穿越断裂黏滑带隧道合理抗错断设防长度研究

研究目的:隧道穿越黏滑断层带极易发生错断,其合理的抗错断设防长度一直是业内研究的关键性问题。采用数值计算和黏滑错动模型试验相结合方法,研究隧道穿越断裂黏滑带黏滑错动条件下结构应变、主应力响应特性,探求穿越断裂黏滑带隧道合理抗错断设防长度。研究结论:(1)衬砌主应力最大峰值均出现在断裂黏滑带两侧一定范围内,当远离黏滑断裂带衬砌结构主应力趋于稳定,黏滑错动影响范围在隧道纵向具有显著区域性特征;(2)断裂黏滑错动对活动盘影响范围明显大于固定盘;(3)影响范围内活动盘侧以拉应力破损为主,合理的抗错断设防长度约为(6～7) D;(4)固定盘侧以压应力破损为主,合理的抗错断设防长度(含断层带)约为(4～5) D,且随着断层宽度的增加,固定盘侧影响范围逐渐向断层区域内平移;(5)减错缝的设置可将衬砌结构主应力降至安全范围内,实际工程建议根据衬砌模板台车长度将减错缝与施工缝设置在同一断面;(6)本研究成果可为黏滑错动地质地段隧道抗错断设计和施工提供理论依据。     

逆断层黏滑错动下隧道抗错断力学机制研究

研究目的:由于断裂活动的复杂性和工程示范样本的缺失性,逆断层黏滑错动过程隧道抗错断力学机制尚未清晰揭示。因此,本文以某交通隧道逆断层黏滑错动段为原型,采取强制位移法开展1∶30抗错断模型试验,对逆断层黏滑错动下隧道衬砌结构应变、受力进行对比分析,以揭示逆断层黏滑错动条件下隧道抗错断力学机制。研究结论:(1)逆断层黏滑错动具有显著区域性特征,黏滑错动过程主要影响Ⅱ-Ⅱ～Ⅴ-Ⅴ断面范围内,远离错动面衬砌结构受错动影响较小;(2)隧道衬砌结构纵向主要为压应变超限受损,最大纵向压应变位于固定盘侧Ⅴ-Ⅴ断面;活动盘侧环向压应变超限位于Ⅲ-Ⅲ断面的拱顶,固定盘侧环向拉应变超限位于Ⅳ-Ⅳ和Ⅴ-Ⅴ的拱顶、环向压应变超限位于仰拱;(3)活动盘侧最大接触压力位于Ⅱ-Ⅱ断面仰拱,错动前后相差近2倍;固定盘侧最大接触压力位于Ⅴ-Ⅴ断面拱顶,错动前后相差1. 1倍;黏滑错动对活动盘侧围岩压力影响近似为固定侧1倍;(4)本研究成果可为逆断层黏滑错动地质地段隧道抗错断设计和施工提供理论依据。     

黏滑断层隧道减错缝位置对减错效果影响分析

研究目的:以某交通隧道为依托,开展1:30黏滑断层隧道抗错断模型试验,通过提取断裂黏滑错动过程中接触压力、衬砌应变和应力,对比分析不设置减错缝(工况A)、减错缝与错动面交错设置(工况B)、减错缝设置在错动面位置(工况C)三种工况的减错效果,探求实际隧道工程中最优减错缝设置位置。研究结论:(l)减错缝设置于不同位置减错效果为:A B C;减错缝的设置能有效降低纵向应变97. 27%,主拉应力31.04%,主压应力62.19%,接触压力88.43%,提高衬砌结构安全系数7. 41倍;(2)工况C较工况B减错提升效果为:纵向应变28. 81%,主拉应力57. 74%,主压应力42. 20%,接触压力31.73%,安全系数1.96倍;(3)实际工程可在不增加成本条件下,确保减错缝与黏滑断层错动面位置一致,以达最优减错效果;(4)本研究成果可为黏滑断层隧道的减错结构设计和施工提供参考。     

减震层对跨断层隧道抗错断效果的模型试验研究

为了研究跨断层隧道设置减震层时的抗错断效果以及跨断层隧道衬砌的破坏特征,以敦(敦煌)格(格尔木)铁路阔克萨隧道为依托,采用室内模型试验的方法,研究减震层对跨断层隧道在断层错动时的受力特征以及对跨断层隧道的减错效果,结果表明:不论是否设置减震层,跨越断层隧道节段以及与之相连的节段在断层错动时的受力较大、破坏较严重,是跨断层隧道抗错断的重点设防部位;设置减震层后衬砌应变和接触压力均有所减小,但减震层对接触压力的减小幅度要大于对应变的减小幅度;设置减震层后,断层错动引起衬砌环向应变的增大倍数在4.8～14.2,最大降低11.7%,接触压力增大倍数在1.4～5.6,最大降低11.9%,跨断层节段以及与之相连节段衬砌的破坏情况明显减弱,对跨断层隧道衬砌防错断具有较好的效果。     

逆断层错动下ECC衬砌结构非线性力学响应分析

依托穿越活动断层隧道工程,建立断层?围岩?隧道结构相互作用的力学模型,开展逆断层错动下纤维增强水泥基复合材料(ECC)衬砌和传统钢筋混凝土(RC)衬砌非线性力学响应及抗错性能分析.研究结果表明:逆断层错动下2种衬砌呈现出基本一致的变形及损伤分布规律.衬砌变形沿纵向呈"S"形分布,衬砌损伤主要位于断层及临近断层的隧道上盘,上盘范围内隧道变形及损伤受错动位移的影响明显大于下盘.衬砌破坏表现为压剪和拉剪破坏模式.断层倾角越大,ECC衬砌损伤分布范围越窄,破坏区域越集中,极限错动位移越小.ECC衬砌极限错动位移及损伤分布范围随着断层宽度的变大有所增加.相同断层参数和错动位移下,ECC衬砌损伤分布范围和损伤程度明显小于RC衬砌,呈现出优异的变形适用性和抗错性能.     

四车道大跨公路隧道二次衬砌设计

本文以四车道大跨隧道的二衬受力特点为突破口,分析了衬砌结构设计的相应技术对策,即增加衬砌厚度和提高混凝土抗压强度.通过对外部荷载、结构内力规律的总结,并结合大量计算结果,得出四车道大跨隧道软弱围岩段(V级围岩)二次衬砌的承载能力薄弱点多为混凝土抗压强度不足的结论.以深圳市石清大道羊台山隧道为依托,通过有限元计算,对比研究了“增加二衬厚度”、“设置三层衬砌”、“提高混凝土强度等级”等三种技术对策,并认为提高混凝土强度等级是最经济合理的方式.此外,采用C40以上强度等级的混凝土,既能提高衬砌承载能力,又可满足耐久性方面的要求.     

桥面铺装中钢纤维混凝土抗折强度的试验研究

结合高速公路桥面铺装实际工程,通过试验研究在混凝土中掺入两种不同类型和不同体积率的钢纤维对混凝土抗折强度的影响,同时研究了钢纤维混凝土(SFRC)抗折强度与抗压强度、劈拉强度等之间的关系,为实际工程应用提供参考。研究表明:SFRC的抗折强度随着抗压强度的提高而提高,随着钢纤维体积率的增大,抗折强度与抗压强度之比也随着呈上升趋势;SFRC抗折强度随着劈拉强度的提高而提高,随着钢纤维体积率的增大,SFRC的抗折强度与劈拉强度比呈下降趋势。     

正断层错动作用下矿山法隧道受力变形机理的模型试验研究

为研究正断层错动作用下矿山法隧道的受力变形机理,以胶州湾第二海底隧道穿越沧口断裂为工程背景,采用自研的大比尺穿越断层隧道结构破坏加载试验装置,针对设置柔性连接变形缝和变形缝间距对隧道结构抗错断效果的影响,开展几何相似比为1∶40的矿山法隧道穿越倾角70°的正断层错动模型试验,对错动试验过程中的隧道变形、应变分布、围岩接触压力和破坏特性等关键指标进行监测,分析获得了正断层错动作用下隧道变形和力学响应规律。研究结果表明：(1)隧道在正断层错动作用下,呈现纵向拉弯+竖向挤压的受荷模式,在下盘邻近断层面处拱顶部位和上盘邻近断层面处仰拱部位出现脱空区;(2)隧道开裂主要以纵向贯通裂缝为主,近断层面处衬砌还出现了部分斜向裂缝和环向裂缝;(3)节段间的连接形式和节段长度不会根本上改变隧道在断层错动作用下的受荷模式和变形模式,但节段间刚度越小,节段长度越小,结构对于地层强制位错的适应性就更好;(4)相比于刚性连接,节段间的柔性连接吸收了大部分地层强制位错,有效降低衬砌节段的荷载和变形,使结构趋于安全。     

跨断裂地铁隧道地震动力响应特征研究

研究目的:活动断裂在我国分布较广,然而在长距离工程选线及设计中,线路往往会穿越或邻近活动断裂带。断裂粘滑作用常造成地震发生,加之地震动力作用下地铁隧道的地震响应和受力变形问题又是隧道设计的重点和难点,因此本文对地铁隧道跨越活动断裂进行地震荷载时程分析,从定量角度研究跨断裂地铁隧道地震动力响应特征。研究结论:(1)地表断裂位置处PGA放大系数最大,向两侧逐渐减小,具有典型的上盘效应;(2)地震作用改变了断裂附近隧道结构接触压力,在地震过程中,拱顶最大接触压力在上盘增大下盘减小,而拱底最大接触压力在上盘减小下盘增大,接触压力的主要变化范围在上盘40 m和下盘30 m范围内;(3)地震荷载下断裂附近隧道结构拱顶轴力在上盘增大下盘减小,而拱底轴力在上盘减小下盘增大,此外,在断裂位置处隧道结构弯矩和剪应力数值明显增大;(4)基于地震作用下跨断裂地铁隧道内力显著变化范围,给出了地震动力作用下跨断裂地铁隧道的纵向设防长度建议值为上盘40 m、下盘30 m,在此区域内应采取设置减震层、加固围岩和采用柔性接头等抗震设防措施;(5)本研究成果可为跨断裂地铁隧道抗震设防提供科学参考和理论依据。     

逆断层错动下隧道衬砌的力学响应北大核心

以穿越新疆大旱沟西岸逆断层的拟建隧道为工程依托,采用大比例尺活断层错动加载系统开展室内模型试验,探明在逆断层错动作用下隧道分段衬砌力学响应特征及裂缝形态分布规律。通过建立三维地层-结构模型,模拟分析逆断层错动下不同衬砌分段长度时衬砌的变形特性及力学特征。结果表明:在逆断层错动下,上盘竖向位移随错动距离增大而增大,由逆断层错动导致的衬砌裂缝以纵向裂缝为主,裂缝主要位于边墙、墙脚以及仰拱中心;断层错动后衬砌相邻节段变形不连续,变形缝有利于提高隧道结构的抗错动性能;跨断层中心竖向截面处衬砌第一主应力随断层错动距离增加而近似呈线性增大,且衬砌分段长度越大则衬砌内力越大。     

纤维混凝土在武广铁路客运专线隧道中的应用试验研究

结合武广铁路客运专线隧道二衬设计和施工情况,对高速列车行驶过程中二次衬砌的受力情况进行对比分析;对二次衬砌加筋的必要性及加筋方式进行比较分析;对前期施工的隧道采用纤维混凝土进行室内及现场衬砌试验研究,纤维混凝土可改善早期抗裂性能、抑制后期裂纹发展及从整体上改善二次衬砌混凝土的服役期工作性能,应用纤维混凝土衬砌工作性能及外观效果较好。纤维混凝土的试验研究及在高速铁路隧道Ⅱ、Ⅲ级围岩中的二衬使用,对类似工程将具有较好的参考价值。     

高温后混杂纤维混凝土力学性能试验研究

为研究高温后玄武岩-纤维素混杂纤维混凝土的力学性能,对不同温度条件下掺入不同玄武岩纤维长度的混杂纤维混凝土进行抗压及抗折强度试验。基于试验数据进行统计分析,建立不同玄武岩纤维长度下混杂纤维混凝土相对抗压强度和相对抗折强度随温度变化的关系式。运用BP神经网络得出混杂纤维混凝土中玄武岩纤维的最佳长度范围。研究结果表明:素混凝土的抗压强度在200℃时达到峰值,而混杂纤维混凝土的抗压强度则是在400℃达到最高;素混凝土及混杂纤维混凝土的抗折强度均随着温度的升高呈下降趋势,800℃后,素混凝土与混杂纤维混凝土的抗折强度残余率分别仅为22.3%及26.9%。     

聚丙烯纤维网湿喷混凝土隧道衬砌的应用研究

针对传统喷射混凝土用于隧道衬砌存在的质量离散性大、抗拉强度低、密实性和耐久性差等问题,研究采用在混凝土中掺入聚丙烯纤维网的解决方案。通过对不同掺量的聚丙烯纤维网混凝土试件进行实验分析,结果表明,在混凝土中掺入体积掺量为0.1%~0.2%的聚丙烯纤维网,可使抗拉强度提高50%以上,抗渗性能提高55.6%以上。在宝兰铁路东巨寺沟隧道直接喷射聚丙烯纤维网混凝土,并对喷层厚度测量和外观质量观察表明,喷层厚度均匀,表面平整;3个分段试件的强度值离散性小,平均抗压强度分别为43.2,44.3,44.2MPa,平均抗折强度分别为5.7,5.9,5.9 MPa。聚丙烯纤维网混凝土既可用于隧道开挖后的支护,又能用于隧道的永久衬砌。     

聚丙烯纤维增强泡沫轻质混凝土力学性能试验研究

针对浇筑密度700 kg/m3的泡沫轻质混凝土掺加6种长度(3,6,9,12,15,19 mm)、不同掺量的聚丙烯纤维,开展抗压强度试验、劈裂抗拉强度试验和抗折强度试验,研究聚丙烯纤维对泡沫轻质混凝土力学性能的影响。结果表明:当纤维长度为3,6,9,12 mm时,泡沫轻质混凝土的抗压强度、弹性模量、劈裂抗拉强度、抗折强度均随着纤维掺量的增加先增大后减小;当纤维长度为15,19 mm,掺量≤0.2%时,其抗压强度、弹性模量、劈裂抗拉强度、抗折强度与基准值相比稍微增加,掺量0.2%时,各参数随着纤维掺量的增加而减小;纤维长度6 mm、掺量为0.6%时泡沫轻质混凝土的无侧限抗压强度、劈裂抗拉强度与抗折强度达到最大值。     

正断层错动下乌鲁木齐地铁1号线隧道结构受迫影响研究

以乌鲁木齐地铁隧道穿越九家湾活动正断层工程为例,建立穿越活动正断层隧道结构的三维弹塑性有限元模型,模拟分析在正断层错动作用下隧道二次衬砌应力、塑性区分布规律及裂缝分布特征;通过大比例尺跨活动正断层隧道剪切错动室内模型试验,明确隧道结构在断层剪切错动下的破坏范围及破坏形态。结果表明:数值模拟结果与模型试验结果的规律一致性较好;断层面处隧道衬砌承受压—剪—扭的组合作用,衬砌破坏最严重;二次衬砌开裂主要以纵向裂缝为主,集中在仰拱内侧、墙脚外侧及拱顶内侧;剪裂缝集中在断层迹线处的隧道拱脚,环向裂缝多出现在拱腰位置;上盘二次衬砌开裂范围均大于下盘;设防时应加强环向主筋及箍筋,使隧道整体结构形成环—纵向骨架,从而减少纵向和斜向开裂,并防止纵向裂缝的贯穿。     

箱型隧道30°斜穿活动地裂缝的变形破坏模式试验研究

从西安地铁隧道工程背景和西安地裂缝地质环境出发,根据相似理论设计箱型隧道衬砌结构30°斜穿地裂缝的物理模型试验。结构模型混凝土应变、纵向和环向钢筋应变、结构外围土压力、结构内部收敛位移、模型顶表面土体变形以及宏观变形破坏现象表明:结构变形破坏不对称,随着沉降的扩展,首先发生扭转变形,然后发生弯曲和剪切变形破坏;衬砌环向裂缝主要分布在下盘区范围2.12D~3.81D(D为衬砌壁厚中心线高度1.18m)、上盘区范围0.85D~1.69D;纵向裂缝主要分布在下盘区范围1.19D~4.24D、上盘区范围1.27D~2.97D,下盘结构变形破坏较上盘结构严重;纵向裂缝为扭转变形引起、环向裂缝为弯曲变形引起、裂缝两侧错位由剪切变形引起。     

粉煤灰和硅灰对高强度纤维水泥基材料力学性能影响研究

基于纤维水泥基复合材料的发展和工程应用实际,探讨不同粉煤灰和硅灰掺量对高强度纤维水泥基材料抗压强度、抗折强度以及韧性的影响。研究结果表明:粉煤灰和硅灰的掺加会显著影响高强度纤维水泥基材料的力学性能,具体优化掺量为50%的粉煤灰和15%的硅灰可以使高强度纤维水泥基材料抗折强度增强到19.5 MPa,抗压强度提高至75.2 MPa,折压比达到0.26左右,比普通纤维混凝土在抗折和抗压强度上分别提高了35%和40%,折压比也提高了6%左右,说明该优化配合比能明显增强高强度纤维水泥基材料的抗压强度、抗折强度和韧性,可为该材料的工程应用提供参考。     

黄土地区通道上跨既有地铁隧道衬砌受力分析

研究目的:为了解黄土地区暗挖通道近距离上跨既有地铁隧道衬砌的受力特征,以西安地铁3号线太白南路站Ⅲ-C至Ⅱ-B间过街通道上跨既有隧道为依托工程,通过现场实测,对既有地铁隧道初支与二衬间接触压力和二衬混凝土应力进行分析研究。研究结论:(1)既有地铁隧道初期支护与二次衬砌间的接触压力先跨线整体比后跨线小,就单洞而言,迎施工面一侧比远离施工面一侧压力大;(2)左、右线各测点接触压力在上跨施工过程中均表现为增大,且后跨线增大幅度大于先跨线;(3)受上跨通道高程多变影响,先跨线二衬产生向左扭转的趋势,左侧受压、右侧先受拉后受压;(4)后跨线二衬应力基本对称,测点应力整体比先跨线大;(5)本研究成果可为黄土地区类似上跨工程的设计和施工提供参考。     

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。     

海底隧道纤维混凝土力学性能发展研究

研究目的:海底大直径隧道管片结构对混凝土的抗裂性提出了较高的要求,采用纤维混凝土能够有效解决这一问题。本文对纤维混凝土在不同养护龄期下的抗压强度以及弹性模量进行试验研究,分析不同聚丙烯纤维及钢纤维掺量对混凝土抗压强度以及弹性模量随龄期发展的影响规律,研究纤维掺量对混凝土力学性能的影响,并利用扫描电镜对聚丙烯纤维混凝土进行观测,从微观角度分析纤维与混凝土的作用机理。研究结论:(1)钢纤维对混凝土强度有提高作用,2%钢纤维掺量的混凝土试件抗压强度要明显高于其他组的试验结果,纤维混凝土的强度离散性高于普通混凝土;(2)纤维可明显提高混凝土的弹性模量,2%钢纤维掺量的混凝土试件弹性模量最高,2 kg聚丙烯纤维掺量的混凝土28 d弹性模量较3 d提升幅度最大;(3)微观试验表明,聚丙烯纤维表面较为光滑,与混凝土基体结合性能较差,是聚丙烯纤维混凝土强度较低的原因之一;(4)本研究成果可为海底隧道混凝土管片设计提供指导。