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。     

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。     

跨断层隧道纤维混凝土衬砌抗错断技术研究

研究目的:纤维混凝土在隧道黏滑断层抗错断设计方面鲜见报道,为提高跨黏滑断层隧道结构的安全性和稳定性,以某隧道F1黏滑断层段为研究背景,对跨黏滑断层隧道素混凝土与不同纤维混凝土衬砌结构条件下抗错断作用效果进行对比分析,以提出适宜黏滑断层隧道纤维混凝土衬砌抗错断技术。研究结论:(1)同体积纤维掺量条件下,SBFRC立方体抗压强度比SFRC略低,SBFRC抗折强度比SFRC略高,相差5%以内,SBFRC、SFRC抗压强度和抗折强度可近似相等;(2)断层黏滑错动对隧道上盘的影响大于隧道下盘;(3)下盘内纤维混凝土衬砌结构的抗错效果优于上盘,SFRC二衬平均抗错效果为12. 22%,SBFRC二衬平均抗错效果为15. 81%,SBFRC衬砌结构抗错断效果较SFRC抗错断效果提升29. 4%;(4)本研究成果对黏滑断层段隧道纤维混凝土衬砌设计具有指导意义。     

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。     

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。     

跨断层隧道震害特性的能量分析方法

研究目的:跨断层隧道在地震中容易产生破坏,在变形直至破坏的过程中都伴随着能量的吸收和释放。鉴于此,为了解跨断层隧道的震害特性,本文采用基于能量释放率的分析方法对断层影响下的隧道震害进行研究。此外,利用FLAC3D软件对隧道进行数值模拟,以验证该方法的适用性。研究结论:(1)在断层错动与地震耦合作用下,隧道拱肩、拱腰和拱脚的动力响应最大,而拱顶和拱底的动力响应稍弱;(2)在断层错动与地震耦合作用下,应力集中的位置不随断层宽度而改变,随着断层宽度的增加,能量释放和应力集中的范围逐渐扩大,而地震作用在断层处逐渐减弱;(3)依据动力响应曲线,可以确定隧道的塑性屈服区以及核心设防的长度;(4)能量分析方法可用于隧道的震害特性分析,为隧道抗震设防提供可靠依据。     

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。     

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。     

隧道结构地震灾害评价等级及处治技术研究

研究目的:强震造成灾区隧道损毁严重,严重影响抗震救灾及灾后重建的进程。本文以汶川地震隧道震害为研究背景,基于科学重建的需要,并结合抢通、保通和恢复重建三阶段的特点以及隧道结构的恢复目标,对隧道结构震害评价等级及不同阶段处治技术进行研究。研究结论:(1)建立了隧道结构震害评价等级,主要包括隧道震害程度分级原则、钢筋混凝土和素混凝土二次衬砌震害等级评价以及抢通、保通和恢复重建三阶段震害处治重点;(2)明确了抢通、保通和恢复重建三阶段隧道衬砌结构震害处治技术;(3)汶川地震灾区震后运用隧道结构震害评价等级及处治技术进行恢复重建,达到了恢复重建的目标,使震区隧道恢复或超过震前的运营及抗震水平;(4)研究成果可为震区隧道震害修复及抗震结构设计提供参考。     

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。     

铁路隧道穿越茂汶—汶川活动断裂段施工技术研究

隧道穿越活动断裂会对工程结构和铁路运营安全带来较大影响。断裂段施工难度大,且断裂活动易引发强震,如何抵御这种强震是铁路隧道建设中面临的主要难题之一。以成兰铁路茂县隧道穿越后龙门山断裂茂汶—汶川活动断裂段为研究对象,通过理论分析、数值模拟及现场实践等研究手段,对其断层错动性、断层节段设计、衬砌结构及变形缝等设计和施工方面进行分析,分别从设计及施工层面提出“小节段设计”理念及“大净空强支护衬砌环+组合宽变形缝”技术措施,实现对断裂带范围内围岩变形速率的全面有效控制。最后,结合现场实际情况,探讨隧道穿越活动断裂带的主要施工技术及其安全质量控制要点,针对性地提出控制隧道围岩稳定性对策,总结形成一套具体可实施的设计和施工经验,并进一步验证了所提设计施工理念的适用性。研究结果优化了同类相似工程施工工艺,强化了隧道短台阶及快速闭合成环管控,可为相似工程施工提供参考与借鉴。     

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。     

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.     

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。     

汶川地震隧道概率易损性模型研究

地震概率易损性模型是一种在地震发生后快速且较准确地估算震害损失的方法[1]。本文基于汶川地震的震害调查资料,将汶川地震中所调查隧道的破坏形式分为14种,根据震害程度将隧道的破坏状态分为轻微破坏、中度破坏、严重破坏和完全损毁4种,为方便模型的建立,将隧道结构分为洞口段、断层破碎段和普通段。统计分析调查资料,可以得到每一类隧道结构发生某一种破坏状态的统计概率,再结合隧道对应每一种破坏状态的破坏比,建立隧道的概率易损性模型。依据本文建立的隧道概率易损性模型可能在今后发生类似地震时快速地估计地震灾害损失。     

富水复杂地质围岩稳定性评价与支护系统优化

研究目的:富水复杂地质隧道施工过程中,不良地质带受水-岩相互作用的影响,开挖过程中拱顶、拱腰等部位极易产生块体失稳,且隧底压力经常大于垂直地压,造成仰拱断裂、边墙下部内移错动甚至衬砌失稳破坏,从而给隧道施工造成很大的安全隐患,因此很有必要对围岩稳定性进行评价,并以此为基础对围岩支护系统进行优化探讨.研究结论:(1)隧道在弱风化的花岗岩中掘进时应尽快施作仰拱,使衬砌闭合成环;(2)CD法开挖段仰拱紧跟、衬砌尽早封闭成环很有必要;(3)文兴隧道与水库之间具有水力联系的可能性,对于隧道内的渗、涌水应及时采集水样进行必要的水化学及同位素分析,判断隧道内渗、涌水的来源.(4)隧道在断层破碎带的软弱围岩中掘进时,应尽早施做二次衬砌,必要时做专项的抗水压复合式衬砌设计;(5)一旦证实水库水与隧道之间存在水力连通,隧道的断层破碎带为力学和形变不良段,车行横洞应尽量避开该位置,适宜前移或后移数十米至微风化岩层段内.     

基于块体离散单元法的走滑型活动断裂错动作用下隧道结构响应

以某穿越走滑型活动断裂带隧道为工程背景，采用离散单元法建立“围岩-衬砌-断裂带”三维块体离散单元模型，分析不同错动量作用下隧道衬砌整体位移响应；明确统一的隧道复合式衬砌结构位移及类圆形断面变形损伤控制标准，分析走滑型活动断裂错动作用下沿隧道纵向位移变化和横断面上径向变形损伤规律，并对比3种断面预留位错空间方案下的衬砌响应规律。结果表明；隧道衬砌的显著性位移和径向变形率最凸出区间均主要集中在断裂带及其两侧附近，拱顶竖向位移向下呈“V”形，仰拱底部竖向位移向上呈倒“V”形，左右拱脚水平位移方向均与断裂错动方向一致，呈“S”形；随着错动量的增加，衬砌节段间差异位移不断增大，断面上拱顶和仰拱底部变形最为严重；随着断面预留位错空间的增加，衬砌位移极值不断增大，但断裂带两侧隧道衬砌影响范围基本不变，断面上部分关键部位之间损伤破坏临界错动量减少，不利于隧道结构抗错。     

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。     

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。