文摘

潜在地震导致的重叠隧道破坏可能发生在山隧道工程的操作和维护,特别是在地震活跃区。本研究调查的动态响应和故障特征平行重叠隧道在地震载荷下采用摇表测试。平行重叠隧道的破坏模式进行了分析通过宏观试验现象。围岩和隧道衬砌的动态响应进行评估通过加速度和动应变,分别。特别是,小波包是用来调查深入隧道结构的光谱特征。模型的破坏过程可分为三个阶段。upper-span和under-crossing隧道显示不同的故障特征。此外,隧道的衬砌损伤外表面主要发生在拱腰右侧和左侧墙,而隧道的内表面上的衬里损伤主要出现在皇冠和转化。小波包能量结果表明,能量分布特征upper-span和under-crossing隧道并不一致。具体来说,能量特征值的皇冠upper-span under-crossing隧道的隧道和转化是最大的,这应该被认为是抗震设计的薄弱环节。

1。介绍

地震和降雨通常被认为是两个重要的因素在工程结构稳定性的研究1,2),以及由地震造成的结构动态响应更加关注。重叠隧道已广泛应用于工程,由于地形的限制和路线选择3]。根据空间和结构的相对关系交叉隧道、李等人,刘等人。4,5交叉隧道分为两种类型:结构交叉和空间交叉。此外,结构交叉隧道分为结构分岔,结构连接通道,风与结构类型;空间交叉隧道分为空间正交空间平行空间斜类型,如图1。随着交通动脉通过复杂的山区,更多的重叠隧道内置的高强度地震地区,经常面临地震破坏的问题(6]。因此,有必要研究重叠隧道的地震反应在高强度地震的地区。

在先前的研究重叠隧道,学者主要讨论了重叠隧道的施工力学特性和已经取得了一些成就的静力学交叉隧道的机械的分布特点,强化技术,和监视和测量7- - - - - -17]。一些学者分析了围岩的力学特性和稳定性的交叉隧道小净距通过不同的数值软件;结果表明,冠的最大位移是由于施工扰动和皇冠的压力的释放10,11]。刘等人林和et al。12,13)进行了理论分析和数值模拟研究重叠地铁隧道的施工过程与一个小净距。他们指出,当一个新的隧道建成跨度,产生的附加应力主要集中在原隧道区域相交的隧道。其他学者提出的建议重叠隧道的钢筋。例如,张等人,刘等人。14,15)使用补偿灌浆加固岩石柱之间的现有隧道和新隧道减少解决现有的隧道。此外,隧道围岩的强度和现有一起可以提高通过控制特定的灌浆压力。监视和测量的重叠隧道、叠加法是用于监控现有隧道地表沉降和新隧道。方等人,金等。16,17)发现,解决现有的隧道和表面部分显示不同的形状;即解决现有的隧道截面形状的“W”,而表面的解决部分形状的“美国”

由于multieffect耦合的特点,荷载往复叠加,而复杂的变形重叠隧道动态荷载作用下,结构损伤的程度和范围正在加剧,这造成巨大的潜在安全风险重叠隧道的建设和运营18]。目前,一些学者研究了重叠隧道的动态,主要集中在爆破振动的影响,列车荷载和地震荷载(19,20.]。重叠隧道爆破开挖施工过程中有特定的独特的特点,这不仅保证了原始的隧道结构和支持系统将不会损坏在爆破后还考虑围岩的能不能多个振动(21]。赵et al。22)现场监测试验和有限元数值方法用来研究现有隧道的爆破振动速度和频率。此外,他们用不同的指标来评估新隧道的爆破施工的影响。

此外,长期训练负荷的振动会引起隧道结构的损伤和裂纹,甚至引起严重的隧道衬砌的损伤,这是容易引起结构的大变形和带来巨大隐患重叠隧道的安全运行。一些学者进行了实地测试和模型试验来研究列车荷载的影响,得出一些有价值的结论对重叠隧道(23,24]。重叠隧道结构会产生地震波叠加地震荷载的作用下,与加载产生的地震效应大于其他两个动态载荷,所以它通常是受损最严重的地震荷载的作用下(25]。吴等人,Lei et al。26,27)进行了振动台试验研究正交和斜交重叠隧道的地震响应,分别和初步讨论和分析了加速度响应和衬里upper-span应变响应和under-crossing隧道。

通过以上研究,发现先前的研究在重叠隧道主要集中在静态方面,如建筑力学。虽然重叠隧道的动态也取得了一些进展,重叠隧道的动力响应特征地震载荷作用下还没有作出实质性的突破,甚至平行重叠隧道的研究更少。研究的动态响应和频谱响应平行重叠隧道在地震载荷下,动态损伤的隧道衬砌和围岩的加速度响应通过振动台试验进行了分析。此外,介绍了小波包的数学工具,讨论了地震波在时频域的特征。结果预计将提供一个理论参考的响应的动态合理性研究这种类型的重叠隧道。

2。振动台试验

2.1。振动台系统

这个测试使用了rc - 3000振动控制系统,它使用一种结构,直接集成了局域网总线和嵌入式DSP。此外,这个系统有一个全方位的单向振动测试函数。这个振动台系统的主要技术参数如表所示1。

振动台系统配备了刚性模型箱尺寸175厘米(长度)×30厘米(宽)×120厘米(高度)。大型机的刚性模型的盒子与4080 l合金铝材料焊接,如图2。以满足刚度和视觉测试的要求,双方的内心一边的10毫米厚PP板便于故障现象的观察,和内部的模型箱是钢板。模型箱是严格围绕螺栓固定在振动台,这是一个常用的设备为研究土壤结构动态特性的振动台试验。

刚性模型箱可能会导致测试数据中的错误由于边界效应(28]。因此,采取了三个措施来处理边界影响错误:(1)为了减少边界效应的影响,一个50毫米厚聚苯乙烯泡沫板的密度15公斤/ m³用于粘贴模型箱内侧的减少之间的摩擦模型的侧墙框和土壤。聚苯乙烯泡沫塑料板总是处于线弹性状态试验加载过程中,良好的压缩性能(Ed = 4.13 MPa动态弹性模量);(2)减少边界上的反射波的表面一层聚苯乙烯泡沫板也放在双方平行隧道;(3)以确保模型间附着力好土壤和底部的盒子,一层5厘米厚1厘米大小的砾石土壤被放置在模型箱的底部增加摩擦力;因此,底板是当作一个摩擦边界限制盒子的底部之间的相对位移和土壤。上述治疗的有效性模型的边界效应的盒子已经在先前的实验验证(26]。

2.2。模型的设计和施工

考虑到振动台模型箱的大小和可能的应用这个模型在一些实际工程,这个实验使用几何相似比C_l100年设计的隧道结合前面的隧道施工实践相关规范(29日]。几何形状、密度、和加速度为基本物理参数,几何相似比确定为1:100;密度和加速度的相似率都是1:1;其他物理量的相似比率是根据白金汉派生而来π定理(30.),如表所示2。

模型材料的选择主要是基于之前的研究(29日]。参数制备进行了根据中国标准“代码设计的公路隧道(JTG 3370.1 -2018)“IV级围岩为例。根据模型设计参数和多组材料的测试结果,最终确定石英砂主要材料;石膏粉和滑石粉作为辅助材料;和红粘土、水泥和水被用作粘结材料。样品测试过程如图3。特定的相似参数如表所示3。此外,在测试的过程中,考虑到地震可能诱发滑坡,这可能影响隧道结构的动力响应,滑动面是事先设定的模型设计。

隧道的衬砌部分采用的标准部分复合三车道公路隧道衬砌的速度120公里/小时,设计坡度的C30和60厘米的厚度。此外,衬砌模型,它主要是石膏粉和水混合制成的一定比例,最大跨度为19.3厘米,高14.6厘米,厚度0.6厘米根据几何相似。此外,0.2毫米直径的钢丝网是用来近似圆周主要强化和分布式强化衬砌结构,如图4。

在模型填充过程中,类似的材料到模型盒子装满了10厘米厚的一层分层充填。此外,每个土层压缩以同样的方式,以确保模型的均匀。在类似的填充材料、加速度传感器和应变仪排列,如图5(一个)和5 (b)。

2.3。设计的加载条件

自埃尔森特罗地震波的响应谱是在良好的协议与中国抗震规范设计反应谱(建筑抗震设计规范》gb50011 - 2010),选择了埃尔森特罗地震波作为输入波的振动台试验。此外,地震波输入在这个测试都是水平的。当一个0.1地震波加载,加速时间历史和频谱曲线振动表的收集,如图6。频繁满足抗震设计要求,强化,原型的和罕见的地震区域,输入波的高峰值分别为0.1,0.2,0.3和0.4 ,分别。此外,探讨隧道模型的失效模式在极端地震,0.6设计并加载,在桌子上吗4。此外,为了测试模型的固有频率,0.2∼50 Hz正弦波输入到模型的开始测试前探索初始模型的动态特性。

3所示。测试结果

3.1。模型的变形和破坏特征

宏观的测试是最直观的手段分析模型的变形和破坏。在测试的整个过程从开始到结束,随后的加载继续加载基于前面的工作条件,而无需人工干预,恢复初始状态的模型。因此,整个过程模型的动态变化与工作条件。

通过观察模型的变形和破坏过程的,失败的过程大致可以分为三个阶段:(1)1 - 2,模型没有明显的故障现象;(2)3 - 4,裂缝的生成和发展的斜率和隧道,名叫变形阶段;和(3)5 - 6,模型具有大变形,破坏阶段的名字。

当地震波的振幅是0.1 ,没有裂缝在空间重叠隧道、边坡表面平行。与输入地震波振幅的增加,一个轻微的横向裂缝出现在upper-span隧道侧壁的第二种情况,如图7。因此,该模型可以被认为是在弹性阶段1 - 2。由于隧道的围岩结构的约束,土壤结构组合相对较近,通常被认为是最好的结构抗震性能;因此,模型通常是不容易损伤和变形的作用下微型和小型地震载荷。

当的地震波峰值加速度是0.23,模型已经逐渐开始变形和破坏,因为地震惯性力和输入地震波的振幅增加。首先,横向裂缝扩展的潜在滑动面出现滑坡坡的顶端。然后,一些小裂缝出现在顶部和斜率,表面是由横向弧形裂缝。另外,裂缝也出现在沿方向的交叉重叠隧道的潜在滑动面。这些现象是由于水平所造成的紧张水平地震波,使裂缝上方的斜坡。此外,在例4,现有的边坡裂缝开始蔓延和发展,和一些新的潜在滑动面附近的裂缝出现和斜率,如图8。裂缝的发生和发展表明,当地围岩损伤可能发生在这个时候,导致增强吸收地震波的土壤;因此,该模型开始进入阶段的变形。

与连续输入地震波振幅的增加,更明显的故障模型。当载荷的峰值加速度是0.4和0.6 ,横向裂缝顶部和边坡表面渗透。由于地震能量的消耗,围岩的过滤效果逐渐加剧,导致裂缝的逐步发展。5,裂缝的皇冠upper-span隧道穿透斜率和“撕”斜率,造成大量的位移。这是因为周围的岩石和土壤质量降低的刚度和阻尼比增加。此外,模型的累积伤害增加,表明该模型在塑料加强裂缝发展阶段。加载后的0.6地震波,大量的块在斜坡的地方拉开倒塌,下滑,并积累了脚下的斜率,如图9。模型经历了大变形和崩溃和节目的特点强烈地震失败的阶段。

3.2。隧道衬砌的损伤

清楚地理解动态应变的变化和分布规律的圆周方向的隧道衬砌在不同地震荷载条件下,分析了模型的动态应变峰值的时间域,如图10。

分析动态应变峰值的外表面upper-span隧道衬砌表明,峰值应变皇冠(年代1)、右拱腰(年代2),反转(年代5)、右侧墙(年代2)更大,峰值应变在山腰仰拱是最大的,如图10 ()。此外,压力峰值在这四个地点(年代1,年代2,年代4,年代5)形成一个“矩形”和边坡的滑动方向平行,也揭示了为什么这四个位置的应变峰值更大。图10 (b)显示了动态应变峰值的内表面upper-span隧道衬砌。内壁的内表面显示的最大拉应力在左拱腰(年代6′)。相比之下,正确的拱腰(年代2′)显示了最大压应力。其余部分的压力是稳定的,和每个情况下的动态应变峰值的差异很小。

图10 (c)显示了动态应变峰值的外表面under-crossing隧道衬砌。当地震激励0.1∼0.3 ,动态应变的高峰值的区别每一点的隧道衬砌在不同情况下很小,和整个隧道逐渐从一种稳定状态凌日小变形阶段。然而,当地震激励达到0.4 ,每个测点的动态应变峰值变化显著,这表明under-crossing隧道结构损伤的斜率为0.4 。此外,从的角度的变化程度的应变峰值,王权的应变变化(年代7)是最激烈的,右边墙上的应变变化(年代9)是最稳定的。这表明under-crossing隧道皇冠很可能成为抗震设计中的一个薄弱环节。可以看到从图10 (d)皇冠的动态应变峰值(年代7′),正确的拱腰(年代8′),和转化(年代10′)的内表面under-crossing隧道衬砌。类似于粘膜表面的反应,每个测点的应变峰值的内表面的变化大大例5和6。

通过比较的动态应变峰值变化upper-span under-crossing隧道衬里,可以看出upper-span隧道,隧道衬砌的峰值应变(内表面或外表面是否)例3(0.2后大幅变化 )。这表明边坡的内部结构发生了变化后输入地震振幅为0.2 ,地震波在坡的影响和隧道重建增强。然而,对于under-crossing隧道,隧道衬砌的应变峰值变化大大在例5 - 6。这也表明,在地震波的作用下,比upper-span隧道under-crossing更稳定。注意,这也是与斜率的变化形式。从之前的测试现象,可以推断,滑坡滑动。斜率是损坏的后缘第一,然后是身体滑滑下施加一个力低的斜坡和隧道。

此外,最大应力的外表面upper-span和under-crossing隧道衬砌都是右侧拱腰(年代2,年代8)和左边墙(年代5,年代11)。然而,upper-span的内表面上的最大应力和under-crossing隧道衬里是不同的。upper-span隧道出现在左边的拱(年代6′),而under-crossing隧道出现在正确的拱腰(年代8′),皇冠(年代7′),反转(年代10′)。这一现象表明,部队内部和外部表面的隧道衬砌是不同的,和右拱腰和左边墙应该被认为是抗震设计的薄弱环节。

3.3。围岩的动态响应

澄清围岩和隧道的地震响应分布规律皇冠和反交叉中央部分的加速度响应一个1 -一个6进行了分析。更清楚地解释的加速度响应的变化趋势隧道结构与围岩在不同加载情况下,加速度放大系数被定义为测点的加速度峰值比在每个0.1(例1),如图11。

每个测点的加速度放大系数沿垂直方向显示明显的规律,这是一个明显的沿高程放大效应。然而,对于平行重叠隧道,加速度响应的皇冠和反隧道是明显不同于单孔隧道。由于空间效应和相互影响的路口,upper-span隧道的存在有一定的削弱under-crossing隧道的地震响应。这对皇冠(削弱效果更明显一个5)under-crossing的隧道。

此外,加速度放大系数有明显的阶段。当输入地震波是0.15 - -0.2 ,每个测点的加速度放大系数显示了线性递减趋势与输入地震波的振幅的增加,表明模型处于弹性状态。当输入地震波是0.2 - -0.3 ,加速度放大系数逐渐从塑料的弹性特性凌日阶段,加速度放大系数开始增加,这表明土壤的动态剪切模量降低,阻尼比增加在这个过程。当输入地震波是0.3 - -0.4 ,加速度放大系数提供了一个“锯齿状”分布状态和裂缝逐渐增加。此外,过滤效果变得更加加剧。这些表明,该模型可以在塑料增强阶段。当输入地震波是0.4 - -0.6 ,加速度放大系数有显著增加,尤其是在一个1点测量。这表明边坡顶部可能会松懈,甚至崩溃。此外,模型的完整性已被摧毁,其承载能力大大削弱。

通过上面的分析,发现该模型基本上是在严重故障阶段5,所以加速度响应分析是进行0.4作为一个例子。图12礼物的加速度随时间的变化曲线一个1 -一个6时5 (0.4 )。0.4的作用下地震波,每个测点的加速度峰值的时间是一样的,大概是30年代。此外,随着计量点的高度增加,峰值加速度也增加。的峰值加速度值一个1 -一个6是8.07,6.22,4.63,3.68,2.72和2.47 m / s²分别和峰值加速度值是1.30,1.34,1.26,1.35,和1.10倍,分别。这也证实了重叠隧道结构对地震波有一定的放大作用。

4所示。讨论

4.1。小波包分析

有必要分析地震波的频谱,以避免共振结构工程的主要频带。通过分析,我们可以获得相关信息的频率和频带的频率和周期分布特征的地震波传播过程更清晰,为工程实践提供相关理论参考。因此,介绍了小波包分析方法,分析了地震能量和光谱特征相交的两个隧道。

进一步细分的地方特色加速度信号在时域和频域,小波包,它既能体现的特点,基于小波分析的频率域和时间域(30.),用于分析的地震动响应信号。的有效频率范围的输入地震波振动台试验是0.1∼50赫兹,和加速度信号的分解层的数量可以满足要求通过3层考虑细化和分辨率的要求。迈耶采用小波分析具有良好的规律性,快速衰减,在频域和紧凑的支持作为母小波和加速度信号是由离散小波变换分解。频带数量和频率范围内的小波包分解图所示13。

以0.4加速度响应情况下5作为一个例子,用来分析和小波包变换方法改变upper-span隧道反转(一个4)和under-crossing隧道皇冠(一个5),获得的加速度响应在每个频带小波组件图如图所示14。

从图14频带的小波包分解增加,加速度响应逐渐减少,和第一和第二频带的加速度响应显著大于其他频段。此外,影响的主要频段加速度响应第一频带小波组件(0.2∼6.27赫兹)和第二频带小波组件(6.27∼12.52赫兹),这也表明,围岩有一定影响地震波的能量耗散和过滤介质和高频率(上图12.52赫兹)。另外,可以看出,小波包分解后的加速度响应,每个频段的动态响应一个4 >的一个5,这表明加速度响应可能叠加效应的反转upper-span隧道。

4.2。频带能量比率分析

从图可以看出13在振动台试验,1号和2号的地震波频带(0.2∼6.27和6.27∼12.52赫兹)扮演了重要的角色在三维穿越隧道,但地震波能量的比例在每个频带不能清楚地表达。定量地反映地震波能量的比例在每个频带的总能量,使用MATLAB软件提取各频带能量特征值,如表所示5。

每个频带能量特征值的隧道的皇冠和转化,第五频带能量特征值占总能量几乎为0,表明25.02∼31.27赫兹地震波影响不大的皇冠和反平行重叠隧道。除了一个4的作用下0.2和0.4地震波,第一频带能量特征值的测量分都是超过70%的总能量在其他情况下。然而,第二频带的能量特征值变化明显的总能量的比例,这可以获得地震波的作用下在三种情况下,能量的平均值在每个测量第二频带的特征点约占总能量的14.9%。这也表明主要影响隧道的皇冠和转化是第一频带(0.2∼6.27赫兹)和第二频带(6.27∼12.52 Hz)地震波,和第一频带地震波起着主导作用。

当输入波的峰值为0.2,0.4和0.6 ,的最大的能量特征值和第一和第二频带是96.65%,98.11%,和98.51%,最低为94.70%,89.66%,和88.84%,分别。与输入波的峰值的增加,能量特征值之和的比例的第一和第二频带的总能量增加,引起的比例逐渐增加的第二频带的能量特征值。此外,这表明随着输入波的峰值的增加,影响第一频带能量特征值的逐渐减小,而第二频带的影响增加。

能量特征值之和的第一和第二频带地震波的能量特征值upper-span隧道皇冠都是大于的转化,而能量特征值under-crossing隧道皇冠逐渐小于转化与地震波加载峰值的增加。这一现象表明,地震载荷的作用下,的能量分布特征upper-span under-crossing隧道不一致,和主要弱势upper-span隧道的皇冠而under-crossing隧道是反转的。

5。结论

(1)模型的破坏过程大致可以分为三个阶段,没有明显的破坏阶段(0.1∼0.15 g),变形阶段(0.2∼0.3 ),和破坏阶段(0.4∼0.6 )。首先,模型出现裂缝的皇冠upper-span隧道,和斜坡的顶端的交叉重叠隧道受损与输入地震波的增加。然后,upper-span隧道的顶部的裂缝渗透和“撕”斜率,造成大量的位移。最后,大量的街区在斜坡的地方拉,倒塌,下滑,和模型完全被摧毁了。(2)根据隧道的动态应变响应峰值,粘膜损伤的外表面upper-span和under-crossing隧道主要发生在正确的拱腰和左边的墙。此外,粘膜损伤的内表面upper-span隧道主要是反映在左拱腰,而under-crossing隧道主要是体现在右边腰弓,皇冠和转化。(3)平行重叠隧道,隧道加速度响应的皇冠和转化是明显不同于单孔隧道。由于空间效应和相互影响的路口,upper-span隧道的存在有一定的削弱under-crossing隧道的地震响应,这削弱效果更明显的皇冠under-crossing隧道。(4)从地震波的能量特征值,主要影响隧道的皇冠和反在第一频带(0.2∼6.27赫兹)和第二频带(6.27∼12.52 Hz)地震波,和第一频带地震波中扮演主要角色。此外,的能量分布特征upper-span和under-crossing隧道是不一致的,和主要的弱势地位upper-span隧道王冠而under-crossing隧道是反转的。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关这篇文章的出版。

确认

作者欣然承认金融支持中国国家重点研发项目(没有。2018 yfc1504901),甘肃省自然科学基金(没有。145 rjza068)、科技开发项目的中国铁路研究所有限公司(2017 - kj008 z008 xb)和四川省科技计划项目(2020号。2021 yfs0323 yj0253, 2020 yfsy0060)。