基于断裂错动引起地铁隧道的变形响应研究

以西安地铁隧道穿越骊山山前断裂为研究原型,分析了该断裂的活动特征,并基于近场区地震危险性分析结果,对断裂黏滑活动可能产生的地表最大垂直位错量进行了预测;运用数值模拟方法,研究了断裂错动造成地层与隧道的变形响应特征,并对分段隧道结构受损的临界位错量值进行了分析验证;计算了断裂活动的影响范围,确定了地铁隧道穿越断裂带的主要设防区域。研究结果表明,随着断裂位错量的增大,上盘地层的沉降响应表现较明显,上下盘地层的差异沉降区域集中在断裂带附近,并呈"倒三角"形状逐渐向两侧扩展;当断裂位错量大于20cm时,上下盘远离断裂带的地铁隧道差异沉降尤为严重;当上盘沉降量达到50cm时,相邻分段隧道产生拉张、位错破坏;基于隧道拱顶处地层的竖向位移变化特征,得到地铁隧道穿越该断裂带的最小纵向设防长度为上盘40m、下盘15m,经对比验证,数值模拟计算结果与现场勘察结论一致;最后提出了相应的设防建议措施。

隧道洞口段的抗震设防长度

运用Newmark隐式时间积分有限元法并采用粘-弹性人工边界,进行了隧道三维地震反应分析。在不同的围岩材料、衬砌类型情况下,分析了隧道洞口段衬砌应力和位移沿隧道轴线方向的变化规律以及采取注浆加固围岩方法的减震效果。计算结果表明:抗震设防长度主要与洞口段围岩性质有关,洞口段松软、破碎的围岩越长,隧道的设防长度就越长;隧道的断面形式以及洞口段临空面的存在与隧道的设防长度关系不大;在地震荷载作用下,洞口段隧道衬砌产生了很大的轴向应力;可采用注浆加固洞口段围岩的方法减小洞口段衬砌的应力和位移。

列车活塞风影响下寒区隧道温度场的变化规律

为了研究列车活塞风对洞内温度场的影响,分别建立了二次衬砌、隔热层、一次衬砌及围岩的温度场计算模型,采用叠加原理、分离变量法和贝塞尔特征函数求得了列车活塞风影响下寒区隧道温度场的解析解.将解析解与现场实测结果进行比较,吻合较好.最后计算分析了不同行车速度和行车频率对洞内温度场及设防长度的影响.结果表明:在列车活塞风影响下,寒区隧道洞内温度变化明显,洞内气温出现正负交替的变化规律,不利于隧道内衬砌结构的防寒保温;列车行车速度和行车频率与单侧设防长度呈线性关系,该研究结论为寒区隧道的设计和防寒保温提供一定的理论支持.

隧道洞口段结构地震响应分析

隧道的进出口大多是风化的松散堆积体,是抗震设防的薄弱环节。运用Newmark隐式时间积分有限元法,采用粘-弹性人工边界,对在地震荷载作用下围岩材料的渐变对隧道洞口段抗震性能进行分析。得到了3种工况下沿隧道轴线方向衬砌最大应力、位移以及加速度变化曲线,及不同工况下洞口段隧道结构的抗震设防长度。洞口段设防长度与洞口段围岩性质有关,洞口段围岩由软弱向坚硬渐变长度越长,洞口段衬砌应力就越大,洞口段设防长度就越长。

正断层下隧道结构受力特征及设防长度研究

以乌鲁木齐市跨活动断层轨道交通1号线地铁隧道为研究对象,根据活动断裂带近场区几何学特征与运动学特征并结合区域地震构造条件,采用理论分析和数值模拟综合方法,针对活动正断层粘滑错动下隧道衬砌结构在不同因素条件时的纵向力学响应,系统计算分析了整体式隧道衬砌结构纵向应变、主应力、裂缝和围岩-初期支护附加接触力等分布规律。结果表明:结构埋深从10 m增至20 m,隧道结构设防范围无明显变化;断层倾角从60°增至80°,隧道结构设防范围逐渐减小。

西安地铁三号线隧道斜交穿越地裂缝带的设防参数研究

根据对地裂缝活动的监测数据资料,分析了西安地铁三号线沿线地裂缝活动特征。基于各条地裂缝与地铁三号线斜交的夹角θ、地裂缝倾角β以及各条地裂缝最大垂直位错量H,计算确定了地铁三号线穿越各条地裂缝地段的结构设计预留位移量,包括最大水平位移和最大轴向位移。同时,通过地裂缝影响带宽度和隧道与地裂缝的夹角θ,获取了地铁隧道穿越地裂缝带的结构纵向设防长度。研究结果可为西安地铁三号线及未来其他线路的隧道穿越地裂缝带的结构设计提供参考。

穿越断层破碎带隧道合理抗震设防长度研究

通过动力分析和振动台模型试验相结合的方法，研究穿越断层破碎带隧道在地震作用下沿纵向的动力响应特性，当隧道位于围岩与断层破碎带接触面附近时，衬砌地震内力和应力急剧增大；当隧道断面沿纵向远离断层破碎带一定距离后，衬砌地震内力和应力逐渐趋于一个稳定值。研究表明：断层与隧道轴线夹角为35°～90°时，穿越断层破碎带隧道合理抗震设防长度为隧道跨度的3.5倍，该研究成果可为隧道工程抗震设防提供参考。