山岭隧道跨断层同震效应响应机理研究

Tunnels in the mountainous areas are very important lifeline infrastructures. Previous seismic damage investigations indicate that concentrated and severe failures occurred at the locations where tunnels passed through faults, and that coseismic effects of faults crossed by tunnels are major reasons to cause local severe failures. The failure mechanism of tunnels crossing faults, resulted from the coseismic effects, is not understood clearly; furthermore, the design and construction practices of tunneling engineering are short of mature theory for such effects. Considering these problems, empirical statistical formulas and geomechanical models are to be established to estimate the coseismic displacements of specific fault quantificationally so as to define the coseismic displacement for researching failure mechanism of tunnels crossing faults and to build analyzing models. Coupling numerical models based on Finite Difference Method and Discrete Element Method will be built up to simulate the deformation and failure process of tunnels under the coseismic effects in order to provide the bases for the analysis of failure modes and mechanisms of tunnels crossing faults and physical simulation models. Three pseudo-dynamic physical model, combined with segmental tunnel chamber model, are to be proposed to resolve technical problems in shear offset movement and seismic wave inputs. The compilation and analysis of field investigation data, numerical modeling results and physical test data will help to reveal the failure mechanism of tunnels crossing faults under the coseismic effects, and to summarize the failure modes, which could provide fundamental theory for tunnel seismic design crossing faults.

山岭隧道是重要的生命线基础设施。现场震害调查显示，隧道在跨断层位置会产生集中和严重的破坏，隧道所穿越断层的同震效应是震害产生的主要原因。目前对跨断层隧道的同震效应破坏机理认识尚不深刻，在隧道工程设计和实践中也缺乏相应的理论依据。针对该科学问题，首先建立定量地估算断层同震位移的经验统计公式和地质力学模型，可为隧道跨断层处的破坏机理研究提供基本同震位移量和建模依据。建立有限差分法与离散元耦合计算的连续-非连续介质三维分析模型，模拟同震效应作用下隧道的大变形破坏过程，为隧道同震响应破坏机理的解释和模型试验提供定量依据。提出利用拟动力模型试验及节段式模型试验箱解决隧道错动及震动作用输入的技术问题，针对性地设计和开展拟动力模型试验。在现场数据、数值计算及模型试验的基础上，揭示跨断层隧道的破坏机理，总结破坏模式，为抗震设计提供理论依据。

隧道作为长线性结构，在地震中可能会受到各种外荷载作用。当发震断层停止错动以后，通常存在剩余变形，在断层周围介质内部及其表面形成同震位移场，在断层周围介质内部随远离发震断层而逐渐衰减。隧道除受到断层错动、地震动外，也会受到同震作用。本项目对同震位移统计经验公式进行了汇总和梳理，验证了其在中国地震区使用的可行性，开发了同震位移计算软件，通过同震位移计算实例和有限元模型，证明同震位移对长隧道的影响不可忽视。进而，考虑大变形，对隧道结构受到断层错动、地震动作用、同震位移及联合作用时的动力响应和破坏机理进行了研究。采用纵向反应位移法和波动有限元法，将总波场反应分解为断层场地的自由场运动和隧道结构产生的散射场运动，实现了把场地反应转化为截断边界面上的等效荷载的地震动波动输入方式，对跨断层隧道在地震动力作用下的地震响应进行了研究；采用整体式反应位移法，实现了位移的施加，对近断层隧道在同震位移场作用下的地震响应进行了研究；采用纵向反应位移法，建立了长梁模型，对跨断层隧道地震动力和断层错动联合作用下隧道地震响应进行了研究。基于振动台试验方法，建立了大型跨断层隧道和考虑断层内注浆加固层的试验分析模型，对地震作用下跨断层隧道的响应以及注浆加固的减震效果进行了模拟，并完成破坏全过程的再现。研究结果表明，在隧道地震中受到多种外荷载作用时，断层的错动作用最为强烈；但是地震动会造成断层的进一步破坏并加大隧道在断层两侧受错动影响的范围；也应考虑同震位移产生的影响；尤其是断层本身较为软弱，约束作用小，使断层中的结构产生较大变形，结构的破坏集中在断层及断层与硬岩交界位置。注浆加固可以改善结构抗震性能，是一种易于和施工相结合的造价较低的抗减震措施。