强震作用下隧道明洞段的减震机理及对策研究

随着地球地震活跃期的来临，在我国西部大开发建设的背景下，为了保证强震作用下隧道特别是抗震最薄弱部分的明洞段安全，亟需相应的减震机理与灾害控制对策研究。采用资料调研、数值模拟和模型试验等方法，本课题深入研究了隧道洞口段的地震响应机理及减震对策。 （1）通过文献资料的广泛搜集，明确隧道洞口段的破坏形式可分为：①边坡失稳破坏导致的崩塌、滑落造成其变形和压损；②隧道门墙壁的破损、倾斜、开裂等问题；③隧道过断层段的错动。 （2）结合模型试验和数值分析的方法，研究仰坡角度、衬砌刚度，减震缝间隔对隧道结构地震响应的影响，得出结论有：①过大的衬砌刚度对衬砌的受力不利，在保证静力荷载和变形的条件下，适当减小衬砌的刚度可以吸收地震荷载的能量，对隧道抗震更有利。②无配筋衬砌相比有配筋衬砌的峰值弯矩大，明洞以及洞口附近衬砌应予以配筋。③仰坡坡度越大，洞口段上覆土层越厚，其惯性力和主动压力越大，衬砌附加弯矩峰值越大。在洞口处可以通过接长明洞来减小仰坡坡度，从而减小衬砌的受力，同时还可以预防地震引起的滑坡、落石等次生灾害。④洞口附近设置减震缝可以改善衬砌的受力，降低受力集中，使衬砌受力更均匀。 （3）借助模型试验和数值方法研究上部滑移隔震、下部滑移隔震、下部碎石减震、全包减震、隔震层 下部碎石减震五种措施的减震效果，得出设置隔震层和下部碎石对衬砌的减震作用明显，下部碎石减震作用更为有效。洞门附近可以对基底进行处理，这不仅可以增加基底承载力并且可以起到一定的隔震作用。 本课题研究成果有助于提高隧道结构抗的抗减震，可为相关工程设计与施工提供指导，亦可为今后规范和标准的制定提供理论和技术支持。 2100433B

为增强隧道洞口段的山体稳定性，需贯彻早进晚出的原则，但为了给暗挖进洞创造条件，往往需要接长一段明洞，而强震作用下的明洞段是抗震的薄弱环节，其灾害控制对策是目前地下工程抗减震领域亟需解决的关键问题之一。本项目拟基于前期的现场调查,在对明洞段震害形式进行科学分类的基础上，研究其破坏机理、影响因素和动力响应规律，参考地面建筑的基底隔震法和地下结构的减震层法，提出两种或多种针对明洞段的减震结构；依据振动力学、波动力学和地震工程学等理论，结合明洞段的动力响应特性，建立考虑上覆土层、隧道衬砌与减震结构相互作用的数理力学模型，从理论上验证减震结构的可行性，并剖析其减震机理；利用有限元程序进行二次开发，实现数理力学模型的程序化，在室内试验正确性验证的基础上，综合数值分析和模型试验等手段，比选特定条件下的减震结构，并优化影响其减震效果的主要因素，为将本项目研究内容应用于工程实践提供理论基础和设计依据。

采用模型实验、理论分析及数值计算等手段，研究了山岭隧道洞口段在强震作用下的震害机理，建立了分析和评价洞口段地震稳定性的有限差分强度折减法，并分析了抗减震措施。获得了一些新的认识：（1）实施了不同坡度、不同加载方向、含减震层的三组振动台模型试验，发明了一种新型相似材料；采用非接触式位移监测系统进行了表面位移的监测。（2）试验表明，由于洞口临空面的存在，隧道洞口处会出现加速度的放大效应。随着仰坡坡度的增加，这种放大效应会逐渐减弱；沿隧道纵轴向加载条件下，这种放大效应会增加；减震层的设置，可以有效减小衬砌的加速度反应，对放大效应有所抑制。相应地，衬砌结构位移在洞口也有放大效应。隧道结构两侧的拱肩和拱脚位置是抗震的薄弱环节。洞口仰坡是隧道洞口段抗震设防的重点区域。沿隧道轴向加载时，坡面破坏尤为明显，是更为不利的振动方向。（3）基于自由变形法，将三维山岭隧道洞口段简化为单面坡均质模型，考虑洞口仰坡的反射效应并得到围岩中的应变和位移场，并将隧道简化为三维薄壁壳结构，受到应变与位移场作用，最终得到垂直入射SH、SV波作用下隧道结构的应变和位移响应。获得了应变集中的部位。不同的仰坡坡角，并不能改变应变沿横截面的分布规律，但随着坡角的增加，环向与切向应变逐渐增大。洞口处的刚性位移较大，这与试验结果相符。（4）基于有限差分法强度折减计算，将塑性应变能结合突变理论的失稳判据通过编制程序引入动力强度折减法计算。认为该判据概念明确、监测量数值单一，突变点依据数学方法确定，避免了判据的主观性，且准确性可以满足。基于本课题的模型试验，建立数值计算模型，采用上述判据开展了洞口边仰坡度数分别为25度、35度和45度的不同角度的研究，结果表明，三个模型的动、静力安全系数均是随着坡角的增大而减小；相同坡角下，动力安全系数小于静力安全系数，这与动力加载降低结构稳定性的一般规律一致。这些成果对相关工程具有参考意义。 2100433B

工程实践已表明，山岭隧道洞口段在强震作用下易发生变形及失稳破坏。本项目拟针对隧道洞口段在强震作用下的动力响应、破坏规律和分析方法进行研究。通过理论分析、数值模拟和振动台模型试验：①提出结合突变理论的位移失稳判据，与塑性区贯通失稳判据相对比，建立适用于隧道洞口段的动力强度折减法失稳判据；②在该判据的基础上，对计算条件和强度折减的实施步骤进行研究，建立隧道洞口段在强震作用下的三维动力强度折减法计算方法；③结合汶川地震现场回访、数值计算结果和振动台模型试验，给出隧道洞口段围岩变形失稳的演化规律、边坡失稳的空间特征、洞口段衬砌及洞门结构的受力和变形特征等，对隧道洞口段失稳破坏全过程的力学机理进行深入的分析。最终建立适合隧道洞口段在强震作用下失稳的分析方法。该方法对类似工程的理论研究和设计、设防等工程实践具有重要的参考价值。

本项目结合汶川地震隧道震害调研，采用理论分析、数值模拟与振动台模型试验相结合的方法，对强震区不良地质段隧道可变结构的抗减震新技术进行研究，主要研究内容如下：.(1)对强震区不良地质段隧道结构震害灾变理论进行系统研究：总结汶川地震中不良地质段隧道结构的破坏形态，采用离散元软件对隧道破坏模式和形态进行数值再现分析，重点研究隧道震害的成因及其震害灾变理论，为强震区隧道结构修复加固提供技术支持；.⑵分析隧道减震层的力学机制，建立减震层的力学计算模型，并提出隧道减震层的优化设计参数，得出强震区山岭隧道减震层的动力响应规律；.⑶提出强震区不良地质段隧道抗震型可变结构的抗减震新技术：基于强震区隧道震害灾变理论和减震层力学机制，隧道结构抗震技术概括为减、让、抗，通过改善围岩地质条件，提出抗震型可变结构新思路，减小地震对隧道结构的破坏，确保隧道安全。