（岩土工程专业论文）地裂缝对西安地铁隧道力学性状影响的研究.pdf

中文摘要 论文题目：地裂缝对西安地铁隧道力学性状影响的研究 学科专业：岩土工程 研究生：程新星签名：盥 指导教师：邵生俊教授 签名：鞘 赵永国高工签名： 摘要 地裂缝是一种危害严重地地质现象。西安市已出露地表的地裂缝达1 5 条，均分布在 黄土梁洼地貌交界延伸分布部位，且由北向南依次呈南倾排列。西安地铁必须穿越地裂缝， 是工程建设中除湿陷性、穿越古建筑地基之外的难题之一。如何保证地裂缝作用下衬砌的 整体稳定性，以及地铁的正常运行是建设者们亟待解决的问题。 本文以西安地铁二号线草场坡小寨区间段的隧道工程为背景，结合该区间段地裂缝 地层的地质条件和隧道施工方法，应用大型有限元软件a n s y s 对初步设计拟采用马蹄形断 面、缩小变形缝间距衬砌结构穿越地裂缝的两种方案，在模拟地裂缝接触面、上下盘地层 相对竖向错动位移条件下进行了三维有限元数值计算，得到以下认识： 1 ) 地裂缝存在影响其附近上、下盘围岩土体的应力条件。 2 ) 对于衬砌结构跨越地裂缝的方案，随着地裂缝错动位移增大，衬砌结构各变形缝 处的相对沉降差逐渐增大，且分布均匀。当地裂缝错动位移达5 0 c m 时，地裂缝附近四条 变形缝的相对沉降差约为l o c m 。但衬砌结构和围岩应力条件的发展变化明显，随着地裂 缝错动位移增大，衬砌结构的拉压逐渐增大，上盘内围岩顶部的压应力逐渐增大，底部的 压应力逐渐减小；下盘内围岩底部的压应力显著增大，顶部的围岩压应力逐渐增大。衬砌 最大拉主应力和最大压主应力分别为5 2 7 m p a 和9 1 2 m p a 。 3 ) 对于衬砌结构变形缝与地裂缝一致的方案，随着地裂缝错动位移增大，衬砌结构 各变形缝处的相对沉降差逐渐增大，但分布不均匀，地裂缝处变形缝的相对沉降差发展显 著。当地裂缝错动位移达5 0 c m 时，地裂缝处变形缝的相对沉降差约为3 0 c m 。衬砌结构和 围岩应力随着地裂缝错动位移增大的发展较小。衬砌最大拉主应力和最大压主应力分别为 1 3 7 m p a 和1 5 2 m p a 。 4 ) 衬砌结构跨越地裂缝的方案能有效地控制各变形缝沉降差，对于保证变形缝防渗 有利；衬砌结构变形缝与地裂缝一致方案能有效控制衬砌结构内力及应力条件，但地裂缝 处变形缝的相对沉降差较大，不利于变形缝防渗。 关键词：隧道；地裂缝；变形缝；沉降差：衬砌结构应力；有限元分析 t i t i e ：i m p a c to fa c t i v e g r o u n dc r a c ka c t i n g o nx i ，a n s u b w a yt u n n e l m a j o r ：g e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n g n a m e ：x i n x i n gc h e n g s u p e r v i s o r ：p r o f s h e n g j u ns h a o p r o f y o n g g u oz h a o a b s t r a c t s i g n a t u r e 、 s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e 。? ? n d c r a c k 遮o n er e 酉。n a lg e o l 。百c a lc a l a m i t y p h e n 。m e n 。l l ：【n d u d i n ga p p e 疵g g r o 如! ? c k 幻r e v e a lm c e a r t h i s s u 慨弛d p r 。d u c i n gr e v e a ll i ec o n c c a l e di n 三e = c k 磊 鲫n d ? j h e e a n l l 媳岫c c 池a d y h a v e 如a d yf o u n d1 3a tp r c s e n “sd i s t 曲u t e dw i f h i i lt h e r a n g e0 f1 0 e s sr 0 。fb e a md 印r c s s j o nl o o k s g r o u n d l 、k i s0 n e 。ft h r e e 二a 。rd j 船c u l p 。r o b l e m s o ft h ex i a ns u b w a yc o n s t r u c t i o na tp r e s e n t ，a n d h 。w t 。g u a r a i l t e et 。l i i l - - e - - d w - - i t hw h o l e 吼，竺n y 卸d 唧姗n y u n 如rt h ec r a c k 如n c l i o n0 fg r o u n d i sa ne x t r e m e i yu r g e n tp r o b l e m w m c 1m a n yd u i l d e r so f s u b w a y sp a ym o r ea t t e n t i o n s ow em u s t t a k cm ec o r r e s p o n d i n g s t r u c t u r a lm c a s u r ct ox i a ns u b w a yu n e 2 h a t b u i l d s ! 0 n ，m - o r d e r 的a d a p 的m ed e f o 册a t i o n 0 ft h ec r a c k 。f g r o u n d h 6 w e v e r ，p r o p o s i t i 叻o ft h e s t m c t u m lm e a s u r ci si i l s e p a r a b l ew i t h g e o l o g i c a lc o n d i t i o na l o n gt h el i n eo fs u b w a y l i n en o 2 m o m e n t u m 0 ft h el i v i n gv e r t i c a l l yo fc r a c ko fg r o u n da n d t u n n e lc 0 n s t r u c t i o nm e t h o d0 ft h e 。 譬b w 妙纸r e n g e 0 1 0 百c a l c 0 n d i t i o n sd e t e 衄i n ed i 胁e n tc o n s t r u c t i o nm e t h 。d sa n dw 1 1 i c h j 【l 删o fs t l l j c t u r a lp a t t e r nt oa d o p tw i l lb ed e t e r m i n e d b yd i f f e r e n tc o n s t m c t i o nm e t h o d s 蜘r d l n gt ot 1 1 e g e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa 1 1 de x e c u t i o nc o n d i t i o n s0 fs u b w a yl i n e n o 2 1 ：e 时e 胁c 8 0 柚g v o a n dx i a o z h a ia n dt h ei n i t i a ld e s i g n0 f 1 i n i n gs t m c l u r ep a s s i n gt h r o u g h t n e 舯u n dc r a c k ，t h et h r e e - d i m e n s i o n sf i n i t er o o d e lc o n s i r d i n gw i t ht h e d j s t r i b u t j o n0 f 鲫n d c k s t a t a s m c t u r ea i l dd e s i g nr e q u i r e m e n t so fl i n i n g s t r u c t u r es e t t i n gu pt 0c a i c u l a t e 啦e i n t e m a lf o r c eo fs t r u c t u r a la n d i t ss u r r o u n d i n ge a r t hp r e s s u r et h r o u g h s i m u l a t i n gt h em o v e m e n t o tc r a c k 鄹d u n dw i t h l a r g e 。s c a l ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e - a n s y s t h e a k n o w l e d g ef 0 1 1 0 wa s ： 1 ) 1k 咖8 8 毹坩酊w a i l 础s u 盯d u n d i n g l i n i n gs t r u c t u r e ，l y i n gw i t h i n t h eu p p e ra n dl o w e r i l 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并己致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：叠鳖墨沙8 年3 月2 旧 学位论文使用授权声明 本人在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索：2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：越 导师签名： b 弼年弓月叫日 绪论 1 绪论 1 1 地裂缝活动及其危害的的研究现状 地裂泛指所有的地表土层中的裂缝( 不是岩层中的裂缝) 。它可能是构造地裂，如地 震、火山、岩壳蠕滑引起的地裂，也可能是地层不同形式的变形引起的非构造地裂，如斜 坡失稳前的滑塌地裂、塌陷型与地面沉降型沉陷地裂、膨胀或湿陷变形地裂、浸水、干湿 与冻融地裂以及复合地裂( 多因素) 等。截止1 9 9 9 年底统计，全国发现具有一定规模能 引起人们重视的地裂缝有60 0 0 余条，其中构造地裂缝约占8 0 左右。如汾渭盆地有地裂 缝1 0 1 处2 8 6 条，其中构造地裂缝占8 2 、非构造地裂缝占1 8 。河北平原有地裂缝2 0 1 处4 4 9 条，构造地裂缝占7 9 3 、非构造地裂缝占2 0 7 。汾渭盆地的构造地裂缝中断层 蠕滑型地裂缝约占2 0 8 ；区域微破裂开启型地裂缝约占7 9 2 ；河北平原则分别约占15 和8 5 。从其分布格局、发育程度、成因类型组合和构造背景分析，可分为华南、华北、 东北和西部4 个地裂缝分布区。各分布区地裂缝发育程度与当地地壳活动程度相对应，西 部地裂缝分布区的断层活动强烈，强震频繁，地壳相对不稳定，地震地裂缝极发育；华北 地裂缝分布区的断层活动较强，强震较多，地壳基本稳定，无震地裂缝和地震断层地裂缝 较发育；华南和东北两地裂缝分布区不活跃，各自发生强震较少，无震地裂缝不发育，只 有台湾出现较长的地震断层地裂缝。此外，人类工程活动，尤其是地下水开采也是近几十 年来我国地裂区发展的主要原因。当在有地裂存在的地区建筑工程时，应查明地裂缝的具 体位置、延伸方向、产状、影响带宽度及其产生机理，分析地裂缝活动对场地稳定性的影 响，评估场地建设的适应性以及建筑时应采取的措施，对于工程建设具有重要意义。 1 1 1 地裂区地基的特征与成因 地裂缝的地貌特征即几何形态，与地形分布、地震活动、断裂构造等有密切联系，或 在梁、洼交界处出现，与深部断裂性态一致，与地震活跃期相对应，具有有序性、自相似 性；或与区域重力场相协调，出现在沉降区边缘，以环状角度倾向沉降中心。覆盖层地形 分布与其下伏构造往往有对应的关系，已有的地形是过去构造运动与不同沉积的结果，新 的构造运动可能诱发上覆地层出现地裂缝，这种地裂缝属于深部岩土层变形的结果，包括 了断裂构造的蠕变及强震快速运动两种，根据不同构造运动诱发原因可以区分为无震和地 震地两种裂缝。深厚覆盖层在各种自然营力或人类工程活动作用下的不均匀变形及相对位 移运动也可能诱发地裂缝。如胀缩、湿陷、冻融、干旱等特殊土地裂缝，滑塌、陷落、地 震次生等自然重力地裂缝；采掘、沉降、爆破等人类活动引起的地裂缝。 地裂缝的成因美国学者早就形成了三种观点：一是构造成因；二是地下水开采成因； 三是构造与地下水开采复合成因。自2 0 世纪6 0 年代，我国相继发现地裂缝以来，对其成 因的认识与美国学者相近，可称“构造说 、“水土说 、“综合说”三种观点并列，其争论 今犹未止，早期坚持“水土说者居多，随着工作的深入，“综合说即构造与地下水开 采复合说占了上风。研究表明，决定构造地裂缝的形成和发育有多种因素。按其发生、发 展过程中所起作用的组合，可分为主导、诱发和影响三个因素。主导因素是控制地裂缝孕 西安理工大学硕士学位论文 。 育、发展、活动性质和展布格局的决定性因素，包括新生代的构造环境、构造基础和触发 地裂缝产生的动力源；诱发因素是决定和影响地裂缝发生时间、地段、强度的因素，主要 有降水、干旱、重力、地震等自然因素，和抽取地下水甚至造成地面沉降、农业灌溉等人 为因素，诱发隐伏地裂延及地表成缝；影响因素则是影响地裂缝发育程度的因素，如土质、 地形、气候、水体等因素。 西安的地裂缝特征比较典型，它受到构造活动和人为因素控制。构造活动是地裂缝形 成的基础，人类活动导致了地裂缝活动加剧，且视其相对的强弱表现出不同的属性。西安 地裂缝的构造属性表现为它在地震时明显的活动性( 历史上有过多次地裂活动的记载，唐 山地震后，在区域构造应力场调整期内开始加剧) ；地裂的平面分布有良好的定向性( 北 东向) 和近似等间距性；地裂均分布在黄土梁南侧与洼地的过渡带，地貌位置相同，有南 倾南降的正断型活动方式；反演得到的主应力方向与现代构造应力场主应力方向一致，且 地裂与下伏的隐伏断裂( 由物探得知) 相对应以及地裂两侧的地层错距自上而下有由新至 老的生长性。西安地裂的人为属性表现为地裂强烈活动地段多位于承压水位降落漏斗及地 面沉降的中心区；地裂有年内周期性变化规律( 3 4 月份块，9 1 0 月份慢) ，且与地沉的 年周期变化基本一致，抽水量增加的区域内，地裂活动由隐伏到明显增强。 1 1 2 地裂区的灾害与机理分析 自2 0 世纪6 0 年代以来，我国东部相继发生数以千计的地裂缝，危及城乡建设。尤其 是城市地裂缝因过量抽汲地下水成倍增大了地裂缝活动量，造成和破坏甚重。据对西安地 裂缝的自动连续观测和精密仪器测量，发现地裂缝有差异沉降、水平拉张、水平错动三向 变形，年优势速率为沉降差1 2 1 4m m 、拉张枷m m 、水平错动1 3 9 姗，三者比值为1 5 ： 5 ：1 ；邯郸地裂缝三者之比为9 ：5 ：l ，即沉降差最大、水平拉张次之、水平错动最小。 地裂缝活动的影响范围可分为主变形区和微变形区，前者宽度上盘5m 、下盘2m ，后者 两盘均宽5m 。 断层蠕滑型地裂缝灾害是其长期的活动效应。地裂缝活动成为动力源使其周围一定范 围的地质体发生位移，产生形变场和应力场，这些场通过地基和基础作用于建筑物。长期 水准测量观测表明，位于地裂缝上的建筑物结构破坏主要由地裂缝两侧的相对沉降差产生 的，水平方向的拉张和错动更加重了破坏程度。这种地裂缝的发生所导致的破坏效应，可 以引起地面工程设施的结构破坏，可以造成某些地基的失稳和失效。 区域微破裂开启型地裂缝多是区域微破裂开启拉张成缝致灾，少数是沿地裂缝渗透潜 蚀成盲沟，沟顶冒落致灾或软化增荷致塌成灾。这类地裂缝上建筑物结构的破裂主要由地 裂缝张开向两侧拉伸引起的，个别地裂缝经掏蚀加宽，部分建筑物自重沉降加重了破坏程 度。破坏的形状多是拉伸变形呈多条斜裂缝，使建筑物开裂失稳。由于区域微破裂分布广 而分散，其开启缝成为地表水渗漏甚至管涌的通道，可使库坝、河堤开裂漏水，成为安全 隐患。 断层蠕滑、区域微破裂开启型地裂缝活动中，构造应力可以通过建筑物地基、基础和 上部结构进行传递，加上建筑物上部的自重应力作用，导致建筑物拉张、剪切而破坏。造 绪论 成结构失效，建筑物损伤、破坏、甚至报废拆除。地裂缝活动使道路变形、交通不畅，使 地下输排水管道错裂、供水中断、污水横溢、电缆拉断，危及生命线工程。地裂缝活动使 农田、河渠、堤坝开裂漏水，威胁库坝安全。地裂缝使工厂厂房、车间开裂，机床变位停 转、停产，甚至折断被拆除。因此地裂缝两侧变形带不宣布置有关建筑，从而大大降低其 场地的使用价值。此外，较大地裂缝事件中地裂、房裂，易使群众误认为是大震前兆而惊 恐不安，甚至纷纷搭防震棚露宿，影响了社会安定和正常的工作秩序。成千上万的无震构 造地裂缝出现在我国中东部，其分布广、数量大、作用时间长。所到之处农田开裂漏水、 农业减产、堤坝水渠裂缝、道路桥涵变形、窑洞倒塌、建筑物破坏、管道破裂，损失之重， 构成名符其实的地裂缝灾害。地裂缝灾害是随着地裂缝长度增长，其活动而加强而逐渐加 重的。 1 2 西安地裂缝概况及主要岩土工程问题 1 2 1 西安地裂缝概况 西安地裂缝是一种地区性的地质灾害现象，包括已出露地表的地裂缝和隐伏地裂缝共 发现1 5 条，均分布在黄土梁洼地貌范围内。地裂区面积约1 5 0 1 m 2 ；地裂缝出露总长度7 2 k i n ， 延伸长约1 0 3 k m ；单条地裂缝出露最长1 1 3 8 k i n ，最短2 k m 。地裂缝向东西两侧延伸，东 过沪河，西到皂河边。 西安的地裂缝特征比较典型，它受到构造活动和人为因素控制。构造活动是地裂缝形 成的基础，人类活动导致了地裂缝活动加剧，且视其相对的强弱表现出不同的属性。西安 地裂缝的构造属性表现为它在地震时明显的活动性( 历史上有过多次地裂活动的记载，唐 山地震后，在区域构造应力场调整期内开始加剧) ；地裂的平面分布有良好的定向性( 北 东向) 和近似等间距性；地裂均分布在黄土梁南侧与洼地的过渡带，地貌位置相同，有南 倾南降的正断型活动方式；反演得到的主应力方向与现代构造应力场主应力方向一致，且 地裂与下伏的隐伏断裂( 由物探得知) 相对应以及地裂两侧的地层错距自上而下有由新至 老的生长性。西安地裂的人为属性表现为地裂强烈活动地段多位于承压水位降落漏斗及地 面沉降的中心区；地裂有年内周期性变化规律( 3 - 4 月份块，9 1 0 月份慢) ，且与地沉的 年周期变化基本一致，抽水量增加的区域内，地裂活动由隐伏到明显增强。西安地裂缝主 要特征如下： ( 1 ) 西安地裂缝由主裂缝、次生地裂缝和分支地裂缝组成； ( 2 ) 地裂缝总体走向n b _ - n e e ，近似平行于长安一临潼断裂带，倾向s p - s s e ，与长安 临潼断裂带倾向相反，倾角8 0 度，平面形态呈不等间距平行排列； ( 3 ) 地裂缝的延伸具有很好的连续性，每条地裂缝的延伸长度达数公里至数十公里； ( 4 ) 地裂缝都发育在特定的构造地貌部位，即“梁岗”地貌的南侧陡坡上( 梁间洼地的 北侧边缘) ； ( 5 ) 地裂缝的活动方式是蠕动，主要表现为主地裂缝的南侧相对下降，北侧相对上升。 其中f 6 和f 9 次生地裂缝表现为北侧相对下降，南侧相对上升； 西安理工大学硕士学位论文 ( 6 ) 地裂缝的垂直位移具有单向累积的特征，断距随深度的增大而增大： ( 7 ) 地裂缝活动速率与抽取深层承压水有很好的相关性。 1 2 2 西安地裂区主要岩土工程问题 西安市地铁就建设在活动的地裂缝黄土地层中。地裂缝活动对隧道等洞室稳定性的影 响都表现在不均匀变形而引起构筑物的附加应力和附加变形；过大的变形导致衬砌结构破 坏引起渗漏或沉降缝处过大位移导致防渗材料破坏而引起渗漏；洞室不均匀沉降差引起内 部结构产生附加应力而可能遭到破坏，或者导致如地铁轨道不平顺而影响运行。地裂缝活 动是多种原因引起的，往往认为是不可抗拒的，一方面需要查清地裂缝的分布、产状和运 动特征；另一方面需要采取相应的结构措施，主动地适应地裂缝引起的不均匀沉降。已往 的工程由于大多数为点”式建筑，如工业与民用建筑，它们可以采用位置避让法解决。如 西安市规定建筑物避开地裂缝上盘为1 2 m ，下盘为8 m 。对于线”型建筑或构筑物，位置避 让法是完全不可能的，而时间避让法更不能适应城市建设的需要。以往，对于管道工程， 常采用柔性管材和柔性管道接口来保证地裂缝处地下构筑物的连续性。对于地铁隧道及地 下车站等大型地下结构，应采取怎样的主动措施和被动措旌来保证地铁隧道的稳定性。 西安是一个高烈度强震区城市，历史上黄土高原区有8 0 余次强震，有不少黄土的地 裂震害实例。例如：1 5 5 6 年陕西华县地震( 8 级) 袭击了广大的黄土地区，位于极震区的渭 南县地裂缝遍地，鼓楼下沉达1 米多：1 7 1 8 年甘肃通渭地震( 7 5 级) ，在陇西地区的马兰 黄土层中形成了大量滑坡，极震区几乎均被地震滑坡所占，约有6 6 5 k m z ，许多地方出现地 裂、地陷。目前西安城郊区共发现1 5 条地裂缝，分布范围东起铲河，西至皂河，北起辛 家庙，南至电视塔，面积约1 5 0 k m 2 。地震运动可能引起地裂缝进一步发展变化，同时也会 引起黄土的响应反映，导致力学性质的显著变化。黄土遭受震动荷载作用时反映敏感，易 产生结构破坏而引起的震陷和液化。历史上黄土地区遭受的地震灾害已经表明，黄土场地 浅层的q 。黄土、黄土状土及新近堆积黄土存在震陷变形及震动液化破坏灾害的可能。不 同场地的地层结构不同，不同黄土的动力特性不同，遭受震动作用后由于震陷和液化产生 的危害不同。依据实际工程场地黄土地层的可能震陷变形量和饱和后产生的液化危害性， 可以对黄土场地进行震害分区研究。依据震陷量( s 。) 的分部可以将震陷灾害划分为四级： 震陷性黄土i 级，s d 7 c m ；震陷性黄土i i 级，7 c m s 。 3 0 c m ：震陷性黄土级，3 0 c m s 。 6 0 c m 。依据场地地层中是否存在可能液化的饱和黄土层可以区分为 潜在液化区和非液化区。远近场强震作用下地裂缝的迅速发展变化和次生地裂缝的产生， 以及强震耦合作用下围岩的工程性质变化必然引起围眼对衬砌结构的动力作用，由此引起 地下结构的破坏。 1 2 3 西安地裂区岩土工程问题治理的一般措施 地裂缝场地破坏与建筑物安全距离的确定是地裂缝灾害对策研究最为关注的问题之 一，针对不同地区、不同成因、不同类别的地裂缝，已经建立了安全距离的确定方法。另 外，就地裂缝灾害对策，提出了许多定性的认识，如减少人为因素影响、采用建筑物防灾 绪论 减灾对策等等。 ( 1 ) “点 式建筑时空避让法 在地裂区建筑时的特殊工程措旌有时空避让法，即在空间上选址应避开裂缝( 上盘避 1 2 m ，下盘避8 m ) 和在时间上避开地裂的快速蠕滑期( 一般在地裂快速蠕滑以后，若连续 3 年的活动速率 0 1 - 1 m a ，则致尖作用已减弱) ；还有部分拆除法与适当加固法。在地裂 走向与建筑物长轴接近正交时，可设沉降缝隔开；如斜切一个小角，可作整体加固；如从 中间斜穿，常拆除部分，保全大部；如在边墙基下( 平行长边) ，可采用挑梁加固；如在 中间直穿，只有易地重建。此外，目前也出现了一种断裂置换法，就是在断裂上对建筑物 近旁用人工方法设置一条新的断裂，使断裂沿人工断裂活化，使原断裂老化( 基于费马原 理，即能量最小原理) 。此外，增强建筑物、管道等适应不均匀沉降的能力，对钢筋混凝 土基础采用筏基、箱基及十字基础，对多层框架和多层砖房增强整体性，简化体形，设现 浇混凝土圈梁和门室洞口的钢筋混凝土过梁，对单层工业厂房采用铰接排架体系和轻型屋 盖，对各类管道明装，跨越地裂时用柔性接口，对贮水和大量用水的建筑( 如印染、化工、 浴池、水池等) 远离地裂布置以及采用排水放水措施，不使水渗入或不排向地裂缝，不采 用振冲桩等水量较大的方法处理地基以免加剧地裂等，都是在地裂区应该注意的措施。 ( 2 ) “线型 地下工程主动适应变形法 对于管道工程，无法避开现有的地裂缝。由于长期的地裂缝运动，地裂缝管道两侧错 台加大，跨越地裂缝的旧排水管道许多已被损坏。开挖改造旧排水管的方案采用柔性管材 和柔性管道接口，并配合以加强的砂基础。对于在不小于地裂缝上盘1 2 m ，下盘8 m 范围 的排水管道，选用聚乙烯双臂波纹管( p e ) 或玻璃钢夹砂管( p v c ) 、双波纹塑料螺旋管等可 变形较大的管材。这些管材接口选用双密封圈，由于这些管材的密封圈接口允许变形量大， 所以为了保证有充分的变形预留，选用每根管的管长尽可能短一些。这些新型可变形柔性 管材是目前经验证最适宜用于断裂缝处的管材，它们不但可允许变形量大，而且采用双密 封圈接口还可有一定的伸缩量，这样不仅能适应垂直变形，还可适应地裂缝的水平张裂和 扭动。为了避免柔性管道受到钢性挤压，减小变形量，要将管材安放于充满中、粗砂的沟 槽中，并在沟两侧砌墙，沟顶加盖板。这样就充分保证了柔性管材的自由变形受外界影响 较小。而且一旦沟底由于地裂缝的作用发生开裂，沟内的砂还可灌入裂缝，避免出现空洞。 在改造地裂缝处排水管时尽可能要在距地裂缝最近的检查井设置跌水，跌水也要设置的大 一些，为以后地裂缝处的排水管再次改造创造条件，避免产生倒坡。在改造地裂缝处排水 管时，还应将检查井尽可能的移出地裂缝的破坏范围。这是目前西安市地下管道建设应对 地裂缝的措施，它的基本出发点是主动适应地裂缝的发展，改善管道自身的刚度，这对西 安地铁的建设有重要的参考价值。 对于地铁隧道，以主动适应不均匀变形为原则，同时兼顾强支的思想，具有一定的合 理性。但由于地裂缝的存在改变了地铁隧道的边界条件( 应力边界条件、位移边界条件和 渗流边界条件) ，问题的复杂性使得目前的设计计算理论无法有效地预测未来不均匀变形 ( 地裂缝上盘垂直位移、平面拉伸和侧向扭转) 发展条件下衬砌结构将产生多大的附加应 西安理工大学硕士学位论文 力和附加变形，以及在这种附加应力和附加变形条件下衬砌结构能否安全地抵抗外来荷 载，即衬砌结构的可靠性分析。与此同时，地裂缝引起的地层错动也给隧道防水措施和长 期监测技术带来了巨大挑战。地裂缝错动不仅引起隧道衬砌可能产生较大的变形，而且可 能在隧道沉降缝处产生较大的相对位移，现有的防渗措施已远不能满足大位移条件下不被 破坏的要求。由于地裂缝两侧土体的相对错动可能引起衬砌结构和防渗设施破坏，发展长 期监测技术，对于了解运行过程隧道的位移、变形和附加荷载的变化，判断工程的运行状 态具有特殊重要性。 1 3 地裂缝对西安地铁隧道影响的初步分析 1 3 1 地裂缝对衬砌结构的影响 通过对西安地裂缝造成现有地面建筑物、市政构筑物如道路、桥梁和地下管道等破坏 特征分析，地裂缝致灾机理是地裂缝的活动导致地裂缝上盘下降，带动土体结构破坏，地 基发生不均匀沉降而引起地表建( 构) 筑物的破坏。同时，地裂缝活动导致地面开裂后， 地表水沿地裂缝带入渗和潜蚀，引起黄土湿陷变形和不均匀沉降，从而进一步加剧地表建 ( 构) 筑物的破坏。毫无疑问，如果在西安修建地铁时，对经过地裂缝带的地段不采取特 殊的结构措施或采取措施不当，地铁修建后地裂缝的活动将对地铁的安全运营构成严重威 胁，极有可能引起一系列的地铁病害问题。 地铁隧道施工主要包括暗挖法和盾构法，这需要在设计与施工中充分考虑当地裂缝与 地铁隧道相交时，地裂缝的活动对衬砌结构造成的危害类型与大小等，以及衬砌结构在多 大活动量情况下需加强或当常规衬砌结构不能使用时，采取何种结构方案跨越地裂缝最为 有效和合理等问题。为此，需确定在地裂缝作用下，隧道结构的整体变形模式，在此基础 上，结合地裂缝的活动特点，分析研究如何在结构计算中考虑地裂缝的作用。确定地裂缝 的作用方式、地裂缝位移错动量的大小及其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，这是一个复杂的土与结构相互作用的问题。对于地裂缝环境下 的地铁隧道，特别是横穿地裂缝的隧道结构，在地裂缝上下盘相对错动状况下，隧道衬砌 在纵向将承受比正常情况下大得多的附加应力和变形，此时衬砌在结构强度和防水两个方 面都可能失效，使隧道不能正常运营。为了搞清楚地铁隧道在地裂缝作用下的受力特征， 需对地裂缝的几何特征和运动学特征进行分析，主要是上下盘的错动特征、错动影响范围、 地表断坎的形态等。 a 地裂缝地表形态 根据野外调查和地裂缝地表断坎实测，归纳出地裂缝几种地表断坎形态： 裂开型：这种形态显示，地裂缝的垂直断坎尚未形成或仅有小的错台，地表可见 地裂缝，这类地裂缝处于初期形成阶段，未来错距会增大，是一类在结构设计中应引起重 视的地裂缝。 台阶型：主地裂缝的垂直错距在地表显见，明显呈现出高度不等的台阶，说明该 类地裂缝处于比较强的活动阶段。 绪论 ( d 台凹型：地裂缝两侧的垂直差异运动显著， 地裂缝活动趋于减弱。 ( d 稳定型：地裂缝两侧的垂直差异运动减弱， 的垂直位移还会增加，但不会太大。 在断面出有凹陷，台阶明显，但该类 地表断坎形态已无多大变化，地裂缝 b 地裂缝位移条件下衬砌结构力学行为分析 根据地裂缝错动位移作用，可以归纳分析隧道结构在地裂缝位移作用下的基本力学行 为。当隧道埋于土体中时，在纵向可以简化为设置于土体内的地基梁，当地裂缝上盘下降 时，可产生以下效应： 在地裂缝带附近，地裂缝位移发展具有一个影响带。表面上是上盘相对于下盘的 运动，实质上下盘对上盘有阻碍运动的作用，下盘受到上盘附加拖动作用，造成地裂缝附 近带内应力条件发生变化。 当隧道连续衬砌结构跨越地裂缝时，上盘内隧道底部围岩土体的支撑作用减弱， 局部可能脱空。上覆土体的下沉运动引起隧道衬砌结构发生剪切和弯曲变形。 当上盘相对于下盘发生向下位移运动时，埋置于地层中的隧道具有阻碍上盘下降 运动的作用，从而也就改变衬砌结构上覆围岩压力。 在地裂缝上盘变形带内，由于衬砌两侧的土体相对于隧道向下运动，对隧道衬砌 施加向下的作用力，引起隧道底板的拉裂变形。 c 地裂缝的差异对隧道衬砌影响 根据归纳出的四种西安地裂缝地表的断坎形态，以及不同类型的地裂缝对已有结构物 的破坏特征分析，通过野外测量和调查，具体归纳出如下两种变形和破坏形式： 地裂缝带宽度大，裂缝带变形呈缓坡状，隧道结构受力模式如下：在下盘距裂缝 带6 - 1 2 m 范围内隧道受拉，隧道在地裂缝段和上盘一定范围内呈斜坡形态，在1 0 2 0 m 范 围内呈现缓慢弯曲形态。 地裂缝带窄，变形带呈上下剧烈变化，隧道受力模式如下：在下盘距裂缝。一6 m 范围内隧道某处受拉，在上盘靠近裂缝带附近出现剧烈的弯曲段。弯曲段出现的部位和弯 曲程度与裂缝带的宽度、上部荷载的大小、裂缝带错距大小等有关系。 1 3 2 地裂缝造成的地铁隧道的破坏模式 西安地裂缝尽管已经揭示了1 5 条，但还有未发现的地裂缝和今后可能诱发的地裂缝。 已有的地裂缝和将来发展形成的地裂缝均对地铁隧道结构构成危害。已有地裂缝活动监测 资料表明，地裂缝两侧地层土体的运动主要属于竖向错动、水平向胀拉。这种地裂缝活动 对于采取结构措施的衬砌结构或未采取结构措施的衬砌结构带来不同程度的破坏。将地裂 缝带可能引起的地铁隧道变形破坏大致分为如下两种模式： a 张拉一挤压破坏型 地裂缝对工程破坏的实例及数值模拟分析结果表明，在地裂缝铅锤向位移作用下，隧 道围岩土体作用使得隧道衬砌变形超过容许值时，由于地裂缝上盘下降，下盘基本稳定， 西安理工大学硕士学位论文 地铁隧道底部将产生压应力，顶部产生拉应力。当拉、压应力超出了隧道衬砌的抗拉和抗 压强度后，地铁隧道就产生张拉一挤压型强度破坏；随着地裂缝铅锤向位移量的进一步增 大，隧道衬砌可能产生环向开裂，导致隧道衬砌内表面出现裂缝或顶部混凝土剥落。 b 直接剪断破坏型 当地裂缝活动突然增大，远远超过了地铁隧道衬砌的容许变形量时，地裂缝的垂直错 动将导致隧道发生直接剪断破坏；另一方面，在上盘由于隧道两侧土体向下运动，势必在 隧道上引起较大的剪力，如果上覆土层较厚，地裂缝活动较强时，可能产生剪断破坏。但 这种破坏模式一般较少发生，因为从以往的监测和收集到的资料表明，地裂缝的活动基本 上是一个缓慢的过程，因某种特殊原因发生时，才会在短期内产生较大幅度的位移错动， 活动最活跃时年活动速率为5 6 m a 。 由于受地裂缝的错动作用可能导致隧道衬砌变形破坏，隧道衬砌的变形和破坏，极有 可能造成如下几种隧道病害： ( 1 ) 铁轨路基及轨道变形超出容许值 地裂缝带的活动首先会引起地铁隧道衬砌的变形，衬砌变形到一定程度后其变形将传 递到隧道内部的铁轨路基，使路基下沉变形，从而导致跨地裂缝处的轨道产生变形，因为 地铁轨道的上下容许变形量不能超过几个毫米，因此这将严重影响列车的正常运行。 ( 2 ) 地铁隧道渗漏水 隧道和其他地下工程处于岩土层中，隧道穿过或靠近地下含水地层时，将受到地下水 的渗透作用，若衬砌的防水及排水设施不完善，地下水就会浸入隧道，发生隧道渗漏水病 害。据统计，截至1 9 9 8 年底，我国5 0 0 0 余座运营铁路隧道中，有水害的隧道约占7 0 ， 水害导致严重状态的有1 3 6 2 座，占运营隧道总数的3 0 以上。而地铁方面也是如此，如 2 0 0 2 年完成的南京地铁，尽管采用了管片结构自防水和接缝防水等防水措施，但由于施 工环境和地质条件的特殊性，还是出现了局部渗漏水现象；上海地铁新客站施工时顶板和 衬砌就出现裂缝及漏水，经过堵漏后又出现多处渗透。由此可见，地下工程中的水害问题 是十分严重和突出的。究其原因，主要是我国防水设计标准偏低和设计方案不完善造成的。 此外，隧道勘测过程中往往不重视复杂地质条件的专门研究也是一个重要原因。 西安市地铁二号线沿线存在1 0 条主地裂缝带，当地裂缝的活动量超过了地铁隧道衬 砌的容许变形量时，衬砌开裂，地表水沿地裂缝带留下，从衬砌断裂处下渗，从而在地铁 隧道的拱顶、边墙等裂损处发生渗漏水和淌水现象。如果地铁隧道埋于含水层以下，在地 裂缝的垂直错动作用下，隧道衬砌破坏后，极有可能发生更为严重的隧道水害一隧道涌水 现象。并且，隧道水害发生后，会进一步引发路基下沉、基底开裂、翻浆冒泥等病害，导 致地铁轨道水平变形超限，严重影响行车安全。 同时，由于地裂缝带是很好的渗流通道，地表水沿地裂缝下渗时，一方面在隧道衬砌 周围大量汇集，如不能迅速排走，静水压力增大到一定程度时，随着地裂缝的活动，极有 可能导致隧道衬砌破裂；另一方面地表水沿地裂缝带下渗和流动，冲刷地裂缝侧壁，使地 绪论 裂缝宽度变大，随着水流的冲刷作用的进一步增强，可导致地铁隧道底部土层被掏空，衬 砌基础下沉，边墙开裂或仰拱、整体轨道下沉变形。 在地裂缝活动可能引起的上述地铁隧道病害中，最严重的是隧道衬砌破坏导致对隧道 渗漏水。因此，在强调地铁跨地裂缝处结构措旌的同时，地铁跨地裂缝的防水措施也应引 起足够的重视，二者是相辅相成，确一不可，互为因果。 1 4 本文研究的目的、方法及内容 1 4 1 研究目的 通过对西安地裂缝造成现有地面建筑物、市政构筑物如道路、桥梁和地下管道等破坏 的特征分析，地裂缝致灾机理是地裂缝的活动导致地裂缝上盘下降，带动土体结构破坏， 地基发生不均匀沉降而引起地表建( 构) 筑物的破坏，同时，地裂缝活动导致地面开裂后， 地表水沿地裂缝带入渗和潜蚀，引起黄土湿陷变形和不均匀沉降，从而进一步加剧地表建 ( 构) 筑物的破坏。毫无疑问，如果在修建西安地铁时，对经过地裂缝带的地段不采取特 殊的结构措施或采取措旌不当，地铁修建后地裂缝的活动将对地铁的安全运营构成严重威 胁，极有可能引起一系列的地铁病害问题。本文通过对沉降缝不同的设置分析，得到穿越 地裂缝的衬砌段在地裂缝作用下，结构应力分布和位移运动规律，进而分析出最适合的沉 降缝设置位置，以满足西安地铁运行中对结构的要求，保证地铁建设的稳定性和长久性。 1 4 2 研究方法 本文采用数值模拟的方法，模拟西安地铁隧道黄土地层及地裂缝产状，通过大型有限 元软件a n s y s ，首先开展三维数值计算模拟开挖过程的隧道结构内力及围岩土体应力场， 然后模拟地裂缝上盘下降位移，计算分析地裂缝错动对隧道衬砌应力和位移影响，并通过 对不同条件下得到的衬砌应力变化及位移变化进行分析比对，得到总体满足设计要求且更 有利于未来地铁维护和加固的沉降缝设置。 1 4 3 研究内容 ( 1 ) 通过文献资料分析，认识西安市地裂缝的发育和分布状况；通过具体地铁隧道 地层场地工程地质勘察报告分析，确定数值模拟地层结构及相关力学参数。 ( 2 ) 三维数值模拟地层结构及隧道开挖施工过程，考虑不同的衬砌结构方案及地裂 缝产状和接触面特性，确定相应的隧道衬砌结构及围岩土体初始应力场。 ( 3 ) 通过在有限元模型底部边界施加位移条件来模拟地裂缝两侧土体的相对移动， 分析衬砌结构位移、结构内力及围岩应力条件变化。 ( 4 ) 比较分析不同衬砌结构方案结构的安全性、隧道整体位移变化规律；初步提出 适应地裂缝运动条件下衬砌结构设计的指导性意见。 西安理工大学硕士学位论文 2 西安地铁工程地质条件分析 本文研究依托的工程为西安地铁二号线草场坡小寨区间。( 设计里程为： y c k l 6 + 4 6 1 0 9 6 y c k l 7 + 3 5 6 9 4 4 ( z c k l 6 + 4 6 1 0 9 6 z c k l 7 + 3 5 6 9 4 4 ) 。全长8 9 5 8 4 8 m 双线 米。该区间内有两条主地裂缝，地铁隧道穿越地裂缝的初步设计方案为缩短衬砌结构变形 缝，扩大衬砌结构洞径，保证地铁运行需要的空间，采用暗挖法旄工。本章重点阐述地裂 缝区间段的地层结构，地裂缝分布及产状，以及地裂缝影响范围和衬砌结构的初步方案， 为地裂缝错动条件下衬砌结构力学性状变化和围岩作用变化分析提供基础。 2 1 工程地质及水文地质 2 1 1 地形、地貌 草场坡至小寨区间场地自西安市草场坡起，沿长安中路向南到小寨。本区间途经西安 市中心地带，为西安市最繁华市区，人流车流众多。 本区间地形大致平坦，地面高程一般在4 1 1 1 1 一- - 4 1 2 0 6 m ，在长安立交桥附近地势较 高，最高达4 1 3 0 8 m 。勘察场地地貌单元属黄土梁洼。 2 - 1 2 地层岩性 拟建场地位于黄土梁洼区，地表一般均分布有厚薄不均的全新统人工填土( q 乞。) ；其 下为上更新统风积( q 3 e o 。) 新黄土( 局部为饱和软黄土) 及残积( q 3 ，) 古土壤，底部为中 更新统风积( q 乙。) 老黄土、残积( q 乞。) 古土壤、冲积( q 2 ，) 粉质黏土、粉土、细砂、中 砂及粗砂等层或透镜体。主要地层特征自上而下分述如下： ( 1 ) 第四系全新统： 卜1 人工填土：杂色，由粉质黏土与多量砖瓦碎片组成，结构杂乱，土质不均。地表 处多为道路路面( 混凝土或沥青) 及灰土、碎石垫层。本层层厚1 3 0 - - , 2 3 0 m ，层底深度 1 3 0 - - - , 2 3 0 m ，层底高程4 1 0 1 4 - - - , 4 1 1 6 9 m 。 1 - 2 人工填土：以黄褐色为主，主要为粉质黏土，含少量砖瓦片，土质不均，地表处 多为道路路面( 混凝土或沥青) 及灰土、碎石垫层。本层层厚0 8 0 - - 4 7 0 m ，层底深度0 8 0 - 7 o o m ，层底高程4 0 5 9 2 - - 4 11 9 8 m 。 ( 2 ) 第四系上更新统： 3 - 1 新黄土：黄褐色，褐黄色，土质均匀，具虫孔及大孔隙，含少量蜗壳碎片，可塑， 在水位附近有软化现象。靠近草场坡站附近有饱和软黄土( 3 一卜1 层) ，呈软塑状态，工 程性能较差。本层层厚0 6 0 8 2 0 m ，层底深度2 5 0 , - - - 11 o o m ，层底高程4 0 0 3 6 , - - - 4 1 0 3 5 m 。 3 2 古土壤：褐红色、棕红色，团粒结构，具针孔状孔隙，含钙质条纹及少量钙质结 核，层底钙质结核含量较多，局部地段富集成2 0 - 4 0 c m 厚的钙质结核层。硬塑可塑。本 层层厚2 7 0 - - - - 4 9 0 m ，层底深度6 2 0 - - - - 15 8 0 m ，层底高程3 9 6 2 6 , - - - 4 0 6 8 5 m 。 ( 3 ) 第四系中更新统： 4 - 1 老黄土：黄褐色，褐黄色，土质均匀，具少量孔隙，含少量蜗壳碎片及少量钙质 西安地铁工程地质条件分析 结核，可塑，局部流塑。在y c k l 6 + 4 3 2 y c k l 6 + 6 4 0 、y c k l 6 + 7 0 0 y c k l 6 + 8 5 0 、 y c k l 7 + 0 3 0 y c k l 7 + 1 8 0 等里程处有饱和软黄土( 4 - 1 - 1 层) ，呈可塑一流塑状态，工程性能 较差。本层层厚0 6 0 , - - - - 1 0 4 0 m ，层底深度8 0 0 - 3 3 o o m ，层底高程3 8 0 0 5 - - 4 0 5 0 5 m 。 4 2 古土壤：褐红色、棕红色，团粒结构，具针状孔隙，含钙质条纹及少量钙质结核， 在层底处钙质结核含量较多，局部富集成2 0 c m 厚