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)目摘要

以震區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過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)場調(diào)研和測試，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。

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)場調(diào)研，結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)、室內(nèi)模型試驗(yàn)、數(shù)值分析等綜合研究手段，通過對(duì)強(qiáng)震后震裂巖體隧道關(guān)鍵科學(xué)問題的系統(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)我國隧道地震研究進(jìn)行了有益補(bǔ)充，研究成果對(duì)我國高烈度西部山區(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

本書共分5章，依托我國大量的盾構(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解與工程實(shí)踐，并在工程實(shí)踐中得到了檢驗(yàn)。

近年來，我國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，即使隧道不開挖其引起的地表沉降現(xiàn)象也越來越明顯，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)測結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)基本吻合，驗(yàn)證了地面塌陷預(yù)測模型的合理性。（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，通過理論分析計(jì)算，建立了系統(tǒng)的總勢能函數(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臨，在我國西部大開發(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隧道門墻壁的破損、傾斜、開裂等問題；③隧道過斷層段的錯(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。在洞口處可以通過接長明洞來減小仰坡坡度，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