逆断层错动作用下地铁隧道结构损伤分析

以乌鲁木齐地铁隧道穿越西山活动逆断层工程为例,建立三维弹塑性有限元模型.首先模拟分析了逆断层错动作用下隧道二次衬砌塑性应变发展过程,拉压损伤因子、剪切应变的横向及纵向分布规律,计算了混凝土的裂缝宽度;其次研究了不同错动位移、隧道底部距围岩交界面不同垂直距离及不同破碎带宽度的结构损伤规律,最后进行了设置柔性接头的减灾效果研究.结果表明:二次衬砌结构破坏首先出现在拱顶;然后是拱底,最后在拱腰处累积.破裂面附近拱腰处发生拉压剪的共同破坏;远离破裂面上盘拱顶,破碎带拱底处发生受拉破坏;远离破裂面上盘拱底,破碎带拱顶处发生受压破坏.基于混凝土裂缝得到隧道拉裂破坏的严重与轻微受损区分别为10 m和30 m.错动位移越大,结构受损越严重;隧道底部距围岩交界面垂直距离越大,土层越厚,耗散能量越多,结构受损越轻;破碎带宽度越大,隧道破坏越严重,当破碎带宽度达到26 m时,破碎带宽度对隧道的影响基本保持稳定.设置柔性接头可以显著降低结构的损伤,基本满足在设防错动位移下的设计要求.     

地裂缝隧道衬砌结构与围岩相互作用机理

针对台凹型活动地裂缝正交区间隧道,通过有限差分数值方法模拟地裂缝区间隧道的开挖施工、分缝衬砌结构与地裂缝上下盘之间相对错动,从地表和衬砌的沉降位移、围岩位移场、围岩土压力以及衬砌结构内力方面分析了隧道结构与围岩的变化特征.结果表明：台凹型活动地裂缝不均匀变形主要发生在上盘内地裂缝一定范围的地层内;分缝衬砌结构端部的拱顶土压力呈现出集中增大和减小的变化特征,上盘内地裂缝附近仰拱底的土压力出现松弛;变形缝两侧衬砌结构的端部出现轴向应力集中现象.分缝衬砌结构一方面能够适应地裂缝错动位移,避免结构内力过大而引起强度破坏;另一方面,能够抑制地层的不均匀沉降变形,使得地裂缝处变形缝两侧衬砌结构的相对位移减小,并改善地裂缝区间隧道的运行条件.     

逆断层粘滑错动对公路隧道影响的试验研究

结合大量地震断层的案例,针对逆断层倾角为75°,60°,45°三种工况通过模型试验研究不同倾角逆断层粘滑错动下隧道应变分布规律和整个破坏过程.试验结果表明:断层倾角越小,上盘范围内隧道顶部的纵向拉应变越大,并且拉应变进入过载状态时的错动位移值越小.当断层倾角为75°时,隧道的主要破坏形式为直接剪切破坏;当断层倾角为45°时,隧道的破坏形式以弯曲拉破坏为主;45°倾角工况下隧道的破坏范围为上盘距离断层面2.0 D(D为隧道洞径)至下盘距离断层面0.2 D,75°倾角工况下隧道的破坏范围为上盘距离断层面0.8 D至下盘距离断层面0.4 D.     

正断层错动致地铁变形计算模型

针对正断层错动引起的地铁隧道变形破坏仍缺乏有效的理论预测模型的情况,基于不排水条件下上覆土体的变形机理,建立地铁隧道变形的计算方法.理论模型表明,影响隧道衬砌纵向线应变的参数有隧道半径、土层厚度、基岩断层错动量、断层倾角、隧道埋置深度和形状参数.正断层错动影响下,隧道拱顶衬砌分别在基岩下盘和基岩上盘一侧出现受拉区和受压区.而隧道拱底衬砌则分别在基岩下盘和基岩上盘一侧出现受压区和受拉区.随着隧道埋深的增加,需要进行拉裂破坏加固的范围逐渐缩小,并向基岩断层附近趋于集中.而随着基岩断层倾角的增加,隧道拉裂破坏加固区域则往基岩上盘一侧偏移,但加固区域的大小范围受断层倾角的影响并不显著.     

盾构隧道衬砌结构小角度斜穿地裂缝的破坏机理

从西安地铁1 #线工程背景和西安地裂缝地质环境出发,根据相似理论设计了盾构隧道管片衬砌结构30°斜穿地裂缝的物理模型试验管片混凝土应变、纵向和环向螺栓应变、结构接触土压力外围土压力、结构内部收敛位移、模型顶表面土体变形以及宏观变形破坏现象表明:盾构隧道管片衬砌结构30°斜穿地裂缝的变形破坏模式为剪切变形为主,局部有扭转变形;结构破坏范围为上盘1.25D,下盘0.75D(D为管片环外径);管片衬砌结构变形破坏不对称,管片环向处于偏压状态;环缝拱底位错量大于拱顶和拱腰,拱底最大位错量达40 mm(0.033D),模型难以适用地裂缝错动变形20 cm(0.1667 D),盾构管片衬砌结构不适用于地裂缝活动强烈的地质环境     

正断层错动下地铁盾构隧道变形破坏模型试验研究

为揭示跨隐伏断层地铁盾构隧道结构变形破坏特征,采用自主设计的模拟隐伏断层错动加载试验装置,开展1∶25几何比例的跨断层盾构隧道模型试验,分析正断层错动下盾构隧道的力学响应规律及变形破坏特征.试验结果表明：在2 cm正断层错动影响下,隧道纵向差异变形呈现非线性增大趋势,环缝接头张开变形主要位于断层下盘隧道拱顶及断层上盘隧道拱底,且环缝峰值张开量已超过盾构隧道接缝防水限值;断层延长线与隧道交界处管片直径收敛变形较为严重,该处管片呈现拱腰外侧受拉、拱顶及拱底外侧受压的受力状态;管片与地层之间接触压力受断层错动的影响较大,存在围岩挤压区与围岩松散区,但接触压力峰值相对较小;盾构隧道的主要变形破坏特征为环缝接头拉裂破损、管片纵向开裂及环缝接头变形,管片发生斜向剪切破坏及局部压溃破坏的概率较低.基于盾构隧道环纵向变形破坏特征,建议将管片环缝变形及接头混凝土拉裂破损作为界定跨断层盾构隧道结构破坏的主要控制指标.基于隧道的变形破坏模式,提出了跨断层盾构隧道结构设计及应对措施的建议.     

穿越地裂缝带地铁隧道结构应力预测方法研究

西安地处国内地裂缝发育最强烈的汾渭盆地,地裂缝的活动性会造成地铁隧道结构扭曲及衬砌面开裂并影响地铁的施工及安全运营.采用特殊材料制作几何相似比常数为1∶20的地裂缝与地铁隧道结构相互作用的隧道模型,通过对隧道模型结构应力监测数据与应力预测值进行对比分析揭示了地裂缝位错作用下隧道的变形破坏规律,并建立了地铁隧道结构应力的预测模型.试验结果表明:随着地裂缝位错量的增加,位于隧道结构上部的地裂缝上盘压力增加、下盘压力减小,位于隧道结构下部的上盘压力迅速减小、下盘压力持续增加;位于地裂缝下盘的隧道结构上部整体受拉而下部整体受压,位于地裂缝上盘的隧道结构上部先受压后受拉;位于地裂缝下盘的隧道结构沿纵向发生向下的弯曲变形致使其环向应变表现为拱底受压而拱顶和左右两拱腰均受拉的受力特点;指数平滑法对初始观测值的要求低且受异常值影响小可作为隧道结构应力预测的首选方法,当应力值达到预警值时进行报警采取适当的加固措施可保证地铁隧道的正常施工与安全运营.     

跨断层水工隧洞地震响应数值模拟分析方法

断层破碎带是影响高地震烈度区隧洞结构稳定的关键因素之一.针对地震作用下围岩与断层动力相互作用特点,建立了一种考虑多种接触状态的动接触力算法.该算法考虑了有限元模型中的点对接触和点面接触两种接触类型,可以模拟围岩与断层之间的黏结接触、静接触、分离和滑动接触4种接触状态,适合研究地震作用下围岩与断层动接触系统的非线性大滑移问题.首先,通过一滑块算例,验证了该算法的合理性.然后将此算法应用于滇中引水工程香炉山隧洞抗震稳定计算,对比分析了无断层,有断层、不考虑动接触,有断层、考虑动接触3种工况对隧洞地震响应的影响.结果表明,断层破碎带的存在加剧了隧洞的地震反应,主要表现为衬砌位移和应力的增加,以及围岩破坏区的扩大;考虑动接触后,围岩与断层在地震加载过程中,出现了明显的错动位移,进而对衬砌产生破坏作用;衬砌损伤区主要分布于断层穿过的部位及断层两侧约10 m范围内,其中上盘衬砌受断层影响较大;在横向地震动激励下,衬砌腰拱的应力和位移明显大于顶拱和底拱,为衬砌结构的薄弱部位.     

不均匀沉降下隧道与土体相互作用模型位移分析

文章以城市轨道交通及市政管道建设为研究背景,通过数值模拟对穿越不均匀沉降区域的马蹄形截面隧道与土体的相互作用进行了分析,得出研究试验模型。模型中把不均匀沉降区域分成上下盘,模型中考虑上下盘相对错位移动,模拟实际工程中的不均匀沉降。研究结果表明,随着上下盘位错量的增加,上下盘接触部位受影响的土体范围内,标志点逐渐增大,与隧道顶部接触土体的竖向位移也逐渐变大;上盘错降过程中,下盘隧道顶部沉降变形最大,上盘最小;隧道衬砌结构的变形区域出现在预设缝两侧,并且随着竖向位错的增大而增大。     

层状岩体隧道变形特征数值模拟研究

为研究层状岩体的层厚与倾角对隧道及围岩稳定性的影响,以贵州省栗木山隧道为背景,采用有限元软件ANSYS分析了层状白云质灰岩地层隧道开挖后的围岩与支护结构受力变形特征,得到了不同岩层厚度和结构面倾角时围岩和衬砌的位移云图、关键节点的位移。研究结果表明,隧道拱部竖向位移呈"V"型分布,最大竖向位移出现在隧道拱顶,最大竖向位移随岩层厚度增大而减小,存在明显的临界厚度,当岩层厚度大于0.6m,减小趋势变缓;倾斜岩层隧道围岩与衬砌位移存在明显的非对称性,岩层倾向侧位移小于另一侧,非对称性随倾角增大先增大后减小,倾角45°时最为明显,倾角大于60°时逐渐趋于平稳;拱脚和墙帮的位移受倾角变化小。层状岩体隧道支护设计、施工时应避免拱顶和非对称变形过大造成事故。     

地铁盾构隧道30°斜穿地裂缝的物理模拟试验

为了研究30°斜穿地裂缝的盾构隧道管片衬砌结构在地裂缝影响下的变形破坏模式和影响规律,从西安地铁盾构隧道工程背景和西安地裂缝地质环境出发,根据相似理论设计了盾构隧道管片衬砌结构模型试验的相似常数,对模型混凝土、模型钢筋、结构围岩、模型管片及其连接螺栓参数等进行了设计.该结构模型试验能对结构钢筋、混凝土进行应变测量,对结构接触土压力和结构外围土压力、结构内部收敛位移、模型顶表面土体变形等进行观测.借助地基沉降试验平台,通过自锁式千斤顶的缓慢下降,实现对地裂缝上盘相对下降的模拟,地裂缝的活动速率和错动量通过工控机控制自锁式千斤顶的运行速率和行程来实现.试验结果表明:该试验设计满足地裂缝活动下30°斜交盾构隧道管片衬砌结构变形破坏模式和破坏范围研究的需要,能实现模型试验目标;地基沉降试验平台能较好地模拟地裂缝的活动.     

可考虑任意围岩压力分布形式的隧道衬砌计算分析

以大型通用软件ANSYS为平台,采用静力等效原则,把压力转化为相应的节点荷载,解决了隧道围岩压力与节点位置相关又不与衬砌结构垂直的输入问题.利用ANSYS的参数化高级设计语言,编制了适合任意三心圆拱衬砌断面和不同围岩压力分布形式的隧道衬砌内力和偏心距的通用计算程序.这为隧道设计提供了很大的方便.以武广客运专线双线浅埋隧道为例进行了计算分析.结果表明:对于埋深较浅的隧道,如果拱顶围岩压力按均布进行计算,结果会产生较大误差.围岩压力仅按均布设计的隧道,拱腰易出现开裂;围岩压力仅按马鞍型设计的隧道,拱顶易出现开裂;最好采用多种围岩分布形式进行隧道设计与验算.     

考虑围岩蠕变特性的南京过江隧道变形规律预测分析

大型水下隧道由于渗漏水风险大、安全控制难,常采用掘进机开挖法施工,并采用管片拼装式结构;接缝众多的管片拼装式衬砌结构变形破坏机理与预测,成为水下隧道设计和安全控制的难点.依托南京市某过江隧道,基于黏弹塑性理论,采用广义指数型应变率蠕变模型,建立了考虑围岩渐进破坏过程的管片拼装式衬砌结构隧道施工全过程三维数值模拟模型,系统分析了接头缺陷位置、接头缺陷程度、掘进力、围岩压力、围岩蠕变性对隧道变形的影响规律,揭示了含管片拼装初始缺陷的水下隧道衬砌结构变形的时空效应.该过江隧道衬砌结构最大拉应力、水平位移及竖向位移的影响因素及其敏感度等级：初始应力>掘进压力>缺陷位置>缺陷程度.大型管片拼装式水下隧道变形安全影响因素及规律复杂,特别是掘进推力、初始应力场、围岩蠕变性之间不存在单一变化规律,建议具体工程应进行具体分析.     

断层破碎带段隧道结构二衬防垮塌抗震配筋技术

为改变断层破碎带段隧道结构抗震"大震偏弱"的现状,提出了二衬防垮塌单层配筋抗震技术,并建立了断层破碎带段隧道结构二衬防垮塌抗震配筋准则。在汶川地震隧道震害资料分析的基础上,主要采用有限差分数值模拟技术,对罕遇烈度情况下错动断层与非错动断层2种情况进行研究,确定了断层破碎带段隧道结构二衬防垮塌抗震配筋等级及范围。研究结果表明:断层错动条件下,上盘距离断层2D(隧道跨度D)范围内和下盘距离断层1.5D范围内,二衬需双层配筋;上盘距断层2D~3D范围内和下盘距离断层1.5D~2.5D范围内,二衬需采用单层配筋。非错动断层条件下,设防烈度7度时,无需采用抗减震措施进行设防;设防烈度8度时,两侧距断层1D范围内需采用单层配筋;设防烈度9度时,两侧距断层约2.5D范围内需采用单层配筋。研究成果对断层破碎带段隧道结构抗减震技术的发展具有重要意义。     

断层破碎带相对位置影响下隧道的地震响应分析

依据地震波衰减效应确定模型的动力加载方式,将计算得到的地震波输入到能够考虑隧道与断层不同相对位置的典型数值模型中,研究断层破碎带影响下隧道结构的地震动力响应规律。研究结果表明:隧道与断层破碎带的相对位置关系对震害程度影响显著;隧道位于断层上盘时,地震动力响应比相交或位于下盘的情况剧烈;地震破坏主要发生在边墙肩部和角部位置,且断层破碎带与地震作用方向的夹角较小时,隧道结构的动力损伤较严重。     

断层位错量对跨断层隧道的影响

在几何相似比为100、断层倾角为90°的情况下,进行了断层位错量对跨断层隧道影响的模型试验。介绍了围岩模型材料的相似常数的选取及设计、隧道衬砌的设计、加载方案。对取得的衬砌应变数据进行处理分析。结果表明:不同位错量下隧道衬砌拱腰的纵向应变分布规律一致,隧道衬砌应变和位错量成正相关;破碎带两侧不同盘处的隧道衬砌的应变呈现反对称分布;应变最大位置处即在断层破碎带处。     

深长隧道断层带施工方案优化

以某高速公路隧道断层带施工为工程背景,采用FLAC3D数值分析法对隧道断层破碎带施工进行动态开挖模拟,对比分析了中隔壁法和上下台阶法2种方案引起的力学响应。研究结果表明:断层带围岩变形主要受最大主应力控制,剪应变主要呈"沿隧道纵向中间小两边大,沿断面竖向两边小中间大,沿断面横向右边小左边大"的变化趋势;围岩破坏主要为剪切破坏,断层上盘为最危险地带;此工程背景下,中隔壁法优于上下台阶法,中隔壁法导坑一的施工是关键环节。     

断层破碎带隧道围岩稳定性的离散元模拟研究

断层破碎带是隧道施工中常见的不良地质体之一,容易导致隧道围岩失稳甚至塌方等问题。为了分析其对隧道围岩稳定性的影响规律,依托港珠澳大桥连接线南湾隧道,利用离散元软件PFC~(2D)建立二维分析模型。结果表明:断层破碎带作用下隧道围岩应力呈非对称性,当断层位于受拉一侧时,断层对隧道水平位移的影响更为明显;当断层穿越隧道轮廓面时,断层对隧道围岩竖直方向位移的影响比水平方向位移更加显著;对比断层比邻与穿越隧道两种情况,断层与隧道相交时的最大潜在松动破坏区是未相交时的2倍以上;现场监测结果表明,当断层与隧道边墙位置相交时,该断面的位移最大且相比其他断面位移值明显增大,约为其他断面相同位置位移的2.5倍,这与数值计算中断层破碎带对潜在松动破坏区的影响规律类似。     

断层破碎带隧道围岩敏感性及沉降控制分析

为探明施工隧道穿越断层破碎带时何种断层形态对围岩稳定性影响最为显著,以绵九高速公路五里坡隧道不同断层形态为例,采用三因素四水平数值模拟正交试验对围岩敏感性分析。此外,为避免隧道开挖至断层破碎带时围岩发生较大变形及破坏,保证隧道施工过程安全,对断层的响应特性进行概括,需对断层段围岩注浆加固提高其稳定性。最后,对注浆加固圈厚度分别为：0m、1m、2m、3m的断层段隧道施工过程进行FLAC 3D三维模拟,采用位移控制率均值K对隧道断层及前后段整个区段的围岩控制效果进行定量评价。结果表明：1）断层倾向在各水平条件下变化时,拱顶沉降和边墙位移基本不发生改变,其余两因素对隧道拱顶沉降和边墙位移的影响程度分别为：断层厚度＞断层倾角、断层倾角＞断层厚度。2）注浆加固圈厚度由0m递增至3m时,隧道轴向位移和塑性区面积依次减少,但注浆加固效果也明显下降。3）通过围岩控制率k定量分析注浆加固对位移的控制效果,断层前后段的位移控制率均小于断层处。可见,在既能保证工程安全,又能减少注浆的使用,加固圈为2m时效果最好。     

应力剪胀对浅埋隧道稳定性系数的影响

考虑剪胀对隧道围岩稳定性的影响,对浅埋圆形盾构隧道、浅埋两车道公路隧道和浅埋双线铁路隧道在围岩发生塑性流动时进行力学特征分析.分析圆形盾构隧道围岩的位移,塑性区分布和最大剪切应变率;计算圆形断面、双线铁路隧道、双车道公路隧道等3 种不同断面形状隧道的稳定性系数,分析剪胀角对围岩稳定性系数的影响.研究结果表明剪胀角对围岩位移的影响存在一个临界值;在围岩发生塑性流动时,塑性区随着剪胀角的增大而逐渐增加;剪胀角对围岩剪切破坏带和围岩稳定性系数都有较大影响;随着剪胀角的变化,隧道临界稳定系数也发生变化.