地鐵隧道斜交穿越地裂縫的模型試驗研究

龐旭卿，嚴靜平

(1.西安理工大學 土建學院，陜西 西安 710048；2.陜西鐵路工程職業技術學院，陜西 渭南 714000；3.長安大學 地質工程與測繪學院，陜西 西安 710054；4. 新疆烏魯木齊市建委安監站，新疆 烏魯木齊 830004)

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地鐵隧道斜交穿越地裂縫的模型試驗研究

龐旭卿1, 2，嚴靜平3, 4

(1.西安理工大學 土建學院，陜西 西安 710048；2.陜西鐵路工程職業技術學院，陜西 渭南 714000；3.長安大學 地質工程與測繪學院，陜西 西安 710054；4. 新疆烏魯木齊市建委安監站，新疆 烏魯木齊 830004)

西安地處國內地裂縫發育最強烈的汾渭盆地，地裂縫已成為西安市地鐵施工及運營中的一種典型地質災害。采用比例尺為1∶20的馬蹄形襯砌結構模型，研究地鐵隧道和地裂縫60°斜交情況下的隧道結構接觸壓力、隧道結構應變、上部地層變形及隧道下部脫空等情況。研究結果表明：隨著地裂縫位錯量的增加，隧道結構上部受力表現為上盤壓力增加下盤壓力減小的趨勢；地裂縫活動對上盤地表變形的影響大于對下盤地表變形的影響；沉降初期上盤隧道下部開始出現脫空，下盤隧道靠近地裂縫處土體出現隆起；下盤隧道結構的上部處于受拉下部處于受壓狀態，上盤隧道結構上部處于先受壓后受拉而下部一直處于受拉狀態。

地鐵隧道；地裂縫；斜交穿越；模型試驗

70 年代后期以來，由于自然和人為等因素的影響，西安市先后出現了14條地裂縫，其活動時間之長和規模之大，在國內外尚屬罕見。西安地鐵在建設過程中不可避免的與這些地裂縫穿插交錯，地裂縫的活動性會造成地鐵隧道結構扭曲及襯砌面開裂滲漏水，直接影響地鐵的施工及安全運營[1-2]。近幾年來，針對西安在建的地鐵隧道穿越地裂縫的問題取得了一些很有價值的研究成果。彭建兵等[3]提出西安地裂縫是由于過量開采地下承壓水導致其出露地表而形成的近地表構造破裂。范文等[4]初步提出了隧道穿越地裂縫帶的設防范圍及位置。黃強兵等[5-7]揭示了地裂縫作用下整體式襯砌隧道的變形破壞規律。嚴靜平等[8-10]開展了穿越地裂縫帶的地鐵隧道結構安全監測與預警判據研究。此外，為研究地裂縫對地下隧道產生的影響，科技工作者展開了一系列地鐵隧道的模型試驗研究。如袁立群[11]通過模型試驗研究了地鐵隧道-地裂縫-地層在列車振動荷載作用下的動力響應規律；李凱玲[12]、熊田芳[13]利用地鐵隧道正交穿越地裂縫應力模型試驗，分析了地裂縫活動環境下的地鐵隧道與地裂縫的相互作用關系；李建軍[14]進行了45°斜交地裂縫活動條件下地鐵隧道與圍巖土體相互作用的物理模型試驗研究；胡志平[15]開展了箱型隧道30°斜穿活動地裂縫的變形破壞模式試驗研究。但這些模型試驗成果多為試驗現象描述和定性分析，很少從工程設計的角度進行討論，且未有對地鐵隧道60°斜穿活動性地裂縫地鐵隧道與圍巖土體相互作用的探討。本文以西安地鐵二號線為工程背景，探討了隧道結構與地裂縫相互作用機理，為斜交穿越地裂縫帶的隧道結構設計提供一定的技術參考。

1　工程背景與模型試驗設計

1.1工程背景

本文以貫穿10條地裂縫的西安地鐵二號線為工程背景，該線路全長26.302km，地裂縫致災段占全長的50%，其中4條地裂縫致災嚴重地段占出露長度的70%以上。通過比例尺為1∶20的地裂縫與地鐵結構相互作用模型試驗，研究地鐵隧道與地裂縫斜交時地鐵隧道結構的受力模式、破壞特征及地鐵隧道在地裂縫位錯作用下的脫空距離和影響范圍，對穿越地裂縫帶的地鐵隧道的設計及運營過程中的安全監測和災害防治具有指導意義。

1.2模型設計

西安地鐵二號線穿越地裂縫處的設計斷面采用的為馬蹄形斷面，因此，設計的隧道模型斷面也采用馬蹄形斷面，試驗模型模擬長40m、寬32m和埋深8m的隧道。選取的幾何相似比常數為1∶20，制作的模型長為2m，上盤與下盤的長度各為1m，模型頂部厚度為0.4m(模擬隧道洞頂距地表距離)，斷面凈高為0.453m，斷面寬度0.455m(橫斷面見圖1)。

單位：mm圖1　隧道模型橫斷面簡圖Fig.1 Sketches of tunnel section for model

地裂縫位錯的模擬通過隧道模型下部的千斤頂平臺升降進行控制。為更好的觀察試驗過程中隧道模型在地裂縫錯動情況下結構的受力狀態及其與土體脫空情況，制作隧道模型結構選取的材料為聚甲基丙烯酸甲脂有機玻璃材料。模型土體采用土層容重相似比為1：1的配置土，采用粉細砂模擬地裂縫處的填充物，以上設計完全能夠保證模型試驗與現場應力場的相似性。

1.3量測內容與數據采集系統

模型壓力通過在距模型底面10和80cm處埋設的土壓力傳感器進行測量，模型應變的測量通過布設的應變花與應變片完成。在隧道模型頂部和底部中線處自上盤向下盤各布設7個應變花，在環5、環8和環11處沿環向加設左下、右下兩組應變花，應變花的布設位置如圖2所示。

單位：mm圖2　模型應變測量應變花布設圖Fig.2 Strain rosette setting map for model strain measurement

不同地裂縫位錯時隧道下部的脫空情況通過在隧道模型中心線下方布設的高精度位移計進行測量(見圖3)。在模型頂面土體上沿隧道軸向和地裂縫的延伸方向布設2排位移監測點，以觀察上部土體變形。

圖3　隧道模型管下部位移計布置剖面圖Fig.3 Layout section of displacement meter in lower tunnel model tube

試驗中應變片數據的采集通過江蘇東華測試技術有限公司生產的DH3815數據采集儀完成，模型底部位移量與千斤頂平臺升降的位移量的采集通過XMT604智能控制儀完成，土壓力傳感器數據的采集通過VC890D數字萬用表完成。

2　試驗分析及成果

2.1隧道與土體接觸土壓力分析

地裂縫位錯時沿隧道模型軸向土體與結構上部接觸壓力的變化見圖4。

注：受壓力為正值圖4　隧道上部壓力分布圖Fig.4 Upper tunnel pressure profile

由圖4可以看出，當地裂縫發生位錯時，位于隧道模型結構上部的上盤承受的壓力增加，下盤承受的壓力減小。在隧道模型結構上部的上盤影響區域為距地裂縫0～0.35m處，在下盤影響區域為距地裂縫0～0.15m處。原因在于距離地裂縫較遠的土體完整密實，發生位錯時土體向下運動產生的牽引力導致隧道頂部土壓力增加，距離地裂縫較近的土體當隧道結構隨試驗平臺下降時，隧道模型沿縱向向下彎曲導致隧道上部土體與隧道分離其頂部壓力減小。

地裂縫位錯時沿隧道軸向土體與隧道結構下部接觸壓力的變化見圖5。

注：受壓力為正值圖5　隧道下部壓力分布圖Fig.5 Tunnel bottom pressure profile

由圖5可以看出，隨著地裂縫位錯量增大，位于地裂縫上盤的隧道底部接觸壓力減小至0，位于地裂縫下盤的隧道底部接觸壓力在0～0.1m區域增大，在0.1～0.25m區域減小。主要原因在于沉降量達到5mm后，位于地裂縫上盤的隧道底部出現脫空。

2.2隧道上部土層沉降量變化分析

為研究模型頂面土體的變形破壞情況，在模型上表面沿隧道軸線方向布置了5個監測點。圖6為實際沉降量和理論沉降量的對比曲線。

圖6　實際沉降量與理論沉降量對比曲線Fig.6 Settlement curves of actual and theory settlement amount

由圖6可以看出，地裂縫上盤發生的位移遠大于下盤。當沉降量超過20mm時，地表下沉速率隨著地裂縫沉降量的增大逐漸減小。主要原因在于地裂縫上盤下降時，兩盤間摩阻力阻止上盤土體向下運動；另外，上盤隧道結構下部出現脫空，隧道下部土體的下降對上部土體影響減小。

2.3隧道下部及土體相對位移分析

隧道下部及土體相對位移見圖7。由圖7可以看出，隧道模型上盤位移量隨著地裂縫位錯量的增大而增大，而下盤位移量變化則逐漸變緩。試驗發現，在沉降量達到15mm時隧道上盤開始出現脫空現象，且隨著地裂縫位錯量的增加，脫空區域和沉降量增加，脫空區域為距地裂縫0～0.6m。而下盤土體因受到上盤土體的摩擦和擠壓而向上隆起，地裂縫對下盤的影響區域為0～0.25m。

2.4隧道縱向與環向應變分析

地裂縫發生位錯時，隧道頂部和底部縱向應變變化見圖8與圖9。

注：負值為位移量變大；正值為位移量變大圖7　隧道底部土體位移變化曲線Fig.7 Displacement curves at the bottom of tunnel

圖8　隧道頂部縱向應變變化曲線Fig.8 Longitudinal strain curves of tunnel top

注：受變為正值；受壓力負值圖9　隧道頂部縱向應變變化曲線Fig.9 Longitudinal strain curves of tunnel bottom

由圖8與圖9可以看出，當地裂縫的位錯量小于15mm時，上盤隧道發生向下的彎曲變形，下盤隧道發生向上的彎曲變形，處于上盤的隧道頂部受壓而底部受拉，處于下盤的隧道頂部受拉而底部受壓。當地裂縫的位錯量達到20mm后，隧道底部脫空變大，上盤一端發生向下的彎曲，表現為隧道模型向上拱起，處于上盤的隧道頂部轉變為整體受拉狀態。

圖10和圖11分別為上盤距地裂縫35cm和下盤距地裂縫25cm處襯砌環向應變的變化曲線。

注：此環在地裂縫上盤，距離地裂縫35 cm,受拉為正值，受壓為負值圖10　地裂縫上盤環向應變曲線Fig.10 Hoop strain curves of upper plate in ground fissures

注：此環在地裂縫上盤，距離地裂縫25 cm,受拉為正值，受壓為負值圖11　地裂縫下盤環向應變曲線Fig.11 Hoop strain curves of lower plate in ground fissures

由圖10和圖11可以看出，地裂縫的上盤隧道環向應變表現為左拱腰受壓而其余部位受拉，且左拱腰的應力遠大于隧道的其他部位。主要原因在于隧道結構與地裂縫呈60°角斜交，處于上盤的隧道沿縱向發生向下彎曲變形的同時發生向左的扭轉變形。而處于地裂縫下盤的隧道環向應變主要表現為受壓，原因在于土層限制了處于下盤的隧道結構發生位移和變形。同時，試驗數據表明，上盤隧道襯砌結構環向受力大于下盤，上盤結構環向應力集中在左、右拱腰，下盤結構環向應力集中在拱頂和拱底，因此，在上盤左、右拱腰和下盤拱頂、拱底易出現破壞。

3　結語

1)隨著地裂縫位錯量的增加，隧道結構上部上盤壓力增大，下盤壓力減小的趨勢；隧道結構下部上盤壓力減小至0，而下盤壓力持續增加。

2)地裂縫活動對上盤地表變形的影響大于對下盤地表變形的影響。處于地裂縫下盤的隧道結構頂部受拉而底部受壓；處于地裂縫上盤的隧道結構頂部先受壓后受拉，而底部整體受拉。

3)上盤隧道襯砌結構環向受力大于下盤，上盤隧道環向應變為左拱腰受壓而其余部位受拉，下盤的隧道環向應變表現為受壓。上盤環向應力集中在左、右拱腰，下盤環向應力集中在拱頂和拱底，在上盤左、右拱腰和下盤拱頂、拱底易出現破壞。

4)通過對穿越地裂縫帶地鐵隧道結構的受力模式及破壞特征研究揭示了地裂縫位錯作用下隧道的變形破壞規律，為地裂縫帶或斷層帶分別區域隧道、管道的設計施工及運營過程中的安全監測和災害防治提供了技術依據。

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Research on physical model experiment of metro tunnel obliquely crossing ground fissure

PANG Xuqing1, 2，YAN Jingping3, 4

(1.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture，Xi’anUniversityofTechnology，Xi’an710048，China；2.ShaanxiRailwayInstitute，Weinan，shanxi714000，China；3.SchoolofGeologyEngineeringandGeomatics,Chang’anUniversity,Xi’an710054,China;4.SafetySupervisionstationofUrumqiBURCC,Urumqi830004,China)

Xi’anislocatedinFennutrient-ladenbasinwhichisthemostpowerfuldomesticgroundfissuredevelopment,groundfissurehasbeenakindoftypicalgeologicaldisastersinXi’anmetroconstructionandoperation.Inthispaper,contactpressureoftunnelstructureandtunnelstructurestrain,upperstratadeformationandthetunnellowerpavementwasstudiedbythescaleof1:20u-shapedliningstructuremodelwhenMetrotunnelandthegroundfissures60 °oblique,etc.Thetestresultsindicatethatuppertunnelstructurestressshowstheupperplatepressureincreaseandlowerplatepressuredecreaseswiththeincrementsofgroundfracturedislocation.Groundfissureactivitiesaffectonthesurfacedeformationtoupperplateisgreaterthanthelowerplate.Atthebeginningofthesedimentationonthetunnelbottomofupperplatebegantoappearempty,thetunneloflowerplatenearthegroundfissuresoiluplift;Theuppertunnelstructureoflowerplatebearpullingforcebutthelowerpartoftunnelstructurebearpressure,Theuppertunnelstructureofupperplatebearpressurebeforeintensionbutthelowerpartoftunnelstructurebearpullingforce.

metrotunnel;groundfissure;obliquecrossing;physicalmodelexperiment

2015-09-26

國家自然科學基金資助項目(40772183)；陜西省渭南市科研發展計劃資助項目(2015KYJ-3-2)；陜鐵院科研基金資助項目(2012-16)

龐旭卿(1976-)，男，陜西華陰人，副教授，博士研究生，從事巖土工程與地質災害防治方面的教學與研究；E-mail：pangxuqing@126.com

TU91

A

1672-7029(2016)07-1359-06