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...     

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。     

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。     

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。     

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。     

穿越多破裂面隧道节段衬砌地震损伤破坏振动台试验研究

依托我国西部高烈度地震区穿越大型活动断裂带隧道工程，开展穿越断层带多破裂面隧道振动台试验。根据测点加速度响应、动应变响应、位移响应和震后裂缝形态，研究隧道节段式衬砌结构和围岩在强度递增地震波激励下的能量、损伤变化特征，基于希尔伯特–黄变换(HHT)，从Hilbert边际谱和瞬时能量谱角度讨论围岩和隧道结构的地震损伤发展。研究结果表明：(1)强震作用下模型土表面同震位移显著，根据破裂面两侧围岩同位错量可定义断层破碎带内的主、次破裂面。(2)断层下盘主破裂面附近隧道结构的损伤发展滞后于上盘，0.4 g地震作用下主破裂面附近隧道结构主频和边际谱峰值降幅最大达到了29.1%和87.1%，损伤发展程度远大于其他部位。(3)隧道结构以受拉开裂为主，0.2 g地震作用上盘主破裂面附近仰拱出现拉裂破坏，而拱腰在0.4 g地震作用产生拉裂破坏。(4)断层上盘围岩在0.5 g地震动下主频降幅达到34.7%，围岩损伤程度明显超过下盘和断层破碎带中部。(5)根据隧道结构破坏形态，仰拱是隧道抗震薄弱部位，出现了不同程度开裂，需要加强隧道仰拱的抗震与减震耦合设计；断层上盘交界面附近隧道结构地震损伤最为严重，断层破...     

隧道洞口含软弱夹层仰坡振动台试验研究

为研究地震作用下含软弱夹层隧道洞口仰坡的动力响应特性,针对含软弱夹层隧道洞口仰坡开展大型振动台试验研究,通过分析水平和竖向激振作用下洞口段仰坡和衬砌模型动力响应和破坏特征,得到以下结论:水平向激振作用下,仰坡沿坡面向上存在明显加速度放大效应,软弱夹层对竖向加速度激振时仰坡动力响应有显著影响;越接近临坡面,衬砌结构加速度响应和越大,并且洞口段隧道衬砌拱顶加速度峰值最大,仰拱最小,衬砌结构受力状态复杂;竖向加速度激振时,软弱夹层上覆模型土出现松动,坡脚土体出现挤压、掉块,仰坡整体上保持稳定;在水平向激振作用下,而含软弱夹层仰坡则在坡脚土体先被挤压破碎,然后坡顶表面沿软弱夹层位置出现张拉裂缝,上覆土体沿软弱夹层滑动,最后土体大规模崩塌、滑落。竖向和水平激振力作用下,衬砌45°方向应变幅值最大,衬砌洞口段设防长度为25 m。该研究成果可以为山岭隧道洞口段边坡抗减震研究和设计提供参考。     

逆断层铰接式隧道衬砌的抗错断效果试验研究EI北大核心CSCD

以棋盘石工程为依托,采用1∶50的相似比,开展模型试验。针对75°倾角逆断层黏滑错动的情况,研究上覆地层的错动变形规律与跨断层隧道的结构受力、损伤特征,并对衬砌结构的破坏模式与破坏机制进行分析。研究表明:随着断层上盘抬升,断裂传播至地表,形成一个倒置的三角剪切带。在2.5D埋深处剪切带的宽度约为0.635D(D为隧道洞径),在隧道拱顶位置处剪切带约为0.315D。地表位移变化与断层传播规律基本一致;断层破碎带处隧道与土体的接触压力的变化最大,是下盘接触压力变化值的3~5倍;断层上盘隧道承受负弯矩,下盘承受正弯矩;在断层破碎带中,错动位移量为0.34D时,衬砌变形缝处发生剪切、挤压引起的开裂,局部伴有张拉裂缝。设置变形缝后,铰接式隧道仅在变形缝处发生严重破坏,节段衬砌损伤轻微,抗错断效果明显优于未设变形缝隧道。     

强震区山岭隧道洞口段结构动力特性分析

 以雅安—泸沽高速公路高烈度地震区山岭隧道为依托工程,对山岭隧道洞口段结构动力响应进行大型振动台模型试验研究,得出如下结论：隧道结构的最大地震动响应出现位置及其破坏形态与5.12汶川大地震中隧道工程的破坏情况基本一致;隧道设置减震层后,衬砌裂缝数量明显减少,能够改善隧道结构的整体受力状态;在试验中隧道结构均出现一定数量的环向裂缝和斜向裂缝,大部分纵向或斜向裂缝延伸至环向裂缝后终止发展。建议在隧道洞口段设置一定数量的减震缝,吸收地震时能量,减小对结构的破坏。研究成果对高烈度地震区山岭隧道抗减震设计与施工具有一定的参考价值。     

逆断层铰接式隧道衬砌的抗错断效果试验研究

以棋盘石工程为依托,采用1∶50的相似比,开展模型试验。针对75°倾角逆断层黏滑错动的情况,研究上覆地层的错动变形规律与跨断层隧道的结构受力、损伤特征,并对衬砌结构的破坏模式与破坏机制进行分析。研究表明:随着断层上盘抬升,断裂传播至地表,形成一个倒置的三角剪切带。在2.5D埋深处剪切带的宽度约为0.635D(D为隧道洞径),在隧道拱顶位置处剪切带约为0.315D。地表位移变化与断层传播规律基本一致;断层破碎带处隧道与土体的接触压力的变化最大,是下盘接触压力变化值的3~5倍;断层上盘隧道承受负弯矩,下盘承受正弯矩;在断层破碎带中,错动位移量为0.34D时,衬砌变形缝处发生剪切、挤压引起的开裂,局部伴有张拉裂缝。设置变形缝后,铰接式隧道仅在变形缝处发生严重破坏,节段衬砌损伤轻微,抗错断效果明显优于未设变形缝隧道。     

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.     

断层错动作用下隧道衬砌围岩破坏机理研究

依托西南地区某跨断层隧道工程背景,对断层错动下隧道围岩结构影响开展相似模拟试验和数值模拟研究。综合工况及试验条件,对一般三维模型装置和光纤监测布置等进行设计,试验装置可以更好地反映断层蠕滑错动作用下衬砌-围岩-断层带的动态关系及衬砌结构的损伤破坏特征。结果表明,隧道结构对围岩体有一定程度的“追随性”和“抑制性”,断层错动,整个模型结构内部应力重新分布,随着垂直错动量增加衬砌结构损伤破坏影响范围增大。错动影响下,衬砌结构各部分变化不一,左拱肩处破坏尤为严重,需注意拱肩处衬砌结构的塑性破坏。通过数值模拟试验对错动下跨断层隧道的影响进行进一步的研究,结果表明,围岩及衬砌结构的变形破坏趋势与相似试验相同。     

Centrifuge experiments for shallow tunnels at active reverse fault intersection

Tunnels extend in large stretches with continuous lengths of up to hundreds of kilometers which are vulnerable to faulting in earthquake-prone areas. Assessing the interaction of soil and tunnel at an intersection with an active fault during an earthquake can be a beneficial guideline for tunnel design engineers. Here, a series of 4 centrifuge tests are planned and tested on continuous tunnels. Dip-slip surface faulting in reverse mechanism of 60-degree is modeled by a fault simulator box in a quasi-static manner. Failure mechanism, progression and locations of damages to the tunnels are assessed through a gradual increase in Permanent Ground Displacement (PGD). The ground surface deformations and strains, fault surface trace, fault scarp and the sinkhole caused by fault movement are observed here. These ground surface deformations are major threats to stability, safety and serviceability of the structures. According to the observations, the modeled tunnels are vulnerable to reverse fault rupture and but the functionality loss is not abrupt, and the tunnel will be able to tolerate some fault displacements. By monitoring the progress of damage states by increasing PGD, the fragility curves corresponding to each damage state were plotted and interpreted in related figures.     

滇中引水工程香炉山隧洞地应力特征及其活动构造响应

滇中引水工程香炉山隧洞埋深大、距离长且处于复杂的构造地质环境中。为查明其地应力分布特征,统计分析了隧洞沿线10个钻孔的水压致裂法地应力测试成果。3个主应力关系主要表现为SH>SV>Sh,反映了隧洞沿线以走滑性质为主的构造特征。工程区浅部地层的应力大小主要受地层岩性与断裂带影响。一方面坚硬岩体的水平主应力明显大于软质岩体;另一方面断裂带的发育致使隧洞沿线的应力水平相对较低,同时断裂带局部区间力学性质的差异导致浅部地层水平主应力呈现出较大离散性。香炉山隧洞最大水平主应力的测试方向主要分布在NNE-NEE向,与隧洞沿线一系列全新世活动断裂走向及区域构造主压应力方向趋于一致,响应了研究区震源机制解特征和楔形块体的运动特征。基于实测应力数据和断层滑动理论,隧洞沿线活动断裂目前处于相对稳定状态,而鹤庆-洱源断裂更为接近断层滑动的临界条件,随着应力的不断积累其稳定性情况值得进一步关注。     

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。     

通过活断层区地铁隧道损伤分析

为了深入研究通过活断层区地铁隧道的损伤破坏机理,发现其抗震薄弱部位,采用理论分析、数值模拟和统计回归等方法对逆断层位错作用下隧道衬砌结构的损伤发展变化情况进行了分析,并对减轻隧道震害的影响因素进行了研究。结果表明:建立的地基土 隧道体系整体有限元模型能够很好地模拟逆断层的错动效果;在逆断层位错作用下,衬砌结构的拱顶部位损伤最为严重,结构的损伤程度随着位错量的增加而增大,损伤区域主要集中在活断层附近;在相同逆断层位错作用下,随着覆盖土层厚度的增加,衬砌结构的破坏程度有所减轻;给出的适用于北京地区的衬砌结构抗震薄弱部位估计公式为通过活断层区地铁隧道的抗震设计提供了参考依据;适当增加衬砌厚度可以减轻隧道结构的震害,埋置于较软土质中的隧道结构能够更好地抵抗逆断层位错作用。     

长大隧道穿越断层带减震结构数值解析研究

近年发生的大地震中,隧道在断层破碎带的破坏现象严重,衬砌结构抗减震设计问题尤为突出。为了缓和断层位移对隧道的损伤,提出由平滑层、吸收层、接头、去摩擦层等4个单元构成的减震设计建议。通过解析使用高压缩性混凝土（水灰比为W/C=50%）、发泡苯乙烯（EPS）作为吸收层的地震响应结果,得出以下采用发泡苯乙烯（EPS）作为吸收层,其初始刚度小,减震效果明显,但在列车荷载作用下有可能产生过大的变形;采用高压缩性混凝土作为吸收层具有充分屈服后吸收断层位移的变形特性和抑制列车荷载产生过大变形的初始刚度。通过改变高压缩性混凝土的球壳种类、充填率和砂浆配比等来改变其刚性。但W/C不应过高,造成多壳砂浆的单轴抗压强度不能承受列车的荷载,有可能造成隧道的损伤。本文使用W/C=50%时对断层位移小于1.0 m时缓和效果较好。     

水压对盾构管片衬砌力学特征与破坏形态的影响模型试验研究

水压力作为一个重要因素,对盾构隧道管片衬砌结构的受力状态及长期安全性具有显著的影响。文中依托广深港客运专线狮子洋盾构隧道工程,采用模型试验的方法,比较分析了0m、30m、60m三种不同水压条件下管片衬砌结构的内力、变形、声发射数据及裂纹产生发展等试验数据信息,探讨水压对盾构隧道管片衬砌结构受力状态及破坏特征的影响规律。研究结果表明：在一定范围内,水压的增加,延长了管片衬砌结构的弹性受力阶段及塑性发展平台,延缓了结构内部出现损伤破坏的时间,提高了衬砌结构的极限载能力。随着水压的增加,管片临界失稳点的最大位移与隧道外半径之比由2.33%增大到2.77%,但是由局部损伤破坏出现到管片衬砌结构整体失稳的过程变得更短,发展速度变得更快,管片的主要破坏形式由以受拉破坏为主变为以压剪破坏为主。     

一种改进的盾构隧道双层衬砌分析模型及其应用研究

 在分析现有3种双层衬砌数值模型的基础上,提出改进的双层衬砌盾构隧道衬砌梁–接头弹簧–结合面压杆弹簧组合分析模型。该模型采用压杆、结合面点位移耦合等技术,解决现有模型中地层与衬砌之间、双层衬砌结合面之间存在拉力以及结合面剪切应力与剪切位移无关等问题,提出适用于该模型的双层衬砌结合面和地层衬砌接触面参数计算依据,探讨结合面单元数量对分析结果的影响,研究杭长客运专线钱塘江隧道双层衬砌的力学行为。研究结果表明：(1) 双层衬砌厚度增大将引起双层衬砌弯矩明显增大,其增大趋势与双层衬砌厚度增大趋势基本一致;(2) 双层衬砌厚度的增大对轴力的影响甚微;(3) 双层衬砌弯矩在管片衬砌和二次衬砌之间的分配比例与管片衬砌和二次衬砌的厚度相对比例无线性关系。研究结果对未来水下双层衬砌盾构隧道的设计分析具有一定的参考价值。