正断层错动下山岭隧道衬砌结构力学响应分析

以某穿越断层隧道为背景，开展断层错动下高韧性水泥基复合材料(ECC)衬砌与传统钢筋混凝土(RC)衬砌的数值模拟分析，研究了断层错动量、断层倾角、断层宽度及错动形式等参数对隧道衬砌力学响应的影响规律。研究结果表明：正断层错动下，ECC和RC衬砌变形损伤规律相似，衬砌沿隧道轴向呈“S”形分布，损伤主要集中在断层破碎带及活动盘(下盘)范围内。随着错动位移的增加，衬砌损伤程度及范围迅速增大，最终以拱顶及拱肩等典型部位拉裂破坏为特征；随着正断层倾角的增大，衬砌损伤区域逐渐向断层错动面集中，衬砌所能适应的极限错动位移有所增加；随着正断层宽度的增加，衬砌极限错动位移和损伤分布范围呈现出先快速增大后趋于稳定的趋势；衬砌破坏模式和变形适用性随断层错动形式不同而异，正断层错动下表现为张拉破坏，而逆断层错动下以压溃破坏为主；与逆断层错动相比，正断层错动下衬砌所能承受的极限错动位移更小；相同断层参数下，ECC衬砌的变形适应性、抗错性能及损伤容限明显优于RC衬砌，在极端受力情况下抗错断性能更突出。     

逆断层错动对公路隧道影响研究

根据依托工程某隧道相关地质资料,运用FLAC3D有限差分软件建立穿越逆断层破碎带隧道数值模型,针对不同断层错距,分析逆断层错动作用下隧道衬砌受力与变形规律,得出衬砌破坏形式。结果表明衬砌强烈变形集中在断层两侧各20m范围内,衬砌受力集中位置在断层与上盘交界处,其中拱脚处压应力集中,拱腰处剪应力集中,拱顶和仰拱受到纵向应力方向相反,衬砌结构破坏形式是拉张—挤压和剪切组合破坏,研究成果可对类似工程设计与施工提供参考。     

正断层下隧道结构受力特征及设防长度研究

以乌鲁木齐市跨活动断层轨道交通1号线地铁隧道为研究对象，根据活动断裂带近场区几何学特征与运动学特征并结合区域地震构造条件，采用理论分析和数值模拟综合方法，针对活动正断层粘滑错动下隧道衬砌结构在不同因素条件时的纵向力学响应，系统计算分析了整体式隧道衬砌结构纵向应变、主应力、裂缝和围岩-初期支护附加接触力等分布规律。结果表明:结构埋深从10 m增至20 m，隧道结构设防范围无明显变化；断层倾角从60°增至80°，隧道结构设防范围逐渐减小。     

基于围岩浸水的黄土公路隧道衬砌开裂分析

针对甘肃省境内某黄土公路隧道的衬砌开裂现状,采用统计分析的方法对隧道衬砌裂缝的分布特征进行了系统研究;通过有限元数值模拟,详细分析了多种围岩浸水工况下隧道结构的变形规律和应力特征,并将数值模拟结果与隧道现场裂缝分布特征进行对比,给出了围岩浸水恶化条件下衬砌结构开裂的原因、规律和特征。研究结果表明:地表水通过土体裂缝入渗是衬砌开裂的主要原因,衬砌裂缝主要分布于拱部和边墙;围岩发生浸水后,浸水范围内的土体强度降低,失去承载力,隧道上部围岩下沉,挤压衬砌结构;随着围岩浸水范围的扩大,隧道结构的受力与变形状态逐渐恶化,结构呈压扁趋势且产生偏压,引起拱部内表面被拉裂,边墙内表面由于局部压应力过大产生开裂;拱部开裂先于边墙且开裂情况最为严重,隧道上下行线相邻两边墙衬砌开裂情况较另外两边墙严重,数值模拟结果与现场衬砌裂缝特征基本吻合;在相似工程条件的黄土隧道设计时,应加强隧道拱部结构的抗拉性能和边墙结构的抗压性能。     

穿越断层破碎带隧道支护结构受力特性分析

依托雅康高速公路紫石隧道,建立三维数值模型,运用有限差分软件分析围岩施工期的应力和变形特征,研究穿越断层破碎带隧道的支护结构受力特性。结果表明:断层破碎带处围岩和衬砌的变形相对普通断面均较大;在断层破碎带与普通岩体交界处会产生非均匀变形,导致衬砌结构出现压应力集中现象;隧道二衬达到受力稳定状态需要较长时间,且安全系数较低。     

链式衬砌节段长度对隧道抗错断效果的影响研究

针对活动断裂带引起的隧道结构安全问题,依托四川棋盘石公路隧道,基于链式衬砌的抗错断设计理念,分析在逆断层错动时不同链式衬砌节段长度下,隧道结构围岩压力、塑形应变及最大主应力的变化规律与分布特征,探讨合理的衬砌节段设计长度,可为同类工程抗错断设计提供参考。     

穿越次级断层隧道地震动力响应及减震层效果分析

为研究地震动荷载作用下次级断层对隧道衬砌应力、变形及加速度等动力响应的影响,找出穿越次级断层隧道结构抗震设防的思路及重点部位,以高烈度区典型穿越次级断层隧道为依托,通过有限差分软件FLAC3D对隧道穿越次级断层的动力响应进行计算分析,并建立在隧道初支及二衬之间设置6 cm,8 cm,10 cm三种厚度减震层的计算模型,对比分析减震层厚度与减震效果的关系。计算结果表明:次级断层与隧道相交位置沿轴向前后各20 m范围的衬砌地震动力响应有明显放大,为抗震设防重点位置;设置减震层能够明显减小隧道衬砌位移及应力响应,但随着减震层厚度的增加,衬砌加速度响应有所增加,建议穿越次级断层隧道采用厚度为6 cm~8 cm的减震层为宜。研究成果能够为穿越次级断层隧道的抗震设防提供参考。     

深埋穿越破碎带隧道衬砌变形规律研究

为解决隧道穿越破碎带、断层等不良地质体时导致的隧道结构变形过大，甚至引起垮塌等事故的难题，通过对西南某深埋穿越破碎带隧道衬砌现场监测数据的分析，结合数值模拟试验，研究了该隧道衬砌拱顶下沉、周边收敛变形规律，并对二者进行了对比。结果表明： 该隧道工程Ⅳ级至Ⅴ级围岩过渡区发生不均匀沉降，Ⅴ级围岩相对Ⅳ级围岩沉降值大15 mm左右；隧道拱顶沉降量是周边收敛位移的1.25~1.75倍，即拱顶对不均匀沉降的敏感度大于周边，属于隧道结构薄弱部位。基于自主研发的双向滑移式物理模型箱，研究了不均匀沉降条件下衬砌结构变形特征，衬砌轴向变形过程大致可分为5个阶段： 弹性应变、土体压密—姿态调整、塑性应变、土体再压密—姿态再调整、断裂破坏，且拱顶轴向变形为拱腰轴向变形的1.75~2.45倍，说明拱顶沉降对围岩完整性的敏感度大于周边收敛，应重点做好拱顶的监测与防护。     

隧道穿越活动断裂区地下结构抗震性能研究

以乌鲁木齐市轨道交通1号线为工程依托,运用有限元计算软件模拟有减震缝隧道衬砌与无减震缝隧道衬砌,对两种工况下衬砌沿隧道轴线方向位移、衬砌沿主震方向位移及衬砌最大剪力部位进行对比分析,研究了隧道结构环向减震缝对衬砌抗震性能影响规律,得出在活动断层区隧道设置减震缝能够有效地对隧道结构起到减震作用。     

隧道穿越富水断层围岩稳定性流固耦合研究

围岩稳定性和结构安全一直是富水区山岭隧道修建过程中的热点问题,长期受到学术界和工程界的关注。以罗汉坡公路隧道穿越F5富水断层为依托,建立三维流固耦合数值力学模型,模拟施工全过程,研究围岩变形特性、力学响应、渗流场、能量集聚,以及衬砌结构位移。研究结果表明:掌子面前方围岩出现高水压积聚现象,应进行超前1D(D为隧道跨度)钻孔排水,降低掌子面前面水压集聚程度;掌子面前方有效影响挤出变形的距离为0.5D。由于断层及其前后围岩刚度差异,衬砌沿纵向发生不均匀变形,断层前、后10 m范围内衬砌应加大配筋,防止结构压剪破坏,提高衬砌整体稳定性及降低运营阶段风险。研究成果直接指导罗汉坡隧道F4断层的施工,也可为今后富水地层类似隧道及地下工程设计、施工提供参考和借鉴。     

大断面公路隧道二次衬砌受力特性模型试验

为研究大断面公路隧道运营期二次衬砌受力特征,开展室内相似模型试验,采用主动加载方式模拟隧道在运营过程中承受的围岩压力,对3车道和加宽带2种断面二次衬砌受力、变形及破坏规律进行研究。试验结果表明： 1）按规范设计的大断面隧道衬砌结构在设计荷载作用下内力和变形均较小,结构具有较高的安全储备; 2）衬砌各截面内力（弯矩、轴力）随围岩压力的增加呈现先慢后快的增加趋势,偏心距则呈现逐渐减小的变化趋势; 3）开挖断面越大,内力控制截面越多; 4）开挖断面大小对衬砌变形及破坏形态也有一定影响,断面越大,拱顶、边墙变形越大,衬砌各部位开裂荷载差异越明显,且衬砌开裂过程持续时间越长。     

公路隧道衬砌背后空洞积水冻胀的力学简化模型研究及误差分析

为解决高寒地区公路隧道衬砌背后积水冻胀问题,针对特定的环向长条形空洞,建立了2种不同的简化计算模型,即将衬砌结构简化为拱脚为铰支座约束和弹性固定端约束的半圆拱模型。采用荷载-结构法,推导衬砌结构在冻胀力作用下的内力公式,利用MATLAB计算不同参数下的理论值,并绘制内力变化曲线,确定整个衬砌结构在空洞不同大小时的内力分布规律。计算结果表明： 冻胀力引起的衬砌弯矩和轴力极值位于不同的衬砌位置,仅仅考虑弯矩或轴力对衬砌的影响具有一定的误差。对衬砌背后冻胀力的内力影响规律以及2种简化模型的误差进行定量分析,为公路隧道施工和运营维护提供了一定的参考价值。     

不同围岩和埋深条件下土-结构接触界面对衬砌结构横向地震响应特性的影响分析

土与地下结构在强震作用下易发生错动滑移,会对地下结构的抗震性能产生较大影响。为确保隧道的长期安全性,运用有限元分析方法研究不同围岩和埋深条件下土-结构接触面对盾构隧道衬砌结构横向地震响应特性的影响。结果表明： 1)随着土质条件的提高,无论土-结构接触界面有无考虑错动滑移情况,隧道衬砌结构的轴力极值均显著增大,而剪力和弯矩极值均显著减小,且由土-结构接触界面错动引起的隧道衬砌结构动内力变化幅度显著减小; 随着隧道埋深的增加,由土-结构接触界面错动引起的隧道衬砌结构动内力变化幅度逐渐减小。2)考虑土-结构接触界面错动滑移时,随着土质条件的提高和隧道埋深的增加,隧道衬砌各部位水平滑移量均逐渐减小。3)当隧道围岩条件较差或埋深较浅时,隧道衬砌结构的横截面抗震设计应充分考虑土-结构接触界面对隧道抗震性能的影响。     

高地应力深埋层状围岩隧道非对称变形受力机制研究

为深入研究高地应力层状围岩中隧道和支护结构的非对称变形受力特性和机制,以绵茂公路篮家岩隧道为工程背景,采用现场监测和数值模拟相结合的方法,研究不同层理角度和地应力方向下隧道变形、钢拱架应力以及二次衬砌弯矩和轴力的变化规律。结果表明： 1）层状围岩中隧道结构受力的最不利位置常出现在层理面法向方向; 2）隧道的非对称变形机制在于地应力对层理面产生的法向挤压作用和切向滑移作用,当层理面角度缓倾时,隧道拱顶和拱底承受较大挤出变形,当层理面角度陡倾时,地应力方向与层理面夹角越小,隧道衬砌在主应力作用位置产生的滑移变形越大。最后,根据层状围岩隧道变形和衬砌受力特征,提出合理的支护优化措施。     

盾构隧道横向受力的通用解析计算方法研究

在盾构近接工程中，隧道周围的土体荷载可能不再是半无限土体中的规则分布。从结构力学力法基本原理出发，通过对荷载分布的离散化处理，建立了一种通用的解析计算方法，可以计算任意土体荷载分布下隧道衬砌结构的内力和变形。为方便工程应用，借助于MATLAB编程，对3种土压力分布形式下的隧道内力和变形进行了程序化计算。结果表明:当侧向土压力为均匀分布和梯形分布时，衬砌环的内力和径向收敛位移差异较小，不超过10%；当侧向土压力为二次分布时，衬砌环的弯矩和剪力有所增加，轴力有所减小，横鸭蛋弯曲变形程度增强。     

多层采空区影响下隧道内力变化的数值研究

针对具体工程案例,建立了隧道下穿两层、上覆一层的采空区的数值模型,得到了隧道开挖后隧道变形、衬砌结构内力及地层变化的规律,探究了多层采空区对隧道的叠加效应。主要发现有：隧道上、下的采空区对隧道变形的影响规律不同;多层采空区的存在大大增加支护结构的截面偏心距,从而降低结构的承载能力;有无采空区时隧道周围的地层变形特征差异显著。     

丽香铁路黄山哨隧道下穿岩堆段设计施工关键技术

以下穿岩堆段的丽香铁路黄山哨隧道为工程依托,对岩堆段地表开裂及洞内初期支护边墙严重变形的问题进行研究。地表埋设6根测斜管监测地表位移情况,洞内布置3个断面进行围岩压力、钢架内力、二次衬砌内力、初期支护与二次衬砌间的接触压力、锚杆轴力量测。在分析现场岩堆段洞内外受力机制及原因的基础上,根据数值计算结果优化二次衬砌断面型式及进一步加大二次衬砌厚度及配筋。采取以下措施控制隧道岩堆段变形： 1）地表岩堆土石接触面开裂处增设截排水措施; 2）加大隧道初期支护钢架型号及加长岩堆侧边墙径向系统锚杆; 3）加大隧道边墙轮廓曲率并优化隧道二次衬砌型式为圆顺型; 4）隧道预留变形量加大至30 cm; 5）隧道二次衬砌内净空预留50 cm补强空间; 6）隧道拱部设置42小导管超前支护。现场岩堆段采取以上措施后已顺利施工通过,根据洞内外监测结果显示,结构在安全可控范围内。     

新建隧道正交下穿施工对既有隧道的影响

为揭示新建隧道正交下穿施工对既有隧道结构安全及地表建筑物产生的影响,依托某新建地铁区间隧道工程,采用三维有限差分方法构建了新建隧道正交下穿既有隧道的三维数值计算模型,探讨了新建隧道正交下穿施工对地表沉降及既有隧道衬砌结构产生的影响,得出了地表横向、纵向沉降规律以及既有隧道衬砌结构变形、内力的变化规律。     

大断面上新统红色泥岩（NCr2）隧道支护受力特征研究

甘肃庆阳新近纪上新统红层由于特殊的成因,其工程力学特性与南方红黏土有较大差别。为系统研究穿越该地层大断面隧道支护结构的受力特征,以银西高铁庆阳隧道为研究对象,通过现场实测和有限元模拟获得衬砌结构内力、围岩压力、5~10 m围岩深部位移、支护收敛变形的时空分布特性,对现场监测结果体现的衬砌-围岩复合结构受力状态产生的原因进行分析,并利用ABAQUS软件模拟隧道开挖过程以对比验证衬砌结构受力规律,得出该地层隧道地应力、围岩压力、衬砌结构内力特征。研究结果表明： 1）围岩各项指标属于极硬土-极软岩临界范畴。2）该地层衬砌结构围岩质量较好,水平地应力为垂直地应力的2倍,可优化为Ⅲ-Ⅳ级围岩进行设计的同时增大侧压力系数。3）未闭合的初期支护不能有效限制围岩变形,可通过设置临时仰拱等措施改善受力状态;数值模拟结果与现场实测规律相符。4）该地层变形剧烈区为洞周开挖界限向围岩内1倍洞径范围,变形区域主要集中在拱顶;延迟开挖仰拱可有效减少仰拱内衬砌结构受力。