行波效应下曲线隧道动力响应解析解

隧道曲率变化段是制约隧道结构抗震安全性的关键控制区段,但目前隧道抗震设计仅以横断面剪切变形为主,未考虑隧道沿纵向的曲率半径变化,缺乏针对曲线隧道的纵向抗震简化分析方法。将曲线隧道沿纵向简化为作用在黏弹性地基上的变曲率有限长均质Euler-Bernoulli梁,基于Hamilton原理及黏弹性地基梁理论建立了结构的微分动力控制方程及边界条件,并通过模态叠加法进行求解,推导出任意动载作用下曲线隧道的位移、速度、加速度、弯矩、剪力等动力响应的解析表达式,以行波荷载为例,给出行波效应下曲线隧道动力响应的退化解答。通过与有限元基准模型在相同条件下的对比分析,验证了所推导解析解的正确性。最后应用该解析公式进行参数敏感性分析,揭示了隧道曲率半径、行波波速、行波频率及地层–结构相对刚度比等关键因素对曲线隧道结构动力响应的影响规律。     

土岩变化地层长隧道纵向地震响应解析解

土岩地层交界面是制约长隧道结构抗震安全的关键控制节点,但现有设计方法均未考虑隧道沿其纵向的地层变化。基于隧道的动力响应特点提出力学模型,将隧道沿纵向简化为两段处于不同地层条件中的半无限长弹性地基梁。通过求解结构的位移微分控制方程,推导出土岩变化地层长隧道纵向地震响应的解析表达式,并引入位移相位角模拟行波效应,提出了面向工程设计的土岩变化地层长隧道纵向抗震简化分析方法。通过与有限元基准模型在相同条件下的对比分析,验证了该方法的有效性。最后应用该解析公式进行参数敏感性分析,揭示了结构刚度、地层剪切波速比等关键因素对土岩变化地层隧道结构地震响应的影响规律:隧道结构刚度越大,结构内力响应越剧烈,隧道地层突变段的内力峰值差越大,地层突变的影响范围也随之变宽;地层剪切波速比越大,隧道地层突变段的内力峰值差越大,但地层突变的影响范围却不受影响。     

基于可拓理论的隧道洞口段动力响应规律研究

隧道洞口段存在偏压浅埋、围岩破碎等情况,为探究隧道洞口段在地震作用下的动力响应规律并给出安全性定量评估指标,以雅万高铁6号隧道为依托建立数值模型,分别输入雅万人工合成波、EI波、KB波以及WL波4个地震波,基于可拓理论,建立可拓物元模型,对采用数值模拟方法得出的隧道洞口段在最不利地震波作用下的弯矩、轴力、相对位移、加速度4个安全评估指标结果创建分区,以综合定量指标对雅万高铁6号隧道洞口段进行安全性评估,并提出了抗震设防长度。同时,分析了在不同地震波作用下的雅万高铁6号隧道洞口段的动力响应规律。结果表明：(1)在雅万人工波作用下,隧道各评估点动力响应程度约为其余3种天然波作用下动力响应程度的1.2倍;(2)各地震波计算所得4个评估指标沿纵向方向变化规律基本相同,轴力及弯矩峰值均出现在拱肩拱脚位置,相对位移峰值均发生在洞口处仰拱至拱顶测线,评估指标峰值发生时刻略微滞后于地震波峰值加速度对应时刻;(3)在雅万人工合成波作用下,雅万高铁六号隧道洞口段抗震设防长度为45～55 m,为隧道洞径的3.5～4倍。研究成果可为通过综合定量指标对隧道洞口段进行抗震安全性评估提供参考。     

隧道洞口浅埋段和断裂黏滑段抗震设计计算方法及试验研究

以汶川地震隧道震害为研究背景,结合我国公路和铁路隧道抗震设防现行规范及抗震设计的现状,对目前我国隧道抗震设计中亟待解决的问题(山岭隧道洞口浅埋段地震动峰值加速度确定方法、洞口浅埋段纵向和断裂黏滑隧道抗震设计计算方法、断裂黏滑隧道减震技术)进行研究,主要研究成果有:(1)建立基于地形效应的山岭隧道洞口段地震动峰值加速度确定方法。首先,通过对汶川地震隧道洞口段震害基础资料和文献调研资料进行理论分析,确定影响山坡基岩覆盖层地震动峰值加速度传播规律的主要影响因素(山坡地形地貌、覆盖层及地震波参数等),采用单因素分析方法,揭示各主要影响因素对山坡基岩覆盖层地震动峰值加速度传播的影响规律;然后,通过系统分析各主要影响因素对山坡基岩覆盖层地震动峰值加速度传播的影响规律,采用包络线数值分析技术,探明地形效应的影响规律,初步构建基于地形效应的山岭隧道洞口段地震动峰值加速度确定方法。最后;采用三方向、六自由度大型振动台开展动力模型试验研究,选取代表性工况(坡率1∶2)为研究对象,输入标准化后的7,8,9度汶川地震卧龙测站地震波(经相似比转换)进行试验。通过对试验数据的整理分析,对之前研究进行检验并修正,最终建立基于地形效应的山岭隧道洞口段地震动峰值加速度确定方法。(2)建立隧道洞口浅埋段纵向和断裂黏滑隧道抗震设计计算方法。基于反应位移理论的基本原理,结合隧道洞口浅埋段纵向和断裂黏滑隧道结构特性的分析,分别采用弹性地基梁和壳单元模拟隧道洞口浅埋段和断裂黏滑段隧道结构,通过理论推导,建立隧道洞口浅埋段纵向和断裂黏滑隧道抗震设计计算方法。通过动力时程法对其进行检验,理论解均比数值解偏大,幅度小于20%,故隧道洞口浅埋段纵向和断裂黏滑隧道抗震设计计算方法在计算精度、结构设计安全方面符合隧道结构抗震设计的要求,可为隧道洞口浅埋段纵向和断裂黏滑隧道抗震设计提供参考。(3)研究断裂黏滑隧道减震技术。针对断裂黏滑隧道的震害特点,成功试制倾斜正断裂倾向错动试验箱,并对采用减震缝或减震层的6种减震方式(不设抗减震措施;初支不设抗减震措施,二衬设减震缝,间距为9,12 m;初支和二衬交错设减震缝,间距为12 m;减震层厚度为10,20 cm;初支和二衬交错设减震缝,间距为12 m,减震层厚度为10 cm)进行静力黏滑错动模型试验研究。试验结果表明:初支和二衬交错设减震缝(间距12 m)与减震层(厚度10 cm)共同施设工况、初支和二衬交错设减震缝(间距12 m)工况和二衬设减震缝(间距12 m)工况的减震效果相差不大,从施工方便性、经济性考虑,推荐使用二衬设减震缝(间距12 m)的减震方式。     

山岭隧道跨断裂带段及洞口段地震响应大型振动台模型试验研究

为研究地震作用下山岭隧道跨断裂带段及洞口段的动力响应及其破坏机制，以国道318线康定折多山隧道工程为背景，设计并开展隧道长达8 m的大型地震动模拟振动台试验，对比分析处于不同围岩条件中衬砌结构的动力响应规律及其破坏机制，研究结果表明：在本次振动台试验中，隧道衬砌结构的加速度、动土压力以及应变等响应主要受周围围岩条件的影响，其所处的围岩质量越差地震反应越强烈。在三向地震作用下，隧道衬砌结构的PGA放大系数随着地震波幅值的增加逐渐减小，各部位间动土压力和应变差值逐渐增大并进入偏心受力状态，横截面共轭45°为主要受力方向。此外，衬砌结构的纵向破坏由洞口处向深部围岩发展，且各段衬砌具有相同的破坏机制，即破坏过程为自“仰拱→拱脚→拱肩→拱顶”发展。对比分析处于不同围岩条件中衬砌结构的最终破坏形态，洞口和断裂等围岩条件较差段衬砌结构的震害较为严重，且下部结构的震害明显比上部结构严重。因此，在实际工程中需重点关注洞口段和断裂带段衬砌结构的抗震设防，加强衬砌仰拱、拱脚等下部结构的加固设计。     

山岭隧道纵向抗震数值分析

利用ANSYS软件进行了隧道结构在地震波作用下的应力分析,通过具体实例,研究分析了在山岭隧道中,衬砌结构和地震波各因素对结构纵向抗震的影响,得到了在不同衬砌厚度,不同剪切波速以及不同剪切波方向下隧道结构的动力反应规律。     

行波效应下曲线隧道动力响应解析解

隧道曲率变化段是制约隧道结构抗震安全性的关键控制区段,但目前隧道抗震设计仅以横断面剪切变形为主,未考虑隧道沿纵向的曲率半径变化,缺乏针对曲线隧道的纵向抗震简化分析方法.将曲线隧道沿纵向简化为作用在黏弹性地基上的变曲率有限长均质Euler-Bernoulli梁,基于Hamilton原理及黏弹性地基梁理论建立了结构的微分动...     

山岭隧道地震动力响应规律的三维振动台模型试验研究

 以国道318线黄草坪2#隧道为原型,开展大型三维振动台模型试验,重点研究隧道结构的地震动力响应规律及隧道与围岩的相互动力作用。通过对模型试验的关键技术研究,建立一套山岭隧道大型振动台模型试验设计、制作、加载及测试的工艺与方法流程。模型震害分析表明：隧道洞口边坡以开裂和滚落石震害为主,坡面加速度沿高程方向递增且具有一定的放大效应,在坡面原生裂缝和薄弱部位极易出现震害;隧道结构以衬砌开裂和掉块震害为主,初期支护和二次衬砌出现裂缝的部位不同,但钢筋网能够有效地阻止裂缝的发展。模型试验结果表明：隧道结构的加速度响应要大于周边围岩且对周边岩土体的加速度响应有一定的放大效应;对于一般的硬岩质山岭隧道来说,隧道洞口段0～50 m范围的加速度响应较大,为隧道抗减震设防的重点区域;山岭偏压隧道横向不同部位的地震动力响应存在明显差异;当地震波从隧道底部小角度入射时,隧道结构的加速度响应最强烈,对隧道结构的安全性是非常不利的;随着加载地面峰值加速度(PGA)的增大,隧道不同部位的加速度响应增大,但当隧道结构进入非线性破坏状态后,PGA呈减小趋势,地震能量逐渐被耗散。     

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。     

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。     

考虑转动错台偏载作用的盾构隧道纵向变形解析法

基于盾构隧道转动错台模型,提出了一个能够评价偏载作用下隧道纵向变形的位移假设函数,同时结合最小势能原理推导出位移解析解,进而可以计算环间错台和转动变形.依据工程算例,将文中方法和数值模拟的结果进行对比,以此验证了该方法的合理性.研究结果表明偏载工况下,沉降和错台曲线具有明显的非对称性;当隧道轴线由与堆载长边方向平行逐渐...     

Improved analytical model for circumferential behavior of jointed shield tunnels considering the longitudinal differential settlement

Differential settlements of the shield tunnel along the longitudinal direction can significantly affect the circumferential behavior of segmental lining, degrading both the structure safety and serviceability. In this paper, the authors introduce both the shearing effect and flattening effect on the tunnel cross section, which was caused by the longitudinal differential settlement, into an existing analytical model of jointed shield tunnels. An example is then presented to illustrate the variation of the circumferential behavior of segmental lining, including both the structure safety and serviceability, along the longitudinal position. Finally, a series of parametric studies are performed to investigate how factors such as tunnel longitudinal settlement, property of surrounding ground, and the design parameters of segmental lining affect the circumferential behavior of the segmental lining.     

不同地质条件下盾构隧道受力变形特性研究

针对天津滨海地区盾构隧道衬砌结构,采用大型有限元软件ABAQUS建立三维地层-结构模型,考虑隧道管片材料非线性特征,利用混凝土材料的塑性损伤本构模型,研究地层和隧道结构相互作用后隧道管片结构内力分布与变形特征,以及隧道管片受拉和受压损伤情况。最后,研究不同地质条件和超载作用对隧道管片结构的影响。数值分析结果表明：隧道管环横截面变形表现为水平向外扩张、竖向压缩的特点,呈现“横鸭蛋”形状;隧道管环拱顶轴压力最小,拱腰轴压力最大;管片外侧受拉时最大弯矩位于拱腰,内侧受拉时最大弯矩位于拱顶;受拉和受压损伤分布均集中在拱底附近,其中管环受压损伤面积比受拉损伤面积大;地质条件越好,变形随轴线方向变化越均匀,轴力和弯矩、隧道结构竖向位移、横截面收敛变形,以及管环损伤面积与损伤程度越小。研究结果以期为进一步探讨隧道衬砌结构的变形性能与损伤分布提供参考。     

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。     

新型铁路隧道门洞口段结构受力特征现场试验研究

现有的铁路隧道洞门的设计只是经验性地照搬标准图的模式,而对新型隧道门的研究是必要的。一种新型隧道门在满足它的美学效果、环境保护等功能外,更重要的是应保证隧道洞口结构受力后的安全性。对采用新型隧道门的洞口段围岩压力和衬砌内力进行现场测试,并将单线斜切式隧道门洞口段的现场试验结果与模型试验和有限元数值计算结果进行比较,探讨了洞口段围岩压力分布和衬砌结构受力特征。研究结果表明:斜切式隧道门洞口段围岩压力和衬砌内力从洞口向洞内逐渐增大,其大小随覆盖层厚度增大而增大,围岩压力在仰拱处最大;衬砌结构处于复杂的三维受力状态,既有横向轴力、弯矩,又有纵向轴力、弯矩,其受力特征类似于壳体结构,因此,按壳体结构设计比较合理。     

Shaking table tests on seismic measures of a model mountain tunnel

A series of three dimensional (3D) shaking table tests were carried out to investigate the mechanism and effect of seismic measures of mountain tunnel using a scaled model based on a real tunnel. Key technical details of the experiment, including similarity relations, seismic measures simulation, boundary conditions, sensor layout, modeling methods, and ground motion input were presented. Main seismic measures, including reinforcing surrounding rock with anchors, increasing lining flexibility with steel wire mesh, and installing seismic isolation layer between reinforced surrounding rock and tunnel lining, were investigated in this study. Experiment results show that: (1) adding a layer of steel wire mesh in the tunnel lining can improve the flexibility and seismic performance and also may effectively prevent radial cracks from crossing the lining; (2) installing a geofoam isolation layer between the reinforced surrounding rock and the tunnel lining reduces dynamic earth pressure by 70–90% for the lining without a seismic isolation layer; (3) the flexible joints can effectively avoid global failures of tunnel lining for they reduce dynamic strain and bending force in the tunnel lining and decrease the seismic energy transmission along the lining in axial direction; (4) reinforcing surrounding rock with anchors significantly reduces dynamic earth pressure and strain of the lining by about 50%. In addition, the length of seismic reinforcement for general mountain tunnel portal is recommended to be 50 m from the tunnel portal along the axial direction.     

水下盾构隧道抗震设计分析方法的适应性研究

 针对断面大、水头高，结构复杂的水下盾构隧道，通过分析其在横向和纵向结构特点，提出了合理的抗震设计方法。在地层条件较均匀的横断面，通过成层重复反射理论，计算出工程场地地层的实际地震响应，采用反应位移法对隧道典型断面进行地震反应分析，再将其结果与静力计算结果叠加后作为抗震设计的依据。纵向则考虑线状结构特点、沿隧道纵向地层的不均匀性、地震行波效应和边界效应等方面的因素，应用三维时程响应法加以计算分析。对2种方法的特点、适用条件和分析流程进行了系统阐述，并将其应用于越长江盾构隧道工程，揭示了该典型水下盾构隧道的动力响应特征及抗震的薄弱部位。     

盾构隧道施工对已建平行隧道变形和附加内力的影响研究

以盾构隧道装配式衬砌结构为研究对象,引入各向刚度不等的连续材料模型,按变形等效原则对不连续的隧道结构横向和纵向的刚度分别进行了等效折减,采用室内相似模型试验和三维有限元数值分析相结合的手段,以广州地铁三号线大沥区间盾构隧道工程为背景,对新建隧道施工所引起的已建平行隧道纵向变位、纵向附加轴力和弯矩、横向变形、横向附加轴力和弯矩进行深入研究,探讨和揭示围岩条件,隧道净距,顶推力等因素对已建平行隧道的变形和附加内力分布变化规律的影响.研究结果表明,新建盾构隧道施工所引起的已建隧道的影响主要集中于邻近新建隧道侧的拱腰附近,在软弱地层保持一定的隧道净距是必要的,盾构顶推力需控制在一定范围内,具体视围岩、净距以及可能造成的位移、相对变形和附加内力情况而定.     

北京地铁运营隧道病害状态分析

基于北京地铁隧道病害检测结果,分析结构形式、配筋和运营时间对隧道病害状态的影响。研究结果表明,管片接缝变形是盾构隧道病害的根源,并由此引发了盾构断面的椭圆化变形、管片的压溃与错台以及盾构隧道的渗漏水。衬砌开裂是矿山法隧道的主要病害,裂缝宽度与深度受运营时间影响大且具有离散性强、随机性大的特点,配筋对隧道结构安全有积极影响。渗漏水受降水的影响较大,多出现于隧道衬砌结构的缝隙,如盾构隧道的接缝、螺栓孔或矿山法隧道的变形缝、施工缝和衬砌裂缝等。衬砌空洞多位于拱顶,形状接近于长条形、正方形和椭圆形,且多伴随着邻近衬砌的开裂。混凝土碳化深度与运营时间成正比,碳化深度和速率在隧道道床位置最大、边墙次之、拱顶最小。裂缝是整体式道床的常见病害,道床在剥离的同时还伴随沿其纵向的扭转。     

穿越软硬突变地层盾构隧道纵向地震响应振动台试验研究

 为探讨穿越软硬突变地层盾构隧道纵向地震响应特性,基于纵向等效刚度模型,开展几何相似比为1∶40的振动台模型试验,研究软硬突变地层加速度以及隧道结构加速度、应变响应频谱特性,并采用数值模拟手段对试验结果进行验证。试验及计算结果显示：软硬突变地层及赋存其中的隧道结构加速度响应频谱曲线吻合较好,均表现出“双卓越频率”现象;输入地震频率接近坚硬地层主频时,软硬突变地层加速度放大倍率随埋深减小不再单调递增;软硬突变地层中结构应变显著增大,最大应变出现在地层软硬交界面软土一侧,隧道纵向应变增大区域分布于软硬地层交界面两侧2.5～3.5倍隧道直径范围内;应变响应从大到小依次为拱顶、拱底、拱腰,地层突变处隧道断面顶底应变差以及两侧拱腰应变差较均匀地层显著增大,软硬突变地层不仅增大了隧道纵向内力,也改变了其纵向整体弯曲方向。研究结果将为进一步揭示盾构隧道纵向地震响应特性及盾构隧道纵向抗、减震设计提供有益参考。