穿越走滑断层的山岭隧道抗错断铰接设计试验研究

我国西部地区的长大山岭隧道在选线时多要穿越活动断裂带,面临断层运动对结构设计和安全运行的挑战。该文以滇中引水工程香炉山隧洞为工程背景,基于自主设计的用于模拟走滑断层运动的试验装置,研究走滑断层运动下岩体的破裂特性以及采用铰接设计的隧道模型的响应规律和破坏模式。试验结果表明：走滑断层运动下岩体地表位移在断层滑动面处存在明显的不连续;隧道与断层滑动面相交的节段衬砌横截面由圆形变为竖椭圆,且在给定50mm的断层错动量下水平轴直径变形率达到6.57%;隧道与断层滑动面相交节段衬砌在断层运动下产生约5°的水平偏转,且与相邻节段衬砌间有明显错台发生;与连续隧道相比,铰接设计可以显著降低衬砌结构的应变响应。此外,铰接体系隧道的破坏模式以环向裂缝和斜裂缝为主,在破坏程度和范围上均明显减小。     

门源地震对跨冷龙岭断层的大梁隧道结构变形特征和地表裂缝分布规律研究

为探究走滑断层错动下隧道结构的变形特征及受力机制，明晰走滑断层的性质及受力模式，采用现场调查、地质力学配套分析及数值模拟等方法，分析地震影响下大梁隧道产生的地表裂缝分布规律。研究结果表明：(1)确定了断层走向NW60°，与区域上冷龙岭断裂位置一致，属全新世活断层。隧道中断层面产状为195°∠79°，破碎带宽约100 m，地表裂缝错移3 m；距大梁隧道出口南侧约700 m处水平错移2.8～3.0 m，逆冲错动位移0.91m，具有逆冲走滑运动特征。(2)地震破坏力学模式为NE-SW60°主应力单向挤压、纯剪共同作用；结合主裂缝带边界逆冲地表变形特征，地表裂缝具有逆冲断裂造山式花状形态；(3)通过地质力学配套分析，在断层受单向力和力偶作用下，地表产生裂缝分布规律与现场调查裂缝分布规律一致。(4)大梁隧道变形破坏模式，在门源地震之前主要受区域的主应力的作用，以SW60°挤压作用为主；在门源地震以后，主要以剪切挤压为主，隧道结构受主应力NESW60°挤压和NW60°冷龙岭断裂的走滑剪切作用。本次调查分析结果为穿越活动断层高铁隧道的工程设计提供参考。     

隧道穿越活动断裂衬砌的结构设计

山岭隧道穿越活动断裂或软弱破碎带等不良地质时，由于隧道结构洞身段受到较大的挤压容易出现破坏，因此隧道穿越不良地质时需要采取相应的抗减震措施。文章针对天山胜利隧道穿越区域性活动断裂博-阿断裂，分析跨断裂隧道震害成因，研究断层错动作用下隧道衬砌响应规律，并采取基于抗错断和减震的衬砌结构设计。通过三维数值分析及正交试验分析进行效果及适用性评价，得出最优结构设计参数，为隧道顺利穿越断裂带提供安全保障。     

走滑断层作用下埋地天然气管道性能分析

依托中亚天然气管道D线穿越F8活动断裂带工程,采用有限元研究方法,研究冻土区埋地管线在走滑断层位移作用下的变形问题。结果表明,随着断层位移增加,管道的变形和弯曲程度增大,管道在断层两侧存在应力应变集中。管道径厚比和内压对管道变形应变存在一定影响。     

正断层活动对公路山岭隧道工程影响的数值分析

 根据渭河盆地正断层的结构特征及活动形式,采用有限元方法模拟正断层环境下公路山岭隧道衬砌的受力变形,针对断层错动量、断层倾角、隧道埋深以及隧道与断层的交角4个主要因素分别进行组合计算,并由此归纳出衬砌的破坏模式。结果表明4个因素对衬砌受力变形影响的敏感性依次减弱,在断层裂缝两侧各40 m的范围内是受力变形的集中位置,且当断层倾角小于50°时衬砌的受力类似于一端固定的悬臂梁。通过对衬砌的相对沉降量、纵向应力及剪应力的分析计算,将衬砌的主要破坏模式分为3类：在大纵向应力作用下,以拉张破坏为主、挤压破坏为辅的拉张–挤压型破坏,在大剪应力作用下发生的直接剪断型破坏,以及拉张–挤压与剪切结合的破坏形式。     

单双层地铁隧道结构抗错断性能对比分析

为探明明挖地铁隧道在活动断层错动下的抗错断能力,文章以乌鲁木齐市轨道交通2号线跨越西山断层为研究对象,建立了地铁隧道的三维有限元分析模型,从变形、应力和塑性区分布等特征指标对比研究了单层矩形结构和双层矩形结构的抗错断能力。结果表明:相同错动条件下双层结构比单层结构的变形量小,但纵向受影响范围大;双层矩形结构的第一主应力比单层矩形结构略大3.1MPa,但双层矩形结构的第三主应力却是单层结构的1.32倍;且双层矩形结构塑性区范围也比单层结构大,对于明挖地铁隧道穿越活动断层设计时建议采用单层结构。     

正断型断裂模拟及其对山岭隧道影响研究

活动断层的运动和与其相交山岭隧道的震害密切相关,是隧道抗震设计所面临的严峻挑战之一。为此,以滇中引水工程香炉山隧洞为研究背景,运用断裂力学中的黏性界面模型结合有限元方法模拟正断层破裂过程。通过震害调查和试验结果对三维自由场的响应进行验证。进一步建立跨断层隧道三维数值分析模型探讨了不同断层错动量和倾角对隧道响应的影响规律,并引入损伤指数建立隧道安全评价的分类标准对结构的震害进行初步评估。结果表明:正断层错动所引起的地表破裂机制主要有弯曲陡坎和断裂陡坎;隧道衬砌的轴向拉应变和环向剪应变在其与断层滑动面相交位置处达到最大;断层错动量和倾角的变化对隧道不同震害状态沿纵向分布有明显影响;随断层倾角的增大,隧道衬砌处于严重损伤和完全损毁状态的长度要明显减小,断层倾角在50°～70°时对结构安全更为不利。     

穿越断层破碎带隧道合理抗震设防长度研究

通过动力分析和振动台模型试验相结合的方法,研究穿越断层破碎带隧道在地震作用下沿纵向的动力响应特性,当隧道位于围岩与断层破碎带接触面附近时,衬砌地震内力和应力急剧增大;当隧道断面沿纵向远离断层破碎带一定距离后,衬砌地震内力和应力逐渐趋于一个稳定值。研究表明:断层与隧道轴线夹角为35°~90°时,穿越断层破碎带隧道合理抗震设防长度为隧道跨度的3.5倍,该研究成果可为隧道工程抗震设防提供参考。     

某公路隧道穿越活动断裂带抗错断研究

结合某公路隧道,采用调查研究与数值分析方法,从研究高应力、高烈度地区活动断层的活动性出发,详细研究活动断裂带工程地质、水文地质背景及岩土体的物理力学性质,研究活动断裂错动位移对隧道复合式衬砌结构的影响机制、活动断裂错动位移作用下隧道结构变形与力学行为,基于复合式衬砌结构在错动位移下的影响机理,提出隧道变形破坏的评价标准,为工程建设提供技术支撑。     

某隧道横穿断层破碎带围岩稳定性评价

采用FLAC3D有限差分软件,以实际工程案例为背景,建立三维数值计算模型,研究了隧道以不同角度横穿断层破碎带时的围岩稳定性。研究结果表明,断层以不同角度横穿断层破碎带时,隧道围岩变形存在较大差异。当隧道与断层破碎带正交分布时,隧道围岩受力变形较小,稳定性好,随着隧道与断层破碎带相交角度减小,碎岩围岩变形逐渐增大。     

Experimental modeling of segmental shallow tunnels in alluvial affected by normal faults

Faulting is one type of permanent ground displacement and tunnels are at the risk of damage from faulting because of their long lengths. There are few studies that examine the behavior of tunnels intersecting the fault zones although it is of continuing concern for design engineers. Determining the failure mechanism provides critical information for the design of a tunnel, including its segmental lining. The present study conducted a series of centrifuge model tests on segmental tunnels subjected to normal faulting. The results indicated the absence of sudden failure of segmental tunnels under normal faulting and improvement of function in response to an increase in the overburden of the tunnel. The angle of the fault affected tunnel behavior. Despite large displacement faulting, structural damage to the segments was very low because of the adequate geometric functioning of the segments and their joints. The length of the zone affected by faulting in the tunnel decreased as the overburden increased, but the severity of damage increased in response to localization of fault displacement. Sinkhole formation upon the collapse of soil into the tunnel is likely at the ground surface. Special attention must be paid to the effect of sinkholes on at ground structures in the vicinity of the tunnel.     

薄壁面板隔墙法在特大断面隧道施工中的力学特征分析

以某浅埋暗挖城市地铁车站为工程背景,利用有限元数值模拟方法分析了薄壁面板隔墙法的原理和在施工过程中隧道围岩的变形和力学演化特征。分析结果表明,薄壁面板隔墙法的台阶式导坑开挖主导了隧道结构的应力集中特征和变形特征,施工时特大断面隧道的初衬、锚杆和围岩的应力、应变均沿隧道轴向方向阶段性地出现多个应力集中区和位移剧变区,各区域的分界处基本和隧道先开挖侧各导坑开挖端面平齐。而且,中隔墙和预留核心土的设置有效地改善了开挖对特大断面隧道围岩的扰动,使得隧道围岩塑性区小,隧道的拱脚水平相对净空变化指标和拱顶相对下沉指标均能满足特大断面隧道的稳定性要求。     

平行双孔水工隧道相互作用的时效解答

地下工程中常遇到流变岩体中双线近距离隧道施工问题。隧道施工位移的预测和控制,特别是新建隧道的施工对既有隧道产生的影响,是工程中面临的重要问题。针对流变岩体中深埋双圆形水工隧道的问题,笔者采用复变函数方法和Laplace变换技术建立了考虑施工过程时黏弹性应力、位移与弹性复位势之间的关系,然后运用黏弹性叠加原理得到了整个施工过程各个阶段围岩应力和位移全量和增量理论解答,并据此进行新建隧道对既有隧道的影响分析。为验证解答的正确性,对一算例进行了有限元解答和理论解答的比对,两者吻合很好。与数值与实验方法相比,本文解答可以较为便利地对岩体应力、位移进行参数分析,进一步可以指导工程的初步设计。     

复杂地质条件下隧道三维变形规律分析

对乌鞘岭隧道岭脊F7断层和志留系地层的三维位移进行现场测试,并与三维数值计算结果进行对比分析;采用均值比较方法分析F7断层和板岩地段的三维变形规律,并与地应力场反演结果进行印证分析。结果表明,F7断层和千枚岩地段软岩隧道三维位移十分明显,具有隧道大变形特性,其纵向位移背离开挖面方向发展并在相距开挖面约2.0倍洞径时趋于稳定状态;F7断层地段隧道三维位移呈不均匀对称地发展变化,而板岩地段三维位移变化的一致性较好;隧道三维变形规律与隧道区域地应力场的分布存在相互印证关系。因此,在复杂地质条件下开展隧道三维位移测试并掌握其三维变形规律,对隧道工程的修建具有较大的指导作用。     

Mean deformation tensor and mean deformation ellipse of an excavated tunnel section

Terzaghi, based on graphical methods, introduced the concept of the deformation ellipse as a tool to understand and visualize the deformation of tunnel sections after their excavation, originally assumed as perfect circles. The deformation ellipse gave the opportunity to pass from a set of displacement data expressing the convergence of a tunnel section in a complicated and occasionally mutually inconsistent way, to the concept of deformation of a circle to an ellipse, and thereby to understand the pattern and the changes of the pattern of deformation of a tunnel during its excavation, and search for the causes of this change. Nevertheless, because of its graphic character and limitation in the available data, this approach seems to have rarely been used.In this paper we present analytical solutions for the mean tensor of deformation and of the mean deformation ellipse of a tunnel section, regarded as a deforming, pure mathematical curve. This transformation of a circle to an ellipse corresponds to the strain due to re-arrangement of stresses just after the section excavation, and hence describes the deformation of the surrounding rockmass and of support, independently of any stress-focusing models and measurements. This technique can be used for all types of geodetic and geotechnical monitoring data (tape, extensometer, total station, laser scanner etc. measurements) in tunnels and other underground excavations and its only requirements are (a) uniform, plane strain conditions in each control section during and shortly after the underground excavation, and (b) a nearly uniform distribution of observations along the tunnel section. Uncertainties in estimates permit to confirm whether the adopted model of a mean deformation ellipse is suitable to describe the deformed excavation section. The robustness and value of this approach are highlighted in two case-studies.     

Three-dimensional finite difference analysis of shallow sprayed concrete tunnels crossing a reverse fault or a normal fault: A parametric study

Urban tunnels crossing faults are always at the risk of severe damages. In this paper, the effects of a reverse and a normal fault movement on a transversely crossing shallow shotcreted tunnel are investigated by 3D finite difference analysis. After verifying the accuracy of the numerical simulation predictions with the centrifuge physical model results, a parametric study is then conducted. That is, the effects of various parameters such as the sprayed concrete thickness, the geo-mechanical properties of soil, the tunnel depth, and the fault plane dip angle are studied on the displacements of the ground surface and the tunnel structure, and on the plastic strains of the soil mass around tunnel. The results of each case of reverse and normal faulting are independently discussed and then compared with each other. It is obtained that deeper tunnels show greater displacements for both types of faulting.     

三车道大断面高速公路隧道稳定性数值模拟

随着我国高等级公路的发展,三车道大断面公路隧道将成为高等级公路隧道的重要组成部分,这同时也对高速公路隧道的设计和施工提出了更高的要求.文章以杭新景高速公路设岭隧道为例,结合该隧道的监控量测,分析了围岩变形过程并针对监测数据进行了动态反馈,同时检验了施工单位根据反馈情况采取措施后的效果.最后通过Plaxis有限元软件模拟了整个隧道围岩的变形过程,取得了良好的效果.由此可见,通过有效的监控动态反馈及有限元模拟,能有效的对隧道开挖过程中的围岩变形进行预测,从而大大降低隧道施工中的风险,保证隧道的施工安全.     

高地应力断层带软岩隧道变形特征与控制措施研究

隧道在穿越断层地带时由高地应力引起的软岩大变形问题是隧道建设施工中难点,给隧道建设的施工与进度带来很大影响。本文结合区域地应力,围岩强度实验等分析柿子园隧道穿越断层地区产生支护结构破坏现象的原因,并对围岩压力,钢架应力,围岩变形进行了现场监测,得到了高地应力软岩大变形引起的支护应力特征与变形特征,提出了控制大变形的技术措施。研究表明,高地应力区软岩隧道穿越断层地带时,由于复杂的构造应力造成隧道结构受力不均,隧道左右两侧围岩压力,支护内力与围岩变形呈现出很大的不对称性。采用优化断面形式、加强初支刚度、非对称预留变形量和锚杆布置等措施可以有效减小隧道结构受力,控制隧道变形。     

隧道开挖不均匀收敛引起地层位移的预测模型

在隧道施工引起的地层位移预测中,随机介质理论法是在我国应用较为广泛的实用方法之一。在目前的随机介质理论法中,均假定地层位移是由于隧道开挖断面的均匀收敛变形引起,本文认为隧道收敛模式一般为不均匀,推导了各类断面在不均匀收敛模式下的计算公式,并补充推导了矩形、马蹄形断面的计算公式。通过算例的比较,认为均匀与不均匀收敛这两种情况对于埋深越浅的隧道,计算结果差别越大,建议在工程中适当考虑隧道断面收敛形式以考虑实际位移情况或隧道施工工法等的影响。