震裂岩体隧道灾变失稳机理及安全控制对策

项目以穿越强震动力作用后形成的大量“松”而未“动”，“裂”而未“塌”的软岩隧道为研究对象，以5.12汶川地震发震断裂---龙门山活动断裂带上在建的广甘高速公路隧道群为依托，基于广泛的资料搜集与现场调研，结合现场试验、室内模型试验、数值分析等综合研究手段，通过对强震后震裂岩体隧道关键科学问题的系统研究，揭示了强震区震裂岩体的基本特征及成因机制；探明了震裂岩体区软岩隧道失稳破坏模式、影响因素及其成因机制。建立了强震区震裂软岩隧道安全控制基准及管理控制体系，探明了震裂软岩隧道各工法下围岩-支护结构的力学行为特征及相互作用机理，确定了震裂岩体隧道的适宜工法及相关参数指标，揭示了震裂软岩隧道的支护承载特性及演变机理；剖析了震裂软岩隧道支护结构变形及受力的长期演变特性，确定了支护结构体系中关键性设计参数。探明了余震作用下围岩-支护结构的动力响应规律，揭示了震裂岩体区软岩隧道施工期余震作用下的失稳机理。提出了震裂岩体隧道防失稳控制对策。形成的系列研究成果对跨龙门山断裂带及其影响区内的在建及拟建的大量铁路、公路软岩隧道建设提供了宝贵的技术参考，揭示的强震区余震作用下震裂岩体隧道的动力响应特性及失稳机理对我国隧道地震研究进行了有益补充，研究成果对我国高烈度西部山区的隧道建设具有极高的理论参考价值与现实指导意义。 2100433B

以震区基础设施建设过程中穿越大量松而未动，裂而未塌的山区隧道为研究对象，基于广泛的资料搜集、现场调研和测试，结合室内振动试验与数值模拟分析等多种研究手段，通过对地震前后岩体典型性状的变化特征、地震动力作用下岩体变形破裂的力学作用机理的深入研究，揭示震裂岩体基本特性及成因机制，以此为基础，进一步开展震裂岩体隧道围岩-结构稳定性变形到失稳破坏的力学演变规律与典型灾害型式、余震作用下隧道工程震害特征、围岩-结构体系动力响应规律及震裂岩体区隧道合理支护结构体系的承载机理及抗减震效应的系统研究，进而揭示震裂岩体隧道修建过程中失稳机理与灾变特性，提出穿越震裂岩体区隧道的安全控制方法与对策。

本书共分5章，依托我国大量的盾构法工程实践和多年的研究成果，构建了复杂地质环境下盾构隧道开挖面灾变模型，进行了流固耦合模型与工程案例数值分析，形成了盾构隧道穿越建（构）筑物关键技术。书中突出隧道工程灾变机理、施工技术和工程面临的诸多挑战以及新技术和新工艺的运用。同时结合研究成果还介绍了一些新的见解与工程实践，并在工程实践中得到了检验。

近年来，我国地铁隧道施工中地面塌陷事故频发，造成了人民生命财产的重大损失。本研究在统计分析大量地面塌陷事故案例的基础上，采用模型试验、颗粒离散元模拟和理论分析等研究手段，揭示了地铁隧道施工中管线渗漏及地层空洞失稳诱发地面塌陷的灾变机理及影响因素，建立了隧道上覆地层失稳判据及地面塌陷灾变预测模型，为地面塌陷的科学防控提供重要的理论支撑。主要研究成果如下：（1）通过对北京地铁隧道施工诱发的地面塌陷事故统计分析，明确了地层空洞和管线渗漏水是隧道施工过程中地面塌陷的主要诱发因素，并将地面塌陷按形成方式划分为3种类型。（2）空洞的存在加速了地层破坏的发展进程，空洞与隧道空间位置关系对地层破坏有重要影响，隧道正上方的空洞受隧道开挖影响最大也最易失稳诱发地面塌陷；空洞直径越大，地层失稳破坏越剧烈，瞬时性越强；空洞群的存在使地层失稳破坏速度加快，但空洞自身的破坏形式并没有因为空洞群的存在而产生太大变化。（3）管线渗漏水弱化了地层的物理力学参数，削弱了隧道上覆地层的成拱效应；随着管线渗漏水范围的扩大，即使隧道不开挖其引起的地表沉降现象也越来越明显，地表沉降值和沉降范围也随之增大；管线渗漏范围的偏移会导致地表沉降最大点和地表沉降范围的偏移，同时也会导致地表塌陷位置的偏移；管线渗漏水范围会随着管线内水压力的增大而增加，由此导致的隧道开挖后地层破坏范围也相应的增大。（4）基于突变理论，建立了城市隧道施工诱发地面塌陷的预测模型，利用该模型可计算得到隧道上覆地层厚度的临界值，并将该临界值作为地面塌陷发生与否的判据；基于预测模型给出了地面塌陷的影响因素，并分析了各因素的影响规律；理论预测结果和现场实测数据基本吻合，验证了地面塌陷预测模型的合理性。（5）基于霍克-布朗破坏准则，采用泛函突变理论建立了浅埋隧道地面塌陷的突变模型，通过理论分析计算，建立了系统的总势能函数，进而推导给出了浅埋隧道坍塌体形状曲线的解析解；基于浅埋隧道坍塌的泛函突变模型，分析了围岩参数对坍塌体形状曲线的影响规律，并提出了深、浅埋隧道临界埋深的判据。 2100433B

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