隧道支护结构与抗震层及围岩系统抗震性能研究

基于刚度匹配原理,提出抗震层概念,即设置在隧道支护结构与围岩之间的泡沫混凝土层,其刚度介于隧道衬砌刚度与围岩刚度之间。并提出采用损伤指标和能量指标进行强震作用下隧道结构的抗震安全评价,包括利用损伤指标反映隧道抗震薄弱部位的损伤累积和渐进破坏过程。通过有无抗震层的隧道结构抗震安全评价,考察抗震层的抗震效果,研究结果对高烈度地震区隧道的抗震设计具有借鉴作用。     

高速铁路隧道结构动力累积损伤模型试验研究

为探讨高速铁路隧道衬砌结构在列车振动荷载长期作用下的动力累积损伤特征,阐述混凝土结构动力相似材料模型试验原理,以武广高速铁路金沙洲隧道为原型,利用微粒混凝土作为相似材料,构建隧道与围岩动力相互作用全断面试验模型,施加高速列车振动荷载对相似材料模型进行动力累积损伤试验;试验过程中同步测试隧道衬砌结构各特征点动应变、超声波速度以及隧道底部围岩接触应力的时程响应数据,分析隧道衬砌结构动力响应特征与累积损伤规律。得出了在设计使用寿命期内,高速列车振动荷载长期作用下,隧道衬砌结构动力累积损伤效应不明显,而隧道底部围岩累积损伤破坏则应引起足够重视等研究结论。     

高烈度地震区山岭隧道洞口减震问题的数值模拟研究

采用有限差分软件FLAC3D 3.0研究隧道洞口段的抗震设防长度和衬砌刚度对地震反应的影响,分析设置横向减震层、纵向减震层和加固围岩对衬砌结构的减震效果,并总结山岭隧道洞口减震的思路和措施.结果表明:一般进入洞内25～30 m后地震放大效应开始趋于平稳,该距离可为确定洞口抗震设防长度参考;衬砌刚度过大在一定程度上将加大震害;设置横向减震层和纵向减震层都能使地震反应明显减弱,使应力分布更趋均匀,且前者效果明显好于后者;通过设置锚杆增强围岩整体性,可有效减少作用在衬砌上的地震荷载,且对软质围岩效果更佳.最后,提出山岭隧道洞口必须综合减震,衬砌应该刚、柔平衡.     

强震区隧道洞口段减震的振动台模型试验

就山岭隧道而言,洞口段往往是震害最严重的部位。为了研究强震区隧道洞口段设置减震层的减震效果,对隧道结构进行了振动台模型试验。分别从衬砌的应变、加速度方面进行了分析,结果表明:减震层的减震作用明显。最后,对试验中的地表地震裂缝的震害进行了描述。     

钻爆法施工条件下围岩损伤范围的确定

钻爆法施工条件下,围岩爆破损伤是影响隧道围岩稳定性的主要因素.爆破阶段形成的损伤是后期卸荷作用下围岩损伤累积的基础;爆破产生的裂纹也是后期裂纹不断萌生、扩展、贯通的基础.通过隧道工程实例,综合分析围岩损伤及裂纹扩展规律,得出爆破对该工程围岩损伤基本在距硐周2.2 m左右的范围内,为隧道围岩支护设计提供理论依据.     

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。     

隧道洞口段的抗震设防长度

运用Newmark隐式时间积分有限元法并采用粘-弹性人工边界,进行了隧道三维地震反应分析。在不同的围岩材料、衬砌类型情况下,分析了隧道洞口段衬砌应力和位移沿隧道轴线方向的变化规律以及采取注浆加固围岩方法的减震效果。计算结果表明:抗震设防长度主要与洞口段围岩性质有关,洞口段松软、破碎的围岩越长,隧道的设防长度就越长;隧道的断面形式以及洞口段临空面的存在与隧道的设防长度关系不大;在地震荷载作用下,洞口段隧道衬砌产生了很大的轴向应力;可采用注浆加固洞口段围岩的方法减小洞口段衬砌的应力和位移。     

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。     

深埋隧道层状岩体破坏过程特征模型试验

针对深埋隧道层状岩体围岩变形破坏的复杂性,以渝沙高速公路共和隧道工程为背景,采用自行研制的弹脆性相似材料构筑层状岩体隧道物理模型,利用应变监测技术和内窥摄影技术,研究了层状岩体在不同荷载作用下围岩应力分布及变形破坏过程特征。结果表明：深部层状岩体受层理结构面的影响,围岩具有明显偏压特征;在沿层理面方向主要受到与其一致的应力挤压从而产生剪切破坏,垂直于层理方向的破坏呈X型裂纹且沿洞壁深部发展;掉落块体呈楔型体,隧道围岩破坏范围呈明显的不均现象;模型试验结果与现场测试结果基本一致,为理论分析深部层状岩体破坏机理提供了可靠的试验结果。     

开挖与回填过程中隧道受力和承载拱效应研究

为研究开挖和回填过程中既有隧道受力变化及其与承载拱之间的联系,设计模型试验,通过考察开挖与回填过程中既有隧道的位移、内力及围岩压力,得到隧道受力变化规律,并对隧道受力与承载拱之间的联系进行分析。结果表明: 1)既有隧道上方开挖过程中由于承载拱的存在,会使隧道经历无影响、弱影响、强影响3 个阶段,但既有隧道上方回填过程中不会产生承载拱,填方对隧道的影响基本呈线性增加,隧道处于持续受影响状态; 2)回填后的结构受力普遍大于相同覆土高度下开挖后的结构受力,且拱顶和仰拱相对其他部位受影响较大,易因内侧受拉出现裂纹; 3)承载拱的产生与否主要取决于一定埋深隧道围岩应力状态是否经历三向应力-二向应力转变的历程,隧洞开挖时围岩应力的转移和重分布导致了承载拱的产生。