震裂巖體隧道災(zāi)變失穩(wěn)機(jī)理及安全控制對(duì)策

項(xiàng)目以穿越強(qiáng)震動(dòng)力作用后形成的大量“松”而未“動(dòng)”，“裂”而未“塌”的軟巖隧道為研究對(duì)象，以5.12汶川地震發(fā)震斷裂---龍門(mén)山活動(dòng)斷裂帶上在建的廣甘高速公路隧道群為依托，基于廣泛的資料搜集與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)模型試驗(yàn)、數(shù)值分析等綜合研究手段，通過(guò)對(duì)強(qiáng)震后震裂巖體隧道關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的系統(tǒng)研究，揭示了強(qiáng)震區(qū)震裂巖體的基本特征及成因機(jī)制；探明了震裂巖體區(qū)軟巖隧道失穩(wěn)破壞模式、影響因素及其成因機(jī)制。建立了強(qiáng)震區(qū)震裂軟巖隧道安全控制基準(zhǔn)及管理控制體系，探明了震裂軟巖隧道各工法下圍巖-支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為特征及相互作用機(jī)理，確定了震裂巖體隧道的適宜工法及相關(guān)參數(shù)指標(biāo)，揭示了震裂軟巖隧道的支護(hù)承載特性及演變機(jī)理；剖析了震裂軟巖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及受力的長(zhǎng)期演變特性，確定了支護(hù)結(jié)構(gòu)體系中關(guān)鍵性設(shè)計(jì)參數(shù)。探明了余震作用下圍巖-支護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，揭示了震裂巖體區(qū)軟巖隧道施工期余震作用下的失穩(wěn)機(jī)理。提出了震裂巖體隧道防失穩(wěn)控制對(duì)策。形成的系列研究成果對(duì)跨龍門(mén)山斷裂帶及其影響區(qū)內(nèi)的在建及擬建的大量鐵路、公路軟巖隧道建設(shè)提供了寶貴的技術(shù)參考，揭示的強(qiáng)震區(qū)余震作用下震裂巖體隧道的動(dòng)力響應(yīng)特性及失穩(wěn)機(jī)理對(duì)我國(guó)隧道地震研究進(jìn)行了有益補(bǔ)充，研究成果對(duì)我國(guó)高烈度西部山區(qū)的隧道建設(shè)具有極高的理論參考價(jià)值與現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。 2100433B

以震區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過(guò)程中穿越大量松而未動(dòng)，裂而未塌的山區(qū)隧道為研究對(duì)象，基于廣泛的資料搜集、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和測(cè)試，結(jié)合室內(nèi)振動(dòng)試驗(yàn)與數(shù)值模擬分析等多種研究手段，通過(guò)對(duì)地震前后巖體典型性狀的變化特征、地震動(dòng)力作用下巖體變形破裂的力學(xué)作用機(jī)理的深入研究，揭示震裂巖體基本特性及成因機(jī)制，以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步開(kāi)展震裂巖體隧道圍巖-結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變形到失穩(wěn)破壞的力學(xué)演變規(guī)律與典型災(zāi)害型式、余震作用下隧道工程震害特征、圍巖-結(jié)構(gòu)體系動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律及震裂巖體區(qū)隧道合理支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的承載機(jī)理及抗減震效應(yīng)的系統(tǒng)研究，進(jìn)而揭示震裂巖體隧道修建過(guò)程中失穩(wěn)機(jī)理與災(zāi)變特性，提出穿越震裂巖體區(qū)隧道的安全控制方法與對(duì)策。

本書(shū)共分5章，依托我國(guó)大量的盾構(gòu)法工程實(shí)踐和多年的研究成果，構(gòu)建了復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面災(zāi)變模型，進(jìn)行了流固耦合模型與工程案例數(shù)值分析，形成了盾構(gòu)隧道穿越建（構(gòu)）筑物關(guān)鍵技術(shù)。書(shū)中突出隧道工程災(zāi)變機(jī)理、施工技術(shù)和工程面臨的諸多挑戰(zhàn)以及新技術(shù)和新工藝的運(yùn)用。同時(shí)結(jié)合研究成果還介紹了一些新的見(jiàn)解與工程實(shí)踐，并在工程實(shí)踐中得到了檢驗(yàn)。

近年來(lái)，我國(guó)地鐵隧道施工中地面塌陷事故頻發(fā)，造成了人民生命財(cái)產(chǎn)的重大損失。本研究在統(tǒng)計(jì)分析大量地面塌陷事故案例的基礎(chǔ)上，采用模型試驗(yàn)、顆粒離散元模擬和理論分析等研究手段，揭示了地鐵隧道施工中管線滲漏及地層空洞失穩(wěn)誘發(fā)地面塌陷的災(zāi)變機(jī)理及影響因素，建立了隧道上覆地層失穩(wěn)判據(jù)及地面塌陷災(zāi)變預(yù)測(cè)模型，為地面塌陷的科學(xué)防控提供重要的理論支撐。主要研究成果如下：（1）通過(guò)對(duì)北京地鐵隧道施工誘發(fā)的地面塌陷事故統(tǒng)計(jì)分析，明確了地層空洞和管線滲漏水是隧道施工過(guò)程中地面塌陷的主要誘發(fā)因素，并將地面塌陷按形成方式劃分為3種類(lèi)型。（2）空洞的存在加速了地層破壞的發(fā)展進(jìn)程，空洞與隧道空間位置關(guān)系對(duì)地層破壞有重要影響，隧道正上方的空洞受隧道開(kāi)挖影響最大也最易失穩(wěn)誘發(fā)地面塌陷；空洞直徑越大，地層失穩(wěn)破壞越劇烈，瞬時(shí)性越強(qiáng)；空洞群的存在使地層失穩(wěn)破壞速度加快，但空洞自身的破壞形式并沒(méi)有因?yàn)榭斩慈旱拇嬖诙a(chǎn)生太大變化。（3）管線滲漏水弱化了地層的物理力學(xué)參數(shù)，削弱了隧道上覆地層的成拱效應(yīng)；隨著管線滲漏水范圍的擴(kuò)大，即使隧道不開(kāi)挖其引起的地表沉降現(xiàn)象也越來(lái)越明顯，地表沉降值和沉降范圍也隨之增大；管線滲漏范圍的偏移會(huì)導(dǎo)致地表沉降最大點(diǎn)和地表沉降范圍的偏移，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致地表塌陷位置的偏移；管線滲漏水范圍會(huì)隨著管線內(nèi)水壓力的增大而增加，由此導(dǎo)致的隧道開(kāi)挖后地層破壞范圍也相應(yīng)的增大。（4）基于突變理論，建立了城市隧道施工誘發(fā)地面塌陷的預(yù)測(cè)模型，利用該模型可計(jì)算得到隧道上覆地層厚度的臨界值，并將該臨界值作為地面塌陷發(fā)生與否的判據(jù)；基于預(yù)測(cè)模型給出了地面塌陷的影響因素，并分析了各因素的影響規(guī)律；理論預(yù)測(cè)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，驗(yàn)證了地面塌陷預(yù)測(cè)模型的合理性。（5）基于霍克-布朗破壞準(zhǔn)則，采用泛函突變理論建立了淺埋隧道地面塌陷的突變模型，通過(guò)理論分析計(jì)算，建立了系統(tǒng)的總勢(shì)能函數(shù)，進(jìn)而推導(dǎo)給出了淺埋隧道坍塌體形狀曲線的解析解；基于淺埋隧道坍塌的泛函突變模型，分析了圍巖參數(shù)對(duì)坍塌體形狀曲線的影響規(guī)律，并提出了深、淺埋隧道臨界埋深的判據(jù)。 2100433B

隨著地球地震活躍期的來(lái)臨，在我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)建設(shè)的背景下，為了保證強(qiáng)震作用下隧道特別是抗震最薄弱部分的明洞段安全，亟需相應(yīng)的減震機(jī)理與災(zāi)害控制對(duì)策研究。采用資料調(diào)研、數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)等方法，本課題深入研究了隧道洞口段的地震響應(yīng)機(jī)理及減震對(duì)策。 （1）通過(guò)文獻(xiàn)資料的廣泛搜集，明確隧道洞口段的破壞形式可分為：①邊坡失穩(wěn)破壞導(dǎo)致的崩塌、滑落造成其變形和壓損；②隧道門(mén)墻壁的破損、傾斜、開(kāi)裂等問(wèn)題；③隧道過(guò)斷層段的錯(cuò)動(dòng)。 （2）結(jié)合模型試驗(yàn)和數(shù)值分析的方法，研究仰坡角度、襯砌剛度，減震縫間隔對(duì)隧道結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，得出結(jié)論有：①過(guò)大的襯砌剛度對(duì)襯砌的受力不利，在保證靜力荷載和變形的條件下，適當(dāng)減小襯砌的剛度可以吸收地震荷載的能量，對(duì)隧道抗震更有利。②無(wú)配筋襯砌相比有配筋襯砌的峰值彎矩大，明洞以及洞口附近襯砌應(yīng)予以配筋。③仰坡坡度越大，洞口段上覆土層越厚，其慣性力和主動(dòng)壓力越大，襯砌附加彎矩峰值越大。在洞口處可以通過(guò)接長(zhǎng)明洞來(lái)減小仰坡坡度，從而減小襯砌的受力，同時(shí)還可以預(yù)防地震引起的滑坡、落石等次生災(zāi)害。④洞口附近設(shè)置減震縫可以改善襯砌的受力，降低受力集中，使襯砌受力更均勻。 （3）借助模型試驗(yàn)和數(shù)值方法研究上部滑移隔震、下部滑移隔震、下部碎石減震、全包減震、隔震層 下部碎石減震五種措施的減震效果，得出設(shè)置隔震層和下部碎石對(duì)襯砌的減震作用明顯，下部碎石減震作用更為有效。洞門(mén)附近可以對(duì)基底進(jìn)行處理，這不僅可以增加基底承載力并且可以起到一定的隔震作用。 本課題研究成果有助于提高隧道結(jié)構(gòu)抗的抗減震，可為相關(guān)工程設(shè)計(jì)與施工提供指導(dǎo)，亦可為今后規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的制定提供理論和技術(shù)支持。 2100433B