走滑断层位错作用下城市地铁隧道损伤分析

为了能够较快速、较准确地估计出穿越活断层城市地铁隧道的抗震薄弱部位,基于拟静力弹塑性有限元方法,以北京地铁7号线工程的区间隧道作为研究对象,采用数值模拟的方法研究了在走滑断层位错作用下地铁隧道的非线性反应。通过在数值计算模型中嵌入合理的损伤塑性本构模型,利用损伤指标研究了走滑断层下衬砌结构的破坏形式,重点分析了结构损伤的开始部位、发展过程以及最终的损伤程度,并建立了能够估计结构损伤范围及破坏最严重位置的统计关系式。结果表明,在走滑断层作用下衬砌结构出现损伤的区域主要发生在活断层附近一定范围内,拱腰部位的损伤最为严重;增加基岩上覆土层厚度能够减轻衬砌结构的破坏程度,当基岩上覆土层厚度大于等于临界覆盖土层厚度时可以不考虑走滑断层断裂对于浅埋隧道的影响。衬砌结构损伤区域长度与震级的大小和土层厚度有关,损伤最严重的位置随土层厚度的变化而改变。研究成果为穿越活断层地铁隧道的抗震设计和安全性评价提供了参考依据。     

穿越断层隧道振动台模型试验研究

以西藏某复杂隧道工程为背景,开展了穿越断层隧道振动台模型试验研究。从试验模型相似比、模型箱设计和边界处理、模型制作、测点布置及地震波加载等方面,详细地介绍了试验方案。试验重点观察在地震作用下穿越断层隧道动力响应规律及特征。试验结果分析表明,穿越断层隧道和均质围岩隧道地震动力响应规律有相似之处,随着地震波的向上传播,岩土体地震响应增大;断层处衬砌破坏严重;断层对地震波在岩土体内的传播有一定影响。     

穿越断层隧道地震响应规律动力对比试验研究

为研究断层隧道在地震作用下的影响规律,开展了穿越断层隧道的振动台对比试验,介绍了试验材料、相似比选取及动力加载情况。试验表明：地震作用下衬砌腰侧的受力明显大于顶部和底部,在进行结构设计时应进行加强;隧道衬砌具有一定的加速度放大效应,衬砌结构的加速度傅里叶谱值主要集中于中低频,在结构临近破坏时,加速度和应变响应值将发生突变;隧道衬砌裂缝发展与结构位置密切相关,地震作用下底部裂缝由内向外发展,腰部裂缝由外向内发展;断层走向与隧道纵向夹角越小,地震对隧道的作用越大,裂缝的发育越明显;隧道的最终破坏形式为管节本身的纵向拉裂缝和管节接缝处的错台组成。该研究成果为穿越断层隧道的相关设计提供参考。     

含初始缺陷地铁隧道的抗震动力学行为研究

针对含初始缺陷的既有地铁隧道受邻近穿越隧道施工影响的首都地铁隧道工程背景,基于有限差分方法,通过对既有地铁车站结构受邻近隧道穿越后的抗震性能研究,揭示其抗震动力响应机理。结果表明,在邻近隧道穿越影响下,含初始缺陷的既有隧道各薄弱控制点在地震作用下位移和应力动力时程的波动趋势具有相似性,说明衬砌结构是整体运动的,其位移、应力较穿越前均有所增加,边墙和仰拱在穿越后抗震性能影响最大,剪切破坏主要以车站结构周边土体为主,新线穿越后其剪切破坏分布范围有所增大,应进行注浆加固处理,与自身结构刚度相匹配,提高抗震能力。     

基于断裂错动引起地铁隧道的变形响应研究

以西安地铁隧道穿越骊山山前断裂为研究原型,分析了该断裂的活动特征,并基于近场区地震危险性分析结果,对断裂黏滑活动可能产生的地表最大垂直位错量进行了预测;运用数值模拟方法,研究了断裂错动造成地层与隧道的变形响应特征,并对分段隧道结构受损的临界位错量值进行了分析验证;计算了断裂活动的影响范围,确定了地铁隧道穿越断裂带的主要设防区域。研究结果表明,随着断裂位错量的增大,上盘地层的沉降响应表现较明显,上下盘地层的差异沉降区域集中在断裂带附近,并呈"倒三角"形状逐渐向两侧扩展;当断裂位错量大于20cm时,上下盘远离断裂带的地铁隧道差异沉降尤为严重;当上盘沉降量达到50cm时,相邻分段隧道产生拉张、位错破坏;基于隧道拱顶处地层的竖向位移变化特征,得到地铁隧道穿越该断裂带的最小纵向设防长度为上盘40m、下盘15m,经对比验证,数值模拟计算结果与现场勘察结论一致;最后提出了相应的设防建议措施。     

穿越黏滑断层分段接头隧道模型试验研究

数次大地震震害调查表明,隧道穿越断层处是受地震破坏较为严重的区域。为此,基于地震动能量的传播与释放特征,建立了一种穿越断层隧道结构抗减震的设计理念,并提出了一种穿越断层隧道节段接头形式。以跨断层龙溪隧道为依托,采用振动台模型试验研究了单一错动方式与断层错动-震动综合加载方式下带有接头的衬砌结构响应。研究结果证明：强震作用下,地震波对穿越断层隧道的影响是不可忽略的,断层错动-震动综合加载方式是合理的;新型接头能够自身适应性变形协调减轻隧道结构震害,节段间接头的设置改变了隧道的变形形态,提高隧道整体抗震能力;同时减小了衬砌的环向破坏,消弱了节段间地震力的传递,实现了衬砌震害的局部化。由于接头的设置,上盘隧道结构震害集中在距断层1.8倍洞径的范围内,下盘处隧道衬砌震害集中在距断层1.2倍洞径范围内;上盘的衬砌震害主要是由错动-震动联合作用造成的,而下盘衬砌震害主要受地震动的影响。     

P波作用下跨断层隧道轴线地震响应分析

基于近场波动有限元方法并结合黏弹性人工边界条件,针对3D断层场地,通过求解等效二维场地地震响应,从而获得3D场地地震动输入的自由场响应,并将自由场响应转化为3D模型边界面上的等效节点力,从而建立含断层3D场地P波入射的倾斜输入方法。自由场算例验证所提方法具有较好精度,进而基于建立的输入方法,开展了跨断层隧道地震响应的数值模拟研究。数值模拟结果表明:在P波作用下,隧道跨断层部位处于拉、压、剪切的复杂受力状态,且断层处的隧道衬砌地震响应明显大于其他部位的地震响应;围岩的力学性质与断层的力学性质相差越大,断层处衬砌的地震响应放大越明显;断层处衬砌地震响应随断层深度的增加而增加。另外,跨断层隧道的地震响应受P波入射角度的影响较大,随P波入射角度的增加,断层处隧道衬砌的轴力、弯矩先增加后减小,而剪力具有逐渐减小的规律。     

紧邻多孔交叠隧道抗震性能研究

随着我国城市轨道交通建设的飞速发展,盾构隧道之间近距离相互穿越工程将会越来越多。武汉市轨道交通2号线与4号线在洪（洪山广场）中（中南路）区间为4孔紧邻交叠隧道。根据实际工程特点,将其简化为不同间距的4孔平行重叠和4孔垂直交叉隧道,分别建立其三维计算模型,分析了紧邻多孔交叠隧道的三维地震响应,其中考虑了不同地震波幅值、隧道间距、隧道空间位置、隧道管片横、纵向差异以及紧邻多孔盾构隧道间加固层的影响,从结构变形和受力两方面评价了其抗震性能。计算分析表明：（1）隧道间距对隧道地震响应影响不显著;（2）4孔垂直交叉隧道的抗震性能要优于4孔平行重叠隧道;（3）紧邻多孔交叠隧道具有良好的抗震性能,满足抗震要求。其研究成果可为今后类似工程的抗震初步设计提供参考。     

隧道穿越既有区间的安全措施与预警分析

新建地铁与既有地铁线路交叉穿越属于高风险工况,当新建隧道近距离穿越既有隧道时,会使既有隧道结构应力状态发生改变,结构产生变形,因此,对穿越既有区间隧道制定有效的安全保障措施十分必要。系统归纳南京地铁在建线路穿越既有运营线路的相关安全保障经验,即当上穿工况时,采取强化外部条件、内部条件和应急响应的保障措施,同时结合数值分析得出MJS门式加固对既有隧道保护作用明显;当下穿工况时,采取增强既有隧道洞内和洞外刚度、配置试验段和运营配合保障措施,同时结合数值分析发现既有隧道洞内环向+纵向加固对既有隧道保护作用显著,且当在距离掘进面20 m范围内,既有隧道沉降、水平位移变化速率最大。最后结合工程实践过程中既有区间预警情况,分析相关原因,为类似工程提供警示和参考。     

汶川地震区跨断层带公路隧道震害形成机理分析

?为提高震区断层破碎带段隧道结构的抗震性能,结合震区公路隧道断层破碎带段震害调查资料,对隧道断层破碎带段震害机理及抗减震对策进行研究。研究结果表明:隧道非活动性断层段震害类型与普通段无异,仅需采取抗震措施进行加固即可,震害主要由地震惯性力造成,强制位移影响很小。隧道活动性断层段震害严重,须进行抗震设防,造成严重震害的主要影响因素为断层错动,地震惯性力次之。隧道活动性断层段须采取抗震措施与减震措施相结合的对策共同应对。     

高烈度区双洞隧道洞口段地震响应分析与振动台模型试验

强震作用下,隧道地下结构损伤严重,其中洞口段更是抗震的薄弱环节,但其影响规律和特点目前尚缺乏系统的计算分析和研究。以强震区扯羊隧道为例,首先采用FLAC3D对双洞隧道洞口段地震响应进行分析,再用模型试验的方法进行洞口段模型试验,测量其地震响应应变规律,观测其震害发展情况,并与数值分析结果相互验证。结果表明:地震作用下,隧道仰拱横向位移较大;随着隧道埋深增加,内力逐步增加,其中墙角部位内力较大;洞口处隧道围岩在强震作用下会产生贯通性裂缝,影响隧道洞口稳定;地震作用下的明洞与暗洞交接处内力较大;地震作用下的双洞隧道之间存在较强的动力相互作用。     

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。     

走滑断层地震地表断裂位错估计方法研究

为对一次地震中可能造成的地表断裂位错作出较准确的估计,采用拟静力弹塑性有限元方法,分别对覆盖土层为粉质黏土和黏土情况下,走滑断层引发的地震地表断裂进行了数值模拟分析。根据历史震害数据回归拟合的震级M与基岩位错 的关系式以及数值计算结果,建立了震级M与地表位错 的关系式。公式中考虑了土层厚度H对地表位错 的影响,而不仅仅局限于根据震级M的大小通过统计公式来估算地表断裂位错 。结果表明,走滑断层引发的地震地表断裂位错不仅与震级的大小有关,还与土层厚度和土层性质有关;在相同震级作用下,随着土层厚度的增加,地表位错逐渐减小;在相同震级和相同土层厚度下,上覆土层为粉质黏土时产生的地表位错要大于上覆土层为黏土时产生的地表位错;根据拟合的公式估计出不同震级情况下可不考虑走滑断层影响的临界覆盖土层厚度值,有助于提高活动断裂地震危险性评估工作的可靠性。     

穿越不同密实度饱和砂土地层的盾构隧道地震响应三维数值分析

地震液化对隧道结构有重大威胁,且位于不同抗液化能力地层交界处的盾构隧道段更易发生严重的地震破坏。采用三维数值方法研究穿越不同密实度状态饱和砂土地层的盾构隧道的地震响应规律。饱和砂土用一种描述不同密实度砂土液化行为的边界面模型进行模拟,首先通过隧道液化上浮的振动台试验结果验证该本构模型的合理性。其次,应用多自由度连接弹簧表征管片环间相互作用,采用文献中的拼装管片的逐级加载试验结果验证该方法的可行性。最后,建立穿越两种不同密实度饱和砂土地层的盾构隧道三维数值模型,研究相对密实度、输入加速度峰值和交界面倾角对砂土地层-盾构隧道系统动力响应的影响。结果表明,可液化地层中隧道结构位移模式是水平地震激励下产生的水平位移与由于液化上浮效应产生的竖向位移的耦合作用,加之隧道在不同土层中变形存在差异,从而导致隧道呈现扭转的变形形态。在靠近交界面处,隧道整体上浮量急剧变化且该处结构上浮量随着交界面倾角增大而增大,同时管片结构弯矩出现突变,接头螺栓的环间剪切和拉伸位移也显著增加。分析结果进一步印证地震作用下盾构隧道在不同性质饱和砂土地层交界面处更易破坏,在设计阶段应予以重点关注。     

地下综合管廊地震动力响应三维数值分析

综合管廊由于埋深较浅,在抗震分析中应考虑Rayleigh波的作用,为研究Rayleigh波与底部地震加速度共同作用下综合管廊的动力响应特征,建立双仓的综合管廊三维动力有限元数值模型,土体采用考虑滞回环特性的高级本构模型（HSS模型）,通过边界上多次脉冲荷载生成Rayleigh波,模型底部横向分别作用Upland波、Kobe波、Taft波,并与仅考虑底部横向作用的常规时程分析进行对比。研究表明:综合管廊结构的横向动力响应主要受横向地震波影响,结构纵向动力响应受沿其轴向入射的Rayleigh波影响相对较大;采用Rayleigh波+底部地震波的输入方法比单独底部地震波输入得到的结构动力响应整体上要更显著一些;输入不同的地震加速度时程,管廊动力反应规律相似,但综合管廊结构影响大小有差异,可见底部地震波与地表Rayleigh波作用的匹配程度对结构动力响应结果有一定影响。研究成果可供地下综合管廊结构地震动力响应精细化数值分析及抗震设计参考。     

穿越富水断层破碎带隧道塌方机理分析与预防

穿越山岭隧道常遇到断层破碎带。由于缺乏断层复杂岩体稳定性机理的研究与理解,隧道施工曾导致多起大变形甚至塌方事故。本文使用理论分析、离散元数值模拟方法,结合现场监测结果,对江西某高速铁路隧道过断层施工案例进行综合分析。在考虑断层破碎带地下水影响的前提下,开展富水断层破碎带施工过程中围岩失稳塌方的内在机理研究。研究得出：隧道穿越富水断层破碎带时,岩体结构面发育,且结构面间多充填碎屑或黏土充填物。随着施工扰动引发结构面发生错动,流动的地下水进一步对结构面形成冲刷,从而降低围岩的完整性与力学强度。断层破碎带抗剪强度越低,围岩松动范围越大,塌方概率与范围越大。根据“防水排水,强化围岩”的思路,本文提出了穿越断层破碎带防塌方的措施：设置迂回导坑、地层预加固、增加支护强度、优化施工工法及加强监控量测,可为此类隧道工程的安全施工提供参考。     

输水隧道地震响应的多物质ALE数值分析

为研究浅埋输水隧道内部流体对隧道地震响应的影响,考虑黏弹性人工边界、土壤的非线性、隧道结构刚度有效率及流-固耦合作用,建立了双线隧道-土体-流体相互耦合作用的力学模型。通过刚度折减试验得到衬砌环环向、径向、轴向刚度,进而引入正交各向异性连续材料作为衬砌材料模型。采用基于任意拉格朗日-欧拉（ALE）描述法的流-固耦合方法,对上海某大直径双线输水隧道在流体作用下的地震响应进行了分析。通过与等效密度法对比,验证耦合模型对于处理输水隧道多物质非线性耦合抗震问题的可行性。计算结果表明,在水平方向地震激励下,无论一致激励或是非一致激励流体对隧道地震变形和内力都有较大影响,但对位移影响较小;对于不同隧道内水量,隧道弯矩均集中于衬砌隧道45°交叉斜线位置;相比于一致激励,非一致激励增强隧道地震位移和变形响应是明显的。     

跨断层隧道可变形抗减震措施振动台试验研究

跨断层的隧道结构在汶川地震中破坏严重,这说明传统的抗减震技术已不能保证高烈度地震区隧道结构的安全。为此,研发了可变形抗减震措施。通过振动台模型试验,考察了采用该类型措施的隧道结构地震响应特征与震后破坏形态。结果表明：跨断层隧道结构设置减震缝,可以有效减小结构的内力值和应变值;套管式可变形结构可以有效保护主套管上部结构和被套管,但主套管下部结构破坏严重;套管式可变结构提高了隧道的防水性且震后易于修复,整体性能优于减震缝;采用可变形抗减震结构的同时,必须提高衬砌混凝土的强度;不论采用何种抗减震措施,隧道结构的拱脚和仰拱是抗震加固的重点部位。研究成果可以为高烈度地震区隧道结构的抗震设防提供参考。     

盾构隧道抗震分析的静力推覆方法

利用动力时程法对盾构隧道进行抗震分析时,计算时间长,工作量大,土体本构以及阻尼的选择困难,不利于工程设计广泛应用。为了解决这些困难,借鉴地上结构静力推覆分析方法的思想,并结合盾构隧道的地震响应主要由周围土体的地震响应所控制的这一特点,改进了静力推覆方法中的水平加载模式,提出了适用于盾构隧道抗震分析的静力推覆分析方法,并引入了隧道倾斜度的概念来衡量隧道的抗震性能。此法通过对计算模型施加沿地层深度方向分布的倒三角侧向水平位移,来模拟地震对盾构隧道的作用,概念清楚,考虑了隧道与周围土体的相互作用,避免了在动力时程分析中所涉及的土体本构和阻尼的选择、计算模型边界条件等复杂问题,大大降低了盾构隧道抗震分析的难度,同时,可以得到隧道的抗震能力曲线。与动力时程分析的对比结果表明,在弹性阶段,此法的计算结果合理,具有较高的精度,适用于盾构隧道抗震设计。     

盾构扩挖地铁车站结构地震反应特性振动台试验

开展了近远场地震动作用下盾构扩挖地铁车站结构的振动台试验,分析了砂土模型地基的水平位移、地表变形、加速度、土压力反应及模型结构的加速度、应变等。结果表明：模型地基-结构体系的地震响应对中低频成分发育的地震波反应更为强烈;强震作用下地铁车站结构具有明显的空间效应,地下结构的存在将会改变模型地基表面变形的分布模式。小震时模型结构中柱的加速度反应自下而上逐渐增加,而大震时其反应规律变成先增大后减小;车站结构中板的加速度反应最大、底板次之、顶板最小;小震时,同等深度处模型结构的加速度反应与模型地基土的加速度反应大小相当,侧墙的动土压力自下而上逐渐增大;大震时,模型结构的加速度反应明显大于同深度处模型地基土的加速度反应,动土压力的最大值发生在扩挖隧道的拱肩和中间部位。基于震后模型结构的宏观现象和拉应变幅值,给出了砂土地基中盾构扩挖车站结构的地震损伤演化机制。