某市地裂縫與地鐵工程

某市地裂縫與地鐵工程長安大學(xué)二○○七年九月

某市分布有14條地裂縫，成為聞名世界的特殊城市地質(zhì)災(zāi)害，對建筑物、道路、管線的破壞性極大，地面建筑物一般采用避讓法防治，而即將修建的某地鐵2＃線將穿過11條地裂縫和兩條次裂縫，無法采取避讓措施。1.前言這些地裂縫對地鐵隧道可能產(chǎn)生什么危害?采取什么樣的結(jié)構(gòu)措施才能防治這種工程病害？這是迄今為止國內(nèi)外地鐵建設(shè)中還沒遇到過的問題。

面臨這一世界性難題，我們在中國地調(diào)局支持下，開展了地裂縫對地鐵工程危害的大型物理模型實驗，以及地裂縫活動環(huán)境下地鐵工程的變形破壞模式及防治對策的研究工作，為某地鐵工程設(shè)計提供了一系列重要參數(shù)及方案，達(dá)到了國土資源大調(diào)查項目為國家工程經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)的目的。世界性難題某市地鐵二號線與地裂縫位置分布圖錯斷Q4底界S0(1.2萬年)

0.2m(埋深1.5m左右)錯斷Q3底界S1(12.8萬年)

2.5m(埋深13m左右)錯斷Q2底界S8(73萬年)

35m(埋深約75m左右)某市地質(zhì)剖面簡圖

14條地裂裂縫總體走走向均為北北東60——80o，，傾向南東東，傾角約約為80oo。平面形形態(tài)呈不等等間距近似似平行排列列。每條地地裂縫的延延伸長度可可達(dá)數(shù)公里里至數(shù)十公公里。地裂縫都發(fā)發(fā)育在特定定的構(gòu)造地地貌部位，，即梁崗的的南側(cè)陡坡坡上，梁間間洼地的北北側(cè)邊緣2.1地地裂縫的基基本特征2.某市地地裂縫的基基本特征及及工程危害害。地裂縫大多多由主地裂裂縫和分支支裂縫組成成，少數(shù)地地裂縫則由由主地裂縫縫、次生地地裂縫和分分支裂縫組組成，平面面上分支結(jié)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜雜。F6地裂縫平面面展布圖地裂縫分枝枝破裂形態(tài)態(tài)F11地裂縫探槽槽展示圖地裂縫的活活動方式為為蠕動，主主要表現(xiàn)為為主地裂縫縫的南側(cè)（（上盤）下下降，北側(cè)側(cè)（下盤））相對上升升。次生地地裂縫則表表現(xiàn)為北側(cè)側(cè)（上盤））下降，南南側(cè)（下盤盤）相對上上升。地裂縫的垂垂直位移具具有單向累累積的特性性，隱伏地地裂縫的斷斷距隨深度度的增大而而增大。地裂縫在剖剖面上的形形態(tài)一般為為上寬下窄窄的楔形，，主干地裂裂縫與次級級地裂縫在在剖面上的的組合形式式大致概化化為階梯狀狀、“y””字型和追追蹤式地裂縫剖面面形態(tài)汽車學(xué)院基基坑西壁F7地裂縫汽車學(xué)院基基坑?xùn)|壁F7地裂縫建筑物受損損和破壞2.2地地裂縫的工工程災(zāi)害特特征道路受損橋梁受損橋梁錯開橋面開裂道路損壞農(nóng)田毀壞車間遭到破破壞地下管道破破壞地裂縫錯斷斷翠華路供供水管道造造成突水渭河電廠南南部渭河斷斷裂帶次級級破裂黃渠頭起土土場黃土中中的活動斷斷裂研究表明，，某地裂縫縫是在隱伏伏于黃土層層中的構(gòu)造造破裂面基基礎(chǔ)上形成成的，現(xiàn)今今超?；顒觿又饕且蛞虺傻叵孪滤鹌稹?.3某某地裂縫成成因分析3.地裂縫縫對地鐵隧隧道危害的的基本模式式某市地裂縫的水平平位移量很小，某某市地鐵工程可以以不考慮地裂縫水平活動的的影響;某市地裂縫的垂直直活動產(chǎn)生的垂直直位移具有隨時間間單向累積的特征，它對地地表和地下的建（（構(gòu)）筑物產(chǎn)生的的破壞相當(dāng)于緩慢的地基失失效;地裂縫對地鐵的影影響可以等效于地地鐵在靜力作用下下的變形，靜力荷載大小相當(dāng)當(dāng)于地裂縫下降盤盤地鐵重量和上覆覆土體重量之和;地鐵設(shè)計時還應(yīng)當(dāng)當(dāng)考慮外部荷載的的疊加，外部荷載載包括地面交通荷載、地鐵鐵列車荷載以及地地面施工荷載、地地震荷載等。地裂縫破壞人防、、窯洞西北工業(yè)大學(xué)人防防地道裂縫沿北東東向延延伸，縫寬0.1-1cm，垂直直錯開明顯臥磚坡道開裂，縫縫寬3.5cm，，垂直錯距2.5cm，顯示垂直直張扭性特征地道西出口處的拱拱墻開裂窯洞開裂合理確定百年內(nèi)垂垂直位移量合理確定地裂縫地地段設(shè)防長度隧道整體與分段式式物理模擬試驗4.地裂縫活動引引起地鐵隧道變形形破壞的防治對策策地鐵二號線與地裂裂縫交匯點處地鐵鐵設(shè)計用地裂縫最最大垂直位移量

編號位移量（預(yù)估極限值）278141500500500462275223500500根據(jù)某地裂縫長期期觀測資料的分析析研究，確定在地地鐵百年壽期內(nèi)，，地裂縫最大垂直直位移量可按下表表進(jìn)行設(shè)計取值。。建議每一條地裂裂縫地段均按500mm設(shè)計垂直直位移量。4.1合理確定定百年內(nèi)設(shè)計垂直直位移量短水準(zhǔn)剖面測量結(jié)結(jié)果表明，在地裂裂縫的兩側(cè)有一定定寬度的變形帶，，該變形帶是由地地裂縫帶活動造成成土體破裂而產(chǎn)生生的，該變形帶稱稱為地裂縫的影響響寬度。地裂縫影響寬度短短水準(zhǔn)測量結(jié)果圖圖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4.2地裂縫地地段設(shè)防長度地鐵二號線與地裂裂縫交匯點處的影影響帶寬度

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據(jù)此確定地鐵二號號線與地裂縫交匯匯點處的影響帶寬寬度根據(jù)某地裂縫場地地勘察與工程設(shè)計計規(guī)程（DBJ61-62006）及數(shù)值計算結(jié)結(jié)果，取地裂縫地地段設(shè)防長度為64m。采用比例尺1:5的整體式閉合框框架結(jié)構(gòu)模型，研研究某典型地層埋埋深20.0m范范圍地裂縫活動對對整體式閉合框架架結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律律，包括土與結(jié)構(gòu)構(gòu)接觸壓力、結(jié)構(gòu)構(gòu)附近土體內(nèi)應(yīng)力力和變形情況。確定閉合框架結(jié)構(gòu)構(gòu)的受力模式，為為地鐵穿過地裂縫縫地段的結(jié)構(gòu)措施施提供科學(xué)依據(jù)。。大型單層閉合框架架隧道結(jié)構(gòu)的模型型試驗4.3地裂縫對對地鐵隧道危害的的大型物理模擬試試驗?zāi)Ｐ驮囼炑b置與原原理試驗平臺：該模型試驗在長長安大學(xué)大型地基基沉降模擬試驗平平臺上進(jìn)行。該試試驗平臺的試驗有有效面積320m2（16m×20m），最大沉降量量30cm。試驗驗系統(tǒng)共有三個子子系統(tǒng)組成，依次次為：①升降系統(tǒng)統(tǒng)，由138個變變速螺旋式電機(jī)和和量程為100t的千斤頂組成；；②支撐系統(tǒng)，包包括自鎖式支座（（含節(jié)點、托盤））以及230塊三三角形活動面板；；用于銜接千斤頂頂與面板以及模擬擬地基沉降；③控控制系統(tǒng)，由工控控機(jī)和若干傳感器器（位移傳感器））組成。試驗平臺系統(tǒng)控制系統(tǒng)試驗平臺全貌模型立體示意圖試驗?zāi)Ｐ偷貙悠拭婷鎴D結(jié)構(gòu)模型試驗試驗原理：為模擬具有正斷層層性質(zhì)的地裂縫兩兩側(cè)土體活動引起起地鐵整體式閉合合框架結(jié)構(gòu)受力變變形機(jī)制，本次試試驗?zāi)Ｐ鸵欢丝缭囋囼炂脚_，一端跨跨原始地面，人為為控制試驗平臺的的整體下降，以考考察整體式閉合框框架結(jié)構(gòu)的受力變變形直至破壞情況況以及土體中裂縫縫的破裂擴(kuò)展情況況。模型試驗設(shè)計相似關(guān)系：以幾何相似比CL＝1和重度相似比比Cr＝1為基本相似比比，根據(jù)相似理論論推得各物理力學(xué)學(xué)參數(shù)原型值與模模型值的相似比如如下：泊松比、應(yīng)應(yīng)變和摩擦角相似似比Cμ＝Cξ＝Cφ＝1，強(qiáng)度、應(yīng)力力、粘聚力和彈性性模量相似比為CR＝Cσ＝Cc＝CE＝1。圍巖的模擬：模型土取某地區(qū)黃黃土，與原型土基基本相同，可以較較好地滿足結(jié)構(gòu)模模型試驗中模型土土與原型土各物理理力學(xué)指標(biāo)相似關(guān)關(guān)系。整體式閉合框架結(jié)結(jié)構(gòu)的模擬：根據(jù)幾何相似系數(shù)數(shù)＝5，閉合框架架結(jié)構(gòu)模型尺寸為為：10.0××1.210×1.302m（長長×寬×高），壁壁厚0.12m。。結(jié)構(gòu)模型材料采采用鋼筋混凝土。。混凝土配合比為為：水泥：水：粗粗砂：卵石=1：：0.4：1.4：2.6。。分段結(jié)構(gòu)的連接處處用5cm厚的高高彈橡膠和環(huán)氧樹樹脂連接，在接頭頭內(nèi)側(cè)用鋼條和膨膨脹螺栓將止水帶帶矩形閉合框架結(jié)構(gòu)構(gòu)模型測點布設(shè)和量測儀儀器1）沉降位移計的的布設(shè)沉降杯及埋設(shè)2）土壓力盒的埋埋設(shè)3）應(yīng)變片的布設(shè)設(shè)應(yīng)變片量測系統(tǒng)鋼筋上布設(shè)應(yīng)變片片整體閉合式框架結(jié)結(jié)構(gòu)結(jié)果及分析1）土體沉降變化化規(guī)律-2.0-1.00.01.02.03.04.05.00.05.010.015.020.025.0位錯量20cm位錯量24cm下盤裂縫上盤沿地鐵結(jié)構(gòu)縱向，，地裂縫的變形模模式基本與以往水水準(zhǔn)測量結(jié)果一致致。開挖后土體縱斷面面圖（鏡像南）-5-4-3-2-1012345-30000-25000-20000-15000-10000-5000050001000015000初始值沉降4cm沉降10cm沉降16cm沉降24cm沉降20cm結(jié)構(gòu)南側(cè)ZS2測線縱向應(yīng)變曲線線-5-4-3-2-1012345-30000-25000-20000-15000-10000-50000500010000結(jié)構(gòu)南側(cè)ZN3測線縱向應(yīng)變曲線線2）結(jié)構(gòu)受力變化化規(guī)律-5-4-3-2-101234-30000-25000-20000-15000-10000-500005000初始值裂縫上盤下盤L(m)沉降2cm沉降6cm沉降12cm沉降18cm沉降24cm結(jié)構(gòu)頂部ZS1測測線應(yīng)變曲線-5-4-3-2-1012345-20000-15000-10000-50000500010000初始值沉降2cm沉降8cm沉降14cm沉降20cm沉降22cm結(jié)構(gòu)底部ZDS測測線縱向應(yīng)變曲線線3）變形破壞模式式結(jié)構(gòu)變形破壞圖結(jié)結(jié)構(gòu)內(nèi)內(nèi)部側(cè)壁裂縫圖結(jié)構(gòu)頂部裂縫圖結(jié)構(gòu)南側(cè)壁裂縫圖結(jié)構(gòu)北側(cè)壁裂縫圖分段式閉合框架結(jié)結(jié)構(gòu)結(jié)果及分析0.000.801.602.403.204.004.802.002.503.003.504.004.505.005.506.00L(m)△ε(×10)-3初始值2cm6cm10cm14cm16cm18cm20cm0.000.801.602.403.204.004.805.602.003.004.005.006.007.00-3L(m)初始值2cm6cm10cm14cm16cm18cm20cm△ε(×10)地裂縫下盤結(jié)構(gòu)側(cè)壁測線縱向應(yīng)變曲線線地裂縫下盤結(jié)構(gòu)底板測線縱向應(yīng)變曲曲線0.801.602.403.204.004.801.002.003.004.005.006.00-3L(m)初始值2cm8cm12cm18cm24cm△ε(×10)地裂縫上盤結(jié)構(gòu)構(gòu)頂部測線縱向應(yīng)變曲曲線0.000.801.602.403.204.001.002.003.004.00-3L(m)初始值6cm10cm16cm18cm20cm22cm24cm△ε(×10)地裂縫上盤結(jié)構(gòu)構(gòu)底板測線縱向應(yīng)變曲曲線分段設(shè)縫的隧道道結(jié)構(gòu)的變形主主要局限在變形形縫上，上盤隧隧道沿縫下降18cm，橡膠膠止水帶被扭曲曲剪破；上盤隧隧道中的軌道懸懸空15cm，，隧道其他地方方未見破壞；下下盤隧道反翹脫脫離底部土體5-8cm。模擬結(jié)果表明分段式結(jié)構(gòu)之間間的相對位移(鏡向:北)－－－結(jié)構(gòu)完好好無損分段式結(jié)構(gòu)接頭頭處止水帶的固固定與撕裂狀況況軌道調(diào)整的模擬擬PVC管（L=4m,D=100mm）應(yīng)變片應(yīng)變片連接監(jiān)測線路跨地裂縫埋設(shè)的的PVC管道斷斷裂情況及素描描圖整體式馬蹄形隧隧道模型分段式馬蹄形隧隧道模型澆注跨地裂縫地段馬馬蹄形隧道結(jié)構(gòu)構(gòu)的破壞性試驗驗正在實施的盾構(gòu)構(gòu)隧道模型實驗驗盾構(gòu)法圓形隧道道的三維模型及及橫斷面圖地裂縫的活動在在土體中產(chǎn)生何何種效應(yīng)、土體體的下沉?xí)λ硭淼澜Y(jié)構(gòu)造成何何種影響等，是是一個復(fù)雜的土土與結(jié)構(gòu)相互作作用的問題。地鐵有限元仿真真模擬及結(jié)果4.4隧道變變形破壞模式數(shù)數(shù)值分析模型材料計算參參數(shù)隧道襯砌位移云云圖（變形×50）襯砌相對沉降量量曲線隧道襯砌縱向應(yīng)應(yīng)力云圖襯砌縱向應(yīng)力云云圖橫斷面計算模型及模型型尺寸同有限元元計算模型離散元仿真模擬擬及結(jié)果不同錯距時襯砌砌縱斷面壓應(yīng)力力曲線材料參數(shù)不同錯距時襯砌縱斷面的變形曲線不同錯距時襯砌砌縱斷面拉應(yīng)力力曲線結(jié)構(gòu)措施原則跨地裂縫地段地地鐵隧道結(jié)構(gòu)的的受力分析－結(jié)結(jié)構(gòu)荷載法擴(kuò)大截面的淺埋埋暗挖法馬蹄形形隧道分段結(jié)構(gòu)構(gòu)數(shù)值分析淺埋暗挖法馬蹄蹄形襯砌結(jié)構(gòu)的的接頭方案4.4地鐵區(qū)區(qū)間隧道穿過地地裂縫的結(jié)構(gòu)措措施研究結(jié)構(gòu)措施的基本本原則是“分段段處理、柔性接接頭、預(yù)留凈空、局部加強(qiáng)、、先結(jié)構(gòu)后防水水”。地裂縫的活動是是不可抗拒的，，因此，區(qū)間隧隧道穿越地裂縫宜采取分段段處理，地裂縫主變形區(qū)區(qū)為10m，是主要的設(shè)防區(qū)，建議議按10m進(jìn)行隧道分段,微變形區(qū)雖然存存在地裂縫沉降變變形的影響，但但其垂直形變僅僅占總變形量的10%-20%,微變形段按10-15m進(jìn)行分段。每段隧道結(jié)構(gòu)接接頭應(yīng)采用柔性性接頭，同時局局部擴(kuò)大隧道斷面預(yù)留凈空空，局部加強(qiáng)確確保襯砌結(jié)構(gòu)強(qiáng)強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)措施原則馬蹄形襯砌斷面面圖地鐵二號線經(jīng)過過地裂縫地段隧隧道結(jié)構(gòu)主要采采用淺埋暗挖法法施工的擴(kuò)大馬馬蹄形襯砌斷面面?？绲亓芽p地段地地鐵隧道結(jié)構(gòu)的的受力分析－結(jié)結(jié)構(gòu)荷載法地裂縫地段地鐵鐵隧道結(jié)構(gòu)沿縱縱向分段示意圖圖隧道結(jié)構(gòu)在地裂裂縫地段采取分分段處理，在主主地裂縫上盤取取長度10m的的2段，下盤在在地裂縫附近取取10米長一段段，其余每段長長15m。跨地裂縫地段地地鐵隧道結(jié)構(gòu)的的受力分析－結(jié)結(jié)構(gòu)荷載法半無限空間的彈彈性地基梁模型型懸臂梁模型兩端支撐中間脫脫空的地基梁模模型兩端支撐中間未未完全脫空的地地基梁模型跨地裂縫地段地地鐵隧道結(jié)構(gòu)受受力分析－結(jié)構(gòu)構(gòu)荷載法根據(jù)地裂縫的活活動情況、地裂裂縫與地鐵隧道道的相互作用，，本次計算大致致分為如下四種種分析計算模型型：計算結(jié)果分析當(dāng)?shù)罔F隧道通過過變形很小的地地裂縫地段時地地鐵設(shè)計宜采用用長度L=10.0m的隧道結(jié)構(gòu)。當(dāng)?shù)罔F隧道穿過過活動強(qiáng)烈的地地裂縫地段時，，一旦在地裂縫縫上盤主變形區(qū)區(qū)隧道結(jié)構(gòu)完全全脫空，不管隧隧道結(jié)構(gòu)采取分分段處理的何種種長度形式都不不會對結(jié)構(gòu)內(nèi)力力有所改善。當(dāng)?shù)罔F隧道穿過過活動強(qiáng)烈的地地裂縫地段時，，隨著脫空區(qū)的的增大，隧道結(jié)結(jié)構(gòu)內(nèi)力明顯增增大。因此，應(yīng)應(yīng)加強(qiáng)地裂縫強(qiáng)強(qiáng)烈活動地段的的地鐵隧道底部部脫空區(qū)的監(jiān)測測，同時在地鐵鐵設(shè)計時隧道結(jié)結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)預(yù)留留注漿孔，以便便出現(xiàn)脫空時即即可注漿加固處處理，防止脫空空區(qū)的進(jìn)一步擴(kuò)擴(kuò)大導(dǎo)致隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的損壞。跨地裂縫地段地地鐵隧道結(jié)構(gòu)受受力分析－結(jié)構(gòu)構(gòu)荷載法通過對地鐵隧道道結(jié)構(gòu)長L=10.0m和L=15.0m兩種情況三種種模型的計算，，可以得出如下下結(jié)論：擴(kuò)大截面的淺埋埋暗挖法馬蹄形形隧道分段結(jié)構(gòu)構(gòu)數(shù)值分析將變形縫直接設(shè)設(shè)在地裂縫帶的的正上方將中間段跨地裂裂縫設(shè)置計算模型在地裂縫范圍將將隧道襯砌分段段，考慮變形縫縫設(shè)置的位置不不同，可有兩種種方案：變形縫跨地裂縫縫的縱斷面圖變形縫對應(yīng)地裂裂縫的縱斷面圖圖結(jié)果分析襯砌豎向位移云云圖（上為二襯襯）襯砌變形（放大大30倍）擴(kuò)大截面的淺埋埋暗挖法馬蹄形形隧道分段結(jié)構(gòu)構(gòu)數(shù)值分析變形縫設(shè)在地裂裂縫帶的正上方方（即對縫設(shè)））中間襯砌段跨地地裂縫設(shè)置（即即騎縫設(shè)）襯砌豎向位移云云圖（上為二襯襯）襯砌變形圖（放放大30倍，左左為上盤）變形縫設(shè)在地裂裂縫帶的正上方方（對縫設(shè)）時時，分段襯砌在地裂縫上上方將產(chǎn)生很大大的垂直錯距和和水平張開，需采取措施施調(diào)整軌道及加加強(qiáng)防水處理。。考慮到地鐵隧道道的結(jié)構(gòu)安全性性，建議將變形形縫設(shè)置在地裂縫正上方方，可保證