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考虑断层错动空间变异性的水下盾构隧道地层变形特征研究

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铁道科学与工程学报 2024年

作者：黄娟郑艳林郑红亮贾朝军雷明锋施成华中铁十二局集团第七工程有限公司中南大学土木工程学院

水下盾构隧道穿越断层错动极易导致地层变形过大并引发突涌水破坏。断层错动的力学性质和水力参数难以确定，因此准确预测水下盾构隧道施工引起的地层变形具有实际意义。在确定性条件下，研究断层错动对地表变形的影响，并深入分析断层... 详细信息

水下盾构隧道穿越断层错动极易导致地层变形过大并引发突涌水破坏。断层错动的力学性质和水力参数难以确定，因此准确预测水下盾构隧道施工引起的地层变形具有实际意义。在确定性条件下，研究断层错动对地表变形的影响，并深入分析断层错动参数变化对地表变形的影响。同时，采用基于高斯型自相关函数和Karhunen-Loève级数展开法的随机场理论，建立不确定性分析数值模型。探讨断层错动黏聚力、弹性模量、渗透系数等参数的空间变异性，以及内摩擦角的变异系数和自相关距离对盾构隧道施工地表变形的影响。研究结果表明，在盾构施工过程中，断层错动两侧的地层发生相对剪切错动，导致地表最大沉降量增加。在断层错动参数中，内摩擦角对地表沉降的影响较大，而渗透系数的影响较小。相比确定性分析，考虑断层错动变异性在分析盾构施工地层变形时具有更好的适用性。内摩擦角的变异性对地表变形曲线的离散程度和变形范围影响最为显著，其次是黏聚力和弹性模量，而渗透系数的影响最小。变异系数和自相关距离对变形曲线的离散程度和变形波动量有较大影响。利用概率统计方法，研究了拱顶沉降和地表最大沉降超过控制阈值的可能性。该研究可为隧道穿越断层错动区域前预警最大沉降值提供重要参考。

关键词：隧道工程断层错动流固耦合随机场理论地表变形

正断层错动下地铁盾构隧道变形破坏模型试验研究

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湖南大学学报（自然科学版） 2024年第5期51卷 76-87页

作者：李瀚源李兴高王杰杨益刘浩城市地下工程教育部重点实验室(北京交通大学) 北京100044 北京交通大学土木建筑工程学院北京100044 济南轨道交通集团有限公司山东济南250101

为揭示跨隐伏断层地铁盾构隧道结构变形破坏特征,采用自主设计的模拟隐伏断层错动加载试验装置,开展1∶25几何比例的跨断层盾构隧道模型试验,分析正断层错动下盾构隧道的力学响应规律及变形破坏特征.试验结果表明:在2 cm正断层错动影响... 详细信息

为揭示跨隐伏断层地铁盾构隧道结构变形破坏特征,采用自主设计的模拟隐伏断层错动加载试验装置,开展1∶25几何比例的跨断层盾构隧道模型试验,分析正断层错动下盾构隧道的力学响应规律及变形破坏特征.试验结果表明:在2 cm正断层错动影响下,隧道纵向差异变形呈现非线性增大趋势,环缝接头张开变形主要位于断层下盘隧道拱顶及断层上盘隧道拱底,且环缝峰值张开量已超过盾构隧道接缝防水限值;断层延长线与隧道交界处管片直径收敛变形较为严重,该处管片呈现拱腰外侧受拉、拱顶及拱底外侧受压的受力状态;管片与地层之间接触压力受断层错动的影响较大,存在围岩挤压区与围岩松散区,但接触压力峰值相对较小;盾构隧道的主要变形破坏特征为环缝接头拉裂破损、管片纵向开裂及环缝接头变形,管片发生斜向剪切破坏及局部压溃破坏的概率较低.基于盾构隧道环纵向变形破坏特征,建议将管片环缝变形及接头混凝土拉裂破损作为界定跨断层盾构隧道结构破坏的主要控制指标.基于隧道的变形破坏模式,提出了跨断层盾构隧道结构设计及应对措施的建议.

关键词：断层错动盾构隧道模型试验力学响应变形破坏特征

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逆断层错动诱发铁路路基变形演化机制研究

铁道建筑 2024年

作者：梁经纬蔡德钩闫宏业尧俊凯 1.中国铁道科学研究院研究生部 2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所中国铁道科学研究院研究生部中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所

针对断裂带震间蠕滑及同震黏滑错动会导致穿越活动断裂带铁路路基出现不均匀变形与裂缝的问题，通过自主研发的多角度、速率可控的L形边界断层错动室内模型试验装置以及数值仿真计算，分析考虑岩土体黏聚力与抗拉强度损失的联合损伤因... 详细信息

针对断裂带震间蠕滑及同震黏滑错动会导致穿越活动断裂带铁路路基出现不均匀变形与裂缝的问题，通过自主研发的多角度、速率可控的L形边界断层错动室内模型试验装置以及数值仿真计算，分析考虑岩土体黏聚力与抗拉强度损失的联合损伤因子，揭示了不同断裂带倾角、不同断裂带与线路走向夹角情况下逆断层错动诱发路基及地基变形演化机制。结果表明：逆断层错动影响下，路基顶面竖向出现S形隆起，水平方向上路基整体呈现向断层固定盘方向的推覆变形；根据路基边坡变形特点，可将边坡划分为推覆变形区、推覆-鼓胀变形区、潜在不稳定区；逆断层错动下，断层错动盘上方破裂属张拉破裂，断层固定盘上方大面积破裂既由张拉变形所导致，也由剪切变形所导致，属拉-剪混合型破裂；对于地基深部静止区与楔形剪切区之间的弧形破裂，随着破裂逐渐向地表延伸，破裂性质逐渐由剪切破裂向拉-剪混合型破裂转化。

关键词：铁路路基演化机制模型试验数值计算断层错动

考虑破碎带节理分布特征的隧道开挖诱发近断层错动随机性分析

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岩土工程学报 2024年第4期46卷 746-754页

作者：禹海涛李婷婷陈志伟闫晓同济大学土木工程防灾国家重点实验室上海200092 同济大学地下建筑与工程系上海200092 上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司上海200125

隧道开挖往往会引起邻近断层错动,并进一步诱发岩爆、地震等灾害。然而,断层破碎带内部岩体物理力学特征复杂,不仅表现出非连续性、非线性和各向异性,还存在节理随机分布特征,隧道开挖诱发近断层错动机制仍不清晰。基于连续-离散耦合分... 详细信息

隧道开挖往往会引起邻近断层错动,并进一步诱发岩爆、地震等灾害。然而,断层破碎带内部岩体物理力学特征复杂,不仅表现出非连续性、非线性和各向异性,还存在节理随机分布特征,隧道开挖诱发近断层错动机制仍不清晰。基于连续-离散耦合分析方法建立了含断层工程场地多尺度力学模型,采用基于离散单元法的人工合成岩体模型模拟断层破碎带,采用有限差分法描述断层上、下盘及内部隧道开挖影响下的宏观动力特征。开展了近断层隧道开挖多因素模拟,探究了断层岩体节理随机分布特征对近断层隧道开挖的影响规律。分析结果表明:破碎带内部节理随机性对隧道开挖诱发近断层错动影响显著;节理倾角均值越接近断层倾角,隧道开挖导致的近断层错动量越大;正交试验情况下,断层节理倾角方差对最终错动量均值大小影响较小;节理长度的均值和方差越大,断层破碎带越容易发生错动;节理密度越大,破碎带介质越破碎,断层带整体的强度和刚度越低,抵抗错动的能力也越弱。通过对比分析得出节理分布特征参数对断层错动量均值影响程度的排序分布:节理密度>节理倾角均值>节理长度均值>节理长度标准差>节理倾角标准差;且当显著性水平为0.05时,节理密度对断层错动量的影响达到显著水平(p<0.05)。

关键词：断层错动多尺度耦合随机性隧道开挖

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逆断层错动诱发铁路路基变形演化机制

铁道建筑 2024年第6期64卷 17-23页

作者：梁经纬蔡德钩闫宏业尧俊凯中国铁道科学研究院研究生部北京100081 中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所北京100081

针对断裂带震间蠕滑及同震黏滑错动会导致穿越活动断裂带铁路路基出现不均匀变形与裂缝的问题,通过自主研发的多角度、速率可控的L形边界断层错动室内模型试验装置以及数值仿真计算,分析考虑岩土体黏聚力与抗拉强度损失的联合损伤因子,... 详细信息

针对断裂带震间蠕滑及同震黏滑错动会导致穿越活动断裂带铁路路基出现不均匀变形与裂缝的问题,通过自主研发的多角度、速率可控的L形边界断层错动室内模型试验装置以及数值仿真计算,分析考虑岩土体黏聚力与抗拉强度损失的联合损伤因子,揭示了不同断裂带倾角、不同断裂带与线路走向夹角情况下逆断层错动诱发路基及地基变形演化机制。结果表明:逆断层错动影响下,路基顶面竖向出现S形隆起,水平方向上路基整体呈现向断层固定盘方向的推覆变形;根据路基边坡变形特点,可将边坡划分为推覆变形区、推覆-鼓胀变形区、潜在不稳定区;逆断层错动下,断层错动盘上方破裂属张拉破裂,断层固定盘上方大面积破裂既由张拉变形所导致,也由剪切变形所导致,属拉-剪混合型破裂;对于地基深部静止区与楔形剪切区之间的弧形破裂,随着破裂逐渐向地表延伸,破裂性质逐渐由剪切破裂向拉-剪混合型破裂转化。

关键词：铁路路基演化机制模型试验数值模拟断层错动

正断层错动作用下矿山法隧道受力变形机理的模型试验研究

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铁道标准设计 2024年第1期68卷 146-154页

作者：武哲书孙文昊陈峻博王天强王琦陈立保中铁第四勘察设计院集团有限公司武汉430063 水下隧道技术国家地方联合工程研究中心武汉430063 西南交通大学土木工程学院成都610031

为研究正断层错动作用下矿山法隧道的受力变形机理,以胶州湾第二海底隧道穿越沧口断裂为工程背景,采用自研的大比尺穿越断层隧道结构破坏加载试验装置,针对设置柔性连接变形缝和变形缝间距对隧道结构抗错断效果的影响,开展几何相似比为1... 详细信息

为研究正断层错动作用下矿山法隧道的受力变形机理,以胶州湾第二海底隧道穿越沧口断裂为工程背景,采用自研的大比尺穿越断层隧道结构破坏加载试验装置,针对设置柔性连接变形缝和变形缝间距对隧道结构抗错断效果的影响,开展几何相似比为1∶40的矿山法隧道穿越倾角70°的正断层错动模型试验,对错动试验过程中的隧道变形、应变分布、围岩接触压力和破坏特性等关键指标进行监测,分析获得了正断层错动作用下隧道变形和力学响应规律。研究结果表明:(1)隧道在正断层错动作用下,呈现纵向拉弯+竖向挤压的受荷模式,在下盘邻近断层面处拱顶部位和上盘邻近断层面处仰拱部位出现脱空区;(2)隧道开裂主要以纵向贯通裂缝为主,近断层面处衬砌还出现了部分斜向裂缝和环向裂缝;(3)节段间的连接形式和节段长度不会根本上改变隧道在断层错动作用下的受荷模式和变形模式,但节段间刚度越小,节段长度越小,结构对于地层强制位错的适应性就更好;(4)相比于刚性连接,节段间的柔性连接吸收了大部分地层强制位错,有效降低衬砌节段的荷载和变形,使结构趋于安全。

关键词：海底隧道矿山法隧道断层错动正断层模型试验铰接设计脱空区

序列正断层错动下地铁隧道破坏机理及设防研究

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铁道建筑技术 2024年第1期 129-133页

作者：余浩中铁十二局集团第二工程有限公司山西太原030032

地铁隧道是城市交通系统的重要组成部分,在活动断层密集地区建设隧道时,往往难以避免穿越断层,地震断层错动会对跨断层隧道造成严重影响。为了研究太原地铁1号线金阳路站~小井峪站区间段明挖矩形隧道在交城断裂带序列性多个正断层错动... 详细信息

地铁隧道是城市交通系统的重要组成部分,在活动断层密集地区建设隧道时,往往难以避免穿越断层,地震断层错动会对跨断层隧道造成严重影响。为了研究太原地铁1号线金阳路站~小井峪站区间段明挖矩形隧道在交城断裂带序列性多个正断层错动作用下的结构破坏机理、设防范围及设防效果,采用有限元分析软件,建立了地层-隧道相互作用数值模型,对比分析了序列性断层同时错动与单独错动时的隧道内力及损伤分布,明确了隧道受断层错动的影响区范围,研究结果对跨活动断层明挖地铁隧道抗错动设计与施工提供了参考。

关键词：地铁隧道矩形隧道断层错动破坏机理变形缝

考虑围岩–衬砌切向接触效应的穿越断层隧道结构纵向响应解析解

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岩石力学与工程学报 2024年

作者：常铭宇申玉生张熙伍清子王岩岩黄海峰西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室西南交通大学陆地交通地质灾害防治技术国家工程研究中心

高烈度地震区断层的存在对工程结构产生严重影响，穿越断层隧道纵向响应有待深入研究。本文采用切向地基弹簧分析围岩–衬砌切向接触效应及隧道结构的轴向变形特征，建立断层错动作用下隧道纵向响应理论模型。首先，隧道被简化成有限长... 详细信息

高烈度地震区断层的存在对工程结构产生严重影响，穿越断层隧道纵向响应有待深入研究。本文采用切向地基弹簧分析围岩–衬砌切向接触效应及隧道结构的轴向变形特征，建立断层错动作用下隧道纵向响应理论模型。首先，隧道被简化成有限长梁，采用切向地基弹簧和法向地基弹簧来体现围岩–衬砌的相互作用，在法向地基弹簧端部施加自由场位移来模拟断层错动，得到隧道结构纵向响应微分方程；通过格林函数法求解获得结构响应解析解；接着采用三维有限差分法对本文解析模型的有效性进行验证。结果表明：围岩–衬砌的切向接触效应对隧道结构的纵向响应存在显著影响，忽略导致得到的结构弯矩峰值误差达到35.33%。最后，探究断层宽度、断层弹性模量和衬砌混凝土等级对隧道纵向响应的影响；随着断层宽度增加，隧道结构内力减小；提高衬砌混凝土等级导致结构内力增大；断层区域围岩弹性模量的增加使得结构的弯矩、剪力减小，轴力增大。研究成果可为穿越断层隧道抗错断设计提供理论依据。

关键词：隧道工程断层错动围岩-衬砌接触效应格林函数解析解

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过活断层倒虹吸地面压力管结构型式比较研究

人民长江 2024年第2期55卷 171-178,210页

作者：李端正李玉峰白锐陈俊涛武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室湖北武汉430072 云南省滇中引水工程建设管理局云南昆明650000 云南省滇中引水工程有限公司云南昆明650000

以往对过活断层倒虹吸地面压力管道研究,往往只单独研究钢衬钢筋混凝土管和明钢管两种结构型式,具体哪种管型更为合适尚无比较。采用有限元方法,通过建立地面钢衬钢筋混凝土管和明钢管两种管道有限元模型,对比分析了两种管道型式过活断... 详细信息

以往对过活断层倒虹吸地面压力管道研究,往往只单独研究钢衬钢筋混凝土管和明钢管两种结构型式,具体哪种管型更为合适尚无比较。采用有限元方法,通过建立地面钢衬钢筋混凝土管和明钢管两种管道有限元模型,对比分析了两种管道型式过活断层倒虹吸在断层蠕滑变形、黏滑变形以及地震作用下的位移和应力。研究结果表明:①钢衬钢筋混凝土管和明钢管管线中布置多个波纹管伸缩节后,均能较好适应断层蠕滑变形;②两种管道结构位于主断层范围的波纹管伸缩节在断层黏滑变形作用下变形均在100 mm以上,设计难度大;③地震作用下,在主断层范围内的钢衬钢筋混凝土管虽然位移大,但地震引起的应力较小,而明钢管在固定支座处的受力情况明显恶化;④综合多种工况的计算结果,钢衬钢筋混凝土管的受力情况比明钢管更优秀,但明钢管具备运行期检修复位的条件,两种管道方案各有优劣,应根据工程具体需求合理选择管道结构型式。

关键词：活断层断层错动倒虹吸钢衬钢筋混凝土管明钢管波纹管伸缩节滇中引水工程