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原文传递高烈度地震区隧道下穿滑坡体系灾变演化机制与控制技术研究

论文题名：	高烈度地震区隧道下穿滑坡体系灾变演化机制与控制技术研究
关键词：	隧道下穿滑坡体系;灾变机制;震动控制;高烈度地震区
摘要：	伴随“一带一路”和交通强国战略的步伐，当前中国交通事业正值蓬勃发展的时期。随着交通运输网向西部拓展，众多线路穿越在西部高烈度山区，常常面临隧道下穿滑坡问题。这些区域地形地质条件复杂，地震作用下隧道下穿滑坡的地震波传播互馈机制和空间动力耦合效应尚不明确，给隧道工程建设和运营带来极大的挑战。地震诱发滑坡复活引起的隧道-滑坡体系相互作用成为亟待解决的核心科学问题。　　受潜在地震作用和地形地质条件的限制，拟建川藏铁路、西成铁路，在建云南楚大高速、四川仁沐新高速、甘肃渭武高速和已建宝兰客专、兰新高铁和武罐高速等重点项目隧道工程建设和运营中面临许多世界罕见的工程病害问题。基于中国极端复杂条件隧道工程建设领域的“卡脖子”现象，本文通过典型工程实例调研、振动台试验、数值计算和理论计算等手段，开展了高烈度地震区隧道下穿滑坡体系地震波传播规律及空间变形特征、空间动力耦合系统结构损伤评价方法、衬砌结构荷载和变形及安全下穿距离理论解析、衬砌减隔震技术及抗震型防治结构设计的系统研究，取得如下创新成果：　　（1）制定了基于工程地质分析原理的“隧道-滑坡体系”典型模式分类细则。对近百例隧道-滑坡工程案例统计分析可知，坡体结构是赋存病害产生的先决关键性致灾背景因子，地震作用、大气降雨、隧道开挖和地下水作用等成为操纵隧道与滑坡病害发生的关键性外界诱发因子，隧道与滑坡的空间位置关系支配着病害的类型和规模，隧道与滑面的相对位置关系决定了滑坡与隧道的相互作用模式和变形特征。将五类共9种基本坡体结构类型作为先决关键性致灾背景因子，根据滑面数量、隧道下穿滑坡体系类型隧道与滑面的相对位置关系、隧道与滑面的作用区域，将具有共性关系的多个工程案例概化出隧道下穿滑坡体系典型模型：隧道横穿牵引段滑面、隧道横穿主滑面、隧道下穿牵引段滑面、隧道下穿主滑面四种，作为后续振动台试验、数值计算和理论分析依托的基础。　　（2）揭示了地震作用隧道下穿滑坡体系典型模式的失稳机理和成灾模式。通过振动台试验和数值计算多元手段研究发现，受地震作用及滑坡体变形双重作用影响，衬砌结构拱顶和仰拱承担大部分的地震荷载，隧道容易产生塌方冒顶和仰拱隆起的破坏。地震作用下，隧道与滑坡的空间位置关系支配着隧道衬砌结构的失稳变形破坏模式，但并未直接支配滑坡的失稳破坏模式。隧道下穿滑坡体系四种典型模式呈现“后缘沉降挤压-中部滑移拉动-前缘剪出鼓胀，堆积体浅表层沿着新形成的贯通发育结构面滑移，整体沿基底破碎带滑动面下滑”的失稳模式。　　（3）提出了隧道下穿滑坡体系空间动力耦合系统衬砌结构损伤评价方法。基于Arias强度（Ia）这一表征地面运动强度的参数指标引入结构动力响应评价，提出了基于能量效应的Ia动力损伤放大效应评价指标MIa。基于弹塑性效应的地震累积损伤指标（PEC）分析的预测模型更容易从实测数据中得到，并充分考虑了衬砌结构的塑性效应特性。通过对MIa和PEC值的分析，可以识别隧道衬砌的地震破坏阶段及局部变形破坏区，可作为一种有效的预警和预测模型。基于频谱幅值的对数正态分布动力损伤水平评价（LDC）用统计学中相关系数来描述幅值与频数变量之间的相关性。根据不同信号属性幅值与频数之间的关联程度，利用不同属性多元化数据信号的敏感程度可为地震监测预警测试元件选型提供新的思路与方法。　　（4）建立了地震作用隧道下穿滑坡体系典型模式的设计计算方法。以经典力学的传递系数法为基础，考虑地震力瞬时加速度效应，推导出基于水平地震附加荷载作用的滑坡推力计算公式。以较为成熟的经典反应位移法为基础，考虑隧道-围岩动力相互作用，推导出基于LSRDI效应的子结构-反应位移计算方法。二者叠加，采用弹性半无限空间上的Cerruti法计算其在隧道衬砌拱顶产生的附加荷载。结合经典土力学理论等解析分析，获得“隧道横穿滑面、隧道下穿基岩、隧道横穿滑体”典型模式隧道衬砌结构荷载和变形的理论解。反算安全埋深，结合滑移线理论所确定的松动圈范围，提出高烈度地震区隧道最小安全下穿距离计算方法。　　（5）构建了地震作用隧道下穿滑坡体系综合防治技术。通过振动台试验，设计了“前震-主震型”和“主震-余震型”两种地震序列。隧道下穿滑坡典型模式以衬砌自身减震措施为主的设计理念，提出了基于动力刚度匹配基的隧道衬砌减隔震结构精准设计方法；研发了基于刚度匹配原则的隧道衬砌减震层优化结构，设置过渡缓冲垫层和减震层改善隧道衬砌与基岩二者刚性接触在地震作用下的刚度不匹配问题；隧道横穿滑面典型模式以多锚点圆桩自身抗震措施为主的设计理念，通过设置锚头减震措施，形成一种消能组合式新型多锚点圆桩加固技术，减小传递至隧道衬砌结构的地震荷载，增强多锚点圆桩对地震作用的适应能力，从而间接保护了衬砌结构。　　研究成果可为高烈度地震区隧道-滑坡体系的破坏模式预测及工程安全评价提供理论依据。
作者：	牌立芳
专业：	岩土工程
导师：	马惠民
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国铁道科学研究院
学位年度：	2022