西安地裂缝对地铁隧道的危害形式及其结构措施研究PPT

1、西安地裂缝对地铁隧道的危害形式及其结构措施研究 西安市分布有14条地裂缝，成为闻名世界的特殊城市地质灾害，对建筑物、道路、管线的破坏性极大，地面建筑物一般采用避让法防治，而即将修建的西安地铁2线将穿过11条地裂缝和两条次裂缝，无法采取避让措施,在国内外无此先例。为此必须研究地铁区间隧道通过地裂缝带时可能出现的病害及其防治措施。 1.前 言西安市地铁二号线与地裂缝位置分布图错断Q4底界S0(1.2万年) 0.2m (埋深1.5m左右)错断Q3底界S1 (12.8万年) 2.5m(埋深13m左右)错断Q2底界S8 (73万年) 35m(埋深约75m左右)西安市地质剖面简图 14条地裂缝总体走向均为

2、北东6080，倾向南东，倾角约为80。平面形态呈不等间距近似平行排列。次生裂缝分布在主裂缝的南侧，总体倾向北西。每条地裂缝的延伸长度可达数公里至数十公里。 2.1 地裂缝的基本特征2.西安地裂缝的基本特征及工程危害西安地裂缝走向玫瑰图西安地裂缝与地貌构造关系图 地裂缝都发育在特定的构造地貌部位，即梁岗的南侧陡坡上，梁间洼地的北侧边缘。地裂缝平面图 地裂缝大多由主地裂缝和分支裂缝组成，少数地裂缝则由主地裂缝、次生地裂缝和分支裂缝组成，平面上分支结构较复杂。F6地裂缝平面展布图F11地裂缝探槽展示图地裂缝分枝破裂形态 地裂缝的活动方式为蠕动，主要表现为主地裂缝的南侧（上盘）下降，北侧（下盘）相对上

3、升。次生地裂缝则表现为北侧（上盘）下降，南侧（下盘）相对上升。 地裂缝的垂直位移具有单向累积的特性，隐伏地裂缝的断距随深度的增大而增大。 地裂缝在剖面上的形态一般为上宽下窄的楔形，主干地裂缝与次级地裂缝在剖面上的组合形式大致概化为阶梯状、“y”字型和追踪式地裂缝剖面形态路面开裂剖面形态-Y型剖面形态-S型交警总队地裂缝（F11）探槽汽车学院基坑西壁F7地裂缝汽车学院基坑东壁F7地裂缝西安地裂缝的工程危害特点2.2 地裂缝的工程灾害特征建筑物受损和破坏道路受损桥梁受损桥梁错开桥面开裂道路损坏农田毁坏车间遭到破坏地下管道破坏地裂缝错断翠华路供水管道造成突水 研究表明，西安地裂缝是在隐伏于黄土层中的

4、构造破裂面基础上形成的，现今超常活动主要是因超采地下水所引起。2.3 西安地裂缝成因分析3.地裂缝对地铁隧道危害的基本模式 西安地裂缝的水平位移量很小，西安地铁工程可以不考虑 地裂缝水平活动的影响; 西安地裂缝的垂直活动产生的垂直位移具有随时间单向累 积的特征，它对地表和地下的建（构）筑物产生的破坏相 当于缓慢的地基失效; 地裂缝对地铁的影响可以等效于地铁在静力作用下的变形， 静力荷载大小相当于地裂缝下降盘地铁重量和上覆土体重 量之和; 地铁设计时还应当考虑外部荷载的叠加，外部荷载包括地 面交通荷载、地铁列车荷载以及地面施工荷载、地震荷载 等。地裂缝破坏人防、窑洞西北工业大学人防地道裂缝沿北东

5、东向延伸，缝宽0.1-1cm，垂直错开明显卧砖坡道开裂，缝宽3.5cm，垂直错距2.5cm，显示垂直张扭性特征地道西出口处的拱墙开裂窑洞开裂 采用比例尺1:5的整体式闭合框架结构模型，研究西安典型地层埋深20.0m范围地裂缝活动对整体式闭合框架结构的影响规律，包括土与结构接触压力、结构附近土体内应力和变形情况。确定闭合框架结构的受力模式，为地铁穿过地裂缝地段的结构措施提供科学依据。大型单层闭合框架隧道结构的模型试验3.1 地裂缝对地铁隧道危害的大型物理模拟试验模型立体示意图试验模型地层剖面图结构模型试验 模型堆填土方及埋设测试设备模型制作模型堆填土方 轨道调整的模拟PVC管（L=4m,D=10

6、0mm）应变片应变片连接监测线路 跨地裂缝埋设的PVC管道断裂情况及素描图跨地裂缝地段马蹄形隧道结构的破坏性试验模型制作、模型装置及测试系统模型箱侧面照模型箱正面照 整体式马蹄形隧道模型分段式马蹄形隧道模型浇注 应力应变数据采集试验加载系统和测量百分表盾构法圆形隧道的三维模型及横断面图 地裂缝的活动在土体中产生何种效应、土体的下沉会对隧道结构造成何种影响等，是一个复杂的土与结构相互作用的问题。 地铁有限元仿真模拟及结果3.2 隧道变形破坏模式数值分析 模型材料计算参数隧道衬砌位移云图（变形50）衬砌相对沉降量曲线隧道衬砌纵向应力云图衬砌纵向应力云图横断面计算模型及模型尺寸同有限元计算模型 离散

7、元仿真模拟及结果不同错距时衬砌纵断面压应力曲线 材料参数不同错距时衬砌纵断面的变形曲线不同错距时衬砌纵断面拉应力曲线 合理确定百年内垂直位移量 合理确定地裂缝地段设防长度 隧道分段物理模拟试验4.地裂缝活动引起地铁隧道变形破坏的防治对策地铁二号线与地裂缝交汇点处地铁设计用地裂缝最大垂直位移量 编 号位移量（预估极限值）278141500500500462275223500500 根据西安地裂缝长期观测资料的分析研究，确定在地铁百年寿期内，地裂缝最大垂直位移量可按下表进行设计取值。建议每一条地裂缝地段均按500mm设计垂直位移量。4.1 合理确定百年内设计垂直位移量 短水准剖面测量结果表明，在地

8、裂缝的两侧有一定宽度的变形带，该变形带是由地裂缝带活动造成土体破裂而产生的，该变形带称为地裂缝的影响宽度。地裂缝影响宽度短水准测量结果图 1992年1993年1997年1996年1995年1994年S裂缝设防带避让带设防带4.2 地裂缝地段设防长度地铁二号线与地裂缝交汇点处的影响带宽度 编 号宽度（m）f2f3f5f6f7f8f9f10f11f12地铁设防长 度38.852.349.047.0（40.0）47.062.052.0（41.5）39.044.042.0地裂缝地段设防长度据此确定地铁二号线与地裂缝交汇点处的影响带宽度 根据西安地裂缝场地勘察与工程设计规程（DBJ61-62006）及数

9、值计算结果，取地裂缝地段设防长度为64m。 采用比例尺为1:5的分段单层整体式结构模型（分为两段，每段长度为5.0m），研究西安典型地层埋深20.0m范围地裂缝活动对设有沉降缝、有柔性接头连接的单层闭合框架结构的影响，包括土与结构接触压力、结构附近土体内应力和变形情况。4.3 隧道分段物理模拟试验 分段设缝的隧道结构的变形主要局限在变形缝上，上盘隧道沿缝下降18cm，橡胶止水带被扭曲剪破；上盘隧道中的轨道悬空15cm，隧道其他地方未见破坏；下盘隧道反翘脱离底部土体5-8cm。模拟结果表明 结构措施原则 跨地裂缝地段地铁隧道结构的受力分析结构荷载法 扩大截面的浅埋暗挖法马蹄形隧道分段结构数值分析

10、 浅埋暗挖法马蹄形衬砌结构的接头方案4.4 地铁区间隧道穿过地裂缝的结构措施研究 结构措施的基本原则是“分段处理、柔性接头、预留净 空、局部加强、先结构后防水”。 地裂缝的活动是不可抗拒的，因此，区间隧道穿越地 裂缝宜采取分段处理，地裂缝主变形区为10m，是主要 的设防区，建议按10m进行隧道分段,微变形区虽然存 在地裂缝沉降变形的影响，但其垂直形变仅占总变形 量的10%-20%,微变形段按10-15m进行分段。 每段隧道结构接头应采用柔性接头，同时局部扩大隧 道断面预留净空，局部加强确保衬砌结构强度。结构措施原则马蹄形衬砌断面图 地铁二号线经过地裂缝地段隧道结构主要采用浅埋暗挖法施工的扩大马

11、蹄形衬砌断面。 跨地裂缝地段地铁隧道结构的受力分析结构荷载法地裂缝地段地铁隧道结构沿纵向分段示意图 隧道结构在地裂缝地段采取分段处理，在主地裂缝上盘取长度10m的2段，下盘在地裂缝附近取10米长一段，其余每段长15m。跨地裂缝地段地铁隧道结构的受力分析结构荷载法 半无限空间的弹性地基梁模型 悬臂梁模型 两端支撑中间脱空的地基梁模型 两端支撑中间未完全脱空的地基梁模型跨地裂缝地段地铁隧道结构受力分析结构荷载法 根据地裂缝的活动情况、地裂缝与地铁隧道的相互作用，本次计算大致分为如下四种分析计算模型：半无限空间的弹性地基梁模型 当对地铁隧道进行纵向受力分析时，可将地铁隧道在纵向上看作为受均布荷载作用

12、半无限空间上的弹性地基梁。根据设计要求，取隧道结构长度分别为L=10m和L=15m两种长度进行计算，埋深取h=20m，埋深范围内地层的平均重度取18.5kN/m2 当隧道通过变形很小或无地裂缝地带时，根据弹性地基梁理论，可求得地铁隧道长度分别为L=10m和L=15m时的内力及应力。跨地裂缝地段地铁隧道结构受力分析结构荷载法地铁隧道纵向内力计算结果地铁隧道的弹性地基梁模型地裂缝错动较大时地铁隧道悬臂梁模型（L=10m）悬臂梁模型 当地裂缝错动时，在隧道底板下部可能会出现局部脱空现象，在计算时考虑其最危险状态，将地裂缝一侧简化为全脱空状态，即将隧道沿纵向上看作为一侧全部脱空的悬臂梁结构。跨地裂缝地

13、段地铁隧道结构受力分析结构荷载法地裂缝错动较大时地铁隧道悬臂梁模型（L=15m）地铁隧道悬臂梁模型纵向内力计算结果 根据上述两种模型，可分别求得隧道结构长度为L=10m和L=15m的内力及应力。两端支承中间脱空的地基梁模型 为使结构在设计上做到经济合理，当隧道底部出现一定范围的脱空时，即在下部注浆加固处理，避免因脱空范围过大引起结构破坏。 但因其脱空的范围是一个很难确定的量，在结构设计时，应确定出允许的最大脱空范围，根据这一范围确定结构的承载能力，进而确定结构的配筋，当底部脱空区达到这一范围时，就采取加固措施。跨地裂缝地段地铁隧道结构受力分析结构荷载法局部脱空时的隧道结构纵向内力计算结果 本次

14、计算时，考虑到极端情况，当隧道结构长度分别为L=10m和L=15m时，假设隧道底部的脱空区域分别达到3m和4m的范围。跨地裂缝地段地铁隧道结构受力分析结构荷载法两端支承中间未完全脱空的地基梁模型 两端支承中间未完全脱空指的是在地裂缝主变形区地铁隧道底部周围土介质的接触有松动，但没有完全脱空。与上面的两端支承中间脱空的情况相比较来说，该种情况更为安全，故在设计时可不考虑。跨地裂缝地段地铁隧道结构受力分析结构荷载法计算结果分析 当地铁隧道通过变形很小的地裂缝地段时地铁设计宜采用长度L=10.0m的隧道结构。 当地铁隧道穿过活动强烈的地裂缝地段时，一旦在地裂缝上盘主变形区隧道结构完全脱空，不管隧道结

15、构采取分段处理的何种长度形式都不会对结构内力有所改善。 当地铁隧道穿过活动强烈的地裂缝地段时，随着脱空区的增大，隧道结构内力明显增大。因此，应加强地裂缝强烈活动地段的地铁隧道底部脱空区的监测，同时在地铁设计时隧道结构内部应预留注浆孔，以便出现脱空时即可注浆加固处理，防止脱空区的进一步扩大导致隧道结构的损坏。跨地裂缝地段地铁隧道结构受力分析结构荷载法 通过对地铁隧道结构长L=10.0m和L=15.0m两种情况三种模型的计算，可以得出如下结论：扩大截面的浅埋暗挖法马蹄形隧道分段结构数值分析 将变形缝直接设在地裂缝带的正上方 将中间段跨地裂缝设置计算模型 在地裂缝范围将隧道衬砌分段，考虑变形缝设置的

16、位置不同，可有两种方案：变形缝跨地裂缝的纵断面图变形缝对应地裂缝的纵断面图结果分析衬砌竖向位移云图（上为二衬） 衬砌变形（放大30倍）扩大截面的浅埋暗挖法马蹄形隧道分段结构数值分析变形缝设在地裂缝带的正上方（即对缝设）隧道衬砌竖向变形曲线变形缝沉降差及张开距/cm不同错距时初衬最大纵向应力/MPa不同错距时二衬最大纵向应力/MPa不同错距时外衬最大剪应力/MPa 中间衬砌段跨地裂缝设置（即骑缝设）衬砌竖向位移云图（上为二衬） 衬砌变形图（放大30倍，左为上盘）隧道衬砌竖向变形曲线变形缝沉降差/cm不同错距时初衬最大纵向应力/MPa不同错距时初衬最大剪应力/MPa不同错距时二衬最大纵向应力/MP

17、a 变形缝设在地裂缝带的正上方（对缝设）时，分段 衬砌在地裂缝上方将产生很大的垂直错距和水平张 开，需采取措施调整轨道及加强防水处理。 考虑到地铁隧道的结构安全性，建议将变形缝设置 在地裂缝正上方，可保证结构安全可靠，但要求较 好的防水措施。综上分析可见马蹄形衬砌接头（变形缝）纵断面 对于衬砌结构过地裂缝的处理，一是将地裂缝（带）影响范围内 的管段通过增设变形缝来减小衬砌结构纵向刚度以适应地裂缝 的变形；二是通过对接头端部局部加强衬砌结构强度以承受地裂 缝活动引起的次应力。 推荐使用柔性接头，柔性接头的初步做法见下图。浅埋暗挖法马蹄形衬砌结构的接头方案柔性接头（变形缝）构造详图 此外，地铁穿越

18、地裂缝的轨道调整也是一个十分关键的问题，它包括轨道调幅高度、调坡长度或距离以及扣件、道床调整等诸多问题，而且各条地裂缝处的轨顶标高调整幅度各不相同，设计时应针对各条地裂缝的设计最大垂直位移量进行具体设计。 根据历史监测资料分析，确定每一条地裂缝未来百年内的最大垂直 位移 量为500mm。 根据西安地裂缝场地勘察与工程设计规程（DBJ61-6-2006），地铁 隧道工程按一级建筑对待，确定地裂缝地段的设防长度为60m，其中 上盘为40m，下盘为20m。 主变形区是主要的设防区，故建议按10m进行地铁隧道结构分段，微 变形按1015m进行分段。 跨地裂缝地段采用分段结构形式进行设计，采用柔性接头进行处理。结论与