既有隧道裂损衬砌地震响应机理与安全评价

For the serious situation of lining cracks in serving tunnels and the present condition of frequently occurred earthquake disaster, it is desperately necessary to ensure the safety for the lining structure with cracks in serving tunnel under strong earthquake. In this proposal, firstly, based on literature review and field test, the universal distribution law of lining cracks will be obtained utilizing the statistical methods, and the characterization method for lining crack damage can be formed. Secondly, taken a tunnel in semi-infinite three-dimensional elastic medium as an example, based on the wave mechanics, damage and fracture mechanics, employing the wave function expansion method, the displacement discontinuity method and etc., the control equations for the dynamic response of three lining structures can be gradually reached, which are the undamaged lining, the damaged lining with inextensible cracks, and the damaged lining with extensible cracks. The control equations will be discretized and programmed, and indoor model tests will be utilized to verify the numerical results. According to the dynamic response program, the influence of crack form, seismic parameters, ground properties and structure characteristics will be analyzed, and the dynamic response mechanism of lining structure with cracks can be acquired. Finally, utilizing the risk assessment means, the indexes of safety evaluation for lining structure with cracks can be scientifically selected, and the evaluation standard could be formed. Then, the anti-seismic safety level can be developed, and the anti-seismic evaluation method for lining structure with cracks can be put forward. The research of this proposal can provide important theoretical basis and evaluation principles for anti-seismic safety of serving tunnels with cracked lining.

针对既有隧道衬砌裂损严重和地震灾害频发的现状，保证既有隧道在衬砌裂损状态下的抗震安全这一难题亟待解决。首先，采用资料调研和现场测试等方法，借助统计学手段，发现既有隧道衬砌裂损的普遍性规律，提出裂损的基本模型，形成衬砌裂损的空间表征方法。其次，以含隧道的半无限三维空间弹性介质为例，基于波动力学、断裂损伤力学等理论，采用波函数展开、位移不连续等方法，依次建立完整衬砌、含静止裂缝和含动态扩展裂缝三种衬砌的地震响应控制方程，并采用数值离散和程序编译手段实现程序化，借助模型试验验证数值解的正确性。然后，系统分析裂损形态、地震参数、地层属性和结构特性等对裂损衬砌地震响应的影响，掌握裂损衬砌地震响应机理。最后借助风险分析方法，科学遴选裂损衬砌抗震安全评价指标，制定评判标准，划分裂损衬砌抗震安全等级，形成既有隧道裂损衬砌抗震安全评价方法，为既有隧道裂损衬砌的抗震安全工作提供理论基础和评价依据。

隧道病害普遍存在，且随着使用年限增长，其病害程度也将不断发展，其维修养护成本也将急剧增加。衬砌裂损是隧道病害中最普遍存在的一种。随着越来越多的隧道穿越高烈度地区，研究既有隧道裂损衬砌在地震作用下的安全运营具有重要的理论意义、工程应用需求和社会经济效益。本课题主要研究三个方面的内容：1、既有隧道衬砌裂损的分布规律；2、既有隧道裂损衬砌的地震响应机理；3、既有隧道裂损衬砌的安全评价。借助文献资料调研、室内模型试验、扩展有限元数值分析和风险评估等手段和方法，主要得到以下结论：1、衬砌裂损在既有隧道中普遍存在，从纵向分布上讲，洞身段多于洞口段；从开裂位置上讲，拱部多于边墙；从裂缝形态上看，环向裂缝多于纵向裂缝和斜裂缝。2、综合室内模型试验和数值模拟，在地震作用下，纵向裂缝对既有隧道裂损衬砌的地震响应影响大于环向裂缝；且其影响与裂缝深度呈线性关系，裂缝越深，其影响越显著；纵向开裂对既有隧道地震响应的影响，随着其位置的变化而变化，在El Centro-NS波作用下，影响顺序由大到小依次为-135°位置、-45°位置、-90°位置。在El Centro-UP波作用下，影响顺序由大到小依次为-90°位置、0°位置、-135°位置。在环向裂缝影响下，45°位置地震动力响应最为明显，0°位置次之， 90°位置最弱。随着环向裂缝深度的增加，45°位置峰值应变越来越大，其他位置差异不明显。随着裂缝数量的增加，衬砌地震动力响应也越明显。3、基于上述研究成果，本课题采用模糊故障树法评价既有隧道裂损衬砌的结构安全性，在影响既有隧道裂损衬砌结构安全性的诸多因素中，综合风险概率最高的三项分别为：“入射波幅值”“开裂部位”、“裂缝尺寸”和“裂缝数量”。实际隧道维修养护是应特别重视衬砌开裂部位的影响。本课题研究结论对进一步系统开展相关研究具有重要意义，对相关规范制定和震区既有隧道的维修养护具有重要的参考价值。