某市交通二號線穿越地裂縫帶的結(jié)構(gòu)措施初步設(shè)計階段研究報告PPT

1、某市軌道交通二號線穿越地裂縫帶的結(jié)構(gòu)措施專題研究初步設(shè)計階段研究報告匯報提綱 前 言 某地裂縫的基本特征、分布規(guī)律及成因分析 地裂縫活動參數(shù)的確定 地裂縫作用可能引起的地鐵隧道變形破壞模式 地鐵二號線區(qū)間隧道穿過地裂縫的結(jié)構(gòu)措施 地鐵二號線區(qū)間隧道穿過地裂縫的防水措施正在進(jìn)行及下一階段的工作 結(jié)論及建議 前 言任務(wù)來源工程概況項目研究的必要性、目的和意義某市地鐵二號線與地裂縫位置分布圖任務(wù)來源首建的地鐵二號線穿越了某13條地裂縫中的10條地裂縫，建設(shè)中的難題和關(guān)鍵技術(shù)就是穿越地裂縫的問題。為了作好某地鐵勘察設(shè)計與建設(shè)，開展了某市地鐵二號線沿線地裂縫帶結(jié)構(gòu)措施專題研究工作。還爭取到國家自然科學(xué)基

2、金委員會和中國地質(zhì)調(diào)查局的經(jīng)費支持，專門開展了地裂縫活動環(huán)境下地鐵工程的變形破壞模式與防治措施的大型物理模擬及數(shù)值模擬研究工作工程概況 地鐵二號線北起某北客站，向南經(jīng)北繞城高速、張家堡廣場、經(jīng)北大街、以左右線分線繞鐘樓后進(jìn)入南大街，之后下穿南門城墻及護城河進(jìn)入長安路，過南二環(huán)立交、經(jīng)小寨路、過鳳棲路后出地面，經(jīng)友誼街直至線路終點韋曲站。線路全長26.303km。 通過對地鐵二號線所涉及的地裂縫的活動特點和變形運動方式進(jìn)行系統(tǒng)的研究，在此基礎(chǔ)上，研究地裂縫對地鐵工程可能引起的工程災(zāi)害問題，最終提出地鐵區(qū)間隧道通過地裂縫帶的結(jié)構(gòu)措施及防水措施，為地鐵設(shè)計、施工及安全運營提供科學(xué)的理論指導(dǎo)和設(shè)計依據(jù)

3、。項目研究的必要性、目的和意義 主地裂縫總體走向北東6080，近似平行于臨潼長安斷裂；傾向南東，與臨潼長安斷裂傾向相反；傾角約為80。平面形態(tài)呈不等間距近似平行排列。次生裂縫分布在主裂縫的南側(cè)，總體傾向北西。每條地裂縫的延伸長度可達(dá)數(shù)公里至數(shù)十公里。 某地裂縫走向玫瑰圖 某地裂縫具有以下基本特征某地裂縫與地貌構(gòu)造關(guān)系圖地裂縫都發(fā)育在特定的構(gòu)造地貌部位（現(xiàn)在可見的和地質(zhì)年代存在過的構(gòu)造地貌）即梁崗的南側(cè)陡坡上，梁間洼地的北側(cè)邊緣。 地裂縫的活動方式是蠕動，主要表現(xiàn)為主地裂縫的南側(cè)（上盤）下降，北側(cè)（下盤）相對上升。次生地裂縫則表現(xiàn)為北側(cè)（上盤）下降，南側(cè)（下盤）相對上升。地裂縫的垂直位移具有單向

4、累積的特性，隱伏地裂縫的斷距隨深度的增大而增大。地裂縫大多是由主地裂縫和分支裂縫組成的。少數(shù)地裂縫則由主地裂縫、次生地裂縫和分支裂縫組成。 地裂縫平面圖 某地裂縫在剖面上的形態(tài)一般為上寬下窄的楔形，主干地裂縫與次級地裂縫在剖面上的組合形式大致概化為以下三種：階梯狀、“y”字型和追蹤式地裂縫剖面形態(tài)某地裂縫成因分析 研究表明，某地裂縫是在隱伏于黃土層中的構(gòu)造破裂面基礎(chǔ)上形成的，現(xiàn)今超常活動主要是因超采地下水所引起。地裂縫活動參數(shù)的確定設(shè)計垂直位移量地裂縫地段設(shè)防長度沿隧道縱向地裂縫變形規(guī)律設(shè)防段分區(qū)設(shè)計垂直位移量 根據(jù)某地裂縫長期觀測資料的分析研究，確定在地鐵百年壽期內(nèi)，地裂縫最大垂直位移量可按

5、下表進(jìn)行設(shè)計取值。建議每一條地裂縫地段均按500mm設(shè)計垂直位移量。地鐵二號線與地裂縫交匯點處地鐵設(shè)計用地裂縫最大垂直位移量 編 號位移量（預(yù)估極限值）278141500500500462275223500500 短水準(zhǔn)剖面測量結(jié)果表明，在地裂縫的兩側(cè)有一定寬度的變形帶，該變形帶是由地裂縫帶活動造成土體破裂而產(chǎn)生的，該變形帶稱為地裂縫的影響寬度。地裂縫影響寬度短水準(zhǔn)測量結(jié)果圖 1992年1993年1997年1996年1995年1994年S裂縫設(shè)防帶避讓帶設(shè)防帶地裂縫地段設(shè)防長度地裂縫地段設(shè)防長度據(jù)此確定地鐵二號線與地裂縫交匯點處的影響帶寬度如下表所示根據(jù)某地裂縫場地勘察與工程設(shè)計規(guī)程（DBJ6

6、1-62006）及數(shù)值計算結(jié)果，取地裂縫地段設(shè)防長度為64m。地鐵二號線與地裂縫交匯點處的影像帶寬度 編 號寬度（m）f2f3f5f6f7f8f9f10f11f12地鐵設(shè)防長 度38.852.349.047.0（40.0）47.062.052.0（41.5）39.044.042.0沿隧道縱向地裂縫變形規(guī)律設(shè)防段分區(qū)地裂縫主變形區(qū)為10m，是主要的設(shè)防區(qū)，建議按10m進(jìn)行隧道分段微變形區(qū)雖然存在地裂縫沉降變形的影響，但其垂直形變僅占總變形量的10%20%,微變形段按1015m進(jìn)行分段。地裂縫對地鐵區(qū)間隧道破壞的可能模式地裂縫的活動方式地裂縫活動對地鐵的影響分析地裂縫活動對地鐵隧道破壞的可能模式地

7、裂縫的活動方式某地裂縫活動的實地觀測和定點測量資料反映，地裂縫的活動方式是上盤下降、下盤相對上升，同時還產(chǎn)生近南北向的拉張和微量的扭動。整體上來說，某地裂縫的主要活動方式是垂直錯動，它具有隨時間累積的特征。垂直錯動水平引張水平扭動圖25地裂縫活動對地鐵的影響分析某地裂縫的水平位移量很小，某地鐵工程可以不考慮地裂縫水平活動的影響。某地裂縫的垂直活動產(chǎn)生的垂直位移具有隨時間單向累積的特征，它對地表和地下的建（構(gòu)）筑物產(chǎn)生的破壞相當(dāng)于緩慢的地基失效地裂縫對地鐵的影響可以等效于地鐵在靜力作用下的變形，靜力荷載大小相當(dāng)于地裂縫下降盤地鐵重量和上覆土體重量之和地鐵設(shè)計時還應(yīng)當(dāng)考慮外部荷載的疊加，外部荷載包

8、括地面交通荷載、地鐵列車荷載以及地面施工荷載、地震荷載等。地裂縫活動對地鐵隧道破壞的可能模式1 拉張-擠壓破壞型 地裂縫活動引起窯洞變形破壞跨地裂縫埋設(shè)的PVC管道斷裂情況及素描圖地裂縫活動對地鐵隧道破壞的可能模式地裂縫活動對地鐵隧道破壞的可能模式 2 直接剪斷破壞型 當(dāng)?shù)亓芽p活動量突然變大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了地鐵隧道襯砌的允許變形量時，地裂縫的垂直錯動將導(dǎo)致隧道發(fā)生直接剪斷破壞 地裂縫的錯動作用可能導(dǎo)致隧道襯砌變形破壞，并有可能出現(xiàn)如下幾種隧道病害： 鐵軌路基及軌道變形超出允許值。 地鐵隧道滲漏水 鐵軌路基及軌道變形超出允許值地裂縫帶的活動首先會引起地鐵隧道襯砌的變形，襯砌變形到一定程度后其變形將傳

9、遞到隧道內(nèi)部的鐵軌路基，使路基下沉變形，從而導(dǎo) 致跨地裂縫處的軌道產(chǎn)生變形，因為地鐵軌道的上下允許變形量不能超過幾個毫米，因此這將嚴(yán)重影響列車的正常運行。 地鐵隧道滲漏水當(dāng)?shù)亓芽p的活動量超過了地鐵隧道襯砌的允許變形量時，襯砌可能開裂，地表水沿地裂縫帶從襯砌開裂處下滲，從而在地鐵隧道的拱部、邊墻等裂損處發(fā)生滲漏水和淌水現(xiàn)象。地表水沿地裂縫下滲時，一方面在隧道襯砌周圍大量匯集，極有可能導(dǎo)致隧道襯砌破裂 ；另一方面地表水沿地裂縫帶下滲和流動，沖刷地裂縫側(cè)壁，使地裂縫寬度變大，可導(dǎo)致地鐵隧道底部土層被掏空，襯砌基礎(chǔ)下沉，邊墻開裂或仰拱、整體軌道下沉變形。 地鐵區(qū)間隧道穿過地裂縫的結(jié)構(gòu)措施研究結(jié)構(gòu)措施原

10、則跨地裂縫地段地鐵隧道結(jié)構(gòu)的受力分析結(jié)構(gòu)荷載法 擴大截面的淺埋暗挖法馬蹄形隧道分段結(jié)構(gòu)數(shù)值分析淺埋暗挖法馬蹄形襯砌結(jié)構(gòu)的接頭方案結(jié)構(gòu)措施原則地裂縫的活動是不可抗拒作用，因此區(qū)間隧道穿越地裂縫宜采取分段處理，每段隧道結(jié)構(gòu)接頭應(yīng)采用柔性接頭，同時局部擴大隧道斷面預(yù)留凈空，局部加強確保襯砌結(jié)構(gòu)強度。結(jié)構(gòu)措施的基本原則是“分段處理、柔性接頭、預(yù)留凈空、局部加強、先結(jié)構(gòu)后防水”。跨地裂縫地段地鐵隧道結(jié)構(gòu)的受力分析結(jié)構(gòu)荷載法地鐵二號線經(jīng)過地裂縫地段隧道結(jié)構(gòu)主要采用淺埋暗挖法施工的擴大馬蹄形襯砌斷面 馬蹄形襯砌斷面圖跨地裂縫地段地鐵隧道結(jié)構(gòu)的受力分析結(jié)構(gòu)荷載法隧道結(jié)構(gòu)在地裂縫地段采取分段處理，在主地裂縫上盤

11、取長度10m的2段，下盤在地裂縫附近取10米長一段，其余每段長15m。地裂縫地段地鐵隧道結(jié)構(gòu)沿縱向分段示意圖跨地裂縫地段地鐵隧道結(jié)構(gòu)受力分析結(jié)構(gòu)荷載法 根據(jù)地裂縫的活動情況、地裂縫與地鐵隧道的相互作用，本次計算大致分為如下四種分析計算模型：半無限空間的彈性地基梁模型懸臂梁模型 兩端支撐中間脫空的地基梁模型兩端支撐中間未完全脫空的地基梁模型當(dāng)對地鐵隧道進(jìn)行縱向受力分析時，可將地鐵隧道在縱向上看作為受均布荷載作用半無限空間上的彈性地基梁。根據(jù)設(shè)計要求，取隧道結(jié)構(gòu)長度分別為L=10m和L=15m兩種長度進(jìn)行計算，埋深取h=20m，埋深范圍內(nèi)地層的平均重度取18.5kN/m2當(dāng)隧道通過變形很小或無地裂

12、縫地帶時，根據(jù)彈性地基梁理論，可求得地鐵隧道長度分別為L=10m和L=15m時的內(nèi)力及應(yīng)力。半無限空間的彈性地基梁模型跨地裂縫地段地鐵隧道結(jié)構(gòu)受力分析結(jié)構(gòu)荷載法地鐵隧道縱向內(nèi)力計算結(jié)果地鐵隧道的彈性地基梁模型 當(dāng)?shù)亓芽p錯動時，在隧道底板下部可能會出現(xiàn)局部脫空現(xiàn)象，在計算時考慮其最危險狀態(tài)，將地裂縫一側(cè)簡化為全脫空狀態(tài)，即將隧道沿縱向上看作為一側(cè)全部脫空的懸臂梁結(jié)構(gòu)。地裂縫錯動較大時地鐵隧道懸臂梁模型（L=10m）懸臂梁模型跨地裂縫地段地鐵隧道結(jié)構(gòu)受力分析結(jié)構(gòu)荷載法地裂縫錯動較大時地鐵隧道懸臂梁模型（L=15m）地鐵隧道懸臂梁模型縱向內(nèi)力計算結(jié)果 根據(jù)上述兩種模型，可分別求得隧道結(jié)構(gòu)長度為L=1

13、0m和L=15m的內(nèi)力及應(yīng)力。為使結(jié)構(gòu)在設(shè)計上做到經(jīng)濟合理，當(dāng)隧道底部出現(xiàn)一定范圍的脫空時，即在下部注漿加固處理，避免因脫空范圍過大引起結(jié)構(gòu)破壞。但因其脫空的范圍是一個很難確定的量，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)確定出允許的最大脫空范圍，根據(jù)這一范圍確定結(jié)構(gòu)的承載能力，進(jìn)而確定結(jié)構(gòu)的配筋，當(dāng)?shù)撞棵摽諈^(qū)達(dá)到這一范圍時，就采取加固措施。兩端支承中間脫空的地基梁模型跨地裂縫地段地鐵隧道結(jié)構(gòu)受力分析結(jié)構(gòu)荷載法局部脫空時的隧道結(jié)構(gòu)縱向內(nèi)力計算結(jié)果 本次計算時，考慮到極端情況，當(dāng)隧道結(jié)構(gòu)長度分別為L=10m和L=15m時，假設(shè)隧道底部的脫空區(qū)域分別達(dá)到3m和4m的范圍。跨地裂縫地段地鐵隧道結(jié)構(gòu)受力分析結(jié)構(gòu)荷載法兩端支承

14、中間未完全脫空指的是在地裂縫主變形區(qū)地鐵隧道底部周圍土介質(zhì)的接觸有松動，但沒有完全脫空。與上面的兩端支承中間脫空的情況相比較來說，該種情況更為安全，故在設(shè)計時可不考慮。 兩端支承中間未完全脫空的地基梁模型跨地裂縫地段地鐵隧道結(jié)構(gòu)受力分析結(jié)構(gòu)荷載法 通過對地鐵隧道結(jié)構(gòu)長L=10.0m和L=15.0m兩種情況三種模型的計算，可以得出如下結(jié)論：當(dāng)?shù)罔F隧道通過變形很小的地裂縫地段時地鐵設(shè)計宜采用長度L=10.0m的隧道結(jié)構(gòu)。當(dāng)?shù)罔F隧道穿過活動強烈的地裂縫地段時，一旦在地裂縫上盤主變形區(qū)隧道結(jié)構(gòu)完全脫空，不管隧道結(jié)構(gòu)采取分段處理的何種長度形式都不會對結(jié)構(gòu)內(nèi)力有所改善。當(dāng)?shù)罔F隧道穿過活動強烈的地裂縫地段時

15、，隨著脫空區(qū)的增大，隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力明顯增大。因此，應(yīng)加強地裂縫強烈活動地段的地鐵隧道底部脫空區(qū)的監(jiān)測，同時在地鐵設(shè)計時隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)預(yù)留注漿孔，以便出現(xiàn)脫空時即可注漿加固處理，防止脫空區(qū)的進(jìn)一步擴大導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)的損壞。計算結(jié)果分析跨地裂縫地段地鐵隧道結(jié)構(gòu)受力分析結(jié)構(gòu)荷載法計算模型 在地裂縫范圍將隧道襯砌分段，考慮變形縫設(shè)置的位置不同，可有兩種方案：將變形縫直接設(shè)在地裂縫帶的正上方；將中間段跨地裂縫設(shè)置。擴大截面的淺埋暗挖法馬蹄形隧道分段結(jié)構(gòu)數(shù)值分析變形縫對地裂縫設(shè)置縱斷面圖 變形縫跨地裂縫設(shè)置縱斷面圖 變形縫設(shè)在地裂縫帶的正上方（即對縫設(shè)）結(jié)果分析襯砌豎向位移云圖（上為二襯） 襯砌變形（放大30

16、倍）擴大截面的淺埋暗挖法馬蹄形隧道分段結(jié)構(gòu)數(shù)值分析隧道襯砌豎向變形曲線變形縫沉降差及張開距/cm不同錯距時初襯最大縱向應(yīng)力/MPa不同錯距時二襯最大縱向應(yīng)力/MPa不同錯距時外襯最大剪應(yīng)力/MPa 中間襯砌段跨地裂縫設(shè)置（即騎縫設(shè)）襯砌豎向位移云圖（上為二襯） 襯砌變形圖（放大30倍，左為上盤）隧道襯砌豎向變形曲線變形縫沉降差/cm不同錯距時初襯最大縱向應(yīng)力/MPa不同錯距時初襯最大剪應(yīng)力/MPa不同錯距時二襯最大縱向應(yīng)力/MPa綜上分析可見： 變形縫設(shè)在地裂縫帶的正上方（對縫設(shè)）時，分段襯砌在地裂縫上方將產(chǎn)生很大的垂直錯距和水平張開，需采取措施調(diào)整軌道及加強防水處理。 根據(jù)變形要求，認(rèn)為采用

17、騎縫設(shè)較好，將上盤的跨越長度設(shè)為下盤的1.52倍?？紤]到地鐵隧道的結(jié)構(gòu)安全性，建議將變形縫設(shè)置在地裂縫正上方，可保證結(jié)構(gòu)安全可靠，但要求較好的防水措施。淺埋暗挖法馬蹄形襯砌結(jié)構(gòu)的接頭方案對于襯砌結(jié)構(gòu)過地裂縫的處理，一是將地裂縫（帶）影響范圍內(nèi)的管段通過增設(shè)變形縫來減小襯砌結(jié)構(gòu)縱向剛度以適應(yīng)地裂縫的變形；二是通過對接頭端部局部加強襯砌結(jié)構(gòu)強度以承受地裂縫活動引起的次應(yīng)力。推薦使用柔性接頭，柔性接頭的初步做法見下圖。馬蹄形襯砌接頭（變形縫）縱斷面柔性接頭（變形縫）構(gòu)造詳圖 此外，地鐵穿越地裂縫的軌道調(diào)整也是一個十分關(guān)鍵的問題，它包括軌道調(diào)幅高度、調(diào)坡長度或距離以及扣件、道床調(diào)整等諸多問題，而且各條

18、地裂縫處的軌頂標(biāo)高調(diào)整幅度各不相同，設(shè)計時應(yīng)針對各條地裂縫的設(shè)計最大垂直位移量進(jìn)行具體設(shè)計，本報告未對地裂縫錯斷引起的軌道坡度調(diào)整進(jìn)行論述。地鐵區(qū)間隧道穿過地裂縫的防水措施研究防水等級及原則 防水方案與措施小結(jié)地鐵區(qū)間隧道穿過地裂縫的防水措施研究防水等級及原則 某地鐵二號線在大部分地段均埋置在地下水位以下。地裂縫的強導(dǎo)水性及結(jié)構(gòu)可能發(fā)生大變形的特點，使得地鐵通過地裂縫帶的防水壓力較大。 建議某地鐵通過地裂縫段的結(jié)構(gòu)防水設(shè)計原則在遵循地下工程防水技術(shù)規(guī)范（GB 501082001）1.0.3基本原則的基礎(chǔ)上，確定為“以防為主，剛?cè)峤Y(jié)合，多道設(shè)防，可修便修，綜合治理”的原則。管段結(jié)構(gòu)自防水 結(jié)構(gòu)管

19、段自防水主要是處理好以下三點：選材、設(shè)計、施工。變形縫防水 設(shè)計時需要在地裂縫處將結(jié)構(gòu)斷開，設(shè)置變形縫來適應(yīng)地層的變形，采取剛?cè)峤Y(jié)合、多道設(shè)防、防排結(jié)合的手段來防水。將地裂縫段的接縫分為、三種，變形縫的具體設(shè)置見下圖。地鐵區(qū)間隧道穿過地裂縫的防水措施研究防水方案與措施 對種接縫設(shè)置三道止水防線，對、種接縫，防水措施與地裂縫處類似，但GINA止水帶只需一條。地裂縫帶類變形縫防水設(shè)置圖 、類變形縫防水裝置圖 小 結(jié)地鐵隧道和地裂縫相交地段的防水，關(guān)鍵在于支護管段本身的防水和變形縫的防水處理。結(jié)構(gòu)管段防水主要采取的措施是：優(yōu)先采用補償收縮防水混凝土；結(jié)構(gòu)段不設(shè)施工縫，同時適當(dāng)提高結(jié)構(gòu)水平縱向構(gòu)造鋼筋

20、；注意施工質(zhì)量，混凝土澆筑時要振搗密實，加強養(yǎng)護，養(yǎng)護時間不少于14d；對防水層要選好材料和精心施工。按照距離地裂縫的距離，變形縫的防水設(shè)置分三種類型進(jìn)行，變形較大的、類縫均安裝特制的“GINA”橡膠止水帶和“”型橡膠止水帶形成多道止水防線。鑒于地裂縫情況的復(fù)雜性，加之又缺乏大變形情況下防水的經(jīng)驗與工程實例，防水方案和具體細(xì)節(jié)需要做進(jìn)一步的優(yōu)化和驗證。正在進(jìn)行及下一階段的工作跨地裂縫地段馬蹄形隧道結(jié)構(gòu)的破壞性試驗大型單層閉合框架隧道結(jié)構(gòu)的模型試驗下一階段的工作：跨地裂縫地段馬蹄形隧道結(jié)構(gòu)的破壞性試驗?zāi)Ｐ椭谱鳌⒛Ｐ脱b置及測試系統(tǒng)見下面圖所示模型箱正面照 模型箱側(cè)面照 整體式馬蹄形隧道模型 分段式

21、馬蹄形隧道模型澆注 試驗加載系統(tǒng)和測量百分表 應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)采集 大型單層閉合框架隧道結(jié)構(gòu)的模型試驗 通過大比例尺（1：5）的地裂縫與地鐵閉合框架結(jié)構(gòu)模型試驗，研究某地區(qū)地裂縫對地鐵隧道閉合框架結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，確定閉合框架結(jié)構(gòu)的受力模式，為地鐵穿過地裂縫地段的結(jié)構(gòu)措施提供科學(xué)依據(jù)。主要解決以下具體問題：（1）采用比例尺1:5的整體式閉合框架結(jié)構(gòu)模型，研究某典型地層埋深20.0m范圍地裂縫活動對整體式閉合框架結(jié)構(gòu)的影響，包括土與結(jié)構(gòu)接觸壓力、結(jié)構(gòu)附近土體內(nèi)應(yīng)力和變形情況。（2）采用比例尺為1:5的分段單層整體式結(jié)構(gòu)模型（分為兩段，每段長度為5.0m），研究某典型地層埋深20.0m范圍地裂縫活動對設(shè)有沉降縫、有柔性接頭連接的單層閉合框架結(jié)構(gòu)的影響，包括土與結(jié)構(gòu)接觸壓力、結(jié)構(gòu)附近土體內(nèi)應(yīng)力和變形情況。結(jié)構(gòu)模型試驗?zāi)Ｐ土Ⅲw示意圖試驗?zāi)Ｐ偷貙悠拭鎴D模型制作 模型堆填土方 模型堆填土方及埋設(shè)測試設(shè)備 軌道調(diào)整的模擬 繼續(xù)開展物理