汶川地震公路隧道普通段震害分析及震害机制研究

在汶川地震中隧道普通段出现了严重的震害,为了提高高烈度地震区隧道普通段的抗震性能,通过统计分析汶川地震公路隧道普通段震害调查资料,对隧道普通段进行了震害分析。结果表明,隧道普通段震害主要发生在软岩均一段、软硬围岩交接段软岩部分以及围岩缺陷段。通过三维有限差分数值模拟和现场典型震害分析,研究了公路隧道普通段的震害机制,探明了围岩均一普通段隧道震害机制,即硬岩隧道普通段基本无震害,软岩隧道普通段震害较严重,衬砌结构受地震惯性力影响较大,强制位移次之;探明了围岩软硬交接普通段隧道震害机制,即震害主要发生在软硬围岩交接段软岩部分,震害的主要影响因素为强制位移,地震惯性力次之;探明了围岩缺陷普通段隧道震害机制,即震害主要由地震惯性力造成强制位移影响很小。研究成果可为高烈度地震区公路隧道普通段的抗震设防提供参考。     

双洞隧道洞口段抗减震模型试验研究

为了解隧道衬砌在地震过程中的动态响应以及减震层在地震过程中对隧道及围岩边坡安全性能的影响,针对双洞隧道洞口段进行室内抗减震模型试验研究。模型试验按有（无）减震层分成2组进行对比。试验结果表明：(1) 设置减震层对围岩破坏的形式没有影响,只能在破坏程度上有所减轻;(2) 减震层的设置对模型中的动应力分布情况有较大影响,并能够在一定程度上减小作用在衬砌上的作用力;(3) 有错距的双洞隧道中,长里程隧道洞身在包含短里程隧道洞口的横截平面附近受力状态复杂,减震层的加入有利于减轻其破坏程度。     

隧道两种减震措施的数值模拟研究

目前隧道的减震措施主要有两种,即设置减震层和抗震缝。本文以黄草坪隧道为研究对象,应用有限差分程序FLAC3D对其进行地震响应的数值模拟研究,分别从围岩和衬砌的应力、加速度及位移方面探讨了这两种减震措施的效果,同时对比不同抗震缝间距时围岩和初期衬砌的纵向应力。研究结果表明,减震层和抗震缝的减震作用比较明显,应根据工程抗震的要求选择不同的减震措施。     

隧道洞口浅埋偏压段两种围岩注浆措施的抗震效果分析

为进一步提高隧道洞口浅埋偏压段的震时安全性,依托某铁路隧道洞口段工程,利用有限差分数值计算软件对两种围岩注浆抗震措施的抗震效果进行了研究,对比分析了围岩采用接触注浆与间隔注浆两种抗震措施对隧道衬砌结构位移以及内力的影响。研究结果表明:围岩采用接触注浆抗震措施后,二衬结构横向及纵向位移分别减小了86.7%、38.1%,轴力及弯矩平均减小了45.12%、64.20%,最小安全系数平均提高了61.36%;围岩采用间隔注浆抗震措施后,二衬结构横向及纵向位移分别减小了49.3%、23.8%,轴力及弯矩平均减小了39.42%、44.90%,最小安全系数平均提高了43.11%;围岩采用接触注浆抗震措施的抗震效果优于间隔注浆抗震措施。研究成果可为隧道洞口段抗震技术的发展提供参考。     

震区隧道洞口段注浆措施的减震效果数值模拟分析

为研究注浆措施在地震区隧道洞口段的减震效果,基于围岩-结构三维模型,改变注浆的范围及参数,采用有限差分法软件FLAC-3D,分析了某隧道洞口段的动力响应。采用人工拟合地震波、黏性边界条件,输入三个方向的地震波,模拟了原设计、全环间隔注浆措施、局部加强注浆措施三种工况。研究分析了各工况的内力、位移、周边围岩塑性区等,并与全环间隔注浆、局部加强注浆两种减震措施的效果作了对比,得出了地震区隧道洞口段的动力响应规律、减震措施的有效范围及全环间隔注浆措施能起到阻尼减震的效果、局部加强注浆措施能改善衬砌结构内力分布的作用等结论。对高烈度地震区隧道洞口段抗减震措施研究有一定的借鉴意义。     

隧道围岩全长黏结式锚杆界面力学模型研究

分析围岩弹塑性介质中全长黏结式锚杆的锚固界面层应力分布和变化特征,对研究隧道工程初期支护系统的力学效应具有重要意义。根据全长锚杆微段的受力平衡以及锚固界面层剪应力的传递机制建立了关于锚杆轴向位移的微分方程,通过求解锚杆轴向位移的微分方程可得到锚杆与围岩相互作用下的轴向载荷和锚固界面剪应力的分布函数。然后将锚杆界面剪应力对围岩的支护反力转化为圆形隧道轴对称径向体积力,进而求解有锚喷支护作用下圆形隧道围岩塑性区半径。在此解析模型基础上,可对隧道围岩-支护系统进行详细的分析和评判。算例分析表明,初期支护时机的选择对锚固效应和围岩稳定性有较大影响;适当增加全长黏结式锚杆的锚固层厚度能明显降低锚杆端部剪应力的应力集中度,能有效改善锚杆的锚固效果。     

强震区隧道软弱围岩洞口段桩-筏抗震措施的作用效果分析

为进一步提高地震时软弱围岩铁路隧道安全性及稳定性,以玉磨铁路新平隧道工程作为依托,利用FLAC3D数值模拟软件,对强震区隧道软弱围岩洞口段桩-筏抗震措施效果进行研究,对比分析了无加固措施、措施一（桩-拱结构）及措施二(桩-筏-拱结构)二衬的结构位移及内力,研究结果表明:措施一和措施二的竖向位移分别减小了1.35%、1.09%;措施一的边墙收敛几无变化（增大了0.44%）;由于桩-筏-拱结构的整体稳定性较好,措施二的边墙收敛减小了30.49%;距离洞口最近的两个危险截面1和2处,措施一的最小安全系数提高了1.43%、6.71%,措施二的最小安全系数提高了145.91%、143.72%;综合位移及内力分析,措施二的抗震效果优于措施一,建议新平隧道洞口段采用桩-筏-拱结构进行抗震加固。     

深孔地应力测试在铁路隧道工程勘察中的应用

为分析铁路隧道隧址区地应力分布、发育方向、变化规律,判断隧道洞身围岩岩爆、软岩变形特征,运用单回路水压致裂法,对隧道区内施工的4个深孔进行了地应力测试工作。结果表明,隧道洞身附近最大水平主应力为12~21MPa,最小水平主应力为9.6~14.2MPa,估算垂直应力为9.6~15.4MPa;地应力特征是以构造主应力为主,三向主应力具有随深度增加而增大的趋势;隧道洞身附近最大水平主应力优势方向为NNW14°~28°,表明隧道洞身附近地应力以NNW向挤压为主,主应力方向与拟设隧道轴线走向夹角在12°~26°,对洞室围岩稳定有利。由于隧道埋深大,地应力高,构造发育,岩性构成复杂,软硬相夹,存在硬质岩产生岩爆,软质岩遇水变形的可能。建议隧道在硬质岩段施工,采用"短进尺、多循环、强支护"的掘进方法,在软质岩段施工,采用"少扰动、快封闭"的掘进方法。该研究对隧道的设计施工具有重要的现实意义。     

基于广义张-朱强度准则的深埋隧道围岩塑性分析及应用探讨

深埋隧道是交通建设中关键性和控制性的工程,近几年得到了迅速和蓬勃的发展。目前,深埋隧道围岩塑性分析,多采用Hoek-Brown强度准则,该准则只考虑了最大、最小主应力对围岩屈服的影响,与深埋隧道围岩三向受力的特征不符。根据Lee和Pietruszczak提出的递推计算方法,对围岩服从广义张-朱（generalized Zhang-Zhu strength criterion,简称GZZ）强度准则时的变形及周边应力分布进行了研究。发现当采用GZZ强度准则时,深埋隧洞洞壁位移、塑性半径明显减小,塑性区径向应力、环向应力均增大;中主应力系数增大,隧洞周边应力进一步提高。上述解法与引入面外应力解法相比,洞壁位移减小了26.6%,但塑性半径相差不大。应用GZZ强度准则计算了建平隧道围岩变形控制值,解决对深埋隧道围岩变形控制值认识模糊和无法有效判定的问题;继而改进开挖方案,有效提高了Ⅳ、Ⅴ围岩的掘进速度,实现了建平隧道安全快速的施工,获得了良好的工程效果。     

川西郭达山隧道水平孔地应力测量与工程意义

新建川藏铁路穿越鲜水河活动构造带,沿线构造应力场极其复杂,隧道围岩工程破坏问题突出。为了揭示该区构造应力场特征,为深埋隧道设计、施工提供基础参数,采用新型水压致裂地应力测量系统在川西郭达山隧道水平孔获得10段有效地应力测量数据,最大测量深度达508.10 m,创造了水平孔地应力测量最深记录。测量结果表明,在148.4~508.1 m测量深度范围,郭达山隧道水平孔截面上最大主应力值为3.59~13.72 MPa,最小主应力值为3.28~8.36 MPa。根据印模实验结果,除浅部钻孔截面上最大主应力倾角较大外,深部钻孔截面上最大主应力倾角近水平。根据地应力状态将0~280 m段划分为应力释放区,280~330 m段为应力集中区,大于330 m段为原地应力区。基于地应力测量结果对郭达山隧道水平孔围岩稳定性进行了预判分析,在孔深292.9 m、508.10 m处隧道围岩有轻微至中等程度岩爆可能,其余段无岩爆可能性。     

深埋圆形隧道弹塑性位移统一解及其比较分析

基于统一强度理论和非关联线性流动法则,考虑塑性区的真实弹性应变,推导了深埋圆形隧道弹塑性位移统一解。位移统一解合理地考虑了中间主应力效应和围岩剪胀特性的影响,具有广泛的理论意义。经与文献简化位移解析解比较分析知,围岩塑性区的弹性应变对隧道位移影响显著,简化解析解所得结果偏小,简化解析解和文中统一解之间的差异与中间主应力效应和围岩剪胀特性密切相关;考虑中间主应力的影响,能更加充分发挥围岩的强度潜能;隧道支护设计应考虑围岩剪胀特性的重要影响     

水压致裂法地应力测量在成昆铁路垭口隧道的应用

垭口隧道是成昆铁路米易至攀枝花段的重点控制性工程,以地质条件复杂、工程地质问题突出、围岩变化频繁、施工安全风险高而著称。地应力是影响隧道围岩稳定、划分隧道围岩分级的主要影响因素之一,为查明工程区的地应力状态,在全隧道开展了两个深孔的水压致裂地应力测量工作。结果表明:最大主应力方向总体为N29°E,优势方向为北东向,这反映了研究区受印度板块构造作用明显;三个方向主应力相对大小表现为SH SV Sh,表明该地区在地壳浅部水平应力占主导地位;最大水平主应力方向与隧道轴线方向夹角为30°,对隧道围岩的稳定略为有利;σc/σmax介于3. 49～5. 15,应力值水平属于高应力至极高应力状态;通过判据分析,垭口隧道在开挖过程中硬质岩有发生轻微岩爆的可能,软质岩洞壁岩体有位移甚至发生大变形的可能。     

列车振动荷载作用下某岩质边坡应力应变动力响应分析

以某高速铁路隧道进口边坡为研究对象,采用FLAC3D软件分析了列车振动荷载对该边坡岩体的应力、变形及稳定性的影响。数值模拟结果显示,在列车振动荷载作用下,隧道两侧及底部最大、最小主应力均产生集中现象,最大主应力较自重应力场下增加1～2MPa,最小主应力较自重应力场下增加0.5～1MPa;隧道顶部最大、最小主应力均与自重应力场下基本一致;隧道进口边坡总位移增量最大值区域主要分布在边坡顶部及隧道正上方坡顶区域,自坡顶往坡底总位移增量逐渐减小,最大总位移增量约为2.15cm;列车振动荷载将在边坡内地层分界面附近、软弱夹层内、构造结构面附近、开挖面附近形成剪应变增量带,对边坡的稳定性极为不利。     

强震区隧道洞口软硬岩交接段围岩注浆抗震措施效果分析

为提高强震区隧道洞口软硬围岩交接段的地震安全性,本文依托老鹰窝隧道工程洞口段,利用有限差分计算软件FLAC3D进行三维动力响应分析,对全环接触注浆、全环间隔注浆两种围岩注浆抗震措施作用效果进行了对比研究。研究表明:（1）两种注浆方式均能有效减小隧道二衬结构的动力响应内力,改善隧道结构的受力特性,从而提高隧道整体的抗震性能;（2）地震荷载作用下,软岩隧道动力响应强于硬岩,且离软硬围岩交界面越近,响应越大;（3）从减小衬砌结构响应内力的角度来说,全环间隔注浆抗震性能优于全环接触注浆。研究成果可为强震区隧道洞口段抗震设防设计提供参考。     

地下工程衬砌与减震层接触面力学特性直剪试验及数值仿真

泡沫混凝土作为隧道减震材料在抵抗地震压剪荷载方面具有重要作用,为了研究减震层-衬砌接触面在地震压剪荷载作用下的破坏特征与剪应力演化规律,利用RMT-150C电液伺服试验机开展了二者接触面在不同法向应力下的直剪试验,获得了剪应力-剪切位移、峰值强度、残余强度、剪切刚度的变化规律及接触面的破坏特征和物态变化。根据有限元模拟结果,探究接触面上剪应力的分布及演化规律。研究表明：泡沫混凝土-衬砌接触面的破坏特征受法向应力与泡沫混凝土密度共同影响,其剪应力-剪切位移曲线形态可归结为3种类型,且随泡沫混凝土密度和法向应力的变化可以相互转化;泡沫混凝土密度及法向应力对接触面峰值强度、残余强度及剪切刚度的影响是相互的,且法向应力的影响权重较大。根据剪应力-剪切位移曲线的变化规律,提出了复合指数模型来反映泡沫混凝土-衬砌接触面在压剪作用下损伤演化及摩擦滑移过程,研究结果可以为更加有效的抗减震设计提供一定参考。     

泡沫混凝土隧道减震层减震机制

基于泡沫混凝土隧道减震材料,通过室内试验研究了不同密度、围压、应变率条件下泡沫混凝土材料的力学特性。试验结果表明：随着密度的增加,试样的单轴破坏形态由骨架坍塌破坏逐渐转化为劈裂剪切破坏,峰后应变软化与材料脆性增强;随着围压的增加,材料强度增加且延性增强,峰后由应变软化逐渐转换为应变硬化。在中等应变率范围内（10?5/s ～10?3/s）,随着应变率的增加,泡沫混凝土材料的强度近似呈指数增长,同时峰后残余应力增长明显,且塑性应变越大,应变率对峰后应力的影响越大。基于上述试验结果初步建立了泡沫混凝土材料的本构模型。依托嘎隆拉隧道,采用数值方法研究了减震层剪切模量、厚度及减震层-衬砌界面特性3个因素对减震效果的影响规律,相关研究成果可为高烈度区隧道工程减震层的设计提供参考。     

浅埋弃土段大断面隧道施工力学行为研究

以龙洞堡机场隧道为工程背景,对弃土段隧道大变形原因进行深入分析,提出相应的改进措施,使隧道顺利通过剩余弃土段。研究结果表明,隧道所处人工弃土段与经压密原生土体物理性质存在差异,小导管与袖阀管注浆无法在弃土层扩散,反而增加了覆土重度,增大了隧道上覆荷载;实践证明对剩余弃土段采取二重管双液注浆,其效果要明显优于上述两种注浆措施;掌子面预留核心土和掌子面锚杆有效控制了掌子面前方先行位移,剩余弃土段掌子面先行位移约占总位移的15%~18%,达到减少掌子面先行位移的目的;弃土段隧道开挖,上覆土体呈现出整体下沉趋势,通过拱脚注浆锁脚锚杆可以减少初期支护拱脚、边墙脚沉降和过大水平位移;通过数值计算分析表明弧形导坑法开挖时,安全系数最小值发生在隧道仰拱中部,其量值为3.36,初期支护安全系数均大于2.4,支护体系在施工阶段是安全的。     

考虑轴向力和渗透力时圆形隧道广义Hoek-Brown解

为了研究渗透水压力和轴向应力共同作用时隧道围岩的应力和位移变化趋势,将圆形隧道简化为轴对称模型,假定渗透场以渗透体积力作用在原应力场,以围岩开挖断面为假定平面,引入垂直于该平面的轴向应力。基于广义Hoek-Brown强度准则和非关联流动法则,推导出考虑轴向应力和渗透场共同作用时弹-脆-塑性围岩的应力和位移非线性解,采用数值算例分析了轴向应力和渗透力共同作用时隧道围岩塑性区应力场和位移场的分布规律。计算结果表明：与无渗透水压力作用下的模型相比,渗透力作用使得围岩塑性区各点位移增大,并且内外水头差越大,位移增大越明显。当轴向应力为中主应力时,围岩塑性区半径和塑性区各点应力增大,轴向应力为大主应力和小主应力时,围岩塑性区半径和塑性区应力变化较小。因此,渗透力的存在不利于隧道围岩的稳定性,并且轴向应力的大小对于富水地区隧道围岩的应力和位移分布具有较大影响。在施工设计时考虑渗透力以及轴向应力的共同影响对于保证隧道围岩稳定性具有重要意义。     

西周岭隧道地应力测量及岩爆预测分析

为指导施工,提高施工的安全性和经济性,对西周岭隧道进行了钻孔水压致裂法地应力测量.测试结果表明:西周岭隧道深埋段地应力场以水平应力为主,在测试深度内最大水平主应力值为10.57～19.39MPa,具中等偏高应力水平;最大水平主应力方向为近N33°W,与隧道走向的夹角较小,即地应力对隧道围岩稳定性较为有利.基于地应力实测...     

深埋隧道精细地应力场反演研究——以滇西南双江至沧源高速姜染山隧道为例

针对复杂地质条件下深埋隧道精细应力场准确反演以及主要地质条件对地应力场影响问题,以滇西南双江至沧源高速姜染山隧道为例开展研究。采用精细DEM数据、实测地质资料建立隧址区精细地质模型,以地应力实测数据和GPS速度场数据作为联合约束条件,开展姜染山隧道工程区精细地应力场反演计算,揭示了隧址区精细应力场特征及主要地质条件影响作用。结果表明：隧道区模拟变形速度场与GPS观测结果基本一致,模型能够较好反映工程区现今构造应力环境;隧址区地应力场存在应力水平西高东低、主应力方向局部偏转的特征,近E-W向的小黑江断裂对研究区地应力场的影响主要表现为造成主应力方向小幅偏转,未造成应力量值急剧变化,局部次级断裂和地形叠加影响作用有限;隧道沿线最大主应力在7.47～27.23 MPa之间,中间主应力在1.59～15.12 MPa之间,最小主应力在0.01～6.71 MPa之间,隧道沿线应力水平总体上未表现出明显异常特征;基于反演精细应力场数据的岩石应力强度比方法计算结果显示,现今地应力条件下,隧道岩石强度应力比结果总体在0.20～0.48之间,表明隧道围岩整体为无岩爆和轻微岩爆情况。本研究实例表明,复杂地质...