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。     

地层对比在走滑断层位移量计算中的应用——以松辽盆地梨树断陷皮家走滑断层为例

走滑断层走滑前,断层两侧的地层处于同一沉积体系下,走滑后断层两侧地层沉积厚度、沉积相类型、岩性组合同样具有关联性。研究走滑断层位移量的方法有许多种,地质对比是最常用的方法。通过对走滑断层两侧已有钻井地层对比,绘制地层对比图件,从而确定走滑断层位移量。以松辽盆地梨树断陷皮家走滑断层为例,利用断层两侧苏家屯油田和皮家气田营城组地层一致性的特点,通过精细对比,绘制地层厚度、砂层厚度等图件,可确定梨树断陷皮家走滑断层位移量。     

地层对比在走滑断层位移量计算中的应用——以松辽盆地梨树断陷皮家走滑断层为例

走滑断层走滑前,断层两侧的地层处于同一沉积体系下,走滑后断层两侧地层沉积厚度、沉积相类型、岩性组合同样具有关联性。研究走滑断层位移量的方法有许多种,地质对比是最常用的方法。通过对走滑断层两侧已有钻井地层对比,绘制地层对比图件,从而确定走滑断层位移量。以松辽盆地梨树断陷皮家走滑断层为例,利用断层两侧苏家屯油田和皮家气田营城组地层一致性的特点,通过精细对比,绘制地层厚度、砂层厚度等图件,可确定梨树断陷皮家走滑断层位移量。     

不同倾角逆断层错动对隧道结构影响理论分析

结合某隧道工程项目,采用FLAC3D有限差分软件,建立相应的数值模型,分析由于地震引发的逆断层错动作用对正交穿越断层隧道的影响,并揭示其影响机理。结果表明断层错动对主动盘内隧道的影响范围远大于被动盘,断层两侧隧道衬砌竖向相对位移随着错距量的增加而发生线性增长,且断层对衬砌影响范围不受错距大小的影响。在断层上盘与下盘之间挤压力的作用下,衬砌边墙处最容易发生拉裂破坏和剪切破坏,为最不利位置,拱顶次之,仰拱所受影响最小。在逆断层倾角一定的情况下,随着错动距离的增大,衬砌不同部位受到的最大主应力、最小主应力、剪应力均整体呈增大趋势。对依托工程隧道的安全性和可靠性进行评价,同时对类似特殊修建条件下隧道的设计和施工具有一定的指导作用。     

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。     

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。     

木寨岭隧道大变形特征及机理分析

木寨岭隧道是国道212线改建中的控制性工程，地处青藏高原东北缘，地质条件复杂。隧道埋深大且地应力高，地下水丰富，断层发育，有5条大断层（总厚度273m，占全隧道长度的21．9％），岩体软弱破碎，隧道自稳能力差。隧道建设过程中，产生强烈变形和严重破坏。隧道最大累计下沉和水平收敛分别达1．712和1．081m；围岩初期变形迅速，变形速率大，变形持续时间长，隧道破坏严重，主要表现为拱顶下沉、边墙内挤、喷混凝土剥落、钢拱架扭曲、底鼓及仰拱开裂翘起、衬砌开裂等：变形破坏具有重复性和相似性。从围岩的岩性条件、地下水条件、地应力条件以及隧道变形破坏特征等方面，探讨了该隧道大变形的原因和机制，认为它是围岩塑性流动与围岩膨胀变形综合作用的结果。基于对围岩动态演化机制的正确认识，从围岩控制角度，修正并制定新的返修方案，对大变形段实施返修并取得了成功，同时将研究成果用于指导相同地质条件的后洞段施工，确保了隧道安全顺利贯通。     

山岭隧道洞口段围岩变形特征分析

为了研究山岭隧道洞口段围岩变形特征,以贵州省晴隆-兴义高速公路登攀隧道为工程依托,对洞口段围岩变形展开研究,通过对现场围岩变形进行监测和数据处理,分析了山岭隧道洞口段围岩变形的时间与空间效应,进而对山岭隧道洞口段围岩变形时间特征和空间特征展开研究。研究结果表明:隧道开挖引起围岩变形具有明显的时间效应和空间效应,监测断面围岩变形在开挖后历经8 d和27 m～30 m后稳定;山岭隧道洞口段围岩变形具有明显的空间特征,周边收敛值在时间轴上规律性较差,但累计变形量较小,对隧道围岩稳定性影响有限;洞口段拱顶沉降与地表沉降时间历程曲线有明显的规律,但累计变形量、分布特征与围岩本身属性紧密相关,地域差异性较大。     

雁门关隧道大变形突泥段地质结构与力学分析

雁门关隧道位于走滑构造控制的恒山变质岩地区,在施工过程中经常遇到大变形、突泥等问题。通过对该隧道施工灾害典型段(DK118+30.0～DK118+200.0段)的走滑偏压特征分析、偏压数值模拟以及应力和变形收敛监测等发现:(1)研究段穿越小尺度的走滑断层;(2)围岩级别差异是深埋隧道偏压的主导因素,偏压对围岩的下沉收敛影响显著甚至起控制作用;(3)隧道大变形突泥段的围岩破坏机制是层间剪切和挤压破碎。研究认为,在构造复杂的变质岩地区进行隧道等地下工程设计施工时,要充分考虑围岩所受应力情况和岩性差异等因素,灵活变更施工技术。     

穿越走滑断层铰接隧洞抗错断设计参数作用机制研究

为了研究铰接隧洞抗错断设计参数作用机制,通过开展小尺度物理模型试验,系统、深入地研究衬砌厚度、衬砌节段长度、隧洞直径、隧洞与断层带交角和隧洞断面型式等铰接设计参数对跨断层铰接隧洞结构变形破坏机制的影响。为了保证数值模型能够揭示合理的预测结果,将物理模型试验结果与数值分析结果进行比较,验证数值模拟的正确性。通过数值模拟研究断层带宽度、变形缝宽度、柔性连接材料刚度等铰接设计参数对铰接隧洞衬砌内力响应的影响。研究结果如下：(1)断层作用下的铰接隧洞呈现“S”形,隧洞破坏多表现为衬砌节段间铰接结构破坏,节段间发生大角度转动和错台,少数情况下衬砌节段发生压剪破坏。(2)铰接隧洞衬砌变形主要集中在断层带内。在两盘与断层带交界处,活动盘范围衬砌左边墙处于受拉状态,右边墙呈现受压趋势;固定盘范围衬砌左边墙处于受压状态,右边墙处于受拉状态。(3)断层带范围的衬砌内力呈现锯齿状变化,衬砌内力在变形缝处有明显的跌落。衬砌处于反向对称受弯的状态,最大弯矩出现在两盘与断层带交界部位;最大剪力出现在断层带中央部位。(4)在铰接隧洞抗错断设计参数作用机制方面,增加衬砌厚度、减小衬砌节段长度、减小隧洞直径,可以有效提...     

盾构施工隧道衬砌内力及地表沉降计算

讨论盾构法施工时隧道衬砌内力及其附近地表沉降的有限元计算。包括土工结构建造过程的有限元模拟方法,模拟隧道衬砌的Ｍｉｎｄｌｉｎ曲梁单元,施工过程中洞室超挖量的数值处理方法等。最后通过一实际问题的计算表明本文所建议方法是有效的,并讨论了一些有关的问题。     

用MIDAS/GTS进行长输管道山岭隧道衬砌结构分析

利用MIDAS/GTS软件,对元坝气田滚动建产工程大山梁隧道的衬砌结构进行了有限元力学分析和断面设计,结果表明:MIDAS/GTS软件建模快捷,设计方便,是山岭隧道衬砌结构设计的一种有效方便工具。     

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。     

特大断面黄土隧道静力稳定性分析

用六节点曲边节理单元模拟复合式衬砌中间防水层,采用二维弹塑性静力有限元模拟某黄土隧道的开挖修建过程,分析了该隧道的静力稳定性。计算中用释放荷载法模拟开挖效应,采用Mohr-Coulomb屈服准则及关联流动法则,采用初始刚度迭代法求解平衡方程,对超过屈服点的应力进行调整。文中最后提出了抑制隧道围岩变形的技术措施,给出了隧道衬砌支护参数的建议。     

外水压下隧道围岩与衬砌的随机有限元分析

为探讨在外水压力作用下隧道围岩和衬砌的力学承载特性,以龙潭隧道为依托,进行了随机有限元数值模拟。模拟采用了响应面法和蒙特卡罗模拟的手段,并进行了响应面方程拟合和概率敏感性及相关性的计算分析。分析结果表明,在外水压力的作用下,隧道衬砌的破坏形式以受压破坏为主,提高围岩弹性模量较衬砌弹性模量对改善衬砌承载外水压的力学性能更为有效。并在此基础上指出,外水压下的衬砌设计和隧道施工应考虑下述因素:围岩可以分担外水压力的承载特性、地层结构法的计算模型、注浆具有堵水和加固的双重效果。     

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.     

台湾软弱岩盘隧道变形预估系统数值模拟研究

基于大变形分析 ,运用三维有限元方法研究了台湾地区Ⅴ、Ⅵ类岩盘隧道在不同的地应力状态、岩石力学参数和开挖方法下 ,隧道围岩变形、受力与诸计算条件的关系 ,为隧道安全合理设计与施工提供依据。