隧道设置减震层减震机制研究

 通过Fourier-Bessel函数展开法,推导平面SV波垂直入射下半无限弹性介质中圆形双层衬砌结构、围岩–减震层–衬砌洞室的动应力集中系数级数解,分析入射波频率、减震层弹性模量和厚度对动应力集中系数的影响,并结合数值模拟分析结果对比,深入研究减震层减震机制。研究结果表明：入射频率对衬砌动应力集中系数有显著影响,减震层对低频波具有较好的减震效果;由于减震层剪切模量低,围岩和隧道可以剪切变形,从而减小了作用在衬砌外部的法向作用力,降低了衬砌内侧最大动应力集中系数,但围岩和衬砌外侧切向应力增大;随着减震层与围岩弹性模量之比减小,减震层厚度增大,二次衬砌动应力集中系数变小,减震层与围岩的弹性模量比宜低于1/10～1/20,和减震层弹性模量对应,存在一个最优的减震层厚度值。以一公路隧道为背景,开展隧道减震层结构大型振动台试验研究,结果表明：隧道衬砌设置减震层后,可以显著降低衬砌内力,减小衬砌裂缝的数量。     

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。     

隧道不同减震层的地震动力响应与减震效果分析

隧道设置减震层是一种有效的减小衬砌动力响应的方法,但由于受到设置模式、设计参数及施工条件等诸多因素的制约,其应用较少。针对不同的隧道减震层设置模式,采用计算机地震动力仿真模拟方法,探讨其减震机理与效果。在此基础上,提出一种新型的减震层设置模式,即围岩-初期支护-减震层-二次衬砌模式,就其减震效果、材料选择、厚度设计及其适用范围等进行深入研究。研究结果表明:该减震层设置模式能够明显地减小隧道二次衬砌的地震动力响应,尤其是选择10~20 cm的软质橡胶作为减震层时,二次衬砌的动应力峰值减小非常明显,达50%~80%,且受力状态也得到很好的改善,从而减小或避免了隧道二次衬砌受到严重震害。与常规的围岩-减震层-初期支护-二次衬砌模式相比,施工便捷,成本较低,更适宜于中国隧道工程建设所采用的新奥法施工。     

隧道的两种减震措施研究

运用 Newmark 隐式时间积分有限元法并采用粘–弹性人工边界,计算了不同地震动作用下不同的围岩材料对隧道地震反应的影响,并通过改变隧道衬砌一定范围内围岩材料的参数,计算了隧道的地震反应,分析了在隧道施工中设置减震层和注浆加固一定范围内围岩这两种方法的减震效果、适用条件及其减震机理。计算结果表明:减震层或加固层的设置使隧道衬砌位移差减小,从而使其应力减小,起到保护隧道衬砌的作用;对于处于软弱围岩中的隧道,可以采用在较大的范围内注浆加固围岩的办法进行减震,充分发挥围岩的承载能力;而处于稳定性极好的坚硬围岩中的地下结构,可不考虑抗震问题,即使是处于强震区,只是对于重要的建筑物才采用设置减震层的方法进行减震。计算结果可为地下结构的抗震设计提供了依据。     

穿越软硬围岩隧道设置减震层振动台试验研究

以西部高烈度地震区浅埋公路隧道为依托,通过大型振动台模型试验,研究隧道穿越软硬围岩段在地震荷载作用下设置减震层的动力响应特性,并采用数值模拟方法对试验结果进行验证分析。试验及数值计算结果表明,从洞身段来看,减震层厚度存在最优值;从穿越软硬围岩段来看,增加减震层厚度可降低隧道沿纵向的动力响应差异,但加速度峰值会有所上升;拱顶围岩和隧道衬砌结构加速度响应频谱曲线均表现出“三峰值”现象,设置减震层并不会显著改变围岩频谱特性,衬砌结构也不显著体现自振特性,其响应主要取决所穿越围岩的动力特性;减震层处于最优值时可通过吸收更多的低频组分来降低隧道的动力响应;设置减震层可显著降低二衬动应力,但会使初支动应力呈现不同程度的放大,随减震层厚度的增加,二衬动应力先减小后增大,初支动应力先增大,后呈降低趋势;通过观察衬砌破坏形态,隧道拱顶、拱脚和仰拱易发生开裂,设置减震层后,仰拱相对容易发生破坏,应给予重点关注。研究成果可为西部高烈度地震区浅埋隧道抗震设计提供参考。     

穿越黏滑错动断层隧道减震层减震技术模型试验研究

为研究断层黏滑错动因素影响下隧道初支和二衬之间设置减震层的减震技术,开展了不同减震层厚度的大型模型试验。首先制定了试验方案,主要包括相似系数、试验装置及材料、试验分组及测试方案。然后,介绍了试验过程。最后,对试验数据进行了分析,主要从结构内力、纵向应变及接触压力3个方面进行研究。试验结果表明：断层黏滑错动对上盘部分的影响远大于下盘部分;减震层对上盘部分隧道结构的减震效果明显好于下盘;减震层（10 cm）工况减震效果明显优于减震层（5 cm）和减震层（20 cm）工况,推荐使用在初支与二衬之间设置厚为10 cm减震层的减震方式。研究成果对于穿越黏滑断层隧道的减震设计及减震技术有着重要的意义。     

跨断层隧道设置常规抗减震措施振动台试验研究

针对跨断层隧道洞身段设置抗减震措施开展振动台模型试验研究.通过分析围岩与隧道结构的地震加速度响应、地震动应变反应以及隧道结构的震后破坏形态,对设置减震缝、减震层和无抗减震措施3种情况进行对比研究.结果表明:新型滑动装置在单一模型箱内能够较好地模拟断层错动,从而实现对模型系统的非一致性地震激励;断层错动能够引起隧道结构横断面大范围的破坏,因此跨断层的隧道结构必须设置抗减震措施;减震缝可以使隧道结构发生相对变位以降低结构的地震动应变值;减震层材料的缓冲作用可以削弱隧道结构因受围岩约束而产生的受迫振动,从而降低地震动应变值;减震层的减震效果优于减震缝,但是要充分发挥二者的抗减震作用,还需提高衬砌混凝土的强度;拱肩、拱脚和仰拱是隧道结构抗震加固的重点部位.研究结果有利于隧道结构新型抗减震措施的开发,以及为跨断层隧道结构的抗震设防提供参考.     

高烈度地震区隧道设置减震层的减震原理研究

现场调查表明:汶川大地震震区隧道结构受到比较严重的破坏,严重影响了灾区救援和重建,可见传统的隧道抗震技术已不能保证高烈度地震区隧道结构的安全,为此利用波动理论对隧道减震层减震模型进行研究,推导地震波沿隧道结构轴线方向作用下的减震计算公式,研究减震层厚度、减震层弹性模量、减震层刚度和地震波输入频率等参数对隧道减震效果的影响,并通过室内模型试验验证隧道减震层减震模型的减震效果。研究成果可为高烈度地震区隧道结构减震设计提供参考。     

高烈度地震区黏滑断层隧道减震层减震模型试验研究

为提高高烈度地震区黏滑断层隧道的抗震性能,依托都汶高速龙溪隧道F8黏滑断层段,开展了不同厚度减震层的大型静力断层黏滑错动试验和强震震动动力试验,对强震作用下黏滑断层隧道减震层减震技术进行研究。研究结果表明:强震作用下断层黏滑错动对隧道上盘部分的影响程度及影响范围均大于下盘部分,隧道上盘部分是抗震设防设计的重点段落;隧道设置10 cm减震层的减震效果明显优于隧道设置5 cm减震层和15 cm减震层的减震效果,推荐布设厚度为10 cm的减震层。研究成果对提高高烈度艰险山区穿越黏滑断层隧道的抗震性能提供了技术支撑。     

平面SV波垂直入射下浅埋双圆隧道复合衬砌解析解及减震力学机理分析

基于波函数展开法,给出了平面SV波入射下地下半空间弹性介质中圆形双洞复合式衬砌洞室动应力集中系数解析解,建立了小净距隧道减震层力学模型,并深入研究了低频SV波入射下洞室间距和减震层对衬砌动应力集中的影响。分析结果表明：洞室间距对衬砌的动应力有显著影响,随着洞室之间距离增大,左右洞室衬砌动应力集中系数降低;当洞室间距小于4倍洞室直径时,必须考虑双洞的相互影响;洞室中间部分围岩动应力集中系数较大;在围岩和衬砌间设置减震层,由于减震层刚度低,可以减小围岩对隧道的径向作用力,减震层可以降低衬砌动应力20%左右,但同时围岩切向动应力增大。     

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。     

含滑移界面复合式衬砌隧道地震响应边界元模拟

采用一种高精度间接边界元方法(IBEM),求解了平面P、SV波入射下“围岩-减震层-浅埋衬砌隧道”体系地震响应及动应力集中效应。引入接触-滑移界面模型,模拟复合式隧道衬砌与围岩之间接触状态。结果表明: 总体上看,随着界面滑移刚度因子增大,衬砌内壁动应力集中因子(DSCF)增大,无滑移状态下应力放大更为显著;SV波入射下,衬砌外壁DSCF则随滑移刚度因子增大而减小;P波垂直入射下,低频情况在隧道左右两端动应力集中十分显著,高频时则在隧道下部应力更为集中。另外,减震层的存在可有效降低衬砌动应力集中效应,随着入射频率增加,减震效果越好,隧道衬砌受力更为均匀;适当降低减震层弹性模量和加大减震层厚度,可取得更好的减震效果。     

高地震烈度区粉土地基抗液化及隧道抗震研究

昆明东外环下穿隧道工程是昆明南火车站枢纽工程中的一个重大项目,在勘察过程中发现K2+100~K2+200隧段含两层粉土层,且其中一层紧靠隧道设计底板。由于该工程处于高地震烈度区,在地震作用下粉土极易发生液化,直接影响到上部隧道结构的稳定。针对该工程实例,利用FLAC~(3D)软件开展了高地震烈度区粉土地基抗液化及不同隧道衬砌混凝土强度等级与衬砌厚度等条件下的隧道抗震研究。计算结果表明,在设计地震动加速度为0.2 g的条件下,该工程粉土地基超孔压比约为0.2,粉土地基不会发生液化;随着衬砌厚度的增加,衬砌弯矩和剪力总体呈现增长趋势,而混凝土强度等级的变化对衬砌的受力影响很小。分析结果初步揭示了可液化土中隧道结构的抗震特性,可为设计所参考。     

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。     

高地温隧洞温度场数值模拟研究

以新疆某水电站高地温引水发电隧洞为依托,对高地温段引水发电隧洞在有无EPS保温隔热层下的温度场分布进行模拟研究。结果表明,距离隧洞中心越远,在有、无EPS保温隔热层条件下隧洞的温度均越高;EPS保温隔热材料厚度依次取3、5、10cm时,隧洞衬砌支护结构温度梯度明显降低,且在EPS保温隔热层处温度发生突变,突变处温度幅值依次为20.6174、26.7323、39.3442℃;EPS保温隔热层越厚,衬砌支护结构温度梯度越小,与现场实测结果极为吻合。鉴于此,在高地温引水隧洞施工过程中,可在二次衬砌前施做保温隔热层,用于阻断来自围岩深处的高温,从而降低衬砌支护结构与洞内环境温度的温差,减小二次衬砌结构所受到的温度应力,为高地温引水隧洞降温措施的设计与施工提供理论依据。     

济南粉质黏土中隧道地震动力响应试验研究

为了解济南典型地层及地铁隧道结构的地震动力响应特性,进而把握地铁隧道的抗震性能,首次使用济南粉质黏土作为模型土,开展了一组济南人工波输入情况下的振动台模型试验。试验结果显示:人工波在试验地层中加速度放大系数随测点埋深呈现反“之”字形规律;隧道结构变形主要受地层变形控制,地层水平变形随埋深增大而减小;济南粉质黏土层自振频率随着输入地震波强度增大而减小,阻尼比随输入地震波强度增大而增大。砂层自振频率随着输入地震波强度增大呈现先减小后增大的趋势,阻尼比呈现先增大后减小的趋势。这些结果可对济南地铁隧道的抗震设计提供重要的参考。     

浅埋交叉隧道地震动力响应及减震措施研究

运用ADINA软件中的Newmark直接积分法和Mohr－Coulomb弹塑性模型,计算了交叉隧道运行期,在不同地震动波和不同方向地震激励作用下,隧道顶部不同覆土厚度时动力响应规律;分析了衬砌厚度变化对隧道地震反应的影响。计算结果表明:垂直于隧道轴线方向的地震波对隧道结构影响最大,对于立体交叉隧道最大位移、最大加速度一般发生在上部隧道顶板中间位置处,而最大主压应力一般出现在隧道顶板与边墙连接处,这些部位是结构安全的关键点,设计时应重点关注;随着隧道顶部覆土厚度的增加结构相对位移、加速度和应力都有所增加,且位移和应力变化比加速度大,当覆土厚度增加到一定程度时,响应将基本趋于稳定;随着衬砌厚度的增加结构最大相对位移和应力逐渐减小,而加速度将逐渐增大,但减小和增大幅值随衬砌厚度增加而越来越小。     

嘎隆拉隧道洞口段地震响应大型振动台模型试验研究

 洞口段为隧道抗震关键位置,极其容易发生地基失效及结构破坏。通过对嘎隆拉隧道洞口段轴向100 m开展大型振动台模型试验研究,研究结果表明：土体对其卓越频率附近的地震波有明显的放大作用,对地震波高频部分有滤波作用;地震时隧道与土体同步振动,不表现出自身的固有振动频率,惯性力对地下结构地震反应影响不大,故隧道抗震研究的重点是地震下围岩的失效防治,结构抗震设计主要目的是减小围岩失效对隧道产生的破坏;减震层和抗震缝的设置都不会改变结构地震反应的频谱特性,但设置减震层后,结构的峰值加速度增加,加速度放大系数不能作为减震效果的评判依据。研究成果对隧道的抗震设计和减震设计有重要工程应用价值。