穿越多断层破碎带隧道自适应结构走滑错动特性研究

在活动断裂构造带地区,断层运动往往是沿断层带发生,自活动盘到破碎带错动位移表现出逐级传递的特征,因此穿越活动断裂带的隧道结构应力、变形特征也受到断层错动形式的影响。依托西部高烈度区某穿越大型活动断裂带的公路隧道工程,通过数值模拟分析穿越多断层隧道结构在断层多级走滑错动下的位移、应力响应规律,得出隧道结构纵向基于多断层蠕滑错动的影响分区;建立基于柔性初支、刚性二衬和节段铰接的穿越蠕滑断层隧道自适应结构,探究在错动区和缓冲区内设置隧道自适应结构的抗错性能。研究表明：隧道围岩性质的差异是影响穿越断层破碎带隧道结构变形和应力的最重要因素,隧道自适应结构在蠕滑错动过程中,柔性初支能够吸收部分围岩传递至隧道结构的变形,柔性接头的剪切变形和衬砌节段的刚性转动能够承担较大的位错,随着隧道衬砌节段长度的减小、接头数量的增加,各个接头的剪切变形角和衬砌节段偏转角都将减小,大幅提升结构的抗错安全性。     

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。     

穿越活动断层隧道组合抗震缝定量设置的计算公式及试验验证

针对穿越活动断层隧道抗位错的要求,根据断层错动时隧道衬砌节段的几何变形特征,推导基于活动断层倾角、宽度和位错量等参数的隧道组合抗震缝设置数量的计算公式。以穿越龙门山中央活动断层的成兰铁路柿子园隧道工程为背景,按照1∶30的相似比建立室内试验模型,分别针对普通衬砌与按照本文计算结果设置抗位错组合抗震缝衬砌的2种工况进行逆断层位错室内模型试验。结果表明:在活动断层破碎带及其两侧设置抗位错组合抗震缝的隧道与普通隧道相比,衬砌结构的最大纵向应变大幅降低,最大环向应变有不同程度的降低,与围岩间最大接触压力有所降低,且变化范围有所减小,在试验终止时,并未沿隧道纵向出现大规模的横向及纵向裂纹、衬砌剥落和衬砌坍塌等破坏现象。试验结果验证了组合抗震缝定量设置计算公式的正确性和有效性。     

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.     

断层错动及地震作用下隧道力学特性研究

依托国外某穿越走滑断层的高速铁路隧道,利用FLAC~(3D)建立三维有限元模型,通过在断层两侧施加强制位移,研究在走滑断层错动作用下的隧道衬砌力学特性,并基于此对隧道在地震波作用下的动力响应规律进行动力分析,最终得到依托隧道的抗错动及抗震加固长度。结果表明,在走滑断层错动作用及地震动作用下,衬砌内力及应力在断层破碎带与上下盘交界面处达到峰值,并随着监测断面沿轴线方向远离断层时逐渐趋于稳定。随着断层错动量的增加,衬砌内力与应力逐渐增加;随着输入地震波方向与隧道轴线夹角的增加,衬砌内力与应力逐渐减小。最终得出,断层错动0.1 m时,断层两侧隧道加固长度为3.7D(D为隧道内径);断层错动0.25 m时,隧道加固长度为4.5D;断层错动0.5 m时,隧道加固长度为5.2D。     

高铁隧道穿越断层破碎带施工方法及稳定性分析

针对新建福州—厦门高速(350 km/h)铁路碧峰寺隧道穿越F7断层破碎带施工潜在的地质灾害,提出隧道采用三台阶临时仰拱、超前帷幕注浆、弱爆破、早封闭、勤量测的联合施工方法穿越断层破碎带,利用有限差分程序建立了三维数值计算模型,研究了施作和未施作超前注浆预加固作用下隧道施工破碎带围岩的稳定性。研究表明:预注浆加固措施作用下,断层破碎带隧道施工围岩最大变形量降低了137.8 mm,达到了设计的预留变形量,拱顶和拱脚附近应力集中明显减弱,改善了围岩的稳定性,提出的施工方法对破碎带围岩扰动小;结合现场施工监测数据,验证了这种断层破碎带联合施工方法的可行性和适用性;最终隧道施工成功穿越了断层破碎带,保障了工期和施工安全,能为类似工程提供借鉴意义。     

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。     

周期性活动断层内隧道施工技术研究

通过在乌鞘岭特长隧道 7号周期性活动断层内施工的经过 ,简要分析强挤压高应力软弱围岩条件下周期性活动断层内隧道施工支护的变形规律和结构内力的变化特点 ,介绍此类围岩条件下隧道施工的基本方法和要求 ,并对施工中应注意的事项提出建议措施。     

断层错动下隧道的变形特征与重点设防区段

针对活动断层错动下隧道安全性难题，以常见的马蹄形隧道为例，通过开展室内模型试验以及三维数值仿真计算，分析活动断层错动下隧道变形特征，确定重点设防和监测区段以及隧道断面上的重点监测位置。结果表明：活动断层走滑错动下，围岩、衬砌沿隧道走向变形规律基本一致，即上盘区域整体变形保持一致，与施加的断层错动量大小基本一致；围岩、衬砌的整体变形沿隧道纵向呈逐级递减趋势，最后稳定且趋于0。随着错动量的增大，断层错动的影响区域逐渐扩大，变形递减的斜率逐渐增大，围岩变形沿纵向变化模式逐渐由指数衰减向线性衰减过渡，当走滑量小于等于1 m时，围岩的潜在破坏区域约为30 m；随着错动量增大至2、3、4 m时，围岩变形近似呈线性且向远离断层方向逐渐衰减。建议监测穿越活动断裂隧道时对断层上盘30 m内重点变形监测，监测隧道断面时根据实际情况适当加强拱腰的应力监测。     

不同工法组合穿越断层隧道围岩变形规律研究

为研究断层处围岩等级变化条件下，采用不同工法组合开挖对隧道产生的影响效应，以海沧海底隧道为例，通过数值模拟，分析4种工法组合下隧道围岩变形规律。结果表明：采用不同工法组合穿越断层，变形控制关键部位在不同等级围岩交界处，应针对性采取加固及监控量测措施；Ⅲ级围岩全断面开挖和台阶法开挖围岩变形差距较小；Ⅳ级围岩留核心土环形开挖法对隧道围岩所产生的影响相较于台阶法要小很多；受断层倾向影响，隧道最大沉降并非发生在中央拱顶，而是更靠近断层一侧的左右拱顶处；与实测数据进行对比分析，证明了模拟结果的可靠性。     

双断层错动作用下马蹄形隧道结构破坏影响分析

我国地铁建设飞速发展,由于地层结构的复杂性,特定情况下地铁线路不可避免地穿越断层构造.针对双断层错动影响下地铁隧道力学响应,从断层面接触关系和衬砌-围岩接触关系入手,结合混凝土应力应变关系以及破坏准则,建立考虑双断层共同作用的地铁隧道三维有限元模型.着重研究双断层错动下(不同错距、间距以及倾角)的隧道位移响应规律、剪应...     

基于能量释放的隧道抗错结构计算方法研究

研究目的:针对高烈度区断层错动过程中隧道结构的稳定性问题,从能量释放和耗散角度探讨隧道抗错断设计计算方法。首先,根据最大错动量计算围岩达到稳定时可释放的应变能;其次,根据材料的荷载-挠度曲线及塑性区范围内单位应变能确定衬砌结构及围岩可吸收的应变能;最后,在给定的安全度条件下对“围岩-隧道”系统的稳定性给予判别。研究结论:(1)基于能量释放及耗散原理,推演黏滑断层隧道错动时可释放应变能的计算公式,建立基于可释放应变能的隧道衬砌结构抗错设计计算方法,可用于隧道抗错断设计;(2)基于可释放应变能的隧道衬砌结构抗错设计计算方法结果较规范安全度提升17%以上,偏于安全;(3)“SBFRC+交错设置减错缝+减震层+初支扩大拱脚+二衬拱脚增厚”,可作为实际跨断层段隧道抗错实施方案。     

汶茂断层错动对汶川1~#隧道的影响研究

利用FLAC3D建立汶川1#隧道数值分析模型,研究汶茂断层错动条件下隧道衬砌的变形规律和应力分布情况,进而确定了影响范围。研究结果表明:在断层错动10和20 cm时,隧道衬砌的等效应力小于屈服应力,衬砌位于弹性变形阶段,隧道是安全的;在断层错动30 cm时,隧道衬砌的等效应力大于屈服应力,隧道出现塑性区,此时断层错动的影响区域为距洞口90~205 m,影响长度为115 m,不动盘、错动盘受断层影响的长度分别为60和50 m,需要采取加固措施。     

基于流固耦合原理隧道穿越富水断层带设防长度研究

基于隧道渗流场的流固耦合原理,引入隧道穿越富水断层带设防长度概念,对隧道穿越富水断层带的加固范围进行研究。以广东揭阳某隧道穿越F2断层带开挖为依托工程,分析FLAC3D中内置的几种渗流模型在高富水断层带隧道开挖中应用的区别;通过数值模拟的方式,以隧道开挖后最终变形量及衬砌应力为控制标准,研究隧道穿越高富水断层带时的设防长度影响因素,并获得不同断层倾角下隧道穿越富水断层带时的设防长度。最终得出断层倾角小于42°的情况下,设防长度为1.5倍的隧道宽度。     

地铁盾构穿越断层施工力学响应研究

以沈阳地铁1号线云沈盾构区间下穿断层带工程为依托,采用三维数值模拟方法,研究盾构区间下穿断层带引起围岩和管片变形特性和力学响应。研究结果表明：地表最大沉降发生在断层区段,且不对称分布,最大沉降2.6 mm,小于标准;洞周竖向变形主要发生在断层中间位置,而水平变形主要发生在地层变化处,容易引起管片错位破坏;工作面到达断层工作面挤出变形最大,断层中间位置次之,穿过断层最小;衬砌边墙和拱底变形基本对称,而拱底下沉沿纵向不对称,位移突变范围为断层内10 m左右,对于两端硬岩管片没有影响,最小主应力和纵向应力在不同地层接头处发生突变,宜加强断层10 m范围内管片衬砌设计参数。     

宜万铁路别岩槽隧道F3断层突发性涌水治理

研究目的：宜万铁路别岩槽隧道F3断层围岩破碎，为碎石土，局部溶隙、溶槽发育，有少量地下水，施工中按V级围岩采用超前小导管支护、格栅钢架支撑、网喷混凝土，采取台阶法丌挖。在初期支护完成3个月后，由于受地表强降雨影响，致使隧道线路右侧暗河（距隧道约10-20m）水量增大、水压升高，继而导致隧道初期支护严重开裂-变形，突发大规模涌水。本文主要分析了F3断层突发性涌水机理，介绍了F3断层突涌水的治理措施。 研究方法：突发性涌水后，现场立即启动应急预案，在安全监视下，采取工字钢环向加固和横向支撑，并对线路右侧边墙进行钻孔放水泄压。水量稳定后，对F3断层段采取径向加固堵水注浆；拆除变形格栅钢架，采用120钢架替换；并及时施作二次衬砌。 研究结果：通过采取“径向注浆加固-初期支护加强-及时施作二次衬砌”等综合技术措施，F3断层治理后，仅在局部位置出现渗流水，水量1m^3／h，治理效果良好。 研究结论：（1）通过别岩槽隧道F3断层涌水事故，当隧道周围（不超过100m）存在暗河通道等赋水条件，隧道开挖揭示囤岩破碎，那么，既使隧道开挖中未发生涌水，也难以保证初期支护完成后不发生涌水事故，甚至很难保让隧道完成后运营过程中不出现问题，随着“强本简末，为运营服务”隧道修建理念的提高，针对类似地质构造，做到提前防范，加强处理。（2）针对类似别岩槽隧道F3断层地质特点，采取径向注浆是一种有效的治理及防范措施。     

分步开挖对隧道纵向稳定性的影响

运用有限元软件ANSYS数值模拟和关键块体理论,研究了两种隧道开挖方法在穿过60°,65°,70°和75°四种断层过程中的围岩稳定性问题,并与理论上存在的90°断层的开挖情况进行对比,分析了塑性区发展和顶板位移。结果表明：断层倾角对隧道围岩的稳定性有显著影响,随着断层倾角趋近于90°,隧道顶板稳定性趋好;施工顺序和方法对断层隧道的稳定性亦有显著影响。     

跨活断层隧道组合支护结构断层错动响应模型试验研究

依托某穿越活断层隧道工程,研发1︰25比例尺多功能断层错动模拟试验装置,开展跨活断层隧道组合支护结构的逆断层错动响应模型试验,针对不同的断层错动位移,研究逆断层错动下隧道组合支护结构的力学响应和破坏特征。试验结果表明：逆断层错动下,隧道结构竖向位移沿纵向呈“S”形分布,结构竖向位移及收敛变形主要分布在断层破碎带及其临近区域,主要影响范围约3.1L(L为隧道衬砌节段长度,480 mm)。随着错动位移的增加,衬砌节段位移差以及竖向相对位移均呈非线性增大,错台现象更加明显。结构应变、结构与围岩的接触压力主要集中在断层破碎带区域,在错动面处发生突变,应变和接触应力峰值均与断层错动位移呈正相关。隧道拱顶纵向应变以外侧受拉、内侧受压为主,仰拱则以外侧受压、内侧受拉为主,且仰拱受断层错动的影响以及对断层错动位移的敏感性均高于拱顶。隧道环向应变沿隧道轴向的分布因结构部位不同而有所差异,整体表现为竖向的向内挤压变形和横向的被动向外变形。结构各区段的接触压力分布规律有所不同,在错动面及断层区域,衬砌与围岩之间存在明显挤压作用,而远离断层错动面的衬砌节段,衬砌与围岩之间存在相互脱离的趋势。隧道组合支护结构断...     

龙厦铁路象山特长隧道主要工程地质问题研究

象山隧道左右洞全长分别为15 898 m、15 917 m,是龙厦铁路最长的隧道和重要的控制工程.在象山隧道区域地质条件及其对隧址区地层影响分析的基础上,对该隧道建设过程中可能出现的主要工程地质问题进行了研究.研究表明:象山隧道穿越地区位于大田--龙岩拗陷带和政和--大埔深大断裂上,地质构造极其复杂.在其影响下,隧址区地层内构造发育,围岩完整性差,有较好的地下水渗流通道,隧道施工期间可能出现大量渗、涌水;沉积岩地段围岩等级变化频繁,埋深大的地段可能出现较大的围岩变形;隧址区硅灰岩具有形成岩溶的基本条件,在地表有较好汇水条件的断层、地层不整合接触带附近可能发育岩溶.     

浅埋矩形顶管施工对临近管线与地表的影响研究

矩形顶管施工引起的地表变形特征与圆形顶管或盾构隧道存在显著差异。为了明确浅埋矩形顶管施工过程中的地表沉降特征以及顶管施工对下方既有盾构隧道的影响,根据现场矩形顶管施工监测结果,分析矩形顶管施工过程中地表的变形规律,以及顶管下方既有盾构隧道的变形情况。传统的Peck公式适用于圆形顶管或圆形盾构隧道,因此采用改进的Peck公式来描述矩形顶管引起的地表变形特征;根据现场监测分析顶管施工引起的地表变形、管线变形和下卧隧道沉降规律。研究表明：改进的Peck公式相比于传统的Peck公式可以准确描述矩形顶管施工引起的地表变形规律;顶管施工引起地表和上方管线的沉降规律是一致的,但与下卧隧道的变形规律存在显著差别。