（地质工程专业论文）地裂缝活动环境下的土层—地铁隧道相互作用数值分析.pdf

摘要 对西安地裂缝的研究，以往人们把主要精力集中在地裂缝带中主裂缝的形成地层、 地质构造背景、成因机制、活动规律等方面，而对次级裂缝的研究甚少，但大量的探槽 和钻孔资料表明，在主裂缝之外常常伴生有一条次级裂缝，次级裂缝与主裂缝倾向相反， 倾角与主裂缝一样，呈高角度陡立。次级裂缝与主裂缝呈“y 字型构造，并且在主裂 缝的牵动作用下沉降。 为探明次级裂缝对西安地铁建设的影响程度，本论文用三维有限元数值模型进行了 分析。建立了同时考虑主裂缝和次级裂缝沉降的模型，与只考虑主裂缝沉降的模型进行 对比。通过数值分析发现：当主裂缝与次级裂缝距离较近( 4 0 5 0 m ) 时，结构的竖向 相对位移量、纵向应力、竖向剪应力、等效塑性应变和土体的竖向相对位移量，都比只 考虑主裂缝的模型略大一些。由于次级裂缝受主裂缝的牵动作用而对结构进行错断，结 构底部会较早出现塑性变形，并迅速的向两侧壁扩展，这一过程比只考虑主裂缝的模型 开始的早，并且发展迅速。当主裂缝和次级裂缝的距离大于5 0 m 时，在进行地铁区间隧 道设计时，建议把主次裂缝分别视为独立的地裂缝，依据其各自的沉降量进行相应的区 间设计。 关键词：西安地裂缝次级裂缝数值分析 a bs t r a c t i nt h ep a s tp e o p l ef o c u s e do ns u c hf a c t o r sb e l o wo ft h em a j o rg r o u n df i s s u r ei nx i a ng r o u n d f i s s u r eb e l t ：s t r a t u mf o r m a t i o n ，g e o l o g i c a ls t r u c t u r a lb a c k g r o u n d ，c a u s em e c h a n i s m ，a c t i v i t y l a w a n ds oo n ，b u tp a i dl e s sa t t e n t i o nt ot h es e c o n d a r yf i s s u r e b a s e do nt h es e i s m i c e x p l o r a t i o nr e s u l t s ，i ti sp r o p o s e dt h a tt h ex i a ng r o u n df i s s u r eb e l ti sg e n e r a l l yc o m p o s e db y o n em a jo rf i s s u r ea n do n es e c o n d a r yf i s s u r e t h es e c o n d a r yf i s s u r e ，l o c a t e do nt h eu pf a u l t e d b l o c ko ft h em a j o rf i s s u r e ，h a st h en o r m a lf a u l tp r o p e r t yw i t hn o r t hd i pa n dn o r t hd o w n t h r o w n a n dm e r g e si n t ot h em a j o rf i s s u r ew i t hy - s h a p e dd i s t r i b u t i o n ，t a k i n gs e d i m e n t a t i o ni n f l u e n c e d b yt h em o v e m e n to f t h em a j o rg r o u n df i s s u r e t op r o v eu pt h ei n f l u e n c ed e g r e et ot h ec o n s t r u c t i o no fx i a ns u b w a yb yt h es e c o n d a r y g r o u n df i s s u r e 。t h i sp a p e rh a v et a k e na n a l y s i st ot h et h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e l c o n s i d e r i n gt h em a j o ra n dt h es e c o n d a r yg r o u n df i s s u r ea tt h es a m et i m e ，c o m p a r i n gw i t ht h e o n ew i t ht h em a j o rf i s s u r eo n l y i ti sf o u n dt h a tt h es t r u c t u r e sf a c t o r sb l o wo ft h em o d e l c o n s i d e r i n gt h es e d i m e n t a t i o no ft h em a j o ra n dt h es e c o n d a r yf i s s u r es e e m sb i g g e rt h a nt h e o t h e ro n e ：v e r t i c a ld i s p l a c e m e n t ，l o n g i t u d i n a ls t r e s s ，v e r t i c a ls h e a r i n gs t r e s s ，e q u i v a l e n to f p l a s t i cs t r a i na n dr e l a t i v e l yd i s p l a c e m e n to fs o i lb o d y , w h e nt h ed i s t a n c eb e t w e e nt h em a j o r a n dt h es e c o n d a r yf i s s u r ei sn e a r ( g e n e r a l l y4 0 5 0 m ) a d d i t i o n a l l yt h ep l a s t i cd i s t o r t i o nw i l l o c c u re a r l i e ro nt h es t r u c t u r e sb o t t o mo ft h ec o m p a r a b l yc o m p l i c a t e dm o d e la n de x t e n dt ot h e s i d ew a l lr a p i d l y t h i sc o u r s es t a r te a r l i e ra n dd e v e l o pr a p i d e rt h a nt h a to ft h em o d e l c o n s i d e r i n gt h em a j o rf i s s u r eo n l y b a s e do nt h ec o n c l u s i o na b o v e i ti ss u g g e s t e dt h a ti ft h e d i s t a n c eb e t w e e nt h em a j o ra n dt h es e c o n d a r yg r o u n df i s s u r ei s b i g g e rt h a n5 0 m ，t h e c o n s t r u c t i o nd e s i g nf o rs u b w a yt u n n e lc o u l dc o n s i d e rt h em a j o ra n dt h es e c o n d a r yf i s s u r ea s t w oi n d e p e n d e n tf i s s u r e sa n dt a k ep r o c e s sa c c o r d i n gt ot h e i rs e d i m e n t a t i o n ss e p a r a t e l y k e yw o r d s ：x i a ng r o u n df i s s u r e ，t h es e c o n d a r yf i s s u r e ，n u m e r i c a lv a l u ea n a l y s i s i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：彳昭砌p 8 年岁月加日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 论文作者签名： 导师签名： w 鼋年琴r 7 t oe l 如8 年丁月3 o 日 彳矾 辞上 参j - n 长安大学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 地裂缝研究现状概述 1 1 1 国外地裂缝研究现状 国外对地裂缝问题的研究以美国开展得最广泛，研究的程度较深。其他国家如土耳 其的交纳托利亚地裂缝、泰国曼谷地裂缝、利比亚萨里尔( s a r i r ) 地裂缝等，尽管近年 也进行了一定程度的研究( e d d l e t i o n ，1 9 8 1 、1 9 9 6 ；r o t h e n b u ，1 9 9 5 ) ，但研究的程度 相对较低。 美国的现代地裂缝现象最早发现于1 9 2 7 年亚利桑那州中部的皮卡乔( p i c a c k o ) 盆 地，至今已在全国许多地区发现了不同规模的地裂缝现象。其中，西南部的亚利桑那、 加利福尼亚、内华达、得克萨斯、新墨西哥等州为集中发育区。早在2 0 世纪初期，美 国即有学者涉足于地裂缝问题的研究，但系统性的全面研究则开始于5 0 年代。美国的。 现代地裂缝，主要集中分布于西南部新构造活动比较明显的构造盆地和构造谷地，该地 区自2 0 世纪初期地下水开采以来，大多已处于不同程度的超采状态，至5 0 年代时均已 出现了明显的地面沉降( h i t o n ，1 9 8 0 、1 9 8 1 ) 。关于地裂缝成因的认识，集中形成了三 种不同的观点，即：( 1 ) 构造成因观点，( 2 ) 地下水开采成因观点，( 3 ) 构造与地下水 开采复合成因观点。 自2 0 世纪7 0 年代末开始，美国地质协会等学术团体选择亚利桑那州的埃洛皮卡 乔、得克萨斯州的休斯顿高尔维斯顿、内华达州的拉斯维加斯、加利福尼亚州的团拉 尔沃斯科及桑克拉雷谷地等地作为重点研究区域，采用一些先进的技术( 例如g p s 、l s a 等) ，建立了地裂缝三维形变及地面沉降长期立体观测网络，结合勘探、实验及理论计 算，开展了地裂缝成因及机制的系统研究( h o l z e r 、1 9 8 0 、1 9 8 4 ：c a r p e n t e r ，1 9 9 3 ) 。 目前美国地裂缝研究已开始显示多学科综合研究特点，即在一些重点地区涉及多学 科的研究内容，如亚利桑那皮卡乔和埃洛的地裂缝研究设置专门的物探剖面，定期进行 物探探测，并建立断层变形、地裂缝位移及地面沉降的关联观测体系，以取得各方面的 资料进行综合对比。而2 0 世纪7 0 年代以前美国的地裂缝研究成果多是单一学科的研究， 单一地从地震、构造地质或水文地质角度分析。 总的看来国外对地裂缝的研究早期多是与断层蠕动联系起来的，甚至干脆作为断层 第一章绪论 蠕动来研究。其侧重点是地裂缝与地下水开采之间的关系，成果较为分散孤立、不成系 统，对地裂缝属性、分布规律、大区域联系、活动特征、灾害效应等，缺乏系统的、综 合的研究。 1 1 2 国内地裂缝研究现状 我国地裂缝研究是伴随探索地震预报和捕捉地震前兆研究开始的。1 9 6 6 年邢台地震 揭开了我国地震预报研究的序幕。邢台6 8 级和7 2 级地震发生在我国人口稠密的河 北平原地区，使国民经济和人民生命财产遭受到很大损失。从此，我国地震学术界将地 裂缝作为可能是地震前兆现象之一，列入捕捉地震前兆必须调查研究的内容之中。此后， 我国东部地区接连发生强烈地震，标志着中国东部强震活动高潮的到来，震灾给当地人 民生命财产造成严重的损失。与此同时，中国东部许多地区不断发现地裂缝，并由分散 活动逐渐趋于集中在大华北南部的苏鲁皖地区发生，从而引起当地政府部门、人民群众 和广大科技工作者的普遍关注，将地裂缝作为可疑的地震前兆进行落实、迎来了地裂缝 宏观异常调查研究的高潮。 其后，华北大面积地裂缝活动的出现，尤其是邯郸、西安、临汾、榆次、大同等城 市地裂缝相继发生，引起城市建筑物损坏、道路变形、管道破裂、农田漏水，危及工农 业建设和城市生命线工程的安全，造成的经济损失数以亿计，城乡建设部门和环境地质 监测部门很快将其纳入自己的勘察研究工作范畴。纵观我国地裂缝的调查、监测、研究 工作，大体可分为5 个阶段： ( 1 ) 1 9 6 6 年邢台地震前，工程勘察部门为地裂缝的场地工程稳定性问题进行局部分 散的调查工作阶段； ( 2 ) 邢台地震后到1 9 7 0 年云南通海7 7 级地震前，地裂缝调查的主要目的多是鉴 别其是不是地层前兆异常。属于进行零星分散的目测性调查阶段； ( 3 ) 通海地震后到1 9 7 9 年江苏溧阳6 级地震前，地裂缝调查的目的，多是捕捉地震 前兆信息。属于有组织的重点调查研究阶段； j ，l ( 4 ) 溧阳地震后至1 9 8 9 年山西大同6 1 级地震前，发展成为地震前兆捕捉、地裂 缝场地评价和城市防灾、地质环境监测等多种目的的地裂缝助查研究阶段，进入地裂缝 研究的高潮期； ( 5 ) 1 9 8 9 年大同地震至今，逐步转入以城市防灾、区域地质环境评价为目标的地裂 缝深入研究和勘察阶段。 2 长安人学硕上学位论文 1 2 西安地裂缝研究现状概述 1 2 1 西安地裂缝的研究现状 从1 9 7 7 年1 0 月至今，西安地裂缝已给城市建设、工农业生产和人民生活造成巨大 损失，地裂缝和与其相关联的地面沉降已成为西安市区目前最主要的地质灾害。这种特 殊的地质现象倍受国内外专家关注，2 0 世纪8 0 年代初至今，国内许多生产、科研和教 学单位对西安地裂缝及地面沉降从不同角度开展了系统深入的研究。现分阶段详述如 下： 1 2 1 1 西安地裂缝的初步研究阶段 1 9 7 7 年9 月初前后，西安北郊草滩发生两次强有感地震，1 0 月北部一工厂在考察 机器无法调平的原因时，发现地面与厂房有裂缝，类似现象也在几个邻厂出现。该现象 引起了有关部门高度重视。陕西省抗震救灾指挥部当即令西安市地震办公室建组进行专 题考察。由地震、地质、勘测、水文等部门和高校十多名科技人员组成的调查组，对西 安南北郊地裂缝点进行了现场考察，首次发现断续长分别为0 5 k m 和6 k m 的北郊辛家庙 和南郊铁炉庙一村两条地裂缝，写出西安市南郊地裂调查报告，于1 9 7 8 年4 月呈报 西安市政府。直到华北地震活动减弱，西安地区未发生中强地震，人们才认识到西安地 裂缝不是地震前兆。但随着地裂缝的发展，沿线建筑物不断开裂破坏、经济损失严重、 研究者逐渐将注意力转移到地裂缝活动规律、成灾机制和对策上来。 1 2 1 2 多角度的调查研究阶段 即西安地裂缝研究的第二阶段，大体起自1 9 7 9 年8 月，止于1 9 8 7 年6 月。调查目 的已扩及地裂缝场地勘察评价、工程建筑破坏及成灾机制研究、地裂缝活动和演化规律 及地质环境影响的监测等几个方面。 1 2 1 3 地裂缝活动与成灾的监测和勘察 ( 1 ) 张家明1 9 8 0 年在省军区家属院建固定观测站监测小寨地裂缝。1 9 8 2 - - 1 9 8 3 年省 地矿局一水开展西安地裂缝分布和活动特征询查与形变监测工作，开展“西安地裂缝与 地面沉降工程地质勘察”，1 9 8 7 年提交研究报告。由张家明、王金牛等人撰写的西安 地裂缝研究一书于1 9 9 0 年出版，该书对西安地裂缝展布特征、活动规律、形成机制、 地面沉降与地裂缝活动、防治对策等进行了全面研究 ( 2 ) 西安市地震局、市勘测院、陕师大地理系联合研究组于1 9 8 1 年9 月始从形变监 测入手，对地裂缝成因和三维空间的运动规律进行了研究，为防震和城建工作提供了依 第一章绪论 据，杨凯元等撰写的西安地裂缝形变监测与研究一书，提出了西安地裂缝是以构造 为主，非构造因素叠加的综合效应。 1 2 1 4 西安地裂缝的专题研究 ( 1 ) 1 9 8 7 - - 1 9 9 0 年，日本地震、地貌学家东京大学松田时彦和东京国立大学贝冢 爽平，与陕西省地震局和国家地震局李水善、耿大玉等合作，开展题为“西安地裂与渭 河盆地活断层”的研究( 李永善等，1 9 9 2 ) 。结论认为，西安地裂缝是以临潼一长安活动 断裂带为构造基础，在次一级断层活动的背景上发展形成的，已成为地质和人为作用共 同造成的一种重大的城市环境地质灾害。 ( 2 ) 1 9 9 0 年，陕西省地矿局水文观测总站和成都理工学院合作，承担“西安地裂 缝与地面沉降及其控制 课题，提出构造重力扩展成因说( 王兰生等，1 9 9 4 ) 。 省地矿 局一水、地质环境监测总站和中国地质大学( 武汉) 协作，承担了国家“八五”攻关项目 的专题“西安地裂缝活动数学模型研究”。 ( 3 ) 原西安地质学院冯希杰、李新生( 1 9 9 4 ) 分别研究了西安地裂缝活动成灾评估 和形成机制，刘玉海、陈志新、倪万魁( 1 9 9 4 ) 对西安地裂场地工程地质特征、致灾机理 进行了专题研究。 1 2 2 用数值模拟方法进行西安地裂缝研究的现状 西安地裂缝是一种独特的城市地质灾害，其引起的地表位错已成为西安市区目前最 主要的地质灾害。这种特殊的地质现象倍受国内外专家的关注，2 0 世纪8 0 年代初至今 国内许多生产、科研和教学单位对西安地裂缝及地面沉降从不同角度开展了系统深入的 研究。陕西省地矿局有关单位、河北理工学院、西安工程学院、成都理工学院、中国地 质大学、地质科学院、陕西师范大学等单位对其做了大量工作，其中不乏有限元数值模 拟，现简要列举几例： 苏刚、易学发( 陕西省工程地震勘察研究院) 、王卫东( 陕西省地震研究所) 在灾 害学( 1 9 9 8 年9 月惫第1 3 卷第3 期) 上发表的西安地裂缝的数值模拟研究，在分 ， 析总结西安地裂缝基本特征的基础上，采用二维有限单元法，对西安地裂缝进行了数值 模拟，并从土动力学角度探讨了地裂缝的形成机制 其建立的有限元模型如下： 4 女 学删f ： 位t 女 图11 易学发等采用的二维有限元模型 结果表明，西安市区超采地下承压水导致地面不均匀沉降是西安地裂缝产生和发展 的主要原因故认为只有通过对地下承压水的合理开采，控制西安市区地面的不均匀沉 降，才是减缓西安地裂缝活动的根本对策 “两安市地铁二号线沿线地裂缝带的结构及防水措施专题研究”( 长安大学，2 0 0 6 年3 月) 中，对马蹄形截面的地铁区间隧道进行了m a r c 有限元三维数值模拟。在模型 尺寸方面，在隧道轴向取7 2 m ，横向和竖向分别取为4 0 m 和3 0 m ，埋深约1 0 m 。断面为马 蹄形，其宽和高分别为64 m 干兀66 3 m ，如下图所示。模型底部上盘长为4 2 m ，下盘为3 0 m ， 地裂缝倾角取8 0 。，裂缝带与隧道底部交于4 43 6 m 处。 图12 马蹄形隧道三维有限元模型 扩怯。旷卜l_|伊卜 * 自镕论 模型的边界条件，在前后z 方向( 纵向) ，两侧x 方向( 横向) ，及下盘底音【i 均设 置同定约束。裂缝带的上盘强变形区和弱变形区宽约2 0 m ，为简化训算边界条件在上 盘底部从裂缝带边缘起2 0 m 范围内设置一刚片( m a r c 里称为r i g i ds u r f a c e ) ，阱外设 为固定约束。刚片在远离裂缝带侧边缘同定，刚片整体绕该点转动，其上部土体在重 力作_ j 下下沉，由此造成的卜卜盘问的机降差( 即裂缝带的错距) 。 通过有限兀模拟，对l i 、i 级地裂缝地段的结构方案进行了论证。 闫余凯博士，在其硕士学位论文中结台相关试验数据，对地铁区间隧道的矩形闭合 框架结构进行了有限元模拟。 有限元计算模型的尺寸与试验模型的尺0 一致土体模型尺寸取i o i l l x 8 4 m x 4 m ， 裂缝位于模型l f 巾，沿横向贯通整个区域，倾角按9 0 度考虑。结构模型尺寸取l o m x l2 m xl _ 3 ，结构厚01 2 m 。结构下方土体厚度o5 m ，结构两侧距土体模型边界均为36 m 。 图13 淘金凯论文中的三维有限元模型 边界条什方面，考虑到与试验情况 日类似，模型左右两侧面及纵向两端面为法向约 束，顶面为自山面。地裂缝下盘底部施加竖向约束，在地裂缝上盘底部设- n i l 片，通过 刚片的下移模拟试验平台的整体沉降。 有限7 模拟计算得出的地裂缝影响下c j j 台框架结构的竖向位移、纵向应力、等效塑 性应变、竖向剪应力，以及上体的竖向位移都与实验结果相符，并且符合理论分析。 1 3 地裂缝研究中存在的问题 13 1 西安次级地裂缝状况 在以前的研究中，人们把主要精力集中在地裂带主缝的形成地层、地貌、地质构造 背蚺、成凶机制、字日】分柿规律、活动规律等方面，而对次级裂缝的研究甚少，仅有的 一些有关次级裂缝的论述也都局限在地表探槽内距主裂缝几米的小次缝。通常认为，西 长安大学硕1 ：学位论文 安地裂带由一条主缝和数条平行的次缝组成，次缝距主缝只有数m 。很显然，这仅仅描 述了地表探槽内的现象。近些年来，随着西安地裂缝勘察中地震勘探的广泛应用，人们 逐渐发现许多地震勘探剖面上除主缝外都伴随有一个规模颇大的次缝。带着这一问题， 重新分析以前的科研成果，发现在许多资料中都有次缝的踪迹，只不过当时未引起人们 注意。这种不自觉的忽略，使得在对“地裂缝地铁区间隧道”的有限元模拟中，也仅 仅只考虑主缝，而忽略次级地裂缝到地铁区间隧道结构的影响。 大量的探槽和钻孔资料表明西安地裂缝具有活断层性质，错断地层的断距向下渐 增，这一特点使得地震勘探目标越深，地震剖面上地裂缝引起的错断异常越清晰。在大 量的地裂缝地震勘探中，越来越多地注意到，在主缝之外常常伴生有一个规模较大的次 缝，次缝与主缝倾向相反，倾角与主缝一样，呈高角度陡立。次缝与主缝呈“y 字型 构造，在地面下3 0 0 - - 5 0 0 m 处的第四系内与主缝汇合。据地震剖面显示，次缝与主缝都 呈正断层性质，它们中间的地层为一陷落形态。 地表出露的次缝为上述地震剖面解释提供了良好佐证。按西安城市工程地质图集 中的地裂缝分布图编号，在疋( 秦川厂地裂带) 的南一环南侧的含光路( 原来的陵园路) ， 主缝与次缝同时出露，地表呈明显的陷落微地貌特征，次缝距主缝4 5 m ，跨主缝和次缝 的两个4 m 深的探槽剖面揭示，次缝与主缝倾向相反。另外在厶( 陕师大地裂缝) 的长延 堡村到双桥头村之间，地表调查资料显示次缝与主缝相距6 卜1 2 0 m ，主缝位于北侧，南 降南倾，次缝位于南侧，北降北侧，两者呈“丫 字型共轭组合关系。 可以注意到，西安十几条城市地裂缝由北到南，只有疋和兀有明显的次级裂缝在地 表出露，而其他的地裂缝带只有明显的一条主裂缝。从能量的积累和释放的观点来看， 如果重力势能在主缝处释放比较充分，则次缝的活动就显得比较微弱，反之如果能量释 放主要靠北倾的次缝下降来完成，则主缝的活动就显得不明显，这与西安市日前地裂缝 活动中次缝活动发育地段则主缝活动较弱，而主缝活动发育地段则次缝活动不明显的特 点是非常吻合的。 此外，近几十年来人类改造自然的副作用，加速了这种不平衡的进程。西安市过量 汲取地下承压水及抽水带出的砂粒，使得裂缝附近的架空和松动效应进一步加强，这不 仅加剧了主缝的活动，也促进了次缝的发育，次缝活动出露地段都可找到抽水排砂的证 据。 到日前为止，西安市出露的地裂缝仍以南倾的主缝为主，次缝多处于隐伏状态，据 第一章绪论 多个地裂缝探槽剖面揭示，隐伏的次缝多潜伏在地表3 5 m 以下。现己出露的次缝除六 的含光路到吉祥路过街天桥段外，最典型的例子当数厶的长延堡桥头段北倾次缝。该段 次缝地表出露连续并且活动明显强于主缝，有很强的致灾能力，西姜村北的道路1 0 年 间被错断1 卜2 0 m ，而在木材供应四站内，两年内就错断路面1 5 m ；另据近2 3 a 来在 长延堡村到农机站一带的地裂缝勘察成果资料，兀的次缝错断古土壤标志层2 1 3 0 m ， 次缝错断古土壤0 5 一o 8 m ，为主缝的1 4 。这说明该段地裂带具活断层性质，无论主缝 还是次缝未来仍将继续活动，并目单从构造因素来讲，主缝的活动速率要大于次缝。 因此，我们认为次级地裂缝在不可预见的未来环境中，有与主地裂缝一样的致灾能 力，会对其附近工程设施造成巨大危害。在今后的重要建构物等工程设计中，要充分考 虑到次级地裂缝的潜在灾害。 1 3 2 本论文的研究内容及主要工作 在以往的西安地裂缝研究中缺乏对次级裂缝的关注，相应的，在进行数值模拟的过 程中也仅仅考虑主裂缝，忽略了主次裂缝同步活动情况下对穿越其间的地铁区间隧道的 影响，这是不全面的。 本论文拟以主次裂缝同时出露并且活动的无一草场坡( 秦川厂) 地裂缝带为参照， 构建有限元模型进行数值分析，以期获知主次裂缝同步活动情况下对穿越其间的地铁区 间隧道的影响，为类似状况下的地铁区间施工提供参考。 本论文进行的主要工作如下： ( 1 ) 基于现有资料对西安地铁二号线沿线地裂缝带的历史活动进行了分析，为有 限元模拟提供了数据参考和支持。 ( 2 ) 建立了跨地裂缝带的地铁隧道数值分析模型，对其结构的竖向相对位移、纵 向应力、等效塑性应变、竖向剪应力和土体的竖向相对位移进行了数值计算。 ( 3 ) 对比所建立的不同模型，研究主次裂缝同步活动情况下对穿越其间的地铁区 间隧道的影响，得出了相应认识。 长安大学硕十学位论文 第二章西安地裂缝现状分析 2 1 概述 地裂缝灾害是地质灾害中的一种，其现象在世界许多国家都有发现，且发生频率和 灾害程度逐年加剧，已成为一个新的、独立的自然灾害灾种，引起了国际地学界的广泛 关注。地裂缝造成各类工程建筑，如城市建筑、生命线工程、交通、农田和水利设施等 的直接破坏，也引起了一系列的环境问题。我国地裂缝分布广泛，近年来，在陕西、山 西、河北、山东、广东、河南及京津地区等1 0 多个省市都发现有地裂缝。据统计估算， 至1 9 9 8 年初，全国因地裂缝灾害造成的经济损失约9 1 3 亿元，表明地裂缝已成为重 要的地质灾害。地裂缝常比地面沉降具有更大的破坏性，不仅造成较大的经济损失，也 影响和威胁当地群众的生产和生活，造成不良的社会影响。 2 2 西安地裂缝的分布规律 目前已发现的西安地裂缝共有1 4 条，按其展布位置，由北往南分别命名为：无二 城北南寨地裂缝带；z 一城北辛家庙地裂缝带；正一城北八府庄地裂缝带；六一城西 劳动公园地裂缝带；f 4 一城西南边家村( 西北大学) 地裂缝带；5 一城南和平门外地裂 缝带；六一草场坡( 秦川厂) 地裂缝带；厶一小寨路( 铁炉庙) 地裂缝带；五一大雁 塔地裂缝带； 一电视塔北陕师大地裂缝带；z 。一新开门至电视塔南地裂缝带；z 。一 南寨子一新小寨地裂缝带；z ：一东三爻一曲江池地裂缝带；工，一曲江池地裂缝带( 见 图2 i ) ，这些地裂缝分布范围西至皂河，东到纺织城，南起韦曲，北至井上村，面积约 1 5 5 k m 2 。这些地裂缝的空间展布规律具有明显的方向性、成带性、似等间距性、位错同 步性和多级性以及剖面结构组合形式的多样性。 9 第二章西安地裂缝现状分析 固2 1 西安市地铁二号线与地裂缝位置分布圈 2 2 1 平面展布特征 西安地裂缝是在西安正断层组的基础上发育起来的，由南而北在黄土粱洼之间有规 律排列，均位于黄土梁的南侧，呈带状分布( 如图22 所示) 。在平面上呈左行雁列， 主体走向为n e 7 0 0 8 0 。它们一般都由主裂缝及其下降一侧的数条次级裂缝组成地裂 缝带，带宽3 8 m ，局部可达2 0 3 0 m 。各条地裂缝带大体呈等间距近似平行排列，间 距为0 4 2l k m ，平均约l k m 。地裂缝和地面沉降调查结果表明，西安地面沉降区与承 压水位下降区的分布位置相吻合，而地裂缝则出现在地面沉降槽边缘的陡变地带上，组 成地裂带的次级裂缝均靠近地面沉降槽中心的一侧( 见图2 3 西安地裂缝与地貌构造关 系图) 。 2 2 2 剖面结构特征 西安地裂缝在剖面上的形态一般为上宽下窄的楔形，向下逐渐消失，最深达百余米。 地裂缝的主体倾向南，倾角较陡，一般在7 0 0 以上。但是，主干地裂缝与次级地裂缝在 剖面上的组合形式具有多样性的特点，大致概化为以下三种：阶梯状( 图3 a ) 、“y ”字 型( 图3 b ) 和追踪式( 图3 c ) ，其中“y ”字型颇具意义，它是地裂缝南盘下降、北盘 上升的垂向剪切左右在地表自由面上产生末端张裂效应的结果( 彭建兵，1 9 9 1 ) 。 k 立 坝 ￥位论女 j 步 国22 西安地裂缝与地貌构造关系图 图23 西安地裂缝带剖面组合形式围( 据彭建兵，1 9 9 1 ) 2 3 西安地裂缝的活动特征 根据1 9 8 9 年以来所监测的各条地裂缝年平均垂直活动速率的资料，将这些地裂缝 活动划分为三级：活动强烈，速率 3 0 r a m a ；活动较强烈，速率5 3 0 m m a ：活动 微弱，速率 5 m m a 。这些地裂缝的垂直沉降速率以5 3 5 m m a 居多，最大选5 5 0 6 m m a 。 就其活动特点【m 苦，西安f h 地裂缝具有较明h 的活动速牢的不均匀性、活动方式的致 性和位错同步性。 23 1 活动速率的不均匀性 雾 一 _ 、 一 一 第目两直裂缝现状 折 现自的监测资料表明，地裂缝活动速率在时空r 分巾, i - 均，西安市东南窖 f 一带活动 速率高，一股在53 0 m m a ，西北郊相对较弱，在1 1 0 m m a 之间。同一条地裂缝不同地 段活动强度也有差异，总体规律是西部较弱，中部较强或强，东部强烈。但近儿年来， 有些地裂缝( 如， 、 ) 的西南段活动性明显增强，并向西南继续扩屣。而西安d l 地 面沉降资料进一步证明了这点，西安市地铁二号线所经过的市区地面沉降速率从北向 南逐渐增大，而从东向西则逐渐减小，其总体表现为从西北向东南递增。市区西北部的 地面平均沉降速率为12 27 m m a ，东南部则达1 10 - - 5 55 m m a ，这与地裂缝带活动 速率不均匀性的空间分柑。致。图24 显示了，2 和 在1 9 9 0 2 0 0 2 年的活动速率变化 趋势，很明显，1 9 9 6 年西安市大批量地关闭水井以后，这两条地裂缝的活动速率明显减 缓。 232 活动方式的一致性 地裂缝带基本具有统的三维空间运动变形特征，即南倾南降的乖直位移、水平引 活弓u 量 f n l r | 1 、 图24 地裂缝历年活动速军固 年份 4 、= 兰= = = ! ；8 g 一 张和水、r 于i 动。其中以垂直位移量为最大，南北拉张量次之，而水平错动量则很小，三 者之比为1 ：03 1 ：00 3 。根据西影路地裂缝监测结果( 见图25 ) ，地裂缝确实具有明 显的垂直位移、水平引张和水平丰n 动的三维运动特征。 据1 9 8 9 年5 月节今的监测资料，1 3 条地裂缝中以，5 、 和，7 等3 条活动幂最大， * 盘人学硕学位论立 其活动方式以张裂倾滑为主，兼具左胜止滑，垂向活动速率以5 3 5 m m a 居多，最大达 ，嚣i 攀函辍薅黟臻瞩黪鳞缫嘲堕蕤i |t 、 。 、 、 ，、7 巍 5 5 6 0 m m a ；水平引张速率大体为垂直活动速率的1 3 ，活动速率为2 i o m m a ，晟大 达1 4 r r z m a ；而水平扭动速率比垂直活动速率小1 - - 2 个数量级，最人速率为31 6 m m a 。 2 3 3 位错同步性 西安地裂缝带中除：东三爻曲汀池地裂缝带、一南寨子一新小寨地裂缝带、 新开门至电视塔南地裂缝( 。) 和电视塔北陕师大地裂缝( ) 四条地裂缝带外- 其 余地裂缝的南盘地而皆向东错移，其水平位错量为o 5 c m ；裂面皆向南倾，南盘地面下 降lo 1 42 c m ；单缝张厅1 8 c m ，实为一个i 维活动位移场，其中南侧下降最人，张 量次之，左旋扭量最少，三者之比在1 9 7 6 1 9 8 9 年为1 0 ：3 ：08 ，近年三者之比为3 ： l ：e ( 注：e 指在测量误差之内) ，表明这些地裂缝位错活动现状是以南盘f 降为主的。 西安l b 地裂缝带的致灾程度与各条地裂缝的活动程度基奉是对应的，它们的丁程致 灾状况十分严重，其中上、，6 和 地裂缝地表出露长，连续性较好，活动强烈，致灾 ，m 重地段占出露长度的7 以上，其他地裂缝致灾段占整个长度的5 0 以上。 以上是在大量收集已有研究资料和成果并结合本次部分测绘工作的基础上对西安 市地裂缝带的分布规律及活动特点进行的初步分析。 24 西安地裂缝的成因 关于西安地裂缝成囡的最早观点是认为地裂缝是山于过量抽取地下水导致地面大 扪丑沉降而引起的。在差异沉降陡变带上，由于两侧变形差犬f 岩土体的极限应变能力 第二章西安地裂缝现状分析 而产生了地表破裂。 后来许多学者从不同角度对西安地裂缝的成因机制进行了研究，提出了地裂缝的构 造成因观点如断块掀斜成因( 张家明，) 和构造重力扩展成因( 王兰生，1 9 8 9 ) 等。 近年来越来越多的学者趋向于西安地裂缝的形成是隐伏断裂构造活动为主因，过量 开采地下水为诱因的成因观点( 王绍中，1 9 8 5 ；肖箐英等，1 9 8 9 ；夏其发等，1 9 9 0 ；彭 建兵，1 9 9 2 ) ，也就是说西安地裂缝是构造作用和抽取地下水共同作用的结果。但二者 的作用不同，地裂缝的产生与构造活动具有本质的联系，地下水开采则强化了地裂缝的 活动。王园、王沁等( 1 9 9 8 ) 采用数据本构分析法对西安地裂缝进行了研究，认为影响地 裂缝活动的主要因素是过量抽汲地下水，其次是构造运动，地震对地裂缝活动的影响相 对较小，三者比率约为5 5 ：3 0 ：1 5 。由1 9 9 6 年以后西安地区关闭了大批地下水井，限采 地下水，地裂缝活动量明显减小，以及近几年局部超采地下水明显引起地裂缝活动加剧 ( 如疋) 等特点看，地裂缝的现今异常活动主要与超采地下水有关。 1 4 长安人学硕士学位论文 第三章西安地裂缝活动趋势分析 3 1 西安地铁二号线沿线地裂缝历史活动分析 正在建设中的西安市地铁二号线除城北南寨地裂缝( 兀) 、辛家庙地裂缝( z ) 和 城西南边家村( 西北大学) 地裂缝( 兀) ( 该地裂缝在地铁二号线所经钟楼附近地表未 见出露，故判断地铁二号线未与其相交) 外，从北往南沿线将穿过西安市1 3 条地裂缝 中的1 0 条( 见前面图1 1 ) 即：城北八府庄地裂缝带( 厶) 、城西劳动公园地裂缝带( 疋) 、 城南和平门外地裂缝带( 以) 、草场坡地裂缝带( 六) 、小寨路地裂缝带( 厶) 、大雁塔 地裂缝带( 兀) 、电视塔北陕师大地裂缝带( ) 、新开门至电视塔南地裂缝带( 石。) 、 南寨子一新小寨地裂缝带( z 。) 及东三爻一曲江池地裂缝带( z ：) ，其中草场坡地裂缝 带( 六) 和电视塔北陕师大地裂缝带( ) 南侧分别各发育有一条次级地裂缝丘和爿。 这些地裂缝发生于二十世纪六十年代初，在二十世纪八、九十年代各条地裂缝活动强烈， 其大范围水准监测开始于1 9 9 0 年，据以往的统计资料和水准监测资料，可将它们的历 史活动大致分为三个阶段：1 9 6 0 - - 1 9 8 9 年为第一阶段；1 9 9 0 - 1 9 9 6 年为第二阶段；1 9 9 6 - 2 0 0 5 年为第三阶段。下面将分阶段详细分析地铁二号线沿线各条地裂缝的历史活动情况 包括最大垂直位移量和活动速率等。 3 1 11 9 6 0 - - 1 9 8 9 年( 第一阶段) 该阶段是地裂缝发生发展的阶段。最早是在1 9 5 9 年西安城南小寨西路3 号院和城 西南西北大学等先后出现地裂缝即后来命名的厶和厶地裂缝。因其稀少、规模小、位 移量甚微，又未造成损失，故未曾引起人们关注。1 9 7 6 年我国发生唐山大地震后，西安 地裂缝活动加剧发展，至1 9 8 9 年市区发育地裂缝达十条之多，它们成带发育，线性特 征明显，地表破裂醒目，并且凡地裂缝通过的地方，地表破碎，建筑物开裂，道路变形， 地下管道错断，地面各类设施均遭破坏，引起了中外地质学家的广泛关注。于是，1 9 7 7 年西安市人民政府组织地质、地震和城建部门及有关科研院所成立联合调查组开展了地 裂缝的实地调查，从而正式揭开了西安地裂缝研究的序幕。因此，可以说1 9 7 6 年的唐 山大地震是西安地裂缝研究的起点。 通过对这一阶段历史记录和统计资料的分析以及1 9 8 8 - - 1 9 8 9 年地裂缝实测的结 第三章西安地裂缝活动趋势分析 果，得出地铁二号线与各条地裂缝交汇点附近1 9 6 0 1 9 8 9 年的地面沉降量( d 和实测 垂直位移量( 力) ，如表3 1 所示。 表3 1 地铁二号线与地裂缝交点附近地面沉降量s 、地裂缝实测垂直位移量h 厶 、l ， 、 ， 、 9z 。 z 。z ： ( m ) 6 0 8 3 5 06 0 1 4 0 1 6 52 8 42 4 99 05 54 53 3 地面沉降 经 量s 6 0 8 9 1 0 71 1 03 4 03 5 0 7 5 07 4 0 年 实测垂直 6 0 8 9 位移量h 钲 1 3 3 0 m m a ； b 级：活动较强烈，活动速率1 5 - - - 3 0 r a m a ； 其中活动速率1 5 2 0 m m a 为b 一级，活动速率2 0 3 0 m m a 为b + 级。 1 9 第三章西安地裂缝活动趋势分析 c 级：活动中等，活动速率5 1 5 r a m a ； d 级：活动微弱，活动速率 3 01 5 y 3 05 2 0 m m a 。 然而，地铁工程设计时往往需要确定性的指标即设计参数，由于地裂缝的活动速率 是历史活动速率，以地裂缝的历史活动速率作为地铁设计的指标显然不合理，但可作为 一个参考指标。相反地，未来地铁使用期内各条地裂缝的最大垂直位移量和地裂缝带的 宽度则对于地铁工程设计来说是至关重要的，尤其是地裂缝在地铁设计寿期内的最大垂 直位移量对地铁工程结构影响极大，因优先考虑。因此，根据前面表3 4 的地铁二号线 沿线各地裂缝未来地铁使用期内最大垂直位移量( 彳一) ，结合表3 5 给出的各条地裂 缝的最大地表宽度( d ) 以及以往活动速率和累计活动位移量资料，将地铁二号线沿线 地裂缝进行工程分级，其分级原则如下： a 。3 0 0 m m 且d 1 0 m 时为i 级； 2 0 0 彳一 3 0 0 m m 时为i i 级； 1 5 0 弋 4 一 2 0 0 m m 时为i i i 级； 么一 1 5 0 m e 时为级。 说明：该原则主要考虑到地铁设计使用期内地裂缝的最大垂直位移量么一对地铁工 程影响贡献最大，地裂缝的最大地表宽度d 对地铁工程有一定影响，但与最大垂直位移 长安大学硕十学位论文 量相比对地铁工程影响较小，因此，在地裂缝的工程分级中作为一个重要参考指标来考 虑。 根据上述原则，对地铁二号线沿线各条地裂缝进行分级，分级结果如表3 8 所示。 表3 8 地铁二号线沿线各地裂缝带的工程分级表 地裂缝 t 名 称 t 、 ， 6 兀 、 黾 每局z o z z 2 工程 i ii iii iiii iii 分级 基于以上小节的分析，本文将以表3 4 的预估位移量为依据，对地裂缝活动活动环 境下的土层一地铁隧道相互作用问题进行数值分析，详见第四章。 2 1 第四章地裂缝活动环境下的土层一地铁隧道相互作用数值分析 第四章地裂缝活动环境下的土层地铁隧道 相互作用数值分析 4 1 有限元法及m s c m a r c 简介 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) 是工程领域中应用最广泛的一种数值计 算方法，它不但可以解决工程中的结构分析问题，而且已成功的解决了热传学、流体力 学、电磁学和声学领域的问题。经过4 0 多年的发展，有限元方法的理论已基本趋于完 善，将有限元理论、计算机图形学和优化技术相结合，开发出了一批使用有效的通用与 专用有限元软件，使用这些软件已经成功的解决了机械、水工、土建、桥梁、机电、冶 金、锻造、船舶、宇航、核能、地震、物探、气象、水文、物理、力学、电磁学以及国 际工程领域的大型科学和工程计算难题，取得了巨大的经济和社会效益。 m s c m a r c 是一款优秀的有限元软件，以其高度的非线性计算能力、收敛速度和提供 的岩土本构模型，适于本论文对“地裂缝活动环境下的土层一地铁隧道相互作用进行 有限元数值分析。 m a r ca n a l y s i sr e s e a r c hc o r p o r a t i o n ( 简称m a r c ) 始创于1 9 6 7 年，总部设在美国 加州的p a l oa l t