平行于地裂縫的地鐵隧道避讓距離研究

相 旭

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 西安 710043)

平行于地裂縫的地鐵隧道避讓距離研究

相 旭

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 西安 710043)

地裂縫為西安特有的地質(zhì)災(zāi)害，地裂縫的變形對地鐵的施工與運(yùn)營均有不同程度的影響。首先通過1∶5的大型模型試驗(yàn)，對平行于地裂縫的地鐵隧道的致災(zāi)模式進(jìn)行研究，得出結(jié)果：地鐵隧道隨著地裂縫上盤沉降量的增大，結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)扭剪變形，且隨著平行距離的增加，地裂縫處滑動土楔對隧道的側(cè)向擠壓作用也逐漸減弱。通過數(shù)值模擬計(jì)算，對以上模型試驗(yàn)分析的結(jié)果進(jìn)行更深入的驗(yàn)證，最后得出結(jié)論：地鐵隧道與地裂縫上盤間30 m為地鐵隧道的安全避讓距離。該結(jié)論對今后西安地鐵建設(shè)的選線具有重要的參考價值。

西安地鐵；地裂縫；平行；模型試驗(yàn)；數(shù)值分析

1 研究背景

2 模型試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)?zāi)康呐c任務(wù)

為了對西安地鐵3號線近距離平行穿過地裂縫地段提供安全避讓距離和制訂工程措施提供科學(xué)依據(jù)，以西安地鐵3號線f 7地裂縫為背景，設(shè)置模型試驗(yàn)，主要了解地裂縫錯動條件下的襯砌結(jié)構(gòu)受力變形特征、破壞模式以及影響范圍。按照幾何相似比1∶5加工制作馬蹄形隧道襯砌結(jié)構(gòu)模型、地裂縫及圍巖地層模型，在試驗(yàn)過程中主要監(jiān)測隧道圍巖壓力、結(jié)構(gòu)收斂變形、地層沉降變形、襯砌結(jié)構(gòu)變形破壞的宏觀特征、襯砌混凝土及鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律。

2.2 模型制作

本試驗(yàn)取幾何相似常數(shù)Cl=5、混凝土彈性模量相似常數(shù)CEc=2，根據(jù)量綱分析法列出π項(xiàng)式和相似準(zhǔn)則方程，計(jì)算出各主要物理量的相似比。設(shè)計(jì)模型混凝土強(qiáng)度等級為C20，試驗(yàn)測定試塊28 d強(qiáng)度為27.08 MPa、彈性模量(平均值)為2.74×104MPa，彈性模量選取對應(yīng)的應(yīng)力為峰值強(qiáng)度的30%處。

2.3 試驗(yàn)系統(tǒng)及加載方式

為模擬地裂縫的活動方式，即上盤相對下盤下降，本次模型試驗(yàn)在長安大學(xué)地基沉降實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行，將沉降平臺一側(cè)設(shè)置為地裂縫上盤，相對固定(地面)的一側(cè)設(shè)置為地裂縫下盤，通過自鎖式千斤頂控制沉降平臺緩慢下降來模擬地裂縫的活動，地裂縫的活動速率和錯動量通過工控機(jī)控制自鎖式千斤頂?shù)倪\(yùn)行速率和行程來實(shí)現(xiàn)(見圖1、2)。

圖1 土層剖面結(jié)構(gòu)

圖2 地裂縫位置示意

為了模擬地裂縫的緩慢活動規(guī)律，同時考慮試驗(yàn)的進(jìn)度，設(shè)定千斤頂?shù)倪\(yùn)行速率為4 mm/次。每級荷載施加穩(wěn)定后24 h開始量測結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、土壓力、結(jié)構(gòu)位移、地表位移。每級荷載施加間隔時間為24 h左右。本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)地裂縫錯動量為20 cm，分為10級荷載來施加。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.4.1 襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)表面混凝土環(huán)向應(yīng)變

圖3表明平行裂縫襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)表面受拉區(qū)主要集中在結(jié)構(gòu)頂部，其余區(qū)域應(yīng)變值水平較小。

圖3 襯砌內(nèi)表面混凝土環(huán)向應(yīng)變變化曲線

圖4 平行地裂縫隧道襯砌結(jié)構(gòu)橫斷面收斂位移

2.4.2 結(jié)構(gòu)收斂位移

圖4表明平行裂縫襯砌結(jié)構(gòu)以受壓為主，6號測點(diǎn)受壓位移最大，4、5號測點(diǎn)受拉(向外變形)，說明結(jié)構(gòu)主要受到靠近地裂縫側(cè)圍巖土體的擠壓，與土壓力分布趨勢一致。

2.4.3 襯砌結(jié)構(gòu)外表面混凝土環(huán)向應(yīng)變

圖5表明平行裂縫結(jié)構(gòu)外表面受壓區(qū)主要集中在結(jié)構(gòu)頂部，與圖3內(nèi)表面分布規(guī)律對應(yīng)。說明平行襯砌結(jié)構(gòu)主要受到頂部圍巖土體的壓力，靠近地裂縫的一側(cè)結(jié)構(gòu)側(cè)壁(拱腰)受拉水平小于遠(yuǎn)離地裂縫的一側(cè)拱腰，說明結(jié)構(gòu)靠近地裂縫的一側(cè)土壓力大于遠(yuǎn)離地裂縫的一側(cè)，結(jié)構(gòu)受到了地裂縫活動一定的影響。

圖5 襯砌結(jié)構(gòu)外表面混凝土環(huán)向應(yīng)變變化曲線

可見，混凝土內(nèi)外表面應(yīng)變分布規(guī)律顯示：近距離平行地裂縫馬蹄形隧道結(jié)構(gòu)主要受到頂部圍巖土體壓力的影響，在一定程度上也受到地裂縫沉降引起的側(cè)向壓力，結(jié)構(gòu)變形不明顯。

2.4.4 試驗(yàn)結(jié)論

通過現(xiàn)場觀察及襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)表面混凝土環(huán)向應(yīng)變、結(jié)構(gòu)收斂位移、襯砌結(jié)構(gòu)外表面混凝土環(huán)向應(yīng)變、土壓力等現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)可以得出如下結(jié)論：

1) 在近距離平行地裂縫的條件下，馬蹄形隧道在軸線方向沉降無明顯突變，沉降均勻，沉降速率平穩(wěn)；在垂直于平行裂縫隧道軸線方向上的隧道襯砌結(jié)構(gòu)兩側(cè)土體變形基本相同。

2) 平行于地裂縫的馬蹄形隧道襯砌結(jié)構(gòu)的底部橫向土壓力最大值均在軸線位置，自軸線遠(yuǎn)離地裂縫的土壓力明顯減小，靠近裂縫土壓力先升后降；靠近地裂縫側(cè)的土壓力大于遠(yuǎn)離地裂縫側(cè)，說明地裂縫沉降對平行裂縫結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的側(cè)向推力。

3) 平行于地裂縫的隧道結(jié)構(gòu)受到的剪應(yīng)力非常小，且隨著地裂縫上盤沉降量的增大，除個別剪應(yīng)力變化方向改變，其大小變化不大，說明平行裂縫襯砌結(jié)構(gòu)并沒有受扭，結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)扭剪變形。

4) 平行于地裂縫的隧道結(jié)構(gòu)環(huán)向鋼筋應(yīng)變水平較低，結(jié)構(gòu)頂部區(qū)域?yàn)槭芾瓍^(qū)，與混凝土內(nèi)表面應(yīng)變規(guī)律吻合，且不存在明顯受拉受壓集中區(qū)，結(jié)構(gòu)無明顯縱向變形。

5) 整體式馬蹄形隧道結(jié)構(gòu)近距離(對應(yīng)原型30 m)平行地裂縫時，地裂縫上盤下降不會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的變形破壞，但在靠近地裂縫的一側(cè)由于地裂縫的活動，上盤地層(土體)會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平擠壓作用，形成偏壓現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)整體存在向遠(yuǎn)離地裂縫帶一側(cè)彎曲的趨勢，但變形不明顯，是安全的。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型

3.1.1 模型簡化

圖6 數(shù)值分析模型

3.1.2 邊界條件模擬

數(shù)值計(jì)算模型前后兩端和左右兩側(cè)分別施加z方向、x方向水平位移的約束，地裂縫下盤底部施加y方向即豎直向位移約束，而其上盤底部為可控活動邊界。由于地裂縫的活動方式是上盤下降而下盤穩(wěn)定，模型中在上盤底部施加強(qiáng)制位移S來控制和模擬地裂縫上盤的下降過程及垂直位移量。

地裂縫是具有一定張開量并且縫隙中充填多種顆粒的狹長裂隙。當(dāng)上盤下沉?xí)r，沿著地裂縫滑動，必然會對裂隙中的顆粒剪切、擠壓，并且造成上下盤互相嵌入或者脫空。為了模擬這一力學(xué)過程，需要引入接觸面。采用Flac3D有限差分軟件模擬接觸面的Interface單元兩個物體之間的滑動。采用結(jié)構(gòu)單元(Shell)模擬隧道襯砌。

3.1.3 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算參數(shù)

3.2 計(jì)算工況

為了詳細(xì)模擬地裂縫活動對隧道結(jié)構(gòu)的影響，采用逐漸變換地裂縫與隧道襯砌凈距L及上盤下沉位移S，詳細(xì)分析隧道內(nèi)力變化，具體分為6種工況，如表2所示。

表2 計(jì)算工況

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1 隧道襯砌變形分析

受到隧道周邊土體擠壓的影響，隧道結(jié)構(gòu)跟著發(fā)生變形，從而引起隧道內(nèi)力變化。圖7是隧道襯砌發(fā)生水平向位移(x方向)的等值線圖，從圖中可以看出襯砌的水平向位移為1.9～2.2 cm。隨著L的逐步增大，水平位移逐漸減小。

圖7 襯砌x位移等值線圖(L=30 m,S=30 cm)

3.3.2 隧道襯砌彎矩分析

當(dāng)L=5 m時，拱底彎矩變化值為67 kN·m；當(dāng)L=50 m時，拱底彎矩變化值為29 kN·m，拱底彎矩隨著L的增大呈減小趨勢，并且幅度越來越小(見圖8)。

圖8 仰拱和拱頂彎矩曲線

3.3.3 隧道襯砌軸力分析

隨著上盤下沉，拱底軸力和拱頂軸力增加比較緩慢。當(dāng)L=5 m時，拱底軸力增加25 kN；當(dāng)L=50 m時，拱底軸力增加39 kN。當(dāng)L=5 m時，拱頂軸力增加37 kN；當(dāng)L=50 m時，拱頂軸力增加35 kN。當(dāng)L≥30 m時，軸力增加比較緩慢，而且幅度也不大，可以把L=30 m的工況看作軸力變化的界限距離(見圖9)。

圖9 仰拱和拱頂軸力曲線

3.3.4 計(jì)算結(jié)論

通過模擬幾種工況下的結(jié)構(gòu)變形情況可知：地裂縫活動時，上下盤互相擠壓滑動，在上盤產(chǎn)生一個向地面方向滑動的滑動楔。左拱腰的水平位移大于右拱腰的水平位移，隧道結(jié)構(gòu)的水平向位移平均值為1.78 cm;左拱腰軸力大于右拱腰軸力，拱低軸力大于拱頂軸力。隨著上盤下沉，當(dāng)L=30 m時，左拱腰彎矩減小值為55 kN·m，右拱腰彎矩減小值為50 kN·m；當(dāng)L=30 m時，拱底軸力增加25 kN，拱頂軸力增加37 kN，拱底軸力較其他5種工況大，拱頂軸力較其他5種工況小。

4 結(jié)論

通過上述對近距離平行地裂縫帶地鐵隧道性狀的大型模型試驗(yàn)研究和FLAC3D數(shù)值模擬計(jì)算，得出如下主要結(jié)論：

1) 地裂縫上下盤相對滑動時，在上盤產(chǎn)生一個向下滑動的滑動土楔，從模型試驗(yàn)中土壓力變化規(guī)律得出：該滑動楔對隧道產(chǎn)生側(cè)向擠壓作用，且隨著平行距離(L)的增加，滑動土楔越來越不明顯，對隧道的側(cè)向擠壓作用也逐漸減弱。

2) 平行于地裂縫的隧道結(jié)構(gòu)受到的剪應(yīng)力非常小，且隨著地裂縫上盤沉降量的增大，除個別剪應(yīng)力變化方向的改變，其大小變化不大，說明平行裂縫襯砌結(jié)構(gòu)并沒有受扭，結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)扭剪變形。

3) 整體式馬蹄形隧道結(jié)構(gòu)近距離(對應(yīng)原型30 m)平行地裂縫時，地裂縫上盤下降不會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變形破壞，但在靠近地裂縫的一側(cè)由于地裂縫的活動上盤地層(土體)會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平擠壓作用，形成偏壓現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)整體存在向遠(yuǎn)離地裂縫帶一側(cè)彎曲的趨勢，但變形不明顯，說明地鐵隧道從距離地裂縫帶30 m的上盤平行穿過時是安全的。

[1] 王景明.地裂縫及其災(zāi)害的理論分析與應(yīng)用[M].西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2000.

[6] 彭建兵.西安地裂縫災(zāi)害[M].西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2012.

[8] 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.地鐵隧道近距離平行和小角度穿越活動地裂縫帶的性狀及防治措施研究[R].北京，2012.

(編輯：郝京紅)

Study on the Minimum Distance Between Metro Tunnel and Parallel Ground Fissure

Xiang Xu

(China Railway First Survey & Design Institute Group Co., Ltd., Xi′an 710043)

Xi'an metro; ground fissure; parallel; model test; numerical analysis

相旭,男,高級工程師,從事隧道及地下工程設(shè)計(jì)， 7279689@qq.com

U455.5

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