长大隧道跨断层段地震响应规律及破坏机理研究

隧道跨断层段作为隧道整体抗震的薄弱环节，在地震作用下常发生严重破坏。开展长大隧道跨断层段的地震灾变机理与抗震设计理论研究具有重大理论和工程意义。首先，基于近场波动有限元方法并结合黏弹性人工边界理论，采用将输入地震动转化为人工边界面上等效节点力的思想，同时考虑断层截断区域对人工边界面上入射波场的扰动影响，建立一种针对有限断层场地的地震动三维倾斜输入方法。其次，基于应变等效假设和有效应力概念的塑性损伤理论，结合非线性统一强度模型(β模型)，并考虑岩体地质强度参数，建立适用于工程岩体介质的三维弹塑性损伤模型。最终，基于建立的地震动输入方法与岩体本构模型，以滇中引水工程-香炉山隧道为背景，建立长大隧道跨断层段的有限元分析模型，模拟不同断层情况、构造应力条件和地震动输入角度等因素下隧道的地震响应规律，揭示隧道跨断层段在强震作用下的变形特性及破坏机理，为隧道跨断层段的安全评估及抗震设防提供理论指导。 2100433B

断层错动是造成跨断层隧道结构变形过大甚至破坏的主要因素，国内外学者关于断层错动开展了不少研究，但多针对管线破坏机理，关于跨断层隧道破坏机理的研究较少。本项目针对逆断层粘滑错动问题，通过案例调研、物理模型试验、数值计算及理论分析等手段，研究错动位移下围岩变形、跨断层隧道变形破坏特征，分析逆断层粘滑错动下隧道破坏时的错动位移量以及破坏过程、形态、区域，揭示断层倾角等关键因素对隧道结构破坏形态及破坏范围的影响规律，提出逆断层粘滑错动下隧道结构破坏机理；对比分析不同铰接衬砌节段长度、剪切缝宽度等对结构变形、破坏的影响，提出隧道结构的抗错断合理设计参数。主要结论如下： 1）逆断层粘滑错动时围岩断裂面为一向下盘发展的曲面，断裂起始角与断层倾角相同，随错动量增加逐渐产生分叉，形成三角剪切带；断层水平传播距离、次断层发展高度以及三角剪切带最大宽度与断层倾角呈正比关系，断层传播到地表所需的错动位移与断层倾角无关，不同埋深条件下断层传播引起围岩变形差异不大； 2）随错动量增加上盘围岩压力发生明显增幅，上盘距断层线0.8倍断面高度处围压最大、下盘距断层0.8倍断面高以外的区域围压趋于稳定；埋深越大，上、下盘及断层带围压差异越明显，埋深104m隧道拱顶最大土压力是埋深30m隧道的3.25倍； 3）隧道结构可视为一弹性地基梁，承受弯曲、剪切与挤压组合作用，顶、底部外侧受压，拱腰外侧受拉，上盘存在一个反弯点，受影响区域为断层两侧共4.8倍断面高度范围；断层倾角是影响隧道纵向稳定性的主要因素，倾角越小，稳定性越差； 4）结构表现为直接剪断型破坏、张拉-挤压型破坏、张拉-挤压-剪切破坏三类，断层倾角由75°变为45°时，结构由直接剪断型破坏过渡为张拉-挤压型破坏，破坏区域分别集中在断层两侧1.1倍、1.4倍、1.8倍断面宽度范围内； 5）依托工程合理抗错断设计参数：仰拱半径15m、C25二衬、厚55cm、变形缝间距10m、变形缝宽度0.5m。 6）研究成果已初步应用于棋盘石隧道工程。 2100433B

逆断层粘滑错动是地震造成跨断层隧道结构严重破坏的主要因素，国内外学者关于逆断层粘滑错动下管线的破坏机理、设计措施的研究较多，但是一般隧道断面尺寸相对管线要大得多，所表现出来的破坏模式也不同，关于逆断层粘滑错动下跨断层隧道破坏机理的研究较少。课题拟结合典型地震逆断层粘滑错动（如汶川地震、台湾集集地震）所引起的山岭隧道破坏模式，通过1：50物理模型试验和数值方法研究错动位移下地层变形、隧道与围岩接触压力、衬砌表面的环向、纵向应变以及裂缝的发生、发展过程，分析逆断层粘滑错动变形下上覆山岭隧道发生破坏时的错动位移量以及衬砌结构的破坏过程、方式以及区域，建立逆断层粘滑错动下上覆隧道的破坏机制与准则，提出抗错断的隧道结构刚度设计方法。同时，课题还拟对断层倾角、围岩性质、隧道埋深、衬砌刚度、隧道轴线与断层夹角对隧道结构破坏机理、形态以及破坏范围进行敏感性分析。

汶川特大地震以及国内外以往大地震后的隧道震害研究表明，隧道穿越活动断层段是破坏高发区和抗减震设计薄弱环节。而目前大量隧道的建设特别是西部地区长大隧道大都面临直接穿越活动断层问题。本项目拟综合运用调查研究、理论推导、数值模拟、模型试验等方法，对穿越活动断层的隧道地震破坏机理进行深入研究，分析隧道在不同断层几何尺度、产状特征、破裂面物理力学特性、错动位移等条件下地震响应规律。针对地震中传统衬砌混凝土材料不吸能、易开裂、断层错动即剪坏的缺陷，研发新型吸能材料及结构，耦合抗压材料和抗拉材料共同承担荷载并同时吸收耗散地震能量，并分别通过断层错动试验、落锤试验和数值模拟计算等方法对其进行吸能水平评价，研究其减震效果和经济指标，为大规模建设的震区隧道的工程设计提供先进理论方法、技术对策及其计算模型。