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。     

穿越断层破碎带隧道动力响应特性分析

 通过数值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荷载作用下横向内力分布和纵向动力响应特性。结果表明：围岩条件是影响衬砌地震内力的重要因素,围岩越差,地震作用产生的内力越大,其抗震性能越差;在横断面方向,不同围岩条件下衬砌内力均在共轭45°方向最大,为隧道抗震最不利位置;在纵断面方向,隧道位于围岩与断层破碎带接触面时,衬砌地震内力急剧增大;当隧道断面沿纵向远离断层破碎带一定距离后,其内力趋于一个稳定值。研究结果可为穿越断层破碎带隧道结构抗震设防提供参考。     

隧道穿越断层破碎带震害机理研究

首先对汶川“5.12”等各次大地震中跨越断层破碎带隧道震害进行了资料调研,然后通过振动台模型试验及数值计算对跨断层破碎带隧道的动力响应进行了研究,研究内容主要包括围岩与隧道结构的加速度响应特性、地层变形及衬砌结构内力分布规律等。分析结果表明：震害调研结果、振动台模型试验和数值模拟结果有较好的吻合性,穿越断层破碎带隧道在地震中易于产生破坏;隧道断层带段围岩有较大的加速度响应特性,加速度响应在断层接触段不连续;地震过程中断层带段隧道结构对地层具有明显的追随性和依赖性;断层带隧道错动破坏主要由断层带隧道围岩与较好段围岩位移不同步性而造成的位移差值引起,且位移差值与断层带和隧道较好围岩类型有关;隧道断层破碎带段与较好围岩段衬砌结构横断面具有基本相同的内力分布规律,衬砌内力在共轭45°方向最大,但断层破碎带段衬砌具有最大的内力峰值,更易于在地震过程中产生破坏等。以上成果对于合理认识跨越断层破碎带隧道的地震响应特征具有重要意义,可为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。     

断层破碎带隧道衬砌受力特性研究

为了分析断层破碎带隧道衬砌的受力特性，为断层破碎带隧道衬砌的设计与施工提供理论指导，结合兰州-临洮高速公路新七道梁隧道这一实际工程，开展了一系列研究工作，并得到了一些有益的结论。(1)对新七道梁隧道的施工过程进行了现场监控量测，并采用单因数优选法对监测到的洞周收敛变形进行了回归分析，模拟了洞周的变形规律，进行了信息反馈。(2)根据实测的收敛位移和拱项下沉量，采用平面应变边界元程序BMP90进行了位移反分析，得到了初始地应力侧压系数和围岩的等效弹性模量。(3)推导了围岩的弹性、弹塑性二次、三次应力状态及位移状态，得到了径向应力与切向应力随距洞周距离增加的变化规律。(4)用8节点等参元将分析范围离散化，同时用推导出的6节点曲边节理单元模拟复合式衬砌中间的防水层，采用二维弹塑性平面应变有限元法，用8个阶段模拟了隧道的实际开挖修建过程，分析了防水层的考虑与否对计算结果的影响。(5)选取包括断层破碎带和断层影响带在内的沿隧道纵向300m的计算区域，用8节点六面块体单元将计算区域离散化，同时用推导出的8节点三维节理单元模拟隧道衬砌的变形缝，采用三维弹塑性静力有限元法模拟分析新七道梁隧道各个施工阶段以及建成后围岩和衬砌的受力与变形状态。通过分析比较不设置变形缝、在断层破碎带中间设置一条变形缝、在断层破碎带起止处设置2条变形缝等3种工况的计算结果，可得以下几点：①断层破碎带处的坑道变形和围岩塑性区均明显比非断层破碎带处要大；②由于断层破碎带的影响，初期支护、二次衬砌内力的增加幅度约为100％～30％；③在断层破碎带施做变形缝能够明显起到释放衬砌和围岩中变形能的作用。(6)采用子空间迭代法对有限元体系进行了振型分析，得到了有限元体系的特征值、自振周期和1～5振型的自振形式。(7)对计算区域进行了三维弹塑性八度地震区地震响应分析。通过分析比较不设置变形缝、在断层破碎带中间设置1条变形缝、在断层破碎带起止处设置2条变形缝等3种工况的计算结果，可得以下几点：①在地震作用下，初期支护和二次衬砌的强度检算均为受拉控制；②在断层破碎带附近，地震响应呈明显的放大趋势；③在断层破碎带或围岩变化处，隧道衬砌宜设置变形缝，这样能够有效降低隧道衬砌的内力；④从内力的计算结果来看，在地震作用下衬砌中的内力基本上按50m的间距周期变化，所以为了达到减震的目的，变形缝的间距宜设置为50m：⑤在隧道的抗震设计规范中，规定抗震设防段只包括洞口段、浅埋段和偏压段，但是通过本文的研究可以看出，这一规定是值得商榷的，至少还应包括断层破碎带段。     

跨海峡隧道风化槽围岩衬砌防排水技术研究

 采用钻爆法修建海底隧道必须采取有效措施预防塌方、涌水、突泥等地质灾害,海底隧道钻爆法施工时如何安全穿越断层破碎带是工程设计与施工的技术难点。结合厦门跨海峡隧道围岩的特点,研究钻爆法穿越断层破碎带的注浆加固、防排水技术,提出不同围岩条件下的隧道防排水和注浆设计方案。并根据实验室三轴试验结果得到强风化花岗岩渗透系数以及反演的围岩力学参数,分析风化槽隧道衬砌的外水压力分布特点和量值。研究成果为衬砌结构设计以及国内同类型隧道的衬砌防排水和衬砌支护技术设计提供可靠指导。     

宽大断层构造破碎带内隧道施工稳定性分析

以穿越断层构造破碎带的哨房丫口隧道为工程背景,应用数值模拟方法,对枯水期、正常降雨、丰水雨季3种工况下隧道围岩位移变形规律和应力应变特征进行分析,结果表明,在3种工况下隧道开挖至断层构造破碎带约15m时隧道拱顶竖直位移和最大应力开始增加,越靠近构造带位移和应力越大,当进入构造带与围岩交界位置时,位移和应力达到最大值,远...     

75°倾角逆断层黏滑错动对公路隧道影响的模型试验研究

 针对公路隧道正交穿越75°倾角逆断层的情况,通过模型试验得到逆断层黏滑错动对公路隧道的影响规律。由试验结果可知：在逆断层黏滑错动影响下,隧道衬砌结构的主要受拉区为下盘距离断层迹线0.3D～1.2D(D为隧道洞径)范围内的隧道衬砌底部,受压区主要在下盘距离断层迹线0.6D～1.6D范围内的隧道衬砌顶部。逆断层黏滑错动引起的围岩压力变化最大发生在隧道底部上盘距离断层迹线1D位置,增幅可达2倍的初始围岩压力。在逆断层黏滑错动影响下,隧道衬砌结构的破坏形式是弯曲张拉和直接剪切组合破坏,其中在断层迹线附近的2条倾角为50°和45°斜裂缝为隧道结构破坏的主控因素。     

走滑断层错动下山岭隧道关键断面变形及损伤演化

山岭隧道受选线制约大多要穿越活动断裂带,而活动断裂带的运动会对与之相交的隧道结构的安全产生影响。为此,对穿越走滑断层的隧道在地震中所遭受的破坏展开调研具有现实意义。以滇中引水工程香炉山隧洞为背景,建立隧道-断层三维有限元分析模型,研究走滑断层错动下隧道关键断面的变形特征。基于所建立的有限元模型,采用相对位移法对断层错动量、断层破碎带宽度和穿越角度的影响进行参数分析。研究结果表明：穿越角度为45°时,截面的变形模式为水平椭圆,而穿越角度为135°时,截面的变形模式为直立椭圆;随着断层破碎带宽度的增加,位于断层中间位置处的隧道截面的变形程度减小;走滑断层错动下,隧道截面变形最为严重的区域出现在拱顶和拱底,在进行山岭隧道的设计时需要重点关注。     

隧道穿越断层破碎带开挖支护的施工技术

在进行隧道交通建设过程中,隧道往往会遇到断层破碎的地质构造。断层破碎带对隧道开挖支护施工来说难度较大且容易出现事故。隧道穿越断层破碎带时,要进行开挖支护的施工,由于其地质结构特殊,因此施工技术显得尤为重要。本文以具体工程案例作为研究对象,对其破碎带的地质条件和设计支护参数进行详细分析,研究其隧道信息化施工技术,为开挖支护反馈信息和提供服务,最终使得杨公坑大隧道成功穿越本段断层破碎带。     

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。     

Deformation and mechanical characteristics of tunnel lining in tunnel intersection between subway station tunnel and construction tunnel

Deformations and stress distributions in tunnel intersection areas are more complicated than those in common tunnels. The literature on deformations and stress distributions in tunnel intersections, in which the intersecting tunnel is in a different section, is limited. The Shangxinjie subway station in Chongqing, China, was selected to investigate the deformation, stress and plastic zone responses of a tunnel intersection using numerical simulations. Based on the numerical results, the scopes of influence with respect to the deformation, stresses and possible failure modes of the tunnel lining were further studied. The numerical results show that the deformation in a section close to the tunnel intersection was larger than the deformations in distant sections. Compared with the common section, the crown settlement reached the maximum value at the tunnel intersection, and the maximum rate of increase was approximately 28%. The range of the plastic zone at the tunnel intersection was much larger than that in the other areas, and it was mainly located in the side wall and tunnel crown. In the longitudinal direction, the lengths of the scopes of influence were 2.4 B and 1.6 B with respect to the deformation and stress, respectively. The magnitudes of the internal forces in the longitudinal and circumferential directions were almost equal. The bending moments of the tunnel lining within 135° and 225° significantly changed, but the axial force decreased dramatically. Tensile and compressive failures may occur at the tunnel intersection and in a section 5 m away. Locally thickening the supporting structures is suggested to improve the stability of the tunnel.     

Seismic response of box-type tunnels in soft soil: Experimental and numerical investigation

A series of dynamic centrifuge tests were carried out at the geotechnical centrifuge facility of IFSTTAR in Nantes, to investigate the response of box-type tunnels embedded in dry sand under sinusoidal and seismic excitation, as affected by soil-tunnel relative flexibility and soil-structure interface rugosity. The system under investigation was analyzed by means of full dynamic time history analyses, implementing rigorous finite element models. The numerical models were calibrated on the basis of back analysis of tests, while the numerical predictions were compared with experimental data, in terms of soil and tunnel horizontal acceleration, soil shear strains and tunnel deformations. The validated numerical models were then employed to further investigate several aspects of the system seismic response. Results indicate a rocking deformation mode coupled with the well-known racking distortion of box-type tunnels under seismic shaking. The effect of the soil-tunnel interface characteristics and soil yielding on the racking deformation of the tunnel, the dynamic earth pressures and shear stresses around the tunnel, as well as on dynamic lining forces is also reported. Soil yielding leads to post-shaking, residual, dynamic earth pressures, shear stresses and lining forces, especially in the case of flexible tunnels, while interface characteristics affect the distributions of these response parameters around the perimeter of the tunnel section. The ability of simplified seismic design methods for tunnels to predict the response is finally discussed, by comparing their predictions with the recorded data and the numerical results.     

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。     

75°倾角正断层黏滑错动对公路隧道影响的模型试验研究

 通过1∶50室内模型试验,开展75°倾角正断层黏滑错动影响下隧道的受力变形机制研究,并监测隧道顶部和底部的地层压力、隧道轴向和环向应变。结果表明,地层的永久变形和地层–结构的相互作用,导致围岩压力在剪切带附近发生显著变化,上盘范围内拱顶压力显著增大,下盘拱顶压力次之,上盘隧道底部压力减小,下盘底部压力显著增大,隧道与下部围岩可能局部脱空以适应断层的剪切位移;上盘范围内为正,下盘范围内纵向弯矩为负;以原型混凝土压坏来判定衬砌破坏,初步确定原型结构破坏所容许的最大断层位移D = 1.25 m,理论上该值略偏大。     

减震层减震原理及跨断层隧道减震技术振动台试验研究

通过波函数展开法给出平面SV波入射下深埋圆形隧道"围岩—减震层—初期支护—二次衬砌"减震结构的动力响应解析近似解,分析了减震层厚度、弹性模量对衬砌结构动应力集中系数的影响,并开展了跨断层隧道抗减震研究大型振动台模型试验,通过分析跨断层及其设置减震层后隧道衬砌动力响应特性和破坏形态,得到以下有益结论:减震层与围岩弹性模量比越低,减震层厚度越大,衬砌动应力集中系数越小;减震层与围岩弹性模量的最优减震比在1/10~1/20,最优减震层厚度不宜大于0.2 m;跨断层破碎带隧道设置减震层可以明显降低跨断层衬砌结构加速度峰值和衬砌动应变幅值;断层处隧道衬砌裂缝分布数量多、复杂,多集中于拱脚、拱肩,并分布有剪切错动引起的环向裂缝,设置减震层后,断层处隧道衬砌裂缝明显减少,衬砌受力得到明显改善;断层处地表出现了平行断层方向为主的的贯通裂缝和大量斜裂缝,说明断层处以剪切破坏为主,设置减震层后,地表裂缝明显减少。     

Shaking table tests on seismic measures of a model mountain tunnel

A series of three dimensional (3D) shaking table tests were carried out to investigate the mechanism and effect of seismic measures of mountain tunnel using a scaled model based on a real tunnel. Key technical details of the experiment, including similarity relations, seismic measures simulation, boundary conditions, sensor layout, modeling methods, and ground motion input were presented. Main seismic measures, including reinforcing surrounding rock with anchors, increasing lining flexibility with steel wire mesh, and installing seismic isolation layer between reinforced surrounding rock and tunnel lining, were investigated in this study. Experiment results show that: (1) adding a layer of steel wire mesh in the tunnel lining can improve the flexibility and seismic performance and also may effectively prevent radial cracks from crossing the lining; (2) installing a geofoam isolation layer between the reinforced surrounding rock and the tunnel lining reduces dynamic earth pressure by 70–90% for the lining without a seismic isolation layer; (3) the flexible joints can effectively avoid global failures of tunnel lining for they reduce dynamic strain and bending force in the tunnel lining and decrease the seismic energy transmission along the lining in axial direction; (4) reinforcing surrounding rock with anchors significantly reduces dynamic earth pressure and strain of the lining by about 50%. In addition, the length of seismic reinforcement for general mountain tunnel portal is recommended to be 50 m from the tunnel portal along the axial direction.     

软土隧道纵向剪切传递效应的三维数值模拟分析

采用三维空间模型对软弱地层中隧道衬砌结构进行数值模拟分析计算，针对隧道施工及使用阶段可能遇到的荷载及变形作用两类典型受荷状态，对比分析了这两种作用、不同作用方式下，隧道纵向剪切传递规律及其对纵横向内力的影响。找到了隧道纵向小均匀变形引起的纵向剪切传递的机理以及变形不同区段的隧道横向变形受力特征，证实了纵向剪切传递是导致隧道横向内力变化的关键因素，得到了纵向剪切传递对隧道横向结构及接头变形的抑制作用以及与隧道横断而最大附加内力的线性相关性、与隧道原始内力正负叠加效应等重要结沦，对隧道横向设计中考虑纵向变形的影响具有重要参考价值。     

断层错动对上覆土体及隧道影响的模型试验

通过砂箱模型试验,采用FBG传感器,研究隧道距基岩面不同距离时隧道顶部和底部纵向应变变化规律,试验结果表明:随着隧道距基岩面距离的增加,隧道变形极值点的位置向错动迹线左侧区域移动,出现在错动迹线左侧0～15 cm的范围内;在上覆土体厚度一定的情况下,隧道距基岩面距离存在着一个最不利值,该位置的隧道衬砌在断层错动时,被破坏的可能性最大;随着隧道距基岩面距离的增加,断层传播到地表的水平传播距离减小。