地震作用下黄土隧道进洞高程对洞口段动力响应的影响研究

发布时间：2019-10-07 22:47

【摘要】：随着我国“一带一路”战略对中西部铁路建设投资力度的进一步加大,黄土地震区隧道安全问题日渐突出。如目前已建成的宝兰客运专线、兰渝铁路,正在修建的成兰铁路、银西铁路等都穿越黄土地震带。目前学术界对岩质山岭隧道的研究成果较多,众多专家学者对隧道洞口段的抗震问题给予了足够的关注,但对黄土隧道的研究仍然由于缺乏实际震害资料,相对比较滞后。长期以来,进洞高程作为影响黄土隧道洞口段坡-隧系统动力响应的重要参数,很少得到关注。因此,论文将进洞高程作为一个关键参数,针对在边坡不同高程位置处进洞的隧道洞口段坡-隧系统所表现出的震害特点,借助振动台模型试验与数值模拟分析,定性的研究了坡-隧系统动力响应的特点,主要研究内容及结论如下:(1)通过调研国内外对隧道洞口段震害机理、抗震设计方法以及抗减震措施的研究成果,总结了洞口边坡高程放大效应和衬砌地震波放大效应的特点,提出了论文的研究思路及内容。(2)根据选题背景、研究内容及目的、试验条件等设计了相似比为1:70的隧道洞口段坡-隧系统大型振动台模型试验,坡脚进洞和1/2倍坡高进洞模型试验震害观测结果表明:坡-隧系统坡高、坡角、入射地震波、岩土体材料、填筑方式、衬砌结构相同,进洞高程不同,洞口段破坏形态不同,破坏程度各异。黄土隧道洞口段在X向地震波作用下,洞口边仰坡较隧道结构更易发生震害,主要震害形式以边仰坡的开裂、滑塌、失稳及震陷破坏为主,地震波振动效应引起的地震惯性力是影响震害形式的主导因素。(3)两组模型试验中有隧道下穿边坡与无隧道下穿边坡震害特点观测结果表明,有隧道下穿边坡的震害要比无隧道下穿的边坡破坏严重,隧道进洞高程越大,有隧道下穿的边坡破坏越早,而且洞门附近破坏越严重。隧道洞口段衬砌结构对地震波具有明显的放大作用,进洞高程越高,这种放大作用越显著,地震波传播效应形成的坡面叠加波场决定着坡-隧系统的破坏模式。(4)在两组振动台试验模型代表性特征部位埋设监测元件,通过对监测数据的对比分析发现,沿与隧道轴线平行的水平向入射激振,激振幅值增大,衬砌结构和边坡加速度响应显著增大,表现出衬砌结构加速度对围岩振动加速度响应的追随性;进洞高程对衬砌结构加速度响应的影响与激振幅值的大小密切相关,坡脚进洞的隧道模型加速度响应远远小于1/2倍坡高处进洞衬砌结构的加速度响应,进洞高程对高烈度地震作用下隧道洞口段衬砌的加速度响应有显著的放大作用,监测数据结果和模型发生震害的位置得到相互验证。(5)基于Midas-GTS三维有限元数值模型,对比分析了坡脚进洞和1/2倍坡高处进洞两种工况下黄土隧道衬砌结构的动力响应,并与模型试验结果进行了对比分析,给出了黄土隧道洞口段抗震设防长度,在距离洞口8倍洞径范围需要考虑进洞高程对地震波放大效应的影响,超过8倍洞径后,进洞高程对衬砌的加速度响应无明显影响。可为实际工程中洞口段抗震设计提供参考。
【图文】：

第 1 章 绪论1.1 发展概述及研究意义笼统来讲，一般意义上的隧道是指修建在地下或水中，具有一定内部净空断面的地或水下建筑结构，按其用途可以大致分为交通隧道、水工隧道、市政隧道及矿山隧道等，其中交通隧道又可细分为铁路隧道、公路隧道、地下铁道、水底隧道和人行隧道[1]。而对于主要起交通运输功能的隧道工程，常常被誉为交通运输线上的“咽喉”，其要性可见一斑。另外，我国是一个多山的国家，在山岭地区依靠隧道结构可以克服地和高程障碍，避免展线、缩短里程，保持线路顺直，提高旅客舒适度、节省出行时间其他工程无法比拟的优势，在现代铁路、公路建设中扮演着越来越重要的角色，发挥巨大的社会、经济效益。近年来交通隧道呈现出了非常明显的增长趋势，具体表现为程数不断增加，特长和长大隧道以及大规模隧道群不断涌现，高施工难度复杂地质条隧道屡屡出现。图 1.1 反映了我国近些年来隧道建设工程的增长情况[2]。

这些隧道在穿越山岭时的进洞位置设计大多只是为了满足平面线形布置和高程设置的需要（如图2.1），并没有考虑进洞高程对隧道洞口段抗震设防的影响。本着安全第一的原则和考虑到隧道工程是救援生命线的“咽喉”，研究隧道进洞高程对其洞口段动力响应的影响有着巨大的现实意义。图 2.1 不同进洞高程的黄土隧道工程本次振动台模型试验，以郑西客运专线和宝兰客运专线上比较典型的黄土隧道为工程背景（王家沟隧道）。为了节省试验模型制作时间，忽略洞门、仰坡及截排水沟等附属结构，只施做洞口边坡，分别制作两组试验模型，边坡材料均采用兰州刘家坪某黄土边坡（Q3），隧道模型选用石膏作为制作的骨料。一组设计为隧道从坡底进洞，另一组设计为隧道从1/2倍坡高处进洞，以对比研究不同进洞高程情况下黄土隧道洞口段的动力响应特征异同，重点关注不同部位最大峰值加速度、关键部位最大剪应变及土压力，为隧道抗震设防提供理论参考并指导抗减震措施选择。两组试验模型的边坡均采用双面坡形式，坡的一边埋隧道，另一边不埋隧道结构只施做无隧道边坡，，其目的是通过模型试验初探坡-隧系统相互影响、交互作用的机制。2.2 试验方案为完成上述试验目的和利用现有试验条件，最终确定两组模型试验相似比均为 1:70。
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：U452.28

【参考文献】

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本文编号：2545957