断层黏滑错动作用下隧道抗错断技术研究

The anti-breaking technology of tunnel under fault stick-slip dislocation will be studied through the combination of theoretical analysis, numerical simulation and indoor model test. Firstly, the disastrous mechanism of stick-slip fault tunnel will be obtained by exploring the failure characteristic, deformation characteristic and failure mode of normal fault, reverse fault, as well as strike-slip fault under fault stick-slip dislocation based on the interaction between tunnel and surrounding rock under fault stick-slip dislocation model. Secondly, the thin-walled shell finite element model of stick-slip fault tunnel anti-breaking analysis will be structured, nonlinear spring equivalent boundary will be introduced, and tunnel structure longitudinal stiffness reduction considering anti-breaking measures will be also studied. Then, the calculation method for anti-breaking design of stick-slip fault tunnel will be established. Thirdly, the anti-breaking effect of full-circular interval grouting reinforcement of surrounding rock, deformation joint and buffer layer, as well as the influence rule of grouting interval distance, grouting reinforcement thickness, slit width of movement joint and buffer layer stiffness to anti-breaking effect will be revealed by calculation method for anti breaking design of stick-slip fault tunnel. Finally, previous research will be examined by indoor model test of tunnel under fault stick-slip dislocation. The anti-breaking technical system of stick-slip fault tunnel will be eventually established. These results will provide theoretical support and reference for anti-breaking design of active fault zone tunnels.

本项目拟采用理论分析、数值模拟和室内模型试验相结合的方法对断层黏滑错动作用下隧道抗错断技术进行研究。首先，利用建立的围岩-结构相互作用断层黏滑错动计算模型，研究正断层、逆断层和走滑断层黏滑错动作用下隧道的破坏特征、变形特征及破坏模式，探明黏滑断层隧道的灾变机理；其次，通过构建黏滑断层隧道抗错断分析薄壁壳有限元模型，引入非线性弹簧等效边界，研究考虑抗错断措施作用的隧道结构纵向刚度折减，建立黏滑断层隧道抗错断设计计算方法；然后，利用建立的黏滑断层隧道抗错断措施计算模型，研究采用全环间隔注浆加固围岩、变形缝及缓冲层抗错断措施的抗错断效果，揭示注浆间隔距离、注浆加固厚度、变形缝缝宽及缓冲层刚度对抗错断效果的影响规律；最后，利用黏滑断层隧道错动室内模型试验，对之前研究进行检验，最终建立黏滑断层隧道抗错断设计技术体系。研究成果可为活动断层区隧道的抗错断设计提供理论支持和参考。

我国西部地区地形起伏大，断层、节理发育，隧道选线不可避免地需要通过活动断层区。隧道作为交通基础工程的关键部位，一旦断层发生错动，将严重影响隧道的结构安全性，进而影响整条线路的安全运营。为确保活动断层区隧道的结构安全性及稳定性，黏滑断层隧道抗错断技术的研究具有重要的理论和实践意义。研究工作主要体现在以下几个方面：.（1）探明了断层黏滑错动作用下隧道的灾变机理。通过分析汶川地震极重、重灾区的57座公路隧道震害资料，明确了强震区黏滑断层隧道的破坏特征；通过数值仿真分析发现，造成黏滑断层隧道震害的主要影响因素为断层错动，地震惯性力次之；断层上下错动对隧道结构影响最大，其次为倾斜错动，再次为左右错动。.（2）建立了黏滑断层隧道抗错断设计计算方法。通过采用大挠度变形的壳单元模拟隧道衬砌结构，采用三方向的非线性弹簧模拟隧道衬砌结构与围岩的相互作用，引入非线性弹簧等效边界，并考虑含抗错断措施的隧道结构纵向刚度折减，建立了黏滑断层隧道抗错断设计计算方法。.（3）揭示了减错措施参数对抗错断效果的影响规律。随着减错缝宽度的增加，隧道上盘抗错断效果变好，下盘缝宽10~15cm抗错断效果最佳；随着减错层弹性模量的增加，隧道上下盘抗错断效果降低，当减错层弹性模量增加到一定程度（约100MPa），抗错断效果趋于稳定。.（4）提出了刚柔并济、刚柔相济抗错断措施。依托都汶高速龙溪隧道F8黏滑断层段，采用室内模型试验，对刚柔并济、刚柔相济抗错断措施的作用效果进行了研究。试验结果表明：通过采用结构加强措施抵抗断层黏滑错动对隧道结构的影响，效果有限；通过采用施设减错层和减错缝措施消减断层黏滑错动的影响，效果明显，安全系数最小值分别增加10倍和8倍以上；采用刚柔并济和刚柔相济抗错断措施能大幅度提高强震区黏滑断层隧道的结构安全性，结构安全系数最小值分别增加20倍和16倍以上。