穿越活動斷層的隧道減震結構研究.pdf

1、本文以國家自然科學基金重點項目《長大隧道地震響應機理與抗震》為依托，綜合運用調查研究、理論推導、數(shù)值模擬、模型試驗等方法，對隧道震害突出問題進行了歸納總結，并針對隧道穿越活動斷層進行了重點研究，建立了以模型試驗方法研究隧道穿越斷層破壞形態(tài)及抗減震措施的可靠手段，給出了不同減震措施的試驗效果，并提出了隧道運用新型吸能減震結構的建議和辦法。主要研究結論和成果如下:
　　(1)在現(xiàn)場調查及資料調研等基礎上，將長大隧道震害嚴重區(qū)段分為三大

2、類:洞口段、洞身軟弱破碎段及穿越活動斷層段。
　　(2)對隧道洞身段遠場地震波作用下動力響應特征進行了數(shù)值模擬分析，結果表明，洞身穿越軟弱破碎帶遠場地震波動力響應明顯大于硬巖段，隧道容易發(fā)生震害破壞。在考慮波的繞流特性及松動圈理論基礎上，推導了硬巖隧道洞身深埋段的襯砌結構內力計算公式。
　　(3)提出了一種合理可靠的隧道穿越活動斷層模型試驗方法，通過與實際震害調查進行比較，認為試驗得出的結果是可靠的，試驗裝置以及試驗設計能夠

3、滿足模擬隧道穿越活動斷層力學行為特征的基本要求，隧道破壞特征明顯，與實際隧道震害基本吻合。
　　(4)模型試驗通過對隧道襯砌縱向設置不同間距減震縫，分析了設縫對隧道穿越活動斷層的減震效果，試驗表明:與不設縫相比，設置減震縫能夠有效的控制隧道受斷層錯動影響的縱向破壞距離以及受斷層錯動作用產(chǎn)生的內力增量;減小設縫間距能夠進一步控制隧道受斷層錯動影響的縱向破壞距離。但斷層處襯砌由于縱向長度很小，單環(huán)承受荷載的能力下降，中心處襯砌環(huán)發(fā)生了

4、非常嚴重的破壞，抗減震問題更為突出;通過對比試驗，認為初期支護應設置減震縫。在初支不設減震縫情況下，初支自身在斷層帶附近嚴重破裂剝離失效，同時加重了二次襯砌的破壞。
　　(5)采用擴大斷面并設置縱向減震縫能有效保證斷層錯動后隧道有效凈空面積，擴大斷面的設計應與工程所在地點的預計最終靜態(tài)滑動量相關，通過與減震縫組合的方式達到保證凈空的效果。斷層與隧道軸向夾角越大，相同錯動位移下隧道凈空損失越大，在保證震后凈空設計值需要的情況下，擴大

5、斷面尺寸越大;斷層與隧道軸向夾角越小，相同錯動位移下斷層對隧道的影響范圍越大，所需要的設縫范圍也越大。工程抗震設計時應根據(jù)斷層的走向及錯動量合理安排擴大斷面的尺寸以及減震縫設縫距離，達到保證減震效果與控制工程造價的雙重目標。
　　(6)隧道穿越活動斷層時采用減震縫設計是一種有效的減震方法，但由于混凝土襯砌本身的材料特性不足，不能抵抗斷層錯動瞬時產(chǎn)生的劇烈作用和荷載，不具備緩沖和吸能的能力，迫切的需要改進材料特性以解決設縫后斷層帶襯

6、砌自身穩(wěn)定能力。
　　(7)提出了一種新型柔性吸能減震結構，即橡膠襯砌。與傳統(tǒng)襯砌相比，在相同的錯動作用下，橡膠襯砌自身能發(fā)生較大的變形，但無任何裂縫及破壞情況，結構處于良好的彈性變形狀態(tài);橡膠襯砌能夠緩沖斷層錯動時產(chǎn)生的動力響應作用;橡膠襯砌設置減震縫能大大減小斷層范圍以外襯砌的內力增量;橡膠襯砌設置較小間距減震縫能減小斷層錯動對襯砌的影響范圍:隨著減震縫間距的減小，斷層處襯砌錯動趨于均勻，錯臺變小;從斷層影響范圍來看，減震縫間

7、距為20cm、10cm、5cm和2.5cm時襯砌錯動的范圍分別為60cm、40cm、30cm、25cm，基本在斷層附近。
　　(8)通過斷層錯動數(shù)值模擬，認為地震的能量級別與破裂面的強度有關，破裂面強度越高，震前積聚的能量越高，地震時越劇烈，隧道只能通過縱向設縫的辦法適應斷層錯動，環(huán)向采取柔性吸能的襯砌材料減震。影響隧道結構環(huán)向動力附加荷載因素為震級和剛度比，地震的震級越高，活動斷層的錯動越劇烈，隧道震害越嚴重。剛度比越大，襯砌的

8、內力響應越劇烈，剛度比小于1時，隧道結構比圍巖更柔性，與圍巖一起變形，動力響應很小。
　　(9)橡膠襯砌的彈性較好，相同荷載下其持續(xù)變形的能力遠大于普通襯砌，隧道在較大荷載及變形的情況下能夠保持不垮塌，當荷載消失后，橡膠襯砌仍能夠恢復受力前的狀態(tài)，不會發(fā)生永久破壞。從能量的角度來講，橡膠襯砌的吸能水平遠大于普通襯砌(s2(＞＞)s1)，是一種吸能的新型減震結構。
　　(10)橡膠襯砌的使用應根據(jù)斷層可能發(fā)生的錯動量及自身的剛