为探究赋存断层岩体中隧道结构变形破坏基本特征,基于离散元理论,以断层位置、断层与隧道中心的法向距离、断层倾角及围岩等级为设计因素,采用UDEC程序开展地震波作用下跨断层深埋隧道结构动力响应数值模型试验。结果表明:地震波作用下不管隧道位于断层上盘还是下盘,衬砌结构均呈现出由椭圆型变形向扭曲变形转变的变形特征,围岩以剪切破坏为主,靠近断层一侧岩体塑性区向断层处延伸;断层穿过隧道中心时在地震波扰动作用下活化,衬砌最终呈现剪切变形特征,围岩塑性区沿断层面延伸;断层倾角和围岩等级保持不变时,断层与隧道中心的法向距离越大越有利于围岩-隧道结构的安全;断层与隧道中心的法向距离和围岩等级保持不变时,围岩塑性区面积随断层倾角增加呈现先减小后增大的变化趋势,而衬砌最大残余位移则表现先增大后减小的变化趋势;法向距离和断层倾角保持固定时,对于Ⅲ级围岩,衬砌未表现明显的椭圆型变形特征(接近圆形),围岩塑性区面积相比于IV级围岩显著减少;对于V级围岩,断层对隧道影响不明显,衬砌最终呈现收敛变形特征。

采用有限元动力数值模型研究软土场地在道路隧道影响下,地表地震动响应的变化规律。以场地条件、输入地震动、隧道埋深为变化量,取距隧道轴线水平距离的地表观测点响应为分析对象,以正则化加速度峰值、正则化加速度傅里叶谱幅值为场地动力影响指标,评价均匀场地和分层场地单一圆形道路隧道埋深对地表不同位置处的地震动响应特性。研究表明:均匀场地正则化加速度傅里叶谱随频率和隧道埋深呈周期性变化;分层软土场地中,随着观测点与隧道轴线距离增大和埋深增加,地表加速度正则化傅里叶谱幅值逐渐趋近于1,特别是在地表距离隧道轴线超过2.5D(D为隧道外径)或埋深超过2.5D后,加速度傅里叶谱幅值放大均小于20%。

提出一种基于人工神经网络的圆形隧道地震响应预测方法,以基岩地震动峰值、隧道埋深、地层-结构相对刚度比、隧道与地层接触条件为基本输入参数,对圆形隧道在不同地震动作用下的衬砌受力和变形(包括弯矩、轴力、剪力、直径变化率等结构关键响应指标)进行预测。通过反应加速度法建立由不同输入参数组合而成的320组隧道结构地震响应数值计算模型,提取结果得到数据集并用于预测模型的建立和测试。结果表明,各组模型的响应预测值和基准值的均方误差与相关系数均表现良好,验证了分析模型的可行性。基于数据训练后的预测模型可以得到地震动输入下隧道结构的地震响应,拟合出圆形隧道地震响应的预测公式,通过与退化条件下深埋圆形隧道地震响应的经典解析解对比,验证了方法的有效性。本方法还可以方便快速地对基本输入参数的敏感性影响进行排序和对作用效应进行分析,为地下结构抗震设计和分析提供了新的分析手段。

已有竖井震害实例表明,强震作用下地下竖井结构安全遭受严重威胁且在岩土交界面附近出现损伤破坏。在实际工程中竖井不可避免地要穿越岩土交界面,而穿越岩土交界面竖井结构地震损伤破坏模式尚未明确,本研究主要开展水平向地震作用下竖井衬砌强度和厚度参数对竖井损伤破坏模式研究。基于有限元软件ABAQUS建立岩土交界段场地竖井结构三维土结相互作用模型,采用三维动力时程分析方法研究水平向地震作用下竖井结构内力分布、直径变形率以及损伤状态和应变分布规律。结果表明:竖井轴力、剪力和弯矩均在岩土交界面处产生突变,轴向轴力在岩土交界面位置处为拉力,环向轴力为压力;竖井损伤位置集中在岩土交界面处且破坏模式为轴向受拉损伤破坏,轴向轴力起损伤控制作用,随竖井衬砌强度和厚度增加,受拉损伤加重;竖井轴向应变峰值集中在岩土交界面处;C35混凝土强度下竖井衬砌壁厚0.6 m工况下的轴向应变为0.5 m壁厚工况的1.3倍。

为了研究盾构隧道施工引起的隧道周围土体应力状态及力学特性改变对隧道地震响应的影响,通过数值模拟分析盾构隧道施工引起的应力释放和土体扰动对地震时周围土体变形、孔隙水压力、管片弯矩和轴力的影响。数值模拟结果表明:应力释放程度越大,隧道周围土体的初始剪应力越大,地震时隧道周围土体的变形越大,超静孔隙水压力越大,管片的峰值弯矩和轴力也越大;土体扰动程度越大,土体的剪切模量越小,土体相对越软,阻尼比越大,地震时隧道周围土体的变形越大,超静孔隙水压力越大,管片的峰值弯矩和轴力越小;土体扰动范围越大,隧道周围土体的变形越大,超静孔隙水压力越大,管片的峰值弯矩和轴力越小。

为研究双向地震作用下,液化场地中不同临空高度、地震强度、地铁车站埋深和车站至临空边的水平距离对地铁车站的影响,采用有限元-有限差分耦合数值方法,分析临空液化场地中车站结构的地震响应特征及规律。结果表明:临空场地的存在会引起地铁车站产生水平位移并发生转动,超孔隙水压力的累积和消散会使地铁车站先上浮再沉降;车站结构的水平位移、层间位移角和孔压消散后的沉降量随地震强度、临空高度的增加而增大,但随着车站与临空侧水平距离和地下结构埋深的增大而降低;临空场地会降低地铁车站在地震结束时刻的上浮量,降低程度随临空高度的增加而增加,但随着车站与临空侧水平距离的增加而减小;地下结构邻近临空侧的墙体内力小于非临空侧墙体,且内力差随临空高度的增加而增大;增大地铁车站的埋深、与临空侧的水平距离可以有效降低临空场地对地下结构产生的不利影响。

针对地面出入式盾构隧道(ground penetrating shield technology, GPST)的地震动力响应规律进行研究。建立地面出入式盾构隧道的三维动力时程有限元模型。模型考虑上海场地的动力特性,合理模拟动力人工边界、管片纵缝和环缝,土-结构相互作用。分析隧道响应和场地响应,并对螺栓预紧力、纵向坡度、地面压重和顶部开洞等工况进行参数化分析。研究结果表明:地面出入式盾构隧道结构能在一定程度上放大地表加速度响应,大幅提高出露地表段的结构直径变形和加速度响应;提高螺栓预紧力、提高隧道纵坡度和增加地面抗浮压重板等措施可在一定程度上改善结构响应,但顶部开洞会显著放大隧道动力响应。

为研究沉管隧道地震稳定性,基于扩展Masing法则构造土体黏弹塑性应力-应变滞回曲线,将剪切-耦合体积应变增量模型作为Biot动力固结方程中残余孔隙水压力增长的源项,建立砂土液化过程的有效应力分析方法,基于FLAC^3D计算平台实现该有效应力分析方法。建立砂质海床-锁定回填-沉管隧道相互作用模型,对地震动作用下锁定回填沉管隧道周围海床的抗液化机理进行研究。结果表明:锁定回填提高了沉管隧道周围海床的抗液化强度,同时增大了沉管隧道的侧摩阻力,最终减小了沉管隧道在地震动作用下的残余上浮量,有效地提高了沉管隧道的地震稳定性。

以GIL过江盾构隧道综合管廊为例,通过建立有、无π形支架结构的非线性土-隧道结构静、动力耦合三维有限元分析模型,研究π形支架结构对考虑错缝拼装的盾构隧道整体抗震性能的影响。结果表明:放入π形支架结构后,隧道底部的管片张开量减小显著,减小量达60%;大震下封顶块附近的管片张开量有增大趋势。输入地震动峰值较小时,隧道顶底及π形支架结构-隧道连接处的加速度反应谱变化不大;随着输入地震动峰值的增大,反应谱短周期内波动变大,反应谱值整体下降。整体来看,隧道结构顶部管片混凝土受拉损伤加重,底部受拉损伤相对较轻,受拉损伤主要分布在管片接缝处及其附近区域,在大直径盾构隧道抗震设计时有必要考虑隧道-π形支架结构动力相互作用的影响。

针对某实际近距离四孔隧道群工程,根据特点将其简化为空间曲线隧道、平面曲线隧道、铅锤曲线隧道和直线隧道。采用匀质圆环模型建立计算模型开展动力时程分析。分析结果表明:隧道群的存在对土体加速度的影响较小,主要影响土体变形;铅锤隧道铅锤段加速度大于其他部位,这是因为铅锤段部位隧道的埋深逐渐减小,体现隧道埋深的影响;就隧道变形而言,变形最大部位出现在铅锤曲线段和水平曲线段的衔接处、水平曲线段和直线段的连接处,可见在曲线隧道抗震设计中,急曲线隧道连接处是薄弱环节,且隧道群在地震作用下相互作用非常复杂和显著。研究成果可为小半径曲线隧道以及近距离空间曲线隧道群工程的抗震设计提供参考。