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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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...     

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。     

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。     

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...     

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.     

二衬厚度对盾构隧道双层衬砌纵向力学性能的影响

盾构隧道作为一种复杂的三维线性地下结构,容易受围岩特性不均等因素影响产生不均匀变形,引发结构局部破坏等病害。为研究双层衬砌盾构隧道在运营过程中的纵向力学行为,结合武汉地铁8号线越江隧道工程,建立纵向三维壳-弹簧力学分析模型,结合工程实际探讨二次衬砌厚度对盾构隧道双层衬砌力学性能的影响,以期获取合理的二次衬砌厚度取值。研究结果表明:(1)盾构隧道双层衬砌结构的纵向等效弯曲刚度随二次衬砌厚度增加呈线性增加;(2)施作二次衬砌可降低隧道纵向不均匀沉降量及管片间的错台量,二者随二次衬砌厚度增加而减小,但幅度不大;(3)在隧道纵向出现极端不均匀变形条件下,施作二次衬砌会导致位移突变点附近部位的管片局部内力及环缝张开量增大;(4)综合分析盾构隧道管片衬砌变形及受力,同时考虑工程造价和二衬是否设置配筋等因素,对于直径12 m级盾构隧道,其二次衬砌厚度建议取20~35 cm。     

大直径盾构隧道斜螺栓-凹凸榫环缝剪切特性足尺试验研究

为分析大直径盾构隧道纵向连接发展规律,以济南黄河隧道工程为依托,设计管片足尺试验,通过环缝错台量-剪轴比关系及螺栓应变-剪轴比关系,研究大直径盾构隧道(外径15.2 m)环缝接头剪切变形规律及螺栓应变变化规律。根据试验结果,将环缝剪切划分为4个阶段：摩擦阶段(剪轴比0～0.17)、间隙闭合阶段(螺栓顺剪0.17～0.88,螺栓逆剪0.17～0.67)、强化阶段(螺栓顺剪0.88～,螺栓逆剪0.67～0.98)及破坏阶段(螺栓逆减0.98～)。结果表明,逆剪螺栓接头较顺剪螺栓接头更早进入强化阶段,逆剪螺栓接头的破坏剪轴比约为0.98;螺栓逆剪工况接头的抗剪效果低于螺栓顺剪工况,建议施工中错台量宜取12 mm作为控制指标;环缝错台曲线与螺栓应变曲线斜率变化时剪轴比具有一致性,验证了上述各阶段划分的合理性;根据螺栓各应变测点应变发展情况,明确了逆剪螺栓塑性区位置。     

地裂缝环境下盾构隧道结构性状及适应性研究

为了揭示地裂缝环境下不同拼装方式盾构地铁隧道结构性状及适应性,以拟建西安地铁8号线为依托工程,考虑采用盾构隧道穿越地裂缝场地为工程背景,建立三维有限元数值模型,对地裂缝错动作用下不同拼装方式盾构隧道结构变形与内力及适应性进行分析。主要结论:地裂缝错动时通缝拼装盾构隧道沉降变形明显大于错缝拼装盾构隧道;拼装方式对管片衬砌结构内力分布规律的影响不大,均表现为拱底位置出现管片接头挤压破坏和两侧拱腰位置受剪最为严重,但数值上通缝隧道内力更小一些;通缝隧道的环间相对垂直位错量及影响范围均大于错缝隧道。从地裂缝场地盾构隧道适应性来看,当地裂缝位错量s≤10 cm时,两种拼装方式的盾构隧道均可用于地裂缝场地,而当地裂缝位错量s10 cm时,错缝拼装的盾构隧道更适合地裂缝场地。     

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。     

高地应力断层破碎带衬砌力学特性对比与分析

以高地应力区某穿越断层破碎带隧道为工程依托,通过三维数值模拟来分析随着掌子面推进过程中的围岩空间应力场的状态及其变化趋势。首先,根据弹性衬砌模型计算结果判断衬砌结构是否还处于弹性状态;其次,按照弹塑性衬砌模型进行某穿越高地应力断层破碎带隧道三维数值模拟。计算结果表明:高地应力区穿越断层破碎带隧道三维数值模拟应该采用弹塑性衬砌结构;弹性计算模型与摩尔—伦计算模型分别计算所得衬砌结构关键点位移量差别较大,弹性衬砌模型计算得到关键点位移均小于摩尔—库伦衬砌模型所得到的量值,且约为摩尔—库伦模型计算所得量值的50%;拱顶和拱腰主应力波动范围在掌子面通过z=-50 m平面前0.5B(B为隧道宽度)和通过后1.5B范围,墙脚主应力波动范围在掌子面通过前1B和通过后0.5B范围;弹塑性衬砌计算的主应力较弹性衬砌计算的主应力大;揭示了某穿越高地应力断层破碎带隧道衬砌的破坏形式与潜在破坏面。     

不同内部结构类型对盾构隧道纵向力学性能的影响

为研究不同内部结构类型对盾构隧道纵向力学性能的影响,以济南黄河隧道和武汉两湖隧道(东湖段)为工程依托,利用大型通用有限元软件ABAQUS建立三维实体精细化数值模型,研究公轨合建型内部结构和双层公路型内部结构对隧道变形、刚度及受力的影响。研究结果表明：(1)内部结构能显著提高隧道纵向刚度,隧道考虑公轨合建型内部结构后,跨中位移最大减小了39.3%,考虑双层公路内部结构后,跨中位移最大减小了28.4%;(2)两种类型内部结构对通缝拼装隧道刚度提升更明显,且公轨合建型内部结构提升效果优于双层公路型,对于通缝与错缝两种拼装方式的隧道,其纵向刚度有效率考虑公轨合建型内部结构后分别提高了15.1%～64.8%和11.7%～30.6%,考虑双层公路型内部结构后分别提高了17.5%～39.6%和12.5%～30%;(3)内部结构在盾构隧道中能够起到承载作用;(4)内部结构变形以错台、张开为主,且内部结构连接点处应力值较大,在实际工程中应谨慎选择连接方式。     

大断面铁路隧道室内模型试验与分析研究

为研究隧道在受压破坏时,衬砌的受力特性与变形规律,采用石膏来模拟隧道衬砌,通过在关键测点布置土压力盒、应变片与百分表,监测模型衬砌的压力、应变与位移,并对监测数据进行分析。研究结果表明:各测点的围岩压力和初衬与二衬间接触压力都以压应力为主,且应力最大值出现在左仰拱拱脚、左右拱腰与仰拱拱底的位置;模型主要受到压应变,且模型衬砌内表面更容易破坏;隧道模型拱顶的沉降最大,在施工时对拱顶沉降的监测是有必要的;当隧道受到较大压力时,很可能会造成仰拱开裂。     

基于活动断层的地表同震变形及对隧道衬砌损伤的影响

根据分层位错理论,以逆断层为例研究断层位错引起的地表同震变形及其影响因素;基于模拟计算不同震源参数组合下的180种地震工况,建立兼顾矩震级、断层倾角和断层埋深的适用于我国川藏地层的地表最大位移估算式;提出1种基于同震变形的隧道位错反应分析方法,并依托成兰铁路某隧道工程建立隧道位错反应分析模型,研究地表同震变形下隧道衬砌的应力应变和损伤分布,以及断层倾角、断层埋深和围岩强度对隧道衬砌损伤的影响程度。结果表明:逆断层作用下,地表同震变形不仅受矩震级影响,来自断层倾角和断层埋深的影响也不可忽略;将发震断层位错引起的同震变形场以位移人工边界形式施加于有限元模型,可以实现位错载荷的精确输入;断层位错作用下,隧道衬砌损伤程度随断层倾角的增大而减小,随断层埋深的减小而增大;对于案例隧道,围岩弹性模量从1.0 GPa增至3.0 GPa时,下盘范围衬砌的拱顶和拱腰达到损伤极限,且损伤向拱底扩展,引起损伤值突变。