穿越活動(dòng)斷層的隧道減震結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、本文以國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目《長(zhǎng)大隧道地震響應(yīng)機(jī)理與抗震》為依托，綜合運(yùn)用調(diào)查研究、理論推導(dǎo)、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)等方法，對(duì)隧道震害突出問(wèn)題進(jìn)行了歸納總結(jié)，并針對(duì)隧道穿越活動(dòng)斷層進(jìn)行了重點(diǎn)研究，建立了以模型試驗(yàn)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(yàn)效果，并提出了隧道運(yùn)用新型吸能減震結(jié)構(gòu)的建議和辦法。主要研究結(jié)論和成果如下:
　　(1)在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及資料調(diào)研等基礎(chǔ)上，將長(zhǎng)大隧道震害嚴(yán)重區(qū)段分為三大

2、類(lèi):洞口段、洞身軟弱破碎段及穿越活動(dòng)斷層段。
　　(2)對(duì)隧道洞身段遠(yuǎn)場(chǎng)地震波作用下動(dòng)力響應(yīng)特征進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明，洞身穿越軟弱破碎帶遠(yuǎn)場(chǎng)地震波動(dòng)力響應(yīng)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(dòng)圈理論基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了硬巖隧道洞身深埋段的襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算公式。
　　(3)提出了一種合理可靠的隧道穿越活動(dòng)斷層模型試驗(yàn)方法，通過(guò)與實(shí)際震害調(diào)查進(jìn)行比較，認(rèn)為試驗(yàn)得出的結(jié)果是可靠的，試驗(yàn)裝置以及試驗(yàn)設(shè)計(jì)能夠

3、滿(mǎn)足模擬隧道穿越活動(dòng)斷層力學(xué)行為特征的基本要求，隧道破壞特征明顯，與實(shí)際隧道震害基本吻合。
　　(4)模型試驗(yàn)通過(guò)對(duì)隧道襯砌縱向設(shè)置不同間距減震縫，分析了設(shè)縫對(duì)隧道穿越活動(dòng)斷層的減震效果，試驗(yàn)表明:與不設(shè)縫相比，設(shè)置減震縫能夠有效的控制隧道受斷層錯(cuò)動(dòng)影響的縱向破壞距離以及受斷層錯(cuò)動(dòng)作用產(chǎn)生的內(nèi)力增量;減小設(shè)縫間距能夠進(jìn)一步控制隧道受斷層錯(cuò)動(dòng)影響的縱向破壞距離。但斷層處襯砌由于縱向長(zhǎng)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(yán)重的破壞，抗減震問(wèn)題更為突出;通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，認(rèn)為初期支護(hù)應(yīng)設(shè)置減震縫。在初支不設(shè)減震縫情況下，初支自身在斷層帶附近嚴(yán)重破裂剝離失效，同時(shí)加重了二次襯砌的破壞。
　　(5)采用擴(kuò)大斷面并設(shè)置縱向減震縫能有效保證斷層錯(cuò)動(dòng)后隧道有效凈空面積，擴(kuò)大斷面的設(shè)計(jì)應(yīng)與工程所在地點(diǎn)的預(yù)計(jì)最終靜態(tài)滑動(dòng)量相關(guān)，通過(guò)與減震縫組合的方式達(dá)到保證凈空的效果。斷層與隧道軸向夾角越大，相同錯(cuò)動(dòng)位移下隧道凈空損失越大，在保證震后凈空設(shè)計(jì)值需要的情況下，擴(kuò)大

5、斷面尺寸越大;斷層與隧道軸向夾角越小，相同錯(cuò)動(dòng)位移下斷層對(duì)隧道的影響范圍越大，所需要的設(shè)縫范圍也越大。工程抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)斷層的走向及錯(cuò)動(dòng)量合理安排擴(kuò)大斷面的尺寸以及減震縫設(shè)縫距離，達(dá)到保證減震效果與控制工程造價(jià)的雙重目標(biāo)。
　　(6)隧道穿越活動(dòng)斷層時(shí)采用減震縫設(shè)計(jì)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(cuò)動(dòng)瞬時(shí)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(jìn)材料特性以解決設(shè)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(jié)構(gòu)，即橡膠襯砌。與傳統(tǒng)襯砌相比，在相同的錯(cuò)動(dòng)作用下，橡膠襯砌自身能發(fā)生較大的變形，但無(wú)任何裂縫及破壞情況，結(jié)構(gòu)處于良好的彈性變形狀態(tài);橡膠襯砌能夠緩沖斷層錯(cuò)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)力響應(yīng)作用;橡膠襯砌設(shè)置減震縫能大大減小斷層范圍以外襯砌的內(nèi)力增量;橡膠襯砌設(shè)置較小間距減震縫能減小斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)襯砌的影響范圍:隨著減震縫間距的減小，斷層處襯砌錯(cuò)動(dòng)趨于均勻，錯(cuò)臺(tái)變小;從斷層影響范圍來(lái)看，減震縫間

7、距為20cm、10cm、5cm和2.5cm時(shí)襯砌錯(cuò)動(dòng)的范圍分別為60cm、40cm、30cm、25cm，基本在斷層附近。
　　(8)通過(guò)斷層錯(cuò)動(dòng)數(shù)值模擬，認(rèn)為地震的能量級(jí)別與破裂面的強(qiáng)度有關(guān)，破裂面強(qiáng)度越高，震前積聚的能量越高，地震時(shí)越劇烈，隧道只能通過(guò)縱向設(shè)縫的辦法適應(yīng)斷層錯(cuò)動(dòng)，環(huán)向采取柔性吸能的襯砌材料減震。影響隧道結(jié)構(gòu)環(huán)向動(dòng)力附加荷載因素為震級(jí)和剛度比，地震的震級(jí)越高，活動(dòng)斷層的錯(cuò)動(dòng)越劇烈，隧道震害越嚴(yán)重。剛度比越大，襯砌的

8、內(nèi)力響應(yīng)越劇烈，剛度比小于1時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)比圍巖更柔性，與圍巖一起變形，動(dòng)力響應(yīng)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(yuǎn)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(dāng)荷載消失后，橡膠襯砌仍能夠恢復(fù)受力前的狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生永久破壞。從能量的角度來(lái)講，橡膠襯砌的吸能水平遠(yuǎn)大于普通襯砌(s2(＞＞)s1)，是一種吸能的新型減震結(jié)構(gòu)。
　　(10)橡膠襯砌的使用應(yīng)根據(jù)斷層可能發(fā)生的錯(cuò)動(dòng)量及自身的剛