跨断层隧道衬砌变形规律及损伤机理研究

陆地交通的直线化趋势使得跨断层隧道不可避免,该类工程是隧道衬砌发生变形破坏的主要事故区间。断层破碎带的基本参数宽度、倾角对于判别断层错动影响下隧道稳定性具有重要的意义。以现场监测与数值模拟相结合的手段,探索了断层错动对跨断层隧道的影响及破坏特征。以地处西部地震多发带、地震基本裂度为Ⅷ度的隧道为工程背景,基于现场实测数据,对断层宽度20 m、倾角70°,以及断层宽度8 m、倾角65°的跨断层隧道变形及破坏机理进行分析。进一步运用ABAQUS数值模拟探索了不同断层宽度(10、20、40 m)和倾角(65°、75°、85°)的断层错动对跨断层隧道的变形及破坏影响特性,揭示了断层宽度、倾角的变化对隧道衬砌应力、应变、位移的影响机制。结果表明:断层错动影响下,隧道衬砌位移、应变、最大主应力受断层宽度的影响较小,受断层倾角的影响较大。断层宽度、倾角的变化对跨断层隧道衬砌位移的变化影响较小,隧道拱顶、拱腰、拱底的位移变化趋势大致相同。围岩结构面粗糙度的增加会减小隧道位移值的变化,但对位移变化趋势的影响较小。跨断层隧道衬砌应变的变化范围受断层宽度、倾角影响较小;随着断层宽度的增加、倾角的减小,隧道衬砌的应变逐渐增大。通过分析不同断层宽度、倾角组合下隧道衬砌应力特征,发现断层宽度越小,倾角越大;衬砌最大主应力受影响范围越小,隧道衬砌越危险。研究结果有望对跨断层隧道的施工建设提供参考与指导。     

断层特征与掘进方法对隧道围岩稳定性影响分析

以都昌至九江高速公路温泉隧道为工程背景,采用有限元方法对隧道穿越不同断层倾角、隧道与断层相对位置、隧道不同开挖方法等情况下围岩的稳定性进行了模拟计算分析。结果表明和无断层情况相比较,断层的存在使得围岩的整体位移增加,拱顶沉降增加约18.3%,仰拱隆起增加约35.1%,围岩位移最大区域向垂直于断层方向偏移,不再具有对称性;断层位于隧道拱肩处时拱顶沉降量最大,断层位于隧道拱脚时,对围岩拱顶沉降量的影响最小,围岩最为稳定;采用上下台阶法进行开挖其拱顶位移量要比采用侧壁导坑法开挖所产生的位移量大77.04%,仰拱隆起量大60.3%;断层倾角为45°时,隧道开挖时围岩相对比较稳定。     

高速铁路隧道近接施工对既有市政隧道影响分析

针时成都某新建城际铁路隧道近接下穿既有市政管线隧道的设计和施工方案,运用有限差分法和流固耦合理论,分析研究了降水以及新建隧道施工过程中,上部既有市政管线隧道的受力特性及位移变化规律,研究结果表明:既有管线隧道衬砌结构应力和位移变化及分布规律几乎一致,交叉处界面位移最大,并沿隧道纵向向两端逐渐减小且呈对称分布;交叉处30m范围内,拱顶纵向应力主要为负值即压应力,仰拱纵向应力主要为正值即拉应力;降水施工对上部市政管线隧道的影响远大于新建隧道施工造成的影响,前者所引起的沉降约占75％～80％,后者所引起的沉降约占20％～25％;降水施工所引起的纵向最大拉应力为新建隧道施工引起的1.39 ～ 3.39倍.所以,降水施工前应采取一定的特殊辅助措施,以保证降水施工时结构安全性.     

增湿条件下膨胀土隧道围岩的稳定性

增湿条件下,膨胀土的强度会降低并产生膨胀力,在两者的共同作用下,膨胀土隧道围岩稳定性会严重降低,有必要研究增湿条件下膨胀土隧道围岩的变形和衬砌受力。采用室内试验和数值模拟的方法对膨胀土隧道围岩稳定性进行研究,对不同含水率的重塑膨胀土进行剪切试验,得出摩擦角、黏聚力与含水率的拟合关系式,运用ABAQUS有限元软件对膨胀土隧道开挖过程进行仿真分析,并利用温度场模块模拟隧道围岩增湿膨胀,得出隧道增湿前后应力与位移的变化规律,同时设计正交试验,分析各因素对膨胀土浅埋隧道稳定性的影响。结果表明：围岩增湿之后,围岩拱腰处的应力值增加明显,拱顶和拱底处应力值减小;衬砌的拱底处纵向位移值增加,拱顶处纵向位移值减小。通过设计正交试验,采用极差和方差分析得到对膨胀土浅埋隧道围岩稳定性影响最大的因素为增湿强度,其次为覆跨比、膨胀厚度和膨胀系数。     

断层倾角与相对位置对隧道衬砌地震动力响应的影响分析

以江西都九高速公路断层破碎带区域温泉隧道为工程背景,采用有限单元和反应时程分析方法,研究了断层与隧道相对位置对衬砌结构地震响应的影响规律。结果表明衬砌加速度和位移响应峰值随着断层倾角的减小呈非线性增大,断层倾角为30°时的衬砌加速度、位移和应力响应峰值最大,其拉应力峰值为7.35 MPa,比无断层情况下的要大许多,出现在左拱肩位置。断层相对位置对衬砌位移响应影响较小,对衬砌加速度和应力响应影响较大,隧道穿越断层时,衬砌应力峰值最大,隧道位于断层下盘时衬砌应力峰值最小。     

穿越断层隧道纵向地震响应规律解析解

隧道穿越断层区域在地震中易受到严重破坏,是隧道抗震设防的重点控制区域。针对现有设计方法很少考虑隧道穿越断层的现状,基于穿越断层隧道地震响应特点,将隧道沿纵向简化为三段位于不同地层条件的黏弹性地基上的剪切梁,推导了地震动下穿越断层隧道纵向地震稳态响应的解析表达式,建立了面向工程设计的穿越断层隧道纵向抗震简化分析方法。首先,采用Kelvin黏弹性地基上的剪切梁模拟衬砌节段,基于格林函数法、拉普拉斯正逆变换和留数法推导衬砌节段在荷载激励下沿纵向的响应。其次再结合衬砌连续性条件获得穿越断层隧道纵向响应解析解。然后通过与数值分析结果的对比分析,验证了该方法的有效性和可行性。最后采用该解析方法进行了敏感性参数分析,探究了边界条件、结构刚度、断层破碎带性质、地基阻尼等关键因素对穿越断层隧道结构地震响应的影响规律：（1）增大衬砌的弯曲刚度会减小衬砌上的位移响应,但同时会显著增大衬砌上的内力响应值;（2）加固断层围岩可减小衬砌在地震动作用下的位移响应,也使衬砌的内力响应减小,并能减小断层对隧道沿纵向地震响应的影响范围;（3）阻尼的存在使衬砌的振动沿隧道纵向出现异步性,加载波的频率越高,隧道衬砌振动的异步性越明显。该解析方法能够快速计算得到穿越断层隧道的地震响应,可为相关隧道工程的抗减震设计提供参考。     

大断面隧道支护结构地震反应特性分析

从围岩-支护结构-地震相互作用研究思路出发,利用ADINA非线性有限元软件,通过大断面隧道施工力学及瞬时动力时程分析,研究隧道支护结构在水平(Ya)、纵向(Za)及水平-纵向(YZa)不同地震加速度作用下的位移、应力反应特性.结果表明,水平地震加速度对支护结构的水平位移、最大主应力、加速度和速度影响大,纵向地震加速度对纵向位移、有效应力、最大及最小主应力、最大剪应力、加速度和速度影响都大.在Ya=0.191 g、0.440 g或Za=0.141 g及其YZa共同作用下,大断面隧道初期支护遭到破坏,二次衬砌局部损坏;在Ya=0.440 g或Za=0.326 g及其YZa共同作用下,隧道二次衬砌遭到损坏;在Ya=0.880 g或Za=0.652 g时,隧道支护结构可能会遭到严重破坏.     

断层竖向错动作用下隧道力学响应数值模拟研究

采用有限单元方法数值模拟研究断层竖向错动位移、断层错动速率、断层宽和断层摩擦对断层错动下隧道力学响应的影响规律。结果表明:断层竖向错动位移显著改变隧道断层截面第1应力的大小和分布。断层错动隧道断层截面出现最大第1主应力,不受断层竖向错动位移、断层错动速率、断层宽度和断层摩擦的影响。断层错动影响范围主要受到断层位移和宽度的影响,受断层错动速率和断层摩擦系数影响较小。断层错动速率越快,断层摩擦系数变化对应力峰值增加的影响越明显。主动盘内隧道截面衬砌第1主应力随断层错动速率增加而增加,但是断层截面的第1主应力随断层速率增加,先增后减,在0.1m/s断层速率条件下,达到最大值。     

工作竖井与隧道连接处纵向地震响应数值分析

建立工作竖井与盾构隧道、明挖隧道相连的空间交叉结构三维模型,采用FLAC3D对该复杂结构进行了纵向地震响应分析,得到了工作竖井与隧道结构连接处关键点的位移和应力响应规律.并通过对地震纵向激励过程中竖井与隧道结构连接处收敛位移和关键点主应力峰值的分析,对该结构的纵向抗震性能做出了评价.     

大断面公路板岩隧道开挖与支护数值模拟研究

为了研究上下台阶法和CD法等不同施工工法及不同开挖步距下对大断面板岩隧道开挖围岩受力及变形的影响规律,基于有限元基本原理对各■隧道的施工工况进行模拟分析,得到了隧道开挖过程中软弱围岩的应力场和位移场,并对隧道围岩稳定性进行了探讨.研究结果表明:采用两台阶法模拟隧道开挖过程中整个施工过程中应力最大值为3.550 MPa,洞室周边的应力影响范围为5～20 m,在隧洞跨径的1.5倍以内;采用CD法模拟隧道施工时洞周发生的位移较小,拱顶下沉和水平收敛的位移量与两台阶法施工的位移量相比分别减少了27.8%和34.0%;模拟不同开挖步距下隧道拱顶沉降和水平收敛的位移变形大致表现出二次多项式的函数关系,为隧道施工期的安全稳定及控制技术提供数据支撑及理论依据.     

结构面特性对深埋隧洞稳定性的影响研究

结构面特性对深埋隧洞的受力和变形有重要影响。以某水电站引水隧洞为例,采用数值计算方法,对结构面不同倾角以及结构面与隧洞不同距离时深埋隧洞的稳定性进行分析。结果表明:隧洞左侧水平位移与底部突起量显著小于隧洞顶部沉降与右侧水平位移;结构面倾角对隧洞各关键部位位移有较大影响,而结构面至隧洞的距离仅对拱顶及隧洞右侧最大位移有一定影响;结构面与隧洞之间的距离在3 m以内时,塑性区沿结构面方向进行扩展,而距离大于6 m后,塑性区面积和形状趋于稳定,最大塑性应变降到较低水平并保持平稳。     

有限元在水下隧道最小安全顶板厚度中的应用

地下工程围岩稳定分析计算中断层材料参数与岩体材料参数相比，差异很大从而导致计算不容易收敛等特点提出了相应的非线性有限元方程组的求解策略。模拟了某拟建中水下公路隧道，在不同隧道顶板厚度时的围岩应力、位移、塑性区的分布及大小。通过比较得出最合理的最小安全顶板厚度，对同类工程有很大的参考价值。     

隐伏断层错动对盾构隧道影响的模型试验研究

为了探究隐伏断层错动下盾构隧道结构受力特点及地层破坏模式,基于盾构隧道纵向等效连续化模型,开展隐伏断层错动对盾构隧道影响的模型试验. 研究隧道结构纵向受力特征、环缝接头张开量与断层错动的关系,采用数值模拟手段验证模型试验结果的合理性. 试验及数值计算结果表明,隐伏断层错动下隧道结构纵向受力变化明显,断层错动对隧道结构纵向受力的影响范围小于60 m. 在断层顶部投影面附近的盾构管片环缝存在明显的张拉变形,在正断层错动下盾构环缝接头更容易产生张拉大变形. 正断层错动工况下的隧道结构纵向呈偏心受拉状态,逆断层错动工况下的隧道结构纵向呈偏心受压状态. 在正断层错动下地层发生明显的剪切变形,呈现倒三角形剪切变形扩展规律,地表产生横向贯穿裂缝,逆断层错动下的地层剪切变形相对较弱.     

采用总荷载不变法的非静水压隧道摄动拓展解

为描述实际地应力场下隧道塑性区演化规律和支护设计原则,基于Mohr-Coulomb准则和弹-脆-塑性模型,采用总荷载不变法并引入弹性区应力摄动解,建立了非静水压力下圆形隧道水平轴和竖向轴处的塑性区半径方程,继而利用几何相似原理拓展至其他方位角处,并与文献总荷载不变法(以应力基尔希公式为基础)、Kastner法、复变函数法和实测数据进行对比,结合非关联流动法则推导塑性区位移解析解,探讨侧压力系数与脆性软化对隧道塑性区边界线、塑性区位移分布和围岩特征曲线的影响特性。结果表明：相比文献总荷载不变法和Kastner法,2阶摄动解作为非静水压圆形隧道的弹性区应力表达式更合理,且得到复变函数法的正确性验证;侧压力系数对隧道塑性区边界线的形状和范围均有明显影响,需针对具体方位角选择支护类型和尺寸以调控收敛约束交点处的支护压力与围岩稳定变形;隧道塑性区半径和洞壁位移随围岩峰后强度的降低而显著增加,宜使用弹-脆-塑性模型构建围岩特征曲线。     

桥梁构件风致动态内力回归估算方法

为弥补全桥气弹模型试验无法直接测量结构动态内力响应的缺陷,选取江东大桥悬索桥吊杆为例,采用风洞试验和随机振动时域有限元分析相结合的手段:首先对两者的位移响应进行校核;然后根据正交风随机有限元分析中加劲梁中跨跨中位移响应和吊杆内力响应的高度相关性,采用线性回归算法获得回归方程,并对中跨跨中位置在多个风偏角下的位移响应进行...     

基于ABAQUS和正交试验的隧道围岩稳定性分析

在城市地铁施工过程中,为了保证围岩的稳定性,以某市地铁10号线某车站区间作为研究对象,采用CRD法进行施工,利用有限元软件ABAQUS建立隧道三维模型,经过数值模拟计算得到在不同施工时步下围岩应力场、位移场和衬砌的受力情况.在数值模拟的基础上运用正交设计法分析影响围岩稳定性的因素.结果表明,随着隧道在不同施工时步下进行开挖,围岩的应力呈现逐渐降低的趋势,围岩的位移呈现逐渐增大的趋势.通过极差和方差分析,得到影响围岩稳定性因素的重要性排序依次为弹性模量、粘聚力、泊松比、内摩擦角和膨胀角.     

张集铁路旧堡隧道围岩初始应力反演分析及分级评价

隧道围岩初始应力分析评价是进行围岩稳定性分析、实现隧道安全快速掘进的前提.采用位移反演分析和场区构造地应力分析2种方法,对旧堡隧道围岩初始应力状态进行分级评价.研究表明,开挖区段隧道横截面上平行洞轴方向为最大主应力方向,围岩的最大、最小主应力均大于自重应力,岩石强度应力比低,该隧道围岩的初始应力属于高地应力.