隧洞穿越活断层抗断技术及应用

文章对隧洞穿越活断层抗断应对技术措施进行了梳理探讨,认为超挖设计、铰接设计、消能设计及新材料应用等措施是当前隧洞抗断的主要措施。结合每种措施的实际应用效果,归纳并建议相关应对措施的适用条件。结合近期启动的"水资源高效利用"国家重点研发计划课题"隧洞穿越活断层围岩-衬砌灾变机制及抗断技术"研究项目,以云南滇中引水工程香炉山隧洞和新疆某水利工程KS隧洞为例,介绍了隧洞穿越活断层结构设计,为输水隧洞穿越活断层的抗断设计提供参考。     

深埋大直径无压引水隧洞基于流变的风险分析

以南水北调西线工程深埋大直径无压引水隧洞为例，考虑高地应力及锚杆、衬砌等支护的动态作用，推导出隧洞围岩、衬砌应力及位移的表达式．经计算表明，一般在运行5年后，隧洞衬砌及围岩稳定破坏基于流变的风险达到最大，并随围岩流变的稳定而趋于稳定，隧洞开挖后未及时衬砌的风险明显高于及时衬砌的情况．     

南水北调中线穿黄工程安全监测设计

穿黄工程是南水北调中线的关键工程，穿黄隧洞为大型水工隧洞，采用盾构法在河底软土地层中穿越，所采用的复合衬砌结构型式为首次应用，无论在施工期、隧洞充水检查期，还是在正常运行期，都必须确保工程安全。针对穿黄隧洞的复杂地质条件，根据隧洞输送流量大、断面尺寸大、内水压大的结构特点，工程安全监测设计在隧洞中按多断面、多种监测仪器进行布置，并且实现了自动化监测，以确保工程从建设到运行的各个时期，均能及时、准确地掌握工程安全性状的演变过程，为分析、评价工程安全和决策提供可靠依据。     

全面安排突出重点做好南水北调西线规划

南水北调西线工程地处青藏高原东南部，规划从长江上游调水170亿^3，经输水隧洞穿越分水岭巴颜喀拉山人黄河上游。由于工程区寒冷缺氧、地质条件复杂，西线工程涉及一些世界前列的关键技术。因此，抓住这些关键问题，全面安排，突出重点，以做好南水北调西线规划。     

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。     

穿黄盾构隧洞新型复合衬砌结构特性研究

为防止穿黄盾构隧洞在运行期洞内高压水从外衬管片接缝和内衬变形缝外渗,从而诱发洞外围土渗透破坏,确保隧洞能安全稳定运行。采用三维有限元分析和1〖DK（〗∶〖DK）〗1仿真物理模型试验的方法,对穿黄隧洞复合衬砌结构的特性进行了试验研究,探讨了结构型式、破坏机理和风险预防措施以及有关工程应用的具体问题;研究了盾构隧洞复合衬砌3种结构形式的7个具体方案。提出了预应力盾构隧洞结构型式,研发了拼装式管片环与预应力结构相结合的新型复合衬砌型式。这种创新结构设计型式在盾构隧洞工程中尚属首例,可为同类工程参考。     

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。     

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。     

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。     

南水北调西线第一期工程深埋长隧洞施工的几个技术问题

南水北调西线第一期工程隧洞长244.1km。工程中的重大技术问题研究，如开挖出渣方案，支洞与坚井布置，通风方案，涌水处理，穿越断层破碎带，穿越活断岩，岩爆等已取得初步成果，从而使工程的进一步实施成为可能。     

引松隧洞预应力钢筋混凝土衬砌结构计算分析

针对吉林省中部城市引松供水工程机械式后张法预应力钢筋混凝土衬砌输水隧洞工程,采用普通解析法和弹塑性有限元2种计算方法,对预应力钢筋混凝土衬砌进行了计算对比分析,提出了有限元计算结果是合理可行的.计算结果表明:对于本工程线路穿越沟谷及波状台地区的多段浅埋有压隧洞,采用预应力混凝土衬砌结构是切实可行的.对于预应力钢筋混凝土...     

南水北调工程抗震安全性问题

南水北调工程的东线、中线和西线三条调水路线联系了我国长江、淮河、海河和黄河四大江河,全长超过3000km。各线路所经大部分地区都属峰值加速度在0 1g以上的较强地震区,尤其西线更甚。本文强调指出南水北调工程抗震安全的重要性及其遭受震害的严重后果,讨论了工程抗震面临的关键技术问题,诸如:长距离输水工程的地震动输入参数的选择,工程穿越活动断裂的影响,以及长距离输水隧洞和大型输水渡槽,特别是穿越黄河的工程。此外,还简略介绍了规划阶段的一些初步的抗震研究成果,包括中线工程大型渡槽的结构分析和大型振动台试验研究以及穿黄隧洞方案结构抗震分析等,提出了有待深入研究的问题。     

盾构输水隧洞预应力钢筋混凝土衬砌 结构设计研究

随着埋深不断增加,输水隧洞由埋深产生的内水压力相应增大,普通钢筋混凝土衬砌结构已不能满足承载要求。为此,对北京市南水北调中线配套工程东干渠工程的隧洞预应力衬砌结构设计进行了探讨研究。结果表明,利用现有成熟技术采用压浆式预应力复合衬砌可以满足该结构的适用性和耐久性要求。     

跨沟水工隧洞洞顶堆渣方案研究

水工隧洞工程穿越沟谷时洞顶上覆岩层厚度往往不能满足规范要求，在这种洞顶上覆岩层厚度本身不满足规范要求的条件下，沟内进行的工程活动是否会对隧洞衬砌结构的安全产生较大影响是工程总体设计人员十分关心的问题。本文以陕北地区某水工隧洞为例，运用三维有限元仿真技术，模拟计算了洞顶沟内按设计高程堆渣前后衬砌机构的应力状况，对设计堆渣方案是否会危及隧洞衬砌结构的安全做出了评价，为类似工程布置提供参考。     

三板溪水电站泄洪洞结构设计探讨

隧洞结构采用复合衬砌结构型式。结构荷载主要考虑围岩压力、灌浆压力、外水压力、自重，衬砌厚度不受内水压力控制，而决定于外水压力。衬砌的工作状态相当于一个受到约束的拱圈。     

双层复合衬砌隧洞运行安全预警监控指标研究

双层复合衬砌结构是一种新型隧洞衬砌结构型式,其外衬承受外部水土压力,内衬承受内水压力,体现了"结构联合、功能独立"的新型输水隧洞设计理念,目前该衬砌型式已成功应用到我国北方某输水工程中,如何确定双层复合衬砌隧洞安全预警监控指标是工程运行管理的重点和难点.本文基于以往研究成果,提出了工程结构监控指标及监控阈值确定的统一技...     

输水隧洞内压作用下衬砌结构破坏分析

为了避免输水隧洞混凝土衬砌在运行中可能会出现不同程度的开裂破坏现象。为评价衬砌结构安全性,有必要开展输水隧洞混凝土衬砌结构的开裂分析,并揭示其裂缝开展及分布规律。以华东地区汤浦水库有压输水隧洞为例,建立隧洞围岩-衬砌结构非线性有限元模型,研究在内水压力等荷载综合作用下衬砌结构的应力、变形状态,并通过分级加载揭示了衬砌结构在内水压力作用下的破坏模式。研究结果表明:在高内压作用下,混凝土衬砌首条裂缝出现在衬砌结构的几何转角区域;由于受裂缝区域应力释放的影响,后续裂缝开展呈现出近似对称的规律。因此,在衬砌结构设计和安全运行监测时应对结构几何转角区域给予足够重视。     

南水北调西线工程的主要特点

南水北调西线工程地处青藏高原东南部，规划从长江上游调水170亿m^3，经输水隧洞穿越巴颜喀拉山分水岭入黄河上游。阐述包括向干旱、半干旱的西北地区和缺水的黄河调水的必要性；从20世纪50年代到现在历经半个世纪的研究；以及工程方案技术。     

南水北调穿黄隧洞衬砌土压力离心试验研究

南水北调工程穿越黄河砂土地基的输水隧洞，拟采用盾构法施工．本文进行了两类离心模型试验，一类模拟隧洞开挖，一类模拟土—结构相互作用，对穿黄隧洞的开挖稳定问题和土—结构相互作用问题进行了初步的研究．试验结果表明：由于强烈的拱效应作用，隧洞周围的砂土能够在远小于原位土压力的支护压力下保持稳定；当隧洞衬砌与周围上体有一个初始间隙（盾尾间隙）时，土作经过位移和与结构发生相互作用，最后作用在衬砌结构上的土压力远小于原位土压力．     

盾构高压输水隧洞新型半埋式钢管复合衬砌结构研究

目前高内水压力的输水盾构隧洞基本是采用分离式双层衬砌结构,是当前最安全的结构模式,但不一定是最合理的。该文提出了一套盾构输水隧洞新型半埋式钢管复合衬砌结构,该种衬砌结构为:盾构管片外衬、钢管内衬、内外衬间不全部填充自密实混凝土及软垫层设置于内衬钢管外表面。基于新型半埋式钢管复合衬砌结构,利用ABAQUS有限元分析软件,分析了不同自密实混凝土填充程度,不同软垫位置等条件下,钢管内衬应力,填充自密实混凝土应力及外衬盾构管片的变形。根据计算结果,新型半埋式钢管复合衬砌结构,可以有效控制盾构外衬的变形及自密实混凝土的应力。同时,半埋式钢管复合衬砌受力明确,且有利于隧洞排水,可为高压输水隧洞结构设计提供参考。