穿越活动断层隧道多级减震可变结构体系及分析方法研究

In order to overcome the difficulty of lack of efficient isolation technology for tunnels running through active fault, a multilevel flexible structure consisting of over-excavation, flexible lining, surrounding rock grouting and damping layer is proposed based on the tunnel projects running through active fault located along Sichuan-Tibet Railway. Analysis procedure is developed to solve the elastic waves scatting problem of lined cavities with damping layer and arbitrary shape by complex function method, which is used to investigate the stiffness relationship between each level of multilevel flexible structure. A special boundary setting approach combining the effect of seismic wave and fault rupture deformation derived from Domain Reduced Method is developed for numerical seismic performance analysis of multilevel flexible structure to reveal its deformation mechanism. A safety evaluation method is established involving two parameters, e.g. deformation limit index and energy damage index, to evaluate the performance of multilevel flexible structure. Special experimental device supporting both seismic wave input and fault rupture deformation is research and developed and large scale shaking table test is conducted to assess the seismic performance of proposed multilevel flexible structure and to verify the efficiency and applicability of corresponding analysis method. The research results are expected to provide theoretical support for the construction of tunnel projects running through active fault in the high intensity seismic zone.

本项目以川藏铁路隧道穿越强活动断层为工程依托，针对现有隧道抗减震技术无法满足穿越强活动断层隧道建设需要这一现实问题，提出横断面扩挖、纵向柔性结构、洞周注浆加固、缓冲减震层相结合的多级减震可变结构体系；基于弹性动力学复变函数理论，提出适用于多种横断面形状隧道及其减震结构弹性波散射问题的计算方法，能揭示多级减震体系刚度匹配与相互作用关系；基于域缩减法，提出适用于穿越断层隧道结构有限元模型的地震动波动输入与断层错动位移边界设置方法，建立多级减震可变结构数值分析平台，揭示多级减震可变结构变形机理；成果还可提出纵向变形控制指标与结构位移能量损伤指标，给出多级减震可变结构的安全评价方法；借助研发可同时实现断层错动和地震动输入的模型试验装置并开展大比尺振动台模型试验，验证多级减震可变结构体系及其分析方法的正确性与适用性。研究成果可以为强震区穿越活动断层隧道工程抗减震设计提供理论与技术支撑。

基金项目依托川藏铁路穿越强活动断层隧道工程，采用调研分析、理论研究、数值模拟与模型试验相结合的方法，对穿越大型断裂带隧道多级减震可变结构体系及分析方法开展研究，主要取得了以下主要成果：. ①高烈度地震区穿越活动断层隧道变形机理和震害形态研究，隧道洞口震害主要是由于地震惯性力和地震次生灾害引起；不良地质段隧道结构震害主要由于岩土的强制变形或岩土体失效导致的；其它薄弱地段隧道震害主要是由隧道结构与岩土体之间的刚度不匹配导致的。. ②基于隧道断面扩挖和纵向自适应变形设计两种减震设计思路，提出穿越活动断层隧道多级减震可变结构设计体系，形成以扩挖吸收断层错动位移和结构自适应变形为主，注浆加固和减震层设计为辅的穿越活动断层隧道多级减震可变结构体系。. ③基于弹性动力学复变函数和多角形映射理论，推导平面SV波入射下适用于多种横断面形状隧道动应力集中系数解析解；基于域缩减法，提出适用于穿越断层隧道结构有限元模型的地震动波动输入与断层错动位移边界设置方法。. ④建立了“刚性模型箱-柔性材料-土体”相互作用的多质点质量集中模型，推导出了合理设计柔性材料参数的理论公式，解决了隧道结构振动台模型试验的刚性模型箱边界效应，提出了评价模型箱边界效应的综合评价方法。. ⑤利用“弹性地基”上的带轴力Timoshenko梁（衬砌）的动力响应格林函数，引进隧道衬砌“柔性接头”的扭簧等效模型，得到了“柔性接头”的隧道衬砌动力响应规律，进而评价穿越地层变化段的隧道动力响应特征。. ⑥提出了基于弹性应变能方法的隧道结构动力响应评估方法，研究了地震波在不同PGA条件下隧道结构的能量响应规律，同时建立隧道结构的能量动态稳定函数，获得了地震动过程中隧道结构失稳特征。. 通过研发的断层错动和地震动模型试验箱，开展振动台试验验证了隧道多级减震可变结构抗震性能，研究成果可以为强震区穿越活动断层隧道工程抗减震设计提供理论与技术支撑。