纤维混凝土隧道衬砌地震动力响应特性的振动台试验研究

 为研究纤维混凝土隧道衬砌在地震动力作用下的动响应特性,对普通混凝土隧道衬砌与纤维混凝土隧道衬砌开展大型振动台模型试验,分析隧道衬砌的震害特征、地震动应变、结构内力和应变基线响应规律。试验结果表明：水平地震荷载及地层压力共同作用下,2种隧道衬砌均为仰拱最先开裂,其次为拱腰开裂,衬砌结构破坏模式主要为开裂、掉块和裂缝两侧挤压破坏;素混凝土隧道衬砌出现开裂破坏早,裂缝易贯通,裂缝两侧混凝土基体在振动过程中相对位移大;纤维混凝土隧道衬砌出现开裂破坏晚,裂缝两侧混凝土基体在振动过程中相对位移小,裂缝呈挤压破坏状;纤维延缓衬砌结构裂缝的产生和阻碍裂缝的扩展;地震波加速度峰值从0.1 g增大到1.0 g时,素混凝土隧道衬砌动应变极值和裂缝宽度显著增大,而纤维混凝土隧道衬砌动应变极值和裂缝宽度先在一定范围内缓慢增长然后迅速增大,但最终2种衬砌动应变极值和裂缝宽度大致相等,说明纤维混凝土隧道衬砌在一定地震荷载范围内可以有效避免开裂和减小裂缝宽度;纤维混凝土隧道衬砌压缩变形率较小,当输入地震波加速度峰值为0.1 g和0.4 g时,纤维混凝土隧道衬砌结构动弯矩极值较低,受力更均衡,能有效地抵御地震荷载。     

复杂地层条件下大断面盾构隧道纵向地震响应分析

为探明深圳市某跨海盾构隧道在纵向地震动作用下的地层地震响应及可能发生灾害的区域,建立大尺寸复杂地层地震动模型,通过盾构隧道所在地层加速度放大情况及地层应变情况对地震动作用下不同地层加速度放大倍数、不同区间段风险进行分析,并划分地震破坏灾区。研究结果表明:盾构隧道埋深越大,隧道拱底及拱顶地震动加速度放大倍数差值越小、更易划分为轻灾区,受地震破坏影响较小;隧道穿越地层越复杂,隧道拱底及拱顶地震动加速度放大倍数差值越大、更易发生地震破坏;当隧道穿越上软下硬地层时,隧道拱腰及以上部位更易发生较严重破坏,应对盾构隧道上部区域进行加强。     

穿越软硬围岩隧道设置减震层振动台试验研究

以西部高烈度地震区浅埋公路隧道为依托,通过大型振动台模型试验,研究隧道穿越软硬围岩段在地震荷载作用下设置减震层的动力响应特性,并采用数值模拟方法对试验结果进行验证分析。试验及数值计算结果表明,从洞身段来看,减震层厚度存在最优值;从穿越软硬围岩段来看,增加减震层厚度可降低隧道沿纵向的动力响应差异,但加速度峰值会有所上升;拱顶围岩和隧道衬砌结构加速度响应频谱曲线均表现出“三峰值”现象,设置减震层并不会显著改变围岩频谱特性,衬砌结构也不显著体现自振特性,其响应主要取决所穿越围岩的动力特性;减震层处于最优值时可通过吸收更多的低频组分来降低隧道的动力响应;设置减震层可显著降低二衬动应力,但会使初支动应力呈现不同程度的放大,随减震层厚度的增加,二衬动应力先减小后增大,初支动应力先增大,后呈降低趋势;通过观察衬砌破坏形态,隧道拱顶、拱脚和仰拱易发生开裂,设置减震层后,仰拱相对容易发生破坏,应给予重点关注。研究成果可为西部高烈度地震区浅埋隧道抗震设计提供参考。     

衬砌背后空洞对隧道地震响应影响的振动台试验研究

针对隧道洞身段衬砌拱顶结构背后出现空洞的情况,开展大型振动台隧道模型试验研究,主要通过加速度响应特征、应变响应特征和震后衬砌破坏形态,探究竖向地震动作用下衬砌拱顶背后空洞对隧道衬砌动力响应的影响。同时结合傅里叶谱和频率传递函数方法,从频域角度展示衬砌结构频谱特性的变化。研究结果表明:无论衬砌背后有、无空洞,竖向地震动都对衬砌结构的拱顶、拱脚和仰拱影响较大;空洞并不改变隧道洞身的加速度响应特征,只改变了加速度响应峰值,空洞处衬砌加速度峰值大于密实段加速度峰值;输入地震动峰值越大,空洞对衬砌结构的加速度响应影响越显著;空洞并不改变结构响应的频谱特性,地震作用下衬砌结构的自身的主频成分被激发,衬砌位置的一阶频率和二阶频率分别反映模型土的动力特性和衬砌结构的动力特性;在强震作用下,拱顶空洞的存在改变了衬砌结构拱顶和拱脚的受力状态,密实段衬砌拱顶和仰拱处出现较大拉应变,而拱脚出现较大压应变;空洞处衬砌拱顶、拱脚和仰拱均出现较大拉应变。     

地表堆载作用下盾构隧道纵向受力机制试验研究

通过开展室内模型试验,探究地表堆载诱发下盾构隧道纵向受力变形特性。应用3D打印技术制作的盾构隧道模型,可以较好地反映真实盾构隧道管片结构特点,克服精细化盾构隧道模型制作困难的问题。首先通过开展盾构隧道模型集中荷载试验,探究盾构隧道纵向等效抗弯刚度变化规律;其次开展地表堆载试验,研究地表堆载诱发下盾构隧道受力与变形特征。试验结果表明：盾构隧道纵向等效抗弯刚度有效率并非一个常量,而是随着集中荷载增大而减小,本试验得到其值在0.176～0.044范围;在地表堆载诱发下,盾构隧道拱顶沉降呈正态分布曲线形态,主要沉降范围在加载宽度范围内;地表堆载作用下拱顶土压力分布变化特点与拱顶沉降相似;随着地表荷载增加,通过隧道中间环四周土压力监测发现,拱顶土压力增量最大,拱底次之,拱腰最小;受地表荷载作用,盾构隧道衬砌结构发生“横鸭蛋”状收敛变形,其中拱顶位移最大,拱腰次之,拱底最小。试验结果揭示了盾构隧道结构变形特性和地表堆载条件下盾构隧道与地层相互作用机制,对突发堆载下既有隧道的保护提供了参考依据。     

地面出入式盾构隧道动力响应试验对比分析

地面出入式盾构隧道（ground penetrating shield tunnel, GPST）的地震动力响应与传统隧道有显著区别,这是由于GPST部分衬砌出露地面,部分埋置于地下,其动力特性与一般隧道或地面建筑都有所不同,采用振动台试验方法对GPST的地震动力响应进行分析。本研究建立了大型隧道-地层模型,合理模拟了隧道的接缝、衬砌环横截面和纵向刚度,并还原原型场地的动力参数。模型隧道的总长7.7m,埋深范围为-0.5D～0.5D,其中D为隧道直径。试验中输入地震动为上海人工波,输入方向垂直隧道轴线。试验对两种结构形式的隧道进行分析,分别为标准衬砌环和顶部开洞衬砌环,重点分析了隧道在地震中的加速度响应和直径变形响应,以揭示GPST的动力响应特性。研究表明,隧道埋深对隧道的地震响应产生显著影响。随着埋深减小,隧道顶部加速度响应增大,表现出了显著的摆动效应。随着埋深的增加,隧道直径变形响应也相应增加,但顶部开洞衬砌环在出由于刚度显著降低,直径变形响应也出现极值。总的来说,地下段（D≥0）结构响应主要受控于土-结构相互作用（SSI）的影响,而出露地面的隧道（D <0）由于没有地层的约...     

软土地层地铁盾构隧道施工引起衬砌结构变形规律研究

以无锡地铁3号线一期工程04标盛岸站至吴桥站区间盾构隧道为背景,基于海瑞克S-729土压平衡式盾构机掘进数据建立模型模拟盾构隧道开挖、同步注浆、管片拼装的流程。分析在软土地层中隧道衬砌结构的应力分布规律及拱顶、拱底与两侧拱腰在x, y, z方向的位移变化趋势,绘制在开挖过程中管片的变形分布曲线,结果表明盾构在软土地区掘进时,管片在拱顶、拱底与两侧拱腰处出现较大应力,同时拱顶与拱底处均在隧道竖直方向出现较大位移,而拱腰在隧道纵向位移达到最大值,须及时监控管片变形。     

地震作用下立体交叉下穿隧道动力响应振动台试验研究

随着国家路网的不断建设与规划,大量铁路隧道或公路隧道近接平行、交叉等工程现象不断涌现,受地形、地质条件以及线路走向等因素的限制,隧道近接交叉的工程问题越来越复杂。以立体交叉草莓沟1#隧道和盘道岭隧道为例,着重选取盘道岭隧道(下穿隧道)为研究对象进行振动台试验,重点分析受上跨隧道影响,超小净间距小角度立体交叉下穿隧道拱顶、仰拱断面的加速度和应变动力响应特征。在此基础上,以该场区沿线地震动峰值加速度0.15 g加载工况为依据,对环向最大地震应变规律进行分析,根据有效频率加速度计的范围和输入的功率谱振幅,利用SPECTE反应谱分析程序,对交叉中心拱顶和仰拱位置的加速度反应谱的分布规律进行对比分析和研究。试验结果表明:(1)受立体交叉隧道空间位置影响,超小净间距小角度立体交叉下穿隧道拱顶加速度时程和频谱较仰拱整体响应大,受振有效持续时间较长,空间分布表现为拱顶幅值反响突出的特点。(2)拱顶峰值加速度响应具有叠加效应,其加速度峰值比率表现为明显的非线性、非平稳性增大的特点,地震烈度越高,应变响应越大,拱顶破坏模式表现为交叉段–河侧–山侧的传递演化形式。(3)随着输入地震波增强,隧道仰拱动应变和加速度峰值比率增长变化表现出局部变化性质。(4)隧道围岩对地震波的高频段存在滤波作用,对隧道结构影响较大卓越主频段集中在1~10和11~20 Hz两个低频段,主频段卓越频率的取值为5,12.5 Hz。(5)不同地震烈度时,各特征点处应变峰值大小依次为:拱顶>仰拱>河侧拱腰>山侧拱腰,加速度响应的卓越频率与速度、位移响应三者之间受基频和阻尼影响,从而产生时间和空间等的差异变化,宜鼓励设计过程中提高该隧道的阻尼结构性能,阻尼比建议值取为20%。研究结果可为立体交叉隧道的抗震设计提供一定的理论指导。     

穿越活动地裂缝地铁隧道震害机制研究

 通过振动台模型试验对穿越活动地裂缝的地铁隧道的动力响应进行了研究,研究内容主要包括地铁隧道的加速度反应,土压力及应变的变化规律。分析结果表明,穿越活动地裂缝的地铁隧道在地震荷载作用中,活动地裂缝场地产生不均匀沉降,上盘沉降大于下盘区,预设地裂缝部位沉降值最大,不均匀沉降导致次生裂缝及沉降陡坎产生,地铁隧道上方场地土体产生细小裂缝;地铁隧道与活动地裂缝的加速度时程曲线均与地震动荷载加速度时程具有一致性,地铁隧道各部位加速度时程保持一致,说明在地震中地铁运动保持整体性,上盘场地的加速度峰值较大,表明在活动地裂缝中上盘区对地震动力有一定的放大效应;活动地裂缝场地中土压力呈现出动土压力曲线变化,地震加载结束后隧道结构侧向的土压力受力状态及大小均产生变化,隧道结构顶部的土压力有较大增加;应变曲线表明在扩大断面的马蹄形隧道结构中拱腰部位的应变增值最大,拱顶部位次之,底板的应变增值相比最小。以上成果对于合理认识跨越地裂缝的地铁隧道的地震响应特征具有重要意义,可为地铁隧道实际工程设计和施工的抗震设防提供宝贵的基础资料。     

土岩变化地层长隧道纵向地震响应解析解

土岩地层交界面是制约长隧道结构抗震安全的关键控制节点,但现有设计方法均未考虑隧道沿其纵向的地层变化。基于隧道的动力响应特点提出力学模型,将隧道沿纵向简化为两段处于不同地层条件中的半无限长弹性地基梁。通过求解结构的位移微分控制方程,推导出土岩变化地层长隧道纵向地震响应的解析表达式,并引入位移相位角模拟行波效应,提出了面向工程设计的土岩变化地层长隧道纵向抗震简化分析方法。通过与有限元基准模型在相同条件下的对比分析,验证了该方法的有效性。最后应用该解析公式进行参数敏感性分析,揭示了结构刚度、地层剪切波速比等关键因素对土岩变化地层隧道结构地震响应的影响规律:隧道结构刚度越大,结构内力响应越剧烈,隧道地层突变段的内力峰值差越大,地层突变的影响范围也随之变宽;地层剪切波速比越大,隧道地层突变段的内力峰值差越大,但地层突变的影响范围却不受影响。     

大厚度湿陷性黄土隧道现场浸水试验研究

对于穿越大厚度湿陷性黄土地层的隧道,其围岩湿陷变形会威胁隧道结构的稳定性。为了分析黄土围岩湿陷变形对隧道衬砌结构的影响机制,选取典型大厚度湿陷性黄土隧道场地,通过开展隧道场地地面浸水试坑试验及隧道仰拱浸水试验,测试了地面入渗和隧道基底入渗过程中不同埋深地层的湿陷沉降变形及地基的沉降变形、入渗过程中围岩的体积含水率变化分布、试坑周边地层的侧向位移、衬砌结构接触压力和轴力,研究了既有隧道黄土地层的湿陷变形特性及水分运移规律、隧道结构力学响应。结果表明,隧道开挖、衬砌作用扰动黄土结构,增大了围岩及深层黄土的渗透性;与天然黄土场地试坑浸水入渗比较,增大了竖向浸水范围,减小了水平向浸水范围。隧道围岩湿陷变形改变了围岩与衬砌结构的相互作用性状。围岩湿陷和地基软化作用增大了二次衬砌结构侧墙竖向荷载和侧墙围岩的挤压作用,引起拱脚地基承载力减小和沉降变形发展,拱顶、拱肩接触面呈受拉状态;仰拱中部地基土的抗力作用抑制其沉降变形,从而使得拱脚和仰拱中部出现显著的沉降差,导致仰拱混凝土开裂,形成纵向裂缝。此外,浸水范围内黄土的湿陷变形不仅引起竖向沉降变形,还会引起周围土体产生侧向水平位移;洞口边坡场地黄土的湿陷性和地层湿陷变形差异较大,反映了黄土山岭黄土场地地层条件复杂多变的特征。     

济南粉质黏土中隧道地震动力响应试验研究

为了解济南典型地层及地铁隧道结构的地震动力响应特性,进而把握地铁隧道的抗震性能,首次使用济南粉质黏土作为模型土,开展了一组济南人工波输入情况下的振动台模型试验。试验结果显示:人工波在试验地层中加速度放大系数随测点埋深呈现反“之”字形规律;隧道结构变形主要受地层变形控制,地层水平变形随埋深增大而减小;济南粉质黏土层自振频率随着输入地震波强度增大而减小,阻尼比随输入地震波强度增大而增大。砂层自振频率随着输入地震波强度增大呈现先减小后增大的趋势,阻尼比呈现先增大后减小的趋势。这些结果可对济南地铁隧道的抗震设计提供重要的参考。     

SH波作用下山岭隧道洞口段结构动力响应研究

 基于弹性波动理论,将山岭隧道洞口段简化为单面边坡模型,考虑波在洞口边坡的反射效应,推导垂直入射SH波作用下隧道轴线上的位移场分布,并将隧道简化为三维薄壁壳结构,以得到在该位移场作用下隧道结构的动力响应。针对上述分析结果开展山岭隧道洞口段振动台模型试验,以验证理论模型的合理性,并综合分析得到如下结论：将隧道结构动力响应看作横截面与纵向响应的叠加,隧道结构横截面发生剪切变形,两侧拱肩与拱脚为抗震的薄弱环节,变形效应沿轴向缓慢增加,此响应为平行隧道结构横截面传播的SH波作用所致;隧道结构纵向发生水平剪切变形,变形效应沿隧道轴向逐渐减弱,洞口处产生较大刚性位移,在施工缝存在的情况下,隧道结构在洞口附近易沿施工缝产生错台现象,此响应为沿轴向传播的SH波所致。此规律表明,隧道结构的纵向抗震设计同样值得关注。     

不同地质条件下盾构隧道受力变形特性研究

针对天津滨海地区盾构隧道衬砌结构,采用大型有限元软件ABAQUS建立三维地层-结构模型,考虑隧道管片材料非线性特征,利用混凝土材料的塑性损伤本构模型,研究地层和隧道结构相互作用后隧道管片结构内力分布与变形特征,以及隧道管片受拉和受压损伤情况。最后,研究不同地质条件和超载作用对隧道管片结构的影响。数值分析结果表明：隧道管环横截面变形表现为水平向外扩张、竖向压缩的特点,呈现“横鸭蛋”形状;隧道管环拱顶轴压力最小,拱腰轴压力最大;管片外侧受拉时最大弯矩位于拱腰,内侧受拉时最大弯矩位于拱顶;受拉和受压损伤分布均集中在拱底附近,其中管环受压损伤面积比受拉损伤面积大;地质条件越好,变形随轴线方向变化越均匀,轴力和弯矩、隧道结构竖向位移、横截面收敛变形,以及管环损伤面积与损伤程度越小。研究结果以期为进一步探讨隧道衬砌结构的变形性能与损伤分布提供参考。     

浅埋偏压小净距隧道衬砌地震应变规律研究

设计并制作了比例为1∶10的浅埋偏压小净距隧道物理试验模型,并开展了大型振动台试验,研究了地震波类型及加速度激振峰值对浅埋偏压小净距隧道衬砌应变响应规律的影响。研究结果表明:在0.1g与0.2g的工况下,衬砌的拉应变变化趋势较为相近且平缓;在0.4g与0.6g的工况下,衬砌的拉应变变化趋势较为相近且波动较大。拉应变受地震波类型的影响较小,而受地震波加速度激振峰值的影响较明显且随着加速度激振峰值增大而增大。在衬砌拱脚及拱顶处会产生较大的拉应变。衬砌的拉应变大于压应变且拉应变的变化趋势较为明显。在不同的加载波类型和不同的加速度激振峰值作用下,应变变化趋势呈现明显的非线性变化特征。研究结果可为浅埋偏压小净距隧道的设计与建设提供有益参考。     

软弱破碎深埋隧道围岩渐进性破坏试验研究

 利用相似模型试验对深埋隧道围岩渐进性破坏特征进行研究。相似模型针对大断面、软弱破碎、深埋铁路隧道围岩。模型材料选择重晶石、石英砂、凡士林按一定比例配制而成。采用自主研发的平面应变模型试验台、气囊加载装置和千斤顶加载装置作为加载系统。利用白光散斑方法监测系统监测加载过程中隧道围岩表面应变场演化规律,利用压力盒监测加载过程中围岩压力的变化。试验结果分析表明：(1) 隧道拱腰处在逐渐加载过程中形成剪切的V型楔形体,拱顶没有破坏但产生较大拉伸变形。拱腰处的剪切破坏范围逐渐扩大到拱顶,最终在拱顶上方形成剪切的拱形裂纹。(2) 拱腰近洞壁一定范围内径向压力先增加后减小说明该处存在松动区,围岩深处存在切向压力升高区对应压力拱拱体;拱顶上方近洞壁存在径向压力减小区域对应松动区,围岩深处最大主应力方向发生偏转,该处对应压力拱位置;深埋隧道围岩受力分区特征为松动区–压力拱拱体–原岩应力区。     

基于安全度的黄土隧道结构承载性能分析

基于八仙峁隧道、麻塌隧道2组典型断面二衬混凝土应变监测数据,分析了二衬混凝土在黄土隧道中应变随时间的变化规律;通过换算得到二衬结构所受应力,将换算结果代入安全度应力表达式,得出该断面下黄土隧道二衬安全度分布,并与有限元数值模拟结果进行对比。结果表明:在黄土隧道的支护结构中,二衬混凝土结构不仅作为安全储备,而且往往需要承受大部分荷载,通过数值模拟确定二衬承受的荷载约为围岩荷载的40%;二衬混凝土结构作为受压构件,其最大应变出现在边墙底部位置;数值模拟与计算所得二衬安全度分布规律基本一致,拱顶、拱肩、边墙底部仰拱部位安全度相对较小但满足规范要求,仰拱底部所受压应力最大且安全度未满足规范要求。     

偏压富水软岩大断面隧道下穿建筑物地层变形及影响分析

 偏压富水软岩大断面隧道施工引起的地层变形是多方面影响因素叠加的结果。结合武广高铁尖峰顶隧道下穿地表高压输电线塔的工程实践,首先对隧道施工前后地层变形监测和分析提出控制大变形的工程措施,然后采用综合统计和理论分析,研究地形条件、地层产状、隧道和通道施工、地面荷载、地表坍塌造成的地层变形与建筑物位移的关系,最后以流固耦合数值分析为手段对影响地层变形的关键因素进行量化分析。结果表明：(1) 偏压富水软岩大断面隧道下穿工程,地表地形引起的地层变形是影响地表建筑物水平位移和倾斜的主要因素;(2) 地层变形叠加效应对建筑物倾斜的影响存在明显的方向性,当多重因素引起的地层变形产生互逆方向位移叠加时对控制建筑物倾斜有利;(3) 软岩顺层斜坡地面下的大断面偏压隧道施工,地层变形在垂直于隧道轴线两侧呈非对称分布,变形最大区域位于向山坡侧;(4) 从影响地层变形长期效应上看,因施工引起的地层变形增量波动大但收敛快,地表地形引起的地层变形在施工后仍持续发展,成为影响建筑物安全性的长期潜在因素。