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。     

汶川地震区典型公路隧道衬砌震害类型统计分析

汶川地震对震区公路隧道结构造成了严重的破坏,这严重影响了灾区震后救援和灾后重建。为了保留汶川地震灾区公路隧道震害的珍贵资料,对震区公路隧道震害资料进行了搜集、整理、统计和分析。首先按照隧道结构拱部、边墙、仰拱及附属结构进行统计和分析,再对影响隧道震害的六个因素(震中距、地质条件、断层、竖向地震、支护结构及施工质量)进行了研究,并得出了一些抗震设防启示及建议。研究成果一方面为研究汶川地震震区公路隧道震害机理提供了基础资料,另一方面对于进一步研究高烈度地震区公路隧道抗震及减震技术起到了推动作用。     

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。     

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。     

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。     

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。     

汶川特大地震中山岭隧道变形破坏特征及影响因素分析

汶川大地震造成位于震中附近的都江堰-汶川公路多座隧道严重受损。本文通过现场调研、资料收集与分析,将地震区山岭隧道变形破坏的基本类型概括为洞口边坡崩塌与滑塌、洞门裂损、衬砌及围岩坍塌、衬砌开裂及错位、底板开裂及隆起、初期支护变形及开裂等。分析其影响因素,认为发震断裂的次级断层、基覆界面、洞口不稳定斜坡、高地应力环境下的软弱围岩对隧道强烈震害具有控制作用。以汶川地震给予隧道抗震的启示,建议强震区的山岭隧道应将洞口边坡防护、洞口明洞和洞门结构作为一个系统进行综合设计,在条件允许的情况下尽可能采用削竹式洞门结构;隧道穿越活动断裂带的次级断层时在其两侧一定范围内二次衬砌应采用钢筋混凝土结构;基覆界面、围岩软岩与硬岩之间的过渡地带、围岩质量突变地带等应采用改善围岩力学性质且让其渐变的措施进行处理。     

地震对隧道及地下工程影响简介

近年来,特别是2008年汶川地震以来,地下结构抗震越来越被人们重视。本文通过搜集大量的国内外隧道地震灾害实例来研究地震对隧道的影响,并根据这些震害实例概括得出地震对隧道及地下工程的破坏主要形式包括:①衬砌的剪切移位,②边坡破坏造成隧道结构破坏,③衬砌及围岩坍塌,④边墙破坏,⑤隧道洞口塌方等;归纳了地震对隧道的破坏机理主要由地震引起的破坏和由断层活动引起的破坏;总结了地震对隧道及地下工程的影响因素包括:①地震震级及地震烈度,②覆盖层厚度,③地震波入射方向,④地质条件,⑤地应力。本文将对隧道的设计、建造和加固提供很好的参考,并对隧道的抗震有所帮助。     

1979年溧阳6级地震区极震工程地质特征的研究

本文是在1979年溧阳6级地震后,三次宏观调查的基础上,于1979年11月～12月对溧阳极震区进行了地震工程地质勘察与研究的成果。从地貌、地震地质、震源机制等方面阐述了北西向发震构造。对极震区的某些异常提出了有力的论证。结合震害调查,我们建议极震区展布位置一端是在东张小学,另一端是在庆丰公社乐太圩村,是较为实际的。关于极震区抗震,本文以实际材料具体分析了工程地质条件,对重建与加固提出了具体措施,并需注意1974年地震对1979年地震潜在的影响,认真采取抗震措施,以减轻末来再     

强震区隧道洞口段边坡动力响应特征离心振动台试验

强震后隧道震害调查表明,隧道洞口段的震害破坏尤其严重,需进一步加强隧道洞口段边坡动力响应方面的研究。以汶川地震灾区典型隧道洞口边坡为例,通过大型离心振动台试验,研究隧道洞口段边坡在强震作用下的动力响应特征及规律。试验研究表明:(1)在边坡坡面和坡内的加速度放大均具有显著的高程效应;隧道拱顶的加速度放大系数大于隧道其他部位;越靠近隧道洞口的加速度放大效应越明显。(2)不同振幅下坡体的加速度放大效应均十分显著,并且低振幅下的加速度响应大于高振幅下的加速度响应。(3)在维持0.25g振动加速度下不同离心荷载等级下的坡体加速度放大系数均大于2.0;但随着离心荷载的增大,加速度放大系数增长很小。(4)随着边坡高程的增大,动土压力总体呈线性降低,在相对高程为0.48时(即隧道拱顶),其动土压力响应系数最大。研究成果能为强震区隧道洞口段的抗减震设计和相关研究提供借鉴。     

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。     

强震区隧道洞口段边坡动力响应特征离心振动台试验

强震后隧道震害调查表明,隧道洞口段的震害破坏尤其严重,需进一步加强隧道洞口段边坡动力响应方面的研究。本文以汶川地震灾区典型隧道洞口边坡为例,通过大型离心振动台试验,研究隧道洞口段边坡在强震作用下的动力响应特征及规律。试验研究表明：（1）在边坡坡面和坡内的加速度放大均具有显著的高程效应;隧道拱顶的加速度放大系数大于隧道其它部位;越靠近隧道洞口的加速度放大效应越明显。（2）不同振幅下,坡体的加速度放大效应均十分显著,并且低振幅下的加速度响应大于高振幅下的加速度响应。（3）在维持0.25g振动加速度下,不同离心荷载等级下的坡体加速度放大系数均大于2.0;但随着离心荷载的增大,加速度放大系数增长很小。（4）随着边坡高程的增大,动土压力总体呈线性降低,在相对高程0.48处（即隧道拱顶）的动土压力响应系数最大。研究成果能为强震区隧道洞口段的抗减震设计和相关研究提供借鉴。     

极震区岩体地震动力破坏若干问题探讨

汶川地震时极震区产生了严重的地震地质灾害,其中强烈地震动造成的岩体动力破坏是造成灾害的根本原因。从极震区含义、地震动特征、岩体地震动力破坏概念、地震松动岩体和方法论等方面初步探讨了极震区岩体地震动力破坏问题。极震区是未来地震的潜在震源区,区内的地震属于直下型。极震区地震动具有不同于非极震区的地震动特征,岩体地震动力破坏的复合性特点就是地震动的不确定性造成的。对极震区岩体动力破坏概念的理解应考虑地震动的特点。地震松动岩体是极震区地震动造成的一种特殊破坏类型,是形成震害次生灾害的重要原因。岩体工程地质力学等学科的思想方法和技术手段为研究极震区岩体地震动力破坏这一命题提供了良好的基础,预测和评价极震区因岩体动力破坏造成的工程震害和地质灾害,减轻和预防未来地震时的灾害损失,是极震区岩体地震动力破坏研究的目标和方向。     

高烈度地震区隧道减震模型的建立及其减震效果模型试验研究

现场调查表明：5.12汶川大地震共造成21条高速公路和16条国道、省道干线上总延长达20 417 m的24座隧道结构受损,严重影响了灾区救援和灾后重建。可见,传统的隧道抗震技术已不能保证高烈度地震区隧道结构的安全。为此,在分析隧道震害特点及原因的基础上,建立了隧道支护体系内设置减震层的减震模型,根据这一减震模型,研究了减震层刚度、地震波输入频率和减震层阻尼等参数对隧道减震效果的影响。通过三维数值模拟和室内模型试验,验证了该减震模型的减震效果。研究成果可为高烈度地震区隧道结构减震设计提供参考。     

穿越东非大裂谷内马铁路隧道的抗震分析及断层位错设计

内罗毕—马拉巴铁路穿越东非大裂谷, 线路隧道穿越许多活动断裂带。在隧道结构设计中既要考虑地震作用, 还要考虑断层的位错作用。在隧道抗震和减震设计中, 将隧道结构设计成像链条一样的结构特性, 使得隧道结构随着地震作用和断层位错, 自动调整本身的变形, 而不会导致整体性破坏。为了分析隧道结构的地震响应规律, 建立了动力分析数值模型。将人工合成100 a超越概率2%的加速度时程作为水平地震作用, 在数值模型底部输入。计算分析了地震作用下隧道结构的响应规律和隧道结构的链条特性。计算表明链条一样的隧道结构能够很好地起到抗震消能作用。另外, 由于断层的位错作用造成隧道内限界减小, 使得隧道失去正常的通行功能。因此在断层位错设计中, 根据断层特点、接触网的型式, 综合考虑制定隧道断面扩挖尺寸。当断层位错发生影响正常交通运营时, 根据正断层的特点, 扩挖下盘隧道, 回填上盘隧道。调整线路坡度和接触网的绝缘距离、悬挂方式来消除断层的位错量, 从而实现隧道内线路正常通行条件, 而不用改建隧道二衬结构。     

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。     

断层破碎带剪切作用下力链结构及演化光弹试验研究

断层破碎带颗粒介质体系中力链形成机制及其演化规律,是研究含破碎带断层蠕滑、黏滑以及地震等地质灾害发生的重要基础。借助颗粒体双轴加载双向流动光弹试验装置,对断层破碎带剪切作用下的宏观力学特性、破碎带中光弹力链网络结构及演化、力链空间分布及强度等特征进行研究。结果表明:(1)断层破碎带中,岩体颗粒之间通过力链传递力的相互作用;破碎带与断层诱导裂隙带之间存在易滑段与不易滑段,揭示了剪切作用下破碎带空间变形非均匀特征;破碎带中岩体颗粒物质的重新排列,引起易滑段与不易滑段的动态演化。(2)破碎带中较大粒径角砾岩颗粒承载了断层上下盘之间的主要挤压及摩擦力,起到了骨架支撑的作用;随着剪力的增长,强力链方向发生偏转,向竖直方向靠拢。(3)处于高应力状态的断层远离破碎带边缘位置岩体颗粒更容易发生破坏、碎裂、重新排列,从而引起强力链空间方位的变化;随着竖向荷载的增大,强力链空间方位由明显各向非均匀性向各向均匀性转变。(4)竖向荷载变化对断层破碎带中力链比例和颗粒接触力分布频率影响较小,对力链空间分布及强度影响较大。     

渤中凹陷北部中生界顶面断层破碎带量化研究

渤中凹陷是渤海海域最大的生烃凹陷,环渤中凹陷北部潜山带是目前重要的油气勘探区带。渤中凹陷北部中生界以火成岩为主,裂缝对火成岩储层的形成具有重要影响。利用地震方差属性值量化断层破碎带,建立断层破碎带宽度与断层斜距之间的数量关系,构建方差属性值等值线图的方式,结合前人研究的图版和薄片资料,对渤中凹陷北部中生界顶面断层破碎带进行量化、验证和分析。结果显示:研究区内的断层均有多个断层核,断层系统复杂,断层破碎带宽度由几百米至几千米不等,断层破碎带对中生界火山岩影响作用显著;断层破碎带的影响程度与距断层的距离呈负相关,即距离断层越远,影响程度越弱,方差属性值越小;利用地震方差属性值量化断层破碎带的结果与相关研究的图版规律、薄片资料的显示结果契合度高,对断层破碎带的量化研究具有较高的可行性。     

活动性断裂带错动下的隧道纵向响应解析解

震害调研表明,活动性断裂带区域的隧道灾害最为严重。针对错动作用下穿越活动性断裂带隧道的纵向响应进行了研究,推导了隧道纵向力学响应的解析解并进行了验证。考虑断裂破碎带围岩力学性质较差且处于错动变形的主要影响区,将隧道沿纵向进行分区,包括错动影响区、过渡影响区和非影响区。采用Pasternak双参数弹性地基梁,假定不同分区的地基参数和计算模式不同,建立了满足变形和内力连续的隧道纵向力学解析模型并进行了求解。解析计算结果与数值模拟结果、室内试验数据基本一致,验证了解析解的正确性。结果表明：错动作用下,活动性断裂带区域的隧道内力和变形发生了显著变化;隧道纵向挠曲变形与错动方向一致,但在断裂带与上下盘交界区域发生了反向的挠曲;在正断层错动下,纵向弯矩在断裂带与上下盘交界区域达到最大值,且上、下盘区域的隧道拱顶分别出现受拉和受压区域;断裂带区域内的剪力远大于其他区域,且受到较大弯矩,隧道结构易发生破坏。上述计算结果与实际震害调研结果相一致,表明了本文提出的解析计算方法可用于活动性断裂带错动下的隧道纵向响应分析。最后,针对地基系数和断裂带宽度两个关键参数进行了敏感性分析,得到了有益规律,可为该类区域的隧道设计和施工提供技术支撑。     

活动性断裂带错动下的隧道纵向响应解析解

震害调研表明,活动性断裂带区域的隧道灾害最为严重。针对错动作用下穿越活动性断裂带隧道的纵向响应进行了研究,推导了隧道纵向力学响应的解析解并进行了验证。考虑断裂破碎带围岩力学性质较差且处于错动变形的主要影响区,将隧道沿纵向进行分区,包括错动影响区、过渡影响区和非影响区。采用Pasternak双参数弹性地基梁,假定不同分区的地基参数和计算模式不同,建立了满足变形和内力连续的隧道纵向力学解析模型并进行了求解。解析计算结果与数值模拟结果、室内试验数据基本一致,验证了解析解的正确性。结果表明：错动作用下,活动性断裂带区域的隧道内力和变形发生了显著变化;隧道纵向挠曲变形与错动方向一致,但在断裂带与上下盘交界区域发生了反向的挠曲;在正断层错动下,纵向弯矩在断裂带与上下盘交界区域达到最大值,且上、下盘区域的隧道拱顶分别出现受拉和受压区域;断裂带区域内的剪力远大于其他区域,且受到较大弯矩,隧道结构易发生破坏。上述计算结果与实际震害调研结果相一致,表明了本文提出的解析计算方法可用于活动性断裂带错动下的隧道纵向响应分析。最后,针对地基系数和断裂带宽度两个关键参数进行了敏感性分析,得到了有益规律,可为该类区域的隧道设计和施工提供技术支撑。