文摘

隧道施工是逐渐发展中地区,高地应力;隧道施工越深,越强烈地震扰动。频繁的地震的背景下,隧道的地震特征成为重要内容相关的工程结构的安全性和稳定性。针对地震响应和减振措施的关键问题对于复杂的深埋隧道,先进的灌浆和泡沫混凝土抗震的方法进行了研究。首先,通过地质调查、原位应力和研究区域的地质条件进行了分析。围岩的结构特点和相关的岩石力学参数进行了分析。在动力荷载下混凝土衬砌的故障判据研究理论上,及相关数值计算参数修改。建立了基于粘性边界条件的数值模型。通过数值计算,地震响应的隧道围岩和衬砌在不同阻尼的措施进行了分析。研究成果具有理论研究价值和社会效益和经济效益,以确保隧道结构的安全性和稳定性,提高抗震设防水平。

1。介绍

隧道施工的渐进传输高地震烈度区,隧道地震已成为一个热点和难题。如何提出合理、有效的抗震加固措施是一个重要的隧道地震反应分析的目的。针对这一点,许多学者进行了大量的研究和讨论地震减灾的隧道的机制和效果,取得了丰富的研究成果。例如,赖et al。1]使用隧道震害调查方法结合汶川地震分析和总结了隧道地震破坏。结果表明,断层破裂带的地震损伤最严重,其次是隧道入口段和常见的部分。隧道衬砌开裂的典型地震损失,崩溃,混乱,施工缝开裂,反转隆起。隧道衬砌裂缝和崩溃是重大灾害由地震引起的。Balkaya和Kalkan就“同名同姓2)进行了一系列的隧道结构的模态和非线性静态分析,关注隧道结构的动态行为特征。沈et al。3)使用新的损失评估标准对检测隧道的破坏程度进行分类。然后,山隧道的典型地震破坏特征和机制进行了分析从三个不同的破坏模式浅隧道破坏,深隧道结构损伤和路面损坏。李(4]分析了隧道地震荷载下破坏特征的基础上,把它分成崩溃和滑坡附近的隧道,开裂,衬砌、围岩坍塌,衬砌开裂和错位,地面隆起、开裂和初始变形和开裂的支持。苗族et al。5]采用响应位移法的概念和意识到这好自由场模型和简化的土隧道模型,以有效地研究这个特殊的地铁隧道的地震特征的作用下空间地面运动。

市长et al。6)利用FLAC3D软件评估典型隧道的地震响应轴条件下的地震强度增加。氮化镓et al。7)使用离散元数值分析方法分析控制效果的支持在隧道的围岩。Vanuvamalai et al。8)隧道结构的抗震性能评估通过研究地下隧道的地震易损性。回族et al。9)设计了一个大型振动台边坡模型试验的几何尺度1:10。汶川地震波被用作兴奋波力学特性的模型试验,以研究浅偏压小净距隧道在地震。李等人。10,11]分析了围岩的塑性区发展条件下不同的灌浆厚度和计算了原地应力场的分布特征通过使用神经网络反演方法。在数值计算方面,孟et al。12)建立了一个开源软件的建模基于数字图像处理的非均匀材料。

在实验方面,朱et al。13)测试不同形状的滚石乐队的碰撞防护垫在一个露天煤矿。阴et al。14]分析了砂岩的剪切力学响应在高温下正常刚度边界条件。在工程应用方面的研究中,王et al。15,16]调查大幅削减煤矿用高强度螺栓灌浆autocuttings屋顶使用数值模拟、室内实验,和其他方法。王等人。17]研究了断裂演化和能量特征在大理石损坏三轴疲劳循环和约束压力卸载(FC-CPU)条件。

本文通过地质调查和数值分析,隧道围岩和衬砌的力特征地震载荷的作用下进行了研究和方法来减少地震对隧道的影响,提出了确定响应的控制参数。

2。工程地质条件

2.1。地质特征

中国Yuelongmen隧道Chenglan东北铁路穿过龙门山山脉,以及隧道交叉段之间的转角和山脉约为60°。龙门山构造带交叉Yuelongmen隧道是一个巨大的推覆体构造带与大型和复杂的结构。总体趋势是东北45°。它全长500千米,25 - 50公里宽。从东到西有三个主要的缺点:龙门潜山县的错,龙门中央断层,龙门Houshan错。构造运动的方向是-地壳隆起,形成三个叠瓦冲断带。地形是-逐步下降,相对高度差是600 - 700。整个隧道位于龙门山地震带,这是一个集中的区域活动断裂和强烈的地震,包括龙门山、岷江西秦岭和其他地震带,倾向于高强度地震在中国西部(图1)。著名的汶川大地震仍然频繁的余震。围岩的岩性主要千枚岩、碳质板岩、页岩、与当地辉绿岩墙侵入、软岩破碎的岩石,水饱和围岩岩石与水软化,强度低。

2.2。原位应力特征

现场应力测试进行了Yuelongmen DK107 + 520的隧道。设计井深605米。的核心主要是碳质千枚岩钻这个洞。测试结果如图2。

根据测试结果,Yuelongmen隧道地应力的基本特征进行了分析。隧道附近的最大水平主应力的身体约16 MPa,最小水平主应力是大约12 MPa,和垂直主应力计算上覆地层是关于16 MPa。之间的关系价值的主应力的方向空气隧道附近的身体 。原位应力主要以区域构造应力,而区别之间的垂直压力和最大水平主应力是4和6 MPa。主应力随深度的分布如图2。可以看出,三维主应力随深度增加。为了定量分析应力值之间的关系,孔的深度,使用线性回归方法计算洞的回归,结果如下(18,19]:

2.3。围岩力学性能

部分主要是千枚岩的围岩,云母含量,粒径较小,定向安排。织物表面纹理是发达,可以看到与丝绸光泽。砂质千枚岩是深灰色的微晶结构和表结构。矿物粒子的粒径很小,和岩石的schistosis发达,丝绸光泽绿叶的表面可以看到。千枚岩矿物分布有很强的优化方向。根据矿物的分析,千枚岩的主要矿物样本如下:伊利石含量14% - -59%;石英含量3% - -68%;和绿泥石含量3% - -61%。

研究了碳质千枚岩由0°、90°。三轴压缩试验的应力-应变曲线下倾角图所示3。围压被设定5 MPa, 15 MPa,分别和20 MPa。加载标本在0°、90°倾角角度表现出两种不同的变形特征。前标本没有明显的峰值强度和应变软化阶段在不同的信封压力和宏观上呈现compression-based韧性扩张损伤。后者具有坚硬的岩石损伤的特点,峰值强度应变较低,残余强度的增加而增加,周围的压力,和标本主要张力损伤为主要损伤模式。根据实验结果,众所周知,当关节在0°倾角,炭质板岩的峰值强度85 MPa的围压下5 MPa。峰值强度90 MPa的围压15 MPa和104 MPa的围压20 MPa。当关节90°倾斜,炭质板岩的峰值强度73 MPa的围压5 MPa, 80 MPa的围压15 MPa,和95 MPa的围压20 MPa。

3所示。隧道混凝土衬砌动态损伤断裂模型

根据相关研究结果,有差异的动态和静态的混凝土本构模型,如图4。曲线1表示静态本构模型和曲线2代表动态本构模型。两个模型满足2的几何关系。

假设在动力荷载下混凝土的本构关系如下(20.- - - - - -22]: 在哪里混凝土的动态弹性模量,可以取代静态弹性模量,然后呢是一个动态的损伤变量。

根据公式(2)和(3),得到下面的公式:

的公式,和是混凝土的动态损伤极限应力和应变,分别和和静态损害限制混凝土的应力和应变,分别。

混凝土的动态损伤阈值应变正比于静态损伤阈值应变,和静态损伤阈值应变(23,24]。混凝土动态损伤阈值方法公式所示(6),然后具体的动态损伤本构方程(7)。

响应地震作用下隧道衬砌和围岩的过程涉及到三种媒体。媒体包括围岩、衬砌和空气隧道。有两种类型的接口,接口之间的隧道衬砌和围岩和衬砌自由表面。

4所示。数值计算模型和边界条件

4.1。模型建立

在振动荷载作用的研究分析中,边界条件和研究目标之间的距离对计算结果有更严重的影响。从理论上讲,选择的范围越小,越准确的分析结果,但太大范围将导致不便计算分析模型和分析时间长也会导致中断的分析。

在本文中,我们使用3 dec,计算分析程序基于离散单元法的基本理论来描述离散媒体的力学行为。岩体的岩体具有不同的岩性属性(连续)和地质结构面(不连续特性),在外力的作用下,岩体可以作为连续介质力学行为表现,而岩体相互作用通过结构表面(不连续特性)。当在结构表面的力超过其承载极限,岩体将展示现实的损害相互剪切和失调或错位等现象。

我们选择了几款不同范围的围岩进行地震动力响应分析确定不同范围的围岩对隧道稳定性的影响,得出的结论是,这项研究的结果往往是稳定的,当一个模型与一系列选择隧道宽度大于3倍。当模型边界条件和实际情况是不同的,这将导致计算结果的误差,因为误差计算模型的边界条件,计算误差被称为边界效应。摘要跳跃龙隧道的地震动力响应分析洞穴部分进行了下列模型范围:x方向(水平方向)80,y方向(隧道方向)40米z隧道方向(垂直方向)80,如图5。

4.2。计算参数的选择

固体单元用来模拟隧道信封,主要衬砌和二次衬砌。为了更好地模拟隧道围岩和衬砌之间的交互系统,使用固体单元。最初的衬里是由喷C30混凝土和二次衬砌的C30混凝土。

动态分析的结构,改变围岩的力学性能和材料在动载荷下,和力学计算参数变化因此,所以应该使用动态参数的地震动力响应分析隧道的二次衬砌开放部分。

根据相关文献的分析,动态模量和静态弹性模量之间的关系满足公式(8),静态弹性模量和吗是动态弹性模量和动态参数见表1。

4.3。边界条件和振动载荷加载

对于这个数值计算,使用的粘弹性人工边界边界条件。弹性人工边界条件可以确保它的应力状态与理论值一致从波动方程的解决方案获得通过虚构的弹簧和阻尼器元素。正常的模拟人工边界是通过应用一个集中质量弹簧阻尼系统模型边界。

基于运动学原理、应力和位移的基本微分方程的人工边界上的节点应用物理系统可以导出后,见以下方程:

应用物理系统组件的参数满足以下几点:

的方程,是负载下的人工边界节点的位移。

弹簧+阻尼器系统是用来模拟人工边界切向,和物理元件参数满足以下方程:

模拟垂直入射纵波的底部,该地区的地震烈度Yuelongmen隧道所在地是8度,地震波的持续时间是5 - 10倍的基本结构的振动周期,和地震波形如图6。

5。隧道地震缓解措施

5.1。围岩注浆加固对地震效应的影响

灌浆的反应厚度对隧道结构在地震荷载进行了分析。采取不同的灌浆厚度条件下的接触灌浆为研究目标,不同灌浆厚度对围岩的影响进行了分析。灌浆后,围岩弹性模量增加了55%,凝聚力是增加了60%。灌浆方案图所示7。

的发展规律洞穴周围岩石的损伤体积不同灌浆厚度条件下如图8。根据数值计算结果,可以看出,灌浆厚度的增加,塑性区面积单位长度的隧道无聊逐渐减少。然而,减少的趋势逐渐放缓,灌浆时的塑性区减少13%厚度从0米到1米。从1米到2米,塑性区减少了10%。塑性区减少6%从2米到3米。塑性区是降低5%从3米到4米。时降低2.5%的塑性区注浆厚度从4米5米。考虑到经济效益,合理的灌浆厚度应该4∼5米。

图9显示了第二个衬套的变形在不同灌浆厚度。灌浆厚度的增加,穹窿顶的变形,拱腰,拱底逐渐减少。类似于减少塑料带的发展,正逐渐减少。

5.2。聚乙烯泡沫阻尼材料在隧道的地震效应

聚乙烯泡沫衬里之间的阻尼材料铺设结构和周围的岩石洞穴,和衬砌与围岩的阻尼层,减少和改变地震的强度和作用方式对衬砌结构和减少衬砌结构的动态响应,及其布置如图10。聚乙烯泡沫阻尼材料弹性模量的值为6 MPa和泊松比为0.38。

数据11和12显示隧道衬砌的应力和变形的保护下不同厚度的乙烯泡沫阻尼材料。聚乙烯泡沫塑料的厚度设置在四个梯度,0.05米,0.1米,0.2米和0.3米。如图11第二衬,最大主应力逐渐降低,增加阻尼层的厚度。保护层厚度的影响0.2米,0.3米的保护层厚度基本上重叠。图12表明,隧道二衬管的变形逐渐减少与增加阻尼层的厚度。采取正确的拱腰作为一个例子,变形减小5%阻尼层的厚度增加时从0到0.05。当阻尼层的厚度增加从0.05米到0.1米,变形降低了7%。当阻尼层的厚度增加从0.1米到0.2米,变形降低了3%。当阻尼层的厚度从0.2米到0.3米,增加变形降低了1.4%。通过分析二衬力和二衬管变形,0.2厚度的选择乙烯泡沫阻尼材料具有很强的经济价值。

6。结论

通过分析现场应力测试,原位应力的特点nYuelongmen隧道得到的面积,和研究得出结论,该地区是由水平地应力。二衬混凝土的开裂准则建立了动态负载下,和数值计算模型构造了考虑动载荷下材料的力学参数,并采用人工粘性边界的边界条件。两种方法的影响,注浆加固和乙烯泡沫阻尼材料,在隧道的地震效应进行了分析,研究表明,这两种方法都有很好的效果。然而,随着隧道加固区和缓冲层厚度的增加,地震阻尼效应趋于弱化。合理的灌浆应4∼5米,厚度和阻尼材料的缓冲层的厚度应该是0.2米。

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

作者宣称他们没有利益冲突的报告对于本研究。

确认

这项研究是由内蒙古省自然科学基金资助(2020号ms04006)和鄂尔多斯Institude(没有的关键项目。KYZD2019002)。