过活动断裂隧洞抗错断适应性结构响应分析

输水隧洞作为长距离跨流域调水工程的关键控制性工程为缓解经济布局与水资源分布之间的区域矛盾发挥着巨大作用。而我国西南高烈度地区地质构造复杂,活动断裂分布密集,导致输水隧洞工程不可避免地需要穿越多条活动断裂带建设。针对滇中引水工程香炉山隧洞过活动断裂带,开展隧道适应性结构在断层错动条件下的影响校核。以龙蟠—乔后断层F10-1为代表,基于隧洞关键部位的位移、相对变形、最大主应力和纵向等效内力等指标,评估活动断层对香炉山隧洞抗错断适应性结构的影响,并基于数值计算验证其在减小衬砌内力与变形方面的作用。结果表明受走滑为主的断层运动影响,隧洞的一侧边墙表现为受拉状态,拉应力较小,约为5 MPa;铰接缝的最大法向变形与切向变形均位于断层带中央节段之间;铰接设计这一适应性结构的存在有效改善了衬砌在错动条件下的受力状态。研究成果可以直接应用于穿越活断层输水隧洞的工程设计与施工,为相关工程隧洞建设提供有利支撑。     

活动断裂对隧洞变形响应特性的影响研究

长距离跨流域调水工程是解决水资源短缺与社会经济高质量发展之间矛盾的必然选择，由于受到地形和地质条件的限制，通常需要跨活动断裂建设长距离输水隧洞。为了全面、准确地认识活动断层的错断对输水隧洞变形破坏特性的影响，以滇中引水工程的关键控制性工程——香炉山输水隧洞为例，基于隧洞关键部位的位移与相对变形、最大主应力、纵向等效内力等指标，对断层带倾向、夹角、宽度、岩体力学参数等因素进行参数分析。结果表明：断层带走向与隧洞夹角以及断层带倾角越大，对隧洞衬砌变形受力状态越有利，当隧洞必须要跨越活动断裂时，其相交角度较大为宜；在相同错动量的前提下，断层宽度越小，对隧洞变形越不利；在断裂带两侧岩体质量条件和错动量不变的前提下，随着断裂带岩体质量的提升，隧洞受到的错动作用更加显著。研究成果可为相关隧洞工程建设提供参考。     

跨活断层隧洞抗错断技术模型试验研究

长大隧洞工程不可避免地要跨越活动断裂带及其影响区域,为减少因断层错动而导致的隧洞结构破坏,抗错断设计是隧洞设计的重要内容。以滇中引水工程香炉山隧洞为背景,对包括铰接设计、扩挖-缓冲层设计以及铰接-扩挖-缓冲层在内的3种抗错断措施进行模型试验研究;从衬砌内部破坏、隧洞整体破坏、衬砌应变方面,对上述3种抗错断措施抗断效果进行了验证评估。研究结果表明：(1)从隧洞衬砌结构内部破坏特征来看,铰接设计与扩挖-缓冲层设计都可以对衬砌起到保护作用。(2)从隧洞整体变形和裂纹分布来看,使用铰接设计增大了隧洞在断层带区域的变形程度,但减小了衬砌本身的破坏;使用扩挖-缓冲层设计不仅减小了隧洞在断层带区域的变形,同时也相对减小了对衬砌本身的破坏,经铰接-扩挖-缓冲层设计的隧洞变形几乎只出现在铰接处,衬砌破坏更小。(3)从隧洞纵向应变分布规律来看,扩挖设计和铰接设计都减小了衬砌的应变,其中铰接设计对衬砌应变的减弱最为突出。相关研究成果可为跨活断裂隧洞实际工程中抗错断方案的选用提供参考。     

穿越活动断层输水隧洞病害研究进展

穿越活动断裂带及大型城镇的输水隧洞,具有洞线长、埋深大、地质条件复杂等特点。为研究穿越活动断裂带的输水隧洞病害,归纳总结了关于穿越活动断裂带的隧洞结构变形、应力和损伤特征等方面的研究成果,对汶川地震和台湾集集地震灾区位于活动断裂带影响范围内的隧洞结构破坏统计数据进行系统整理,分析隧洞病害的主要特点、产生原因、破坏机理与案例病害类型,并将病害等级分成无病害、轻度病害、中度病害和严重病害4级。最后对隧洞病害处理措施进行归纳,并提出相应处置建议。研究结果可为输水隧洞病害的归类与处置提供参考。     

狮子山隧洞穿越F16活动断裂带结构防震抗震关键技术

狮子山引水隧洞直接穿越F16程海—宾川活动断裂带,为解决隧洞结构位错、挤压—卸荷大变形、断裂活化等地质问题,研究深埋、软岩围岩、高地应力和施工扰动对隧洞结构的影响,文章基于"建筑抗震韧性"的隧洞结构及防震抗震设计原则,提出了隧道穿越活动断裂带时,衬砌设计方案、围岩加固措施、施工监测方法以及永久监控系统等一系列防震抗震关键技术,为高效优质完成施工任务及确保运营过程中的安全提供了技术支撑.     

滇中引水工程凤凰山隧洞过活动断裂带结构适应性研究

滇中引水工程输水建筑物多采用隧洞,占比高达92%,线路多次穿越区域性活动断裂带等地质条件复杂的地层,工程建设及安全运行均受到严重威胁。结合滇中引水工程隧洞穿越活动断裂带的工程设计案例,从建筑物结构型式选择以及结构对断裂带蠕滑变形及黏滑变形的适应性进行了三维仿真分析,并提出了工程运行期合理的检修年限。研究结果表明:采用短衬砌和宽变形缝结构形式可有效减小区域性活动断裂带位移产生的结构应力,大大延长了衬砌结构的使用寿命。研究结论为穿越活断裂隧洞的抗错断设计提供参考。     

香炉山隧洞龙蟠—乔后断裂带西支蠕滑特性与位错模式

为了全面认识活动断裂蠕滑运动的位错规律,以滇中引水工程香炉山隧洞的龙蟠-乔后西支断裂带(F10-1)为工程依托。综合地质条件、岩性参数和力学特征,建立F10-1的地质概化模型。研究整个服务周期内,断裂带的错动变形规律。考虑不同破碎带宽度和不同断层倾角的影响因素,分析其位错变形特征和位移梯度,并讨论隧洞的稳定性。结果表明:断裂带的位错模式较为相似,呈现“坡面”型。强度较大的错动盘呈现平动的位移模式,位移主要发生在软弱岩层的破碎区。随着服务年限增加、破碎带宽度增大和断层倾角减小,破碎带位移随之增加。由上影响带与破碎带交界面位移可知,隧洞的左肩窝位置存在较大变形(除30°和50°,其最大变形位于隧洞左侧);由位移梯度分布规律可知,位移梯度呈现先增加后减小的“单峰”分布特征,且峰值位于破碎区。峰值大小随着服务年限和断层倾角的增大而增大,随着破碎带宽度的增大而减小。研究成果可以为滇中引水工程隧洞的安全建设提供有力的支撑。     

某长距离输水隧洞在活动断裂带处理措施

结合KS隧洞特点,总结出KS隧洞在穿越活动断裂带时的处理措施:减小因活动断裂导致的隧洞结构应力,其应对措施为采用全环间隔注浆方式或设置减震层或采用弹性混凝土衬砌;采用扩大洞室与输水管槽组合的方式来应对结构应力过大导致的隧洞震害。     

走滑断层作用下跨断层隧洞破坏机理研究

中国西部地区断层带分布广泛,使得西部地区隧洞建造过程中不可避免穿越活动断层。为研究不同因素对隧洞衬砌结构的影响,根据滇中引水工程香炉山引水隧洞穿越断层的活动形式,采用数值模拟方法模拟不同工况下走滑断层错动引发的隧洞衬砌变形及受力,由此得到断层错动量、断层带宽度、断层带围岩强度及断层倾角这4个主要因素对衬砌结构的影响程度。结果表明:(1)断层错动量、断层带宽度、断层带围岩强度及断层倾角4个因素对衬砌影响的程度依次减弱。(2)隧洞衬砌在走滑断层错动作用下的变形模式呈"Z"字形分布。(3)断层破碎带范围内的剪力较大,衬砌弯矩分布沿隧洞纵向方向呈中心对称,在断层界限处达到弯矩最大值,衬砌中点的弯矩为0。(4)位于断层带处的隧洞衬砌洞顶及洞底应力分布受敏感参数影响的变化较大,隧洞衬砌两端的压应力较小;左右拱腰的纵向应力沿衬砌中间截面迹线呈对称分布,最大压应力出现在断层界限处,因此断层界限应该成为隧洞抗错断的控制重点。     

滇中引水工程香炉山深埋长隧洞主要工程地质问题

香炉山深埋长隧洞是滇中引水工程总工期控制性工程,隧洞总长62.596 km,最大埋深1 450 m,具有线路长、埋深大、勘察研究范围广、地质构造背景与岩溶水文地质条件复杂、地下水环境影响敏感等工程特点。勘察期通过大范围线路比选和综合勘察测试研究,逐步选定了隧洞线路并基本查明其工程地质与水文地质条件,对隧洞高地震烈度区抗震与穿越活动性断裂抗断问题、涌突水(泥)与地下水环境影响问题、高地应力与硬岩岩爆及软岩大变形问题、高外水压力问题及穿越煤层、膨胀土特殊岩土工程地质问题等进行了深入分析,为隧洞工程设计、施工提供了可靠的技术支撑,为类似深埋长隧洞的相关研究提供参考。     

香炉山隧洞5#支洞应急抢险段围岩参数反演及稳定性分析

在建的滇中引水工程香炉山隧洞5#支洞穿越活动断裂带,地质条件极为复杂,施工过程中发生过严重的涌水突泥灾害,围岩稳定问题极为突出,严重制约施工进度和工程安全。为深入系统地研究5#支洞应急抢险洞段合理的围岩力学参数及隧洞稳定性情况,充分利用现场监测及物探资料,采用基于神经网络和遗传算法的位移反演方法确定了应急抢险洞段围岩的力学参数;并在此基础上,模拟施工开挖支护全过程,进行了围岩稳定性分析。结果表明:在当前开挖支护条件下,5#支洞应急抢险洞段整体处于稳定状态,除桩号K0+501—513洞段右边墙围岩变形量较大外,其余部位围岩变形量整体<15 cm;塑性区深度在2~5 m范围内;支护结构受力整体处于正常水平。相关研究结果对于5#支洞后续洞段或相近条件隧洞安全快速施工具有指导意义。     

新建隧洞下穿既有隧道离心模型试验研究

针对某市输水隧洞下穿既有地铁隧道沿线,采用离心模型试验技术研究了新建隧洞以不同间距下穿既有隧道,对既有隧道产生的影响以及上覆土层的沉降变形。通过分阶段排出固定体积的溶液模拟盾构掘进过程中的地层损失,辅以激光位移计以及应变片对既有隧道和地表变形进行监测。试验结果表明:隧道深埋时,新建隧洞与既有隧道净距为一倍隧道直径时,既有隧洞不均匀沉降愈显著;净距两倍以上隧洞直径时既有隧道不均匀沉降趋势渐弱;深埋隧洞开挖对地表沉降影响较小。离心模型试验成果为隧道模型试验以及类似隧洞开挖施工提供参考依据。     

考虑环间接头力学特性的盾构隧洞纵向分析模型

盾构隧洞环间接头具有明显的非线性力学特性，合理模拟其受力变形响应是隧洞纵向变形分析中的难点。针对此问题提出了一种简便实用的环间接头分析模型，采用可传压不传拉的接触面单元模拟环间接触，采用基于埋置梁广义位移法的梁单元模拟螺栓，能够同时考虑环间接头处的非线性接触状态和接头螺栓的轴向刚度和剪切刚度，且适用于各种环间连接螺栓形状（直螺栓、弯螺栓或斜螺栓）。通过算例，将有限元模型与理论解析模型计算结果进行对比，验证了该模型的准确性。将该模型应用于某实际工程中穿越断层破碎带的盾构隧洞的纵向变形分析，结果表明:输水盾构隧洞在均质基岩中状态稳定，在断层破碎带区域衬砌环间缝变形和螺栓应力显著增大，但均在设计控制范围之内。该模型可为工程安全建设及运行提供一定参考。     

某大型引水隧洞穿越断裂带洞段围岩稳定性研究

西南某深埋长隧道位于全新世区域活动断裂带。为了解断裂带的地应力分布情况，现场开展了钻孔岩石取芯分析工作。根据钻孔实测资料，利用莫尔-库仑模型，对隧洞周围的初始地应力场的分布特征进行了模拟分析，掌握了应力分布规律。分析结果表明，无支护条件下，隧洞围岩在断裂带出露处可发生极严重变形，对施工安全有重大影响。建议施工时，采用超前支护，开挖后及时实施二次衬砌等措施，以保证施工安全。     

盾构穿越多条既有隧道施工环境扰动分析

新建盾构穿越多条既有隧道施工是近年不断出现的新型地下空间布置形式。穿越邻近既有隧道过程除了会使地表发生隆沉,还会对已有隧道产生扰动变形影响。建立了针对新建盾构垂直上、下穿现有隧道穿越施工形式的三维弹塑性有限元动力学模型,并进行了全过程仿真分析。并根据一些结果,提出了预测多线盾构隧道施工地表沉降的Peck修正公式。研究表明:当各隧道间的净距处于扰动影响范围内时,盾构掘进对地层产生二次扰动,将对既有隧道产生较大影响。盾构上穿现有隧道时,地面将发生较大变形,且均呈隆起趋势;而下穿现有隧道时,地面将发生较小的变形,现有隧道均呈下沉趋势。研究成果可为工程实际施工建设提供理论支持。     

输水隧洞动态监控指标拟定方法

为确保输水隧洞工程运行期的安全,需针对工程特点建立有效的动态监控指标。在分析研究输水隧洞监测方法、工程运行安全影响因素的基础上,选择内外水压力、温度、隧洞衬砌混凝土和围岩变形等影响因子,构建输水隧洞安全监控指标模型,按照置信区间法原理拟定监控指标。将长时段监测数据分段分析处理,同时引入移动平均滤波算法,提出了输水隧洞动态监控指标的拟定方法。实例计算结果表明,所提出的方法能确定测点的动态监控指标。     

断层破碎带隧洞管棚支护参数设计方法

为确保断层破碎带内隧洞的安全施工和掌子面岩体稳定,提出了一种管棚支护参数的设计方法。首先,对管棚分段且取其中一部分作为有效计算长度,采用太沙基理论计算松散破碎岩体对管棚的荷载,根据约束条件将洞内管棚简化为两端固支梁,得到管棚弯矩、挠度和端部反力。然后,根据岩体和管棚的各类破坏条件,推导了管棚支护参数的计算公式。最后,介绍该方法在某断层破碎带隧洞的应用情况。该隧洞前期超前支护仅采用小导管,已发生数次掌子面坍塌。基于此方法分析小导管支护偏弱并进行了管棚支护设计,在之后开挖过程中收敛变形减小,管棚支护取得了较好的加固效果。研究成果可为断层破碎带隧洞管棚支护参数设计提供参考。