一种模拟发震断层动力特性的隧道地震试验方法

为模拟隧道在发震断层中的近场动力响应和破坏机制,提出一种模拟长大隧道穿越活动断层动力响应的新型模型试验装置,并设计一种通过改变试验平台底部组合弹簧参数来改变模型箱振动特性的试验方法。该试验装置不仅能解决传统试验方法中受迫振动的问题,而且能模拟断层错动引起地层位移由发震断层位置向远端逐渐减小的过程,进而模拟穿越活动断层时长大隧道断层段到非断层段沿纵向的振动特性变化。该方法通过改变组合弹簧中单个弹簧单元的刚度系数和弹簧单元的个数等,可改变试验箱中断层在断层错动发生时的振动频率和错动位移,进而得到振动频率-组合弹簧刚度和错动位移-组合弹簧刚度的回归公式,可通过前期试验得到的回归公式来设置相应的组合弹簧形式,对后续试验中多种不同振动频率和错动位移的试验工况进行模拟。     

石质铁路隧道初期支护优化研究

以蒙华铁路九岭山隧道为工程背景,运用强度折减法计算围岩强度储备并将其作为围岩稳定性的参考指标。依据现场监测,得到初期支护的受力特征。基于围岩强度储备指标与初期支护的受力特征,对初期支护进行优化设计,并应用于现场。研究结果表明:在围岩具有足够强度储备的前提下,初期支护主要承受形变压力;系统锚杆未发挥作用,喷射混凝土抗压性能未被充分利用,格栅钢架钢筋难以发挥其抗拉和抗弯性能;可将现有初期支护"喷射混凝土+格栅钢架+系统锚杆"的结构形式优化为"喷射混凝土+格栅钢架"。对原有设计和优化方案进行数值模拟,对比其锚杆轴力与喷射混凝土应力分布,同时应用现场试验验证该优化方案的安全性与可行性。该优化方案已在蒙华铁路应用推广。     

衬砌纵向开裂隧道地震响应振动台的试验研究

为了研究高速铁路双线隧道衬砌纵向裂缝对结构抗震安全性的影响,针对《铁路隧道设计规范》（TB 10003—2016）IV级围岩开展大型振动台模型试验,试验采用改进的静动耦合剪切模型箱,考虑隧道埋深、衬砌开裂位置和开裂形式3个影响因素,分析隧道衬砌的地震动应变和结构内力响应规律. 试验结果表明:在地震剪切波作用下,浅埋隧道和深埋隧道衬砌结构的破坏形式分别为受拉破坏和受压破坏,破坏位置均首先出现在拱腰,对应的无裂缝衬砌破坏时振动台台面输入波峰值加速度分别为0.8g和0.9g;拱顶和边墙处裂缝对隧道衬砌结构抗震安全性影响较小,而拱腰处裂缝影响显著;浅埋和深埋条件下,拱腰处有裂缝的衬砌破坏时振动台台面输入波峰值加速度分别为0.5g和0.6g;纵向裂缝的开裂形式不同,衬砌破坏时对应的峰值加速度基本相同;在深埋条件下,相比于正截面裂缝,拱腰处斜截面裂缝导致衬砌结构破坏后变形速度加剧.      

初期支护组合形式有效性现场试验研究

初期支护组合形式的有效性一直存在较多争议。依托蒙华铁路在建隧道,针对初期支护不同组合形式有效性问题开展大量现场试验,量测内容包括拱顶沉降、水平收敛、系统锚杆轴力、喷射混凝土应力及钢架应力。通过对花岗岩、板岩、砂泥岩、黄土4种地层进行试验,分析具有代表性的Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级花岗岩和Ⅴ级黄土试验段数据,研究深埋岩质和土质隧道初期支护中钢筋网喷射混凝土、钢架及系统锚杆不同组合形式的有效性。结果表明： 1）现阶段“网喷+钢架+系统锚杆”的初期支护组合形式未充分发挥其作用效果,有效性差,措施过于保守,存在很大优化空间; 2）在土质或浅埋破碎岩质隧道初期支护中,系统锚杆无明显作用,可以取消,而只采用“网喷+钢架”组合形式; 3）在深埋岩质隧道初期支护中,采用“网喷+钢架”或“网喷+系统锚杆”2类组合形式之一即可。考虑到目前现场系统锚杆施作机具和施工质量,采用“网喷+钢架”的组合形式是合理和可行的。     

基于现场实测的隧道初期支护受力模式分析

为研究隧道初期支护的受力模式,以蒙华铁路在建隧道为工程依托,开展隧道洞周位移和初期支护受力状态的现场测试。结果表明:1)初期支护普遍受压,结构处于小偏心受压状态;2)隧道洞周位移收敛值较小,且隧道整体向净空侧变形,与初期支护普遍受压的受力模式一致;3)洞周位移、锚杆轴力和初期支护的受力状态均不符合塌落拱式的受力模式,而符合围岩与支护相互作用而产生的形变压力特征;4)格栅钢架对结构的抗压-剪承载力贡献非常小,初期支护斜截面的抗剪强度主要由混凝土控制,格栅钢架的作用仅是在混凝土开裂后提供峰后韧性。