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。     

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。     

长距离隧洞穿越活动断裂带的结构安全监测体系和布置设计

长距离输水隧洞等线路工程建设将不可避免地穿越活动断裂带,引发隧洞结构变形失稳风险。可靠的结构安全监测方案是有效监控隧洞结构安全状态、评价抗错断措施适应性的必要手段,目前还少有与隧洞穿越活动断裂带结构安全监测体系相关的研究。针对该问题,提出了过活动断裂带隧洞结构安全监测的“五适应”设置原则,即：与现行规范或技术标准相适应、与活动断裂带活动特征相适应、与隧洞结构变形规律和破坏特征相适应、与抗断措施相适应、与隧洞开挖施工方法相适应。然后,以滇中引水工程香炉山隧洞为对象,根据断裂带蠕滑作用下的隧洞结构变形破坏规律,开展了基于“五适应”设置原则的安全监测体系和布置设计研究。研究认为香炉山隧洞在穿越丽江-剑川断裂时,应以围岩变形、接缝开合度等为主要监测项目,以接缝剪切压缩量和混凝土压应变等为基本监测内容,以影响带-主断带的交汇区域为重点关注区域,以位错计、错缝计、应变计和压力计为监测仪器,并明确了与监测对象同步实施的布置时机。由此建立隧洞穿越活动断裂带的结构安全监测体系,为隧洞过活动断裂带的安全监测布置设计提供了有益的思路。     

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。     

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。     

断裂作用对输水管道的影响效应研究

输水工程不可避免地要穿越活动断裂带地段,容易受到断裂带上下盘错动影响产生变形破坏,危及工程安全。通过依托引汉济渭二期南干线输水管道工程,构建穿越秦岭北缘活动断裂带输水管道的三维数值模型,研究输水管道在断裂作用下的变形规律、力学响应和破坏特征,揭示断裂活动对输水管线的破坏机理。结果表明,断裂带的错动会使管道中部发生沉降变形,且变形呈对称分布并随着断裂带错距的增大而增大;断裂带区域管道顶部与底部出现压应力与拉应力集中,在两侧部位出现剪应力集中;管道剪应力在断裂上下盘附近呈反对称分布,同时侧壁中线剪应力峰值随着与管道错距增加而增加。此研究成果可为后续秦岭北缘活动断裂区域修建输水工程提供技术参考。     

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。     

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。     

基于数值模拟断层错动对输水隧洞结构的影响研究

文章依据经过地震断裂带隧洞工程实例,利用有限元软件建立了考虑不同断层错动的隧洞有限元模型,并根据断层错动类型和错动位移大小进行了正交数值试验。结果表明：断层错动在不同工况下的应力分布在同一截面中趋势基本一致。拱顶和拱底最大主应力峰值均出现在隧洞位置附近。逆冲断层错动主要在对隧洞拱底产生影响,倾向滑移断层错动主要对隧洞拱顶产生影响,走滑断层错动不区分拱底、拱顶,两者最大主应力在数值和变化规律上基本保持一致。三种断层错动中,走滑断层错动对隧道的影响范围最大,影响程度也最为严重,倾向滑移断层错动次之。     

关埠引水工程内水压力作用下隧洞管片受力与接缝变形研究

利用有限元软件建立关埠引水工程隧洞管片三维数值模型，系统分析了管片应力、接缝变形及螺栓应力在不同工况下的变化规律。结果表明：内水压力会显著影响隧洞衬砌管片的力学性能，随着内水压力的增大，管片应力、接缝变形及螺栓应力也随之增大，盾构隧洞衬砌管片最大拉应力为3.263 MPa,最大压应力为6.612 MPa、管片接缝变形最大为0.28 mm, TBM隧洞衬砌管片最大拉应力为0.192 MPa,最大压应力为2.952 MPa、管片接缝变形最大为0.08 mm,连接螺栓的应力变化与接缝变形能相互吻合，接缝变形越大，螺栓应力也越大，最大值为604.01 MPa。研究结果可为输水隧洞衬砌结构的设计与分析提供参考。     

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。     

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。     

ABAQUS在输水隧洞衬砌结构计算中的应用

为研究输水隧洞在地震荷载作用下结构的受力变形规律,文章采用大型有限元软件ABAQUS,对输水隧洞在设计和地震两种工况下的应力及变形规律进行分析研究,得到以下结果:输水隧洞衬砌结构在两种工况下应力最大值均位于边墙与底板的交接位置,在交接处由于结构突变产生了应力集中,结构位移在底板的跨中位置最大,其次是顶拱位置,在边墙两侧呈对称分布;在地震荷载作用下,隧洞结构应力及变形情况均大于设计工况,在底板、边墙及拱顶交接处产生塑性变形并发生破坏,并向周围扩散,在设计中应在底板、边墙及拱顶交接处采取一定的措施来防止结构破坏。结果表明,有限元ABAQUS在隧洞衬砌结构计算中准确性高,设计成果符合工程实际情况。     

岩石围岩盾构钢筋混凝土内衬高内压输水隧洞受力简化分析方法

长距离输水工程在穿越城市群时,往往需要深埋以规避地表及浅层地下的各类建(构)筑物。这种情况下盾构隧洞成为极具优势的选择方案。当这种深埋隧洞的围岩具有较好承载能力时,可以采用钢混凝土内衬与盾构组成复合衬砌,与围岩一起共同承担管道内的高内水压力。而这种隧道结构的内衬往往会发生开裂,进而改变其受力特征,此时内衬、盾构管片与围岩如何共同受力成为了工程设计的重点和难点,对此目前还没有成熟的计算方法和规程。针对钢筋混凝土受内水压开裂后的受力变形特点,提出了钢筋混凝土内衬开裂后刚度减少的等效刚度计算方法,计算在内水压力作用下复合衬砌与围岩共同作用的受力特点。结果表明:当围岩弹性模量达到2 GPa时,这种结构可以具有较好的承载能力;当围岩弹性模量达到5 GPa时,可以承担1 MPa以上的内水压力,围岩具有较好的利用价值。研究结果为盾构钢筋混凝土内衬高压输水隧洞联合受力提供了简化的计算方法。     

引汉济渭工程黄三段输水隧洞围岩变形与压力分析

以分析深埋长隧洞围岩应力和应变为目标,考虑隧洞施工方式,围岩支护形式等因素,通过数值计算,动态模拟隧洞施工过程,获取了黄三段输水隧洞初期支护后的围岩变形情况以及围岩与衬砌相互作用关系。计算结果显示:采用设计的初期支护形式,可有效控制不良洞段的围岩变形,Ⅳ、Ⅴ类围岩最大收敛变形满足规范设计要求。Ⅳ、Ⅴ类围岩与衬砌间的相互作用力随衬砌浇筑时距掌子面距离的增加而降低,但在距掌子面约4倍洞径后降幅微小。通过对比分析经验方法与数值方法所确定围岩压力成果,确定了衬砌结构设计所需的围岩压力指标,为黄三段输水隧洞设计提供了依据,分析方法可为相似工程提供参考。     

输水隧洞灌浆式预应力衬砌结构承载机理研究

输水隧洞双层混凝土衬砌之间采用预应力灌浆可以提高结构的承载能力,但此类灌浆式预应力衬砌结构的承载机理尚未得到系统阐释。基于弹性理论,采用荷载结构法,建立了考虑变形协调关系的灌浆式预应力衬砌力学分析模型。通过对衬砌结构的受力分析,揭示了预应力灌浆提高衬砌结构承载力的机理,推演了衬砌结构环向拉应力判定式,以及环向抗拉强度与灌浆预应力的关系式。利用有限元数值模拟验证了理论方法的合理性,针对工程案例分析了灌浆预应力对衬砌结构的定量影响规律。结果表明：结构能承担的最大内水压力与灌浆预应力及外部水土压力,均近似呈线性正相关,内衬结构的径向变形和环向应力随灌浆预应力的增大而减小,外衬结构的径向变形和环向应力随灌浆预应力增大而显著增大。这种考虑临界情况的分析和计算方法,揭示了灌浆式预应力衬砌结构的承载机理,可为该类型输水隧洞的力学分析和结构设计提供理论依据。     

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。     

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...