山岭隧道衬砌结构震害机理研究.doc

山岭隧道衬砌结构震害机理研究隧道工程是交通系统的重要组成部分，按其埋深主要分为浅埋隧道和山岭隧道（深埋）。以往的经验认为山岭隧道不容易出现震害，因此相关的研究很少。2008年汶川8.0级特大地震造成了震中附近的多座公路隧道受损严重，震后修复十分困难。目前隧道衬砌结构震害机理成为学科发展的一个难点，严重制约了山岭隧道的抗震设计。本文以阐明山岭隧道二次衬砌在地震作用下的力学模式和震害机理为目标，采用理论分析、振动台地震模拟实验以及有限元地震反应分析等方法开展系统研究，取得主要成果如下。1）通过实地调查，详细描绘了都江堰至映秀高速公路沿线山岭隧道的地震受损情况。统计结果显示，不良地质区间内无筋混凝土二次衬砌的震害比例最大。2）用等效模拟法，探讨了衬砌拱顶背后存在空洞、地震波入射角度不同、地层条件突变的情况下隧道结构的受震机制。指出了在地震作用下，衬砌拱顶背后存在空洞易导致拱顶区域向上脱开并发生整体式坍塌。3）以龙溪隧道为原型，用振动台地震模拟实验研究了山岭隧道浅埋段内二次衬砌的地震响应规律。模型试验再现了实际隧道的震害现象，地震输入的加速度峰值不同，衬砌关键部位的地震响应敏感程度亦不相同；试验验证了混凝土衬砌结构的极限压应变数值在450με左右。4）对竖向地震作用下无筋混凝土衬砌和钢筋混凝土衬砌进行了振动台对比试验。试验验证了无筋混凝土二次衬砌在地震时容易形成立即崩塌的极限破坏模式。此外，本次试验首次证明了强烈的竖向地震作用是引发隧道衬砌的拱墙至拱脚外侧出现斜向开裂的主要原因。由此建议，位于软弱破碎地层内的衬砌应在其横断面内双向布设最小配筋率为0.2%的受弯钢筋以提高结构延性，为隧道抗震设计提供了依据。5）用有限元法分析了山岭隧道纵向的地震响应。计算结果表明，在软硬地层交界处由地震引起隧道结构的纵向拉应力峰值远高于混凝土结构的极限抗拉强度，解释了隧道衬砌产生环向开裂的震害机理。