应力影响特别大,在竖向地震作用下,拱顶的拉应力将超过1.54 MPa,当岩层层厚为0.2 m时将超过2.66 MPa,已经超过了混凝土的抗拉强度,水平层状围岩隧道拱顶衬砌需加强;(4)该研究结论对类似地质条件下地下工程的建设具有指导意义。     

隧道衬砌混凝土裂缝的辨认及处治措施探讨

研究目的:摘要:研究目的:随着我国基础建设的不断投入,铁路及公路建设蓬勃发展,隧道数量也越来越多,但由于地质、施工、建筑材料等方面的原因,导致一些隧道衬砌开裂,威胁到运营安全,需要采用合适的方法进行处治,确保工程的经济性及结构的安全性。研究结论:本文从衬砌混凝土裂缝产生的机理来分析裂缝的受力状况及产生原因,并量化病害等级,通过研究得出如下结论:(1)应根据病害等级采取裂缝嵌补、衬砌锚固、套衬等进行处治;(2)衬砌混凝土裂缝可以通过强化地质勘察、加强施工工艺控制来进行事前防范;(3)出现裂缝后,应进行原因分析和病害等级判定,再来选择合适的整治措施,保证结构及运营安全;(4)研究成果可用于既有铁路、公路隧道衬砌裂损病害整治,也可用于新建铁路、公路隧道衬砌裂损缺陷的预防、控制与处治。     

地震作用下隧道衬砌背后空洞影响机制研究

研究目的:由于隧道衬砌背后空洞的存在对隧道抗震影响很大,本文以高烈度地震区的敦煌-格尔木铁路阔克萨隧道为研究背景,研究隧道衬砌背后空洞位置、空洞大小、围岩级别和隧道埋深等因素对隧道结构的地震动力响应规律及影响机制,并提出合理的加固方案,确保地震作用下隧道运营安全。研究结论:(1)空洞的存在降低了衬砌结构的变形性能和抗震特性;(2)对空洞隧道拱顶最大主应力影响最敏感的因素是围岩级别,其后依次为空洞环向大小、空洞位置、空洞径向大小和空洞轴向大小,而隧道埋深则是最不敏感的因素;(3)回填注浆加固方案可降低隧道衬砌的拉应力,改善衬砌的内力和应力分布,回填注浆+套拱加固方案要比回填注浆+锚杆方案作用效果好,回填注浆+锚杆+套拱组合加固方案抗震效果最佳;(4)本研究成果对隧道衬砌背后存在空洞时在地震作用下的空洞影响机制和加固方案选取具有一定的指导意义。     

铁路隧道设计洞顶土柱水平地震力影响程度研究

结合铁道部震区隧道标准设计及隧道震害调查中遇到的问题,对铁路隧道水平地震力计算进行深入研究,对传统震区隧道水平地震力计算的思路和方法提出不同意见,并计算验证水平地震力的影响程度,认为震区隧道设计中,水平地震力不是隧道衬砌设计的控制性因素,不需要因地震力而增加钢筋配置量,但考虑延性要求,需要考虑构造抗震措施。     

基于IDA分析法的公路隧道衬砌抗震性能分析

为合理评估地震作用下公路隧道衬砌损伤程度,以实际隧道震害资料及现有隧道损伤评价方法为基础,给出隧道衬砌性能指标并建立隧道衬砌损伤评价体系,采用IDA分析法全面讨论不同地震作用及地震动强度参数对于隧道衬砌地震响应的影响规律,通过易损性理论分析隧道衬砌在不同强度地震作用下超越不同性能水准的概率。结果表明:当设防烈度为6度时,小震作用下隧道损伤超越4个性能水准的概率均为0;中震作用下隧道损伤超越性能水准Ⅰ的概率为30.12%;大震作用下隧道损伤超越性能水准Ⅱ的概率为36.56%。IDA分析法作为一种有效的分析方法,能够较好地评估公路隧道衬砌的抗震性能。     

地震对交叉隧道影响机制及抗震方案研究

研究目的:因立体交叉隧道会同时受到来自入射、反射、绕射等地震波导致的震动,其所受影响相比一般隧道而言更大。因此,对立体交叉隧道受地震荷载作用下隧道结构动力响应规律进行定量分析,分析确定影响隧道结构主应力各因素敏感性,从而优化抗震方案。研究结论:(1)对立体交叉隧道净距、围岩级别、隧道埋深等因素对隧道结构加速度、应力以及位移的响应规律进行定量分析,得到隧道净距、埋深的增大和围岩变好对交叉隧道的抗震有利;(2)地震作用对交叉隧道的上跨隧道和下穿隧道影响敏感性大小都依次是围岩级别、隧道净距和隧道埋深;(3)改变隧道衬砌混凝土的强度抗震方案效果不明显,设置隔震层效果显著,但增加隔震层厚度对抗震影响较小;(4)本研究成果可为立体交叉隧道在地震荷载作用下的抗震设计提供指导。     

隧道全自动结构计算软件SDC抗震模块的研发与应用

隧道结构抗震计算要求工程技术人员具备力学、隧道结构、隧道抗震知识及计算软件操作技巧,因此隧道结构抗震计算并不容易。隧道全自动结构计算软件SDC是基于通用有限元程序ANSYS和面向对象设计语言Microsoft Visual Basic,针对隧道工程设计与施工的实际需要而开发的隧道专用计算软件,其最大的特点是简便、高效、实用。该软件的隧道抗震计算模块使工程技术人员能快捷、准确地进行隧道抗震计算分析,只需要输入计算参数,便可得到隧道在地震工况下的轴力、弯矩、剪力、变形、安全系数等。应用实例表明,该软件的计算结果与汶川地震后观察到的隧道震害现象吻合较好。     

交叉隧道耦合动荷载动力响应及安全分析

研究目的:因立体交叉隧道会同时受到来自入射、反射、绕射等多元荷载耦合导致的振动,其所受影响相比一般隧道而言更大。因此,对立体交叉隧道只受高速列车荷载作用及同时受高速列车与地震等多元荷载耦合作用下隧道结构的动力响应规律进行定量分析,并确定多元荷载耦合作用下立体交叉隧道结构安全性,从而找出不同隧道存在形式在多元荷载耦合作用下隧道衬砌结构断面的不同危险部位。研究结论:(1)地震荷载的出现改变了原有荷载的传播模式,且隧道结构断面不同位置受其影响最大不一定在交叉断面;(2)多元荷载中的地震荷载是对立体交叉隧道上跨结构产生不利影响的主要因素;(3)进行立体交叉隧道抗震设计时,应该增加上跨隧道左拱腰和左拱脚以及下跨隧道拱顶和左拱腰等危险部位的配筋率及混凝土的厚度,同时研制抗拉性能更好的轨道板;(4)本研究成果可对立体交叉隧道多元荷载耦合作用下的抗震设计提供指导。     

衬砌刚度对盾构隧道抗震性能的影响分析

研究目的:提高盾构隧道的抗震性能是保证隧道安全运营、保证人民生命及财产安全的必然要求。盾构隧道抗震减震措施主要有改变衬砌一定范围内围岩的性能和改变结构本身的性能。改变衬砌结构本身性能方面有多种方式,如增加衬砌厚度,改变管片环向或纵向接头方式、改变衬砌刚度等。本文通过数值分析比较不同的衬砌刚度对盾构隧道抗震减震性能的影响,为盾构隧道抗震设计提供参考。研究结论:根据不同衬砌刚度盾构隧道的受力分析,得出单纯提高管片的刚度并不能提高盾构隧道的抗震性能,反而增加衬砌管片的受力。随着隧道衬砌刚度的增加,衬砌结构的位移减少量不足2 mm,因此增加衬砌刚度对约束盾构隧道在地震作用下的变形并不明显。     

强震区高岩温隧道阻热抗震技术研究

研究目的:强震区高岩温隧道的结构安全性及稳定性是当前亟待研究和解决的热点问题之一。为降低高岩温隧道支护结构的服役温度并提高其震时安全性,本文以拉日铁路吉沃希嘎隧道为研究背景,通过采用有限差分数值模拟技术,对强震区高岩温隧道的阻热抗震技术进行研究。研究结论:(1)探明了隧道采用围岩注浆的最佳阻热方案,即注浆厚度为3 m、注浆区与初支的间距为0 m的接触注浆;(2)探明了隧道采用围岩注浆的最佳抗震方案,即注浆厚度为3 m、注浆区与初支的间距为0.5 m的间隔注浆;(3)从支护结构的阻热效果和抗震效果两个方面综合考虑,强震区高岩温隧道建议采用围岩注浆最佳抗震方案进行阻热抗震设防设计;(4)该研究成果可为强震区高岩温隧道阻热抗震技术的发展提供借鉴。     

山岭隧道的地震损坏

<正>1隧道损坏概述基于最近几年来几次地震(包括汶川地震,震级8.0;玉树地震,震级7.1;台湾地震,震级7.6)中隧道的损坏情况的调查研究,把强地震区山岭隧道的破坏模式和特点进行分类,分析其损坏机理,提出受损隧道恢复和对新建隧道设计规划的建议。建议强震区的隧道,在进行综     

地震作用下盐水沟隧道破坏成因研究

针对2009年库车县地震过后盐水沟隧道产生的震害现象,通过现场调查、386组围岩的动三轴试验、理论推导及数值分析,研究隧道衬砌开裂破坏的成因。现场调查结果表明,衬砌中产生的各种裂缝以交叉裂缝为主,其次是斜向裂缝、纵向裂缝和地面裂缝,并且裂缝数量的分布在地形的起伏较大地段和围岩变化段比较密集,洞口段破坏最为严重。数值分析和室内试验结果表明:低频地震波、起伏较大的地形地貌、隧道内围岩等级的差异以及地震过程中围岩动力特性的变化是造成盐水沟隧道衬砌发生破坏的主要原因;随着输入地震波频率与隧道自振频率之间的差异逐渐增大,隧道衬砌的变形逐渐减小且向刚体位移发展;隧道拱顶的竖向位移、加速度等地震响应与围岩等级呈负相关关系;随围岩动剪切应变的增加,围岩的动剪切模量比减小,动阻尼比增大;埋深在2 H~5 H(H为隧道高度)时,隧道衬砌的变形较大,埋深在5 H~30 H时,衬砌变形随着隧道埋深的增加而迅速降低,大于30 H时,衬砌变形趋于平缓。     

可液化砂土地层盾构隧道地震响应研究

研究目的:本文以佛山地铁2号线盾构区间工程为依托,现场取样砂土,通过动三轴试验获取原状土体和加固土体计算参数,运用有限元分析软件ANSYS进行计算分析,对可液化砂土地层盾构隧道在横向地震波激励下的动力响应和地层加固减震效果进行量化研究与评价。研究结论:(1)在横向地震荷载作用下,地层与结构的地震响应峰值与地震波峰值在时间上并不同步,且地层与结构的地震响应发展规律差异亦较大,衬砌第一主应力最大值1.69 MPa;(2)隧道周围地层采取加固措施后,地层强度参数越大,管片位移降幅越大,主应力增(减)幅越大,可满足隧道强度和运营要求;(3)考虑到盾构掘进过程对邻近建筑物的影响,建议砂土地层地基加固采用每立方米掺入400 kg超细水泥的加固方案;(4)本研究结果可应用于可液化砂土地层盾构隧道抗震设计和选取加固措施。     

公路桥梁震害特点研究及建议

研究目的:5.12汶川地震后,通过对几条公路上桥梁震害的调查,研究公路桥梁的震害特点和原因,以及既有公路桥梁抗震设计规范的不足,最终为新规范的编制提出建议。研究结论:我国主要城镇的抗震设防烈度与实际情况相差较大,应进一步进行完善和修订;抗震规范应增加跨越活动地质构造带桥梁的设计原则;抗震规范应要求对干线道路(生命线)上桥梁结构的抗震等级进行专门研究;进一步增强抗震构造措施要求;在高地震烈度区,应鼓励采用综合的抗震设计措施,以提高结构的抗震能力;在高地震烈度区,应针对抗震对桥梁施工方案提出明确要求。     

高烈度地震区铁路隧道震害特征与整治研究

研究目的:为明确震后隧道破坏特征，提出合理的高烈度地震区铁路隧道震害整治技术，依托兰新第二双线大梁隧道震后整治工程开展相关研究工作。现场调研探查大梁隧道震后灾害特征，根据物探、钻探情况及现场收集资料，综合评价震损破坏等级，针对隧道震害损坏情况提出针对性的整治技术措施，结合现场试验及实施情况，明确技术措施应用效果，为后续类似工程及隧道抗震设计提供借鉴。研究结论:(1)隧道震后出口段地表裂缝以拉张或挤压特征呈羽状展布，裂缝有明显错台现象；(2)隧道结构破坏受断层影响呈明显空间依赖性，特征效应突出，进口和出口段结构分别向右上方和左下方偏移，断层核心区结构错动、变形破坏严重；(3)地面裂缝可采用分层夯填水泥改良土和灌注砂浆结合的方法处理，针对Ⅴ级、Ⅳ级和Ⅲ级及以下破坏段，分别提出“大刚度圆形衬砌+大预留变形量+减震消能层+节段设计”、“格栅钢架+C40模筑混凝土”和“裂缝封闭+基底注浆”的综合整治方案；(4)现场监测结果表明，隧道全段二衬位移稳定，初期支护和二次衬砌以非对称性受力为主要特点，但整体受力较小，证明了支护方案的有效性和合理性。     

地震液化对地铁工程的危害及对策

研究目的:随着国内各大城市地下空间的不断开发和利用,大断面、浅埋地下结构越来越多,以往震害情况表明地铁结构容易遭受地震作用的破坏,地震中饱和砂土地层的液化是造成地铁结构破坏的重要原因之一,而目前国内外对于地铁地下结构的抗震研究,考虑地震液化的尚少,需研究并提出工程对策。研究结论:(1)地震液化对地铁隧道结构工程有很大的危害性,需采用合理的处理方式进行处理;(2)影响饱和砂土液化的主要因素有三大类:动荷条件、埋藏条件及土性条件;(3)具体工程中应根据液化地层埋藏深度、工程设置条件、工程类型等特点,通过采用控制结构埋深、采用地下连续墙围护型式、加强结构抗浮能力、考虑一定的地震作用附加内力等方式处理地震液化;(4)该研究成果可应用于城市轨道交通车站及隧道工程方案的经济比选及设计中。     

寒区铁路隧道结构抗冻技术探讨

研究目的:受温度变化影响,寒区隧道衬砌结构易出现开裂、酥脆、剥落等病害。本文通过分析寒区隧道的环境作用,并通过调研我国寒区铁路隧道的结构冻害情况,归纳隧道结构的冻胀机理,提出寒区隧道结构的抗冻措施,探讨保温层在铁路隧道的适用性及设计方法、施工工艺,从而明确今后需要进一步研究的寒区隧道结构抗冻技术。研究结论:(1)寒区隧道衬砌结构冻害可分为特殊地层隧道围岩冻胀型冻害和结构缺陷型冻害,需采取相应措施进行控制;(2)负温差引起的温度应力作用,易导致寒区隧道衬砌开裂,需采取变形缝等构造措施;(3)季节性冻土区铁路隧道应慎用保温层;(4)本研究成果可为寒区隧道结构抗冻提供参考。     

铁路隧道衬砌目标可靠指标研究

研究目的:现行铁路隧道设计规范中概率极限状态法的适用范围局限于单线铁路隧道的整体式衬砌,而我国铁路隧道的现状是双线及大跨隧道越来越多,复合式衬砌已经广泛使用,因此现行规范中的概率极限状态法无法满足隧道工程设计需要。为拓展概率极限状态法在铁路隧道设计中的适用范围,便于开展国际交流,有必要开展铁路隧道概率极限状态设计方法研究,而结构目标可靠指标是应用概率极限状态的前提和基础。研究结论:研究表明:(1)现行铁路隧道复合式衬砌通用参考图可靠性水平较高,对于钢筋混凝土衬砌、素混凝土衬砌抗压及素混凝土衬砌抗裂三种极限状态下,其对应的可靠指标均值分别为4.27、13.71和7.48;(2)国内相近规范中在结构安全等级为二级的情况下,对于延性破坏状态其目标可靠指标变化范围为3.2~4.2,对于脆性破坏状态其目标可靠指标变化范围为3.7~4.7;(3)北欧国家的目标可靠指标不区分混凝土的延性破坏或脆性破坏,在结构安全等级为二级时,北欧国家规定设计目标可靠指标取4.26,而英国的CIRIA标准规定设计目标可靠指标取值3.71;(4)综合考虑参考图校准及国内外调研结果,提出我国铁路隧道衬砌承载能力极限状态目标可靠指标,对于延性破坏和脆性破坏两种情况:当安全等级为二级时,其对应的目标可靠指标分别为4.2和4.7,当安全等级为一级或三级时,对应的目标可靠指标分别提高或降低0.5;(5)本研究成果已经成功应用于《铁路隧道极限状态法暂行规范》。     

强震区成兰铁路某隧道小净距段大变形特性分析

针对处于"汶川5.12"强震区龙门山断裂带之前山活动断裂及中央活动断裂之间的在建成兰铁路柿子园隧道4号横洞工区隧道小净距D3K87+500~+350段大变形破坏现象,在现场调绘、岩石试验、地应力测试及监控量测数据等资料分析的基础上,从地质构造、围岩条件、地震作用、地应力场、地下水及工程结构形式和施工影响等方面对隧道小净距段的大变形特性进行分析,并探讨其成因机制。主要结论有:(1)小净距段呈现仰拱左右剪切错动、边墙侵陷、拱顶沉降为特征的纵向张裂变形特性;(2)大变形成因机制可归纳为软弱破碎的围岩条件、复杂活跃的地质构造条件、高应力场条件、地形偏压作用、地下水软化作用等客观地质环境因素及小净距隧道结构形式、施工影响及较弱的支护措施等主观因素的综合影响;(3)小净距结构形式的设置位置应综合考虑地层岩性、地质构造、地应力场及地震震裂作用等客观地质环境因素的影响;(4)研究结论对强震区类似工程地质条件下川藏、滇藏铁路破碎围岩隧道的设计和施工具有借鉴意义。