（岩土工程专业论文）穿越地裂缝带的马蹄形隧道结构围岩土相互作用研究.pdf

长安大学硕士学位论文 摘要 西安地裂缝是一种典型的地质灾害，给西安市的城市规划和建设带来严重影响。自 西安地裂缝发现以来，学者们对地裂缝的发育规律及其工程致灾状况的研究也在不断深 入的进行中。尤其是西安城市轨道交通1 号线和2 号线开始建设以来，地裂缝问题更是 得到了重视。本文以西安地铁工程为研究对象，重点研究地裂缝环境下地铁隧道结构与 围岩( 土) 相互作用。 本文在现有研究资料的基础上，对西安地裂缝可能引起的地铁隧道变形破坏模式进 行了讨论；建立了地裂缝活动环境下地铁隧道结构与围岩( 土) 的相互作用模型。论文 主要对一下两点进行了较深入的讨论： ( 1 ) 分析地裂缝的成因，总结西安地裂缝的发育、扩展机理及对构筑物的破坏模 式。在现已搜集到的研究资料的基础上，分析了西安地裂缝活动环境下地铁隧道结构的 受力、变形破坏模式，并对马蹄形隧道的内力计算进行了讨论。 ( 2 ) 在已有资料的基础上，用m i d a s g t s 软件建立地裂缝活动环境下围岩( 土) 与地铁隧道结构之间的相互作用模型。用简化计算及数值模拟的方法讨论了围岩( 土) 对隧道的土压力计算、纵向和环向内力计算、地裂缝活动对隧道内力的影响以及隧道变 形对围岩( 土) 体的反作用等。总结出地裂缝活动环境下，围岩( 土) 与地铁隧道结构 之间的相互作用特点。 通过分析地裂缝处围岩( 土) 体和地铁隧道的形变及应力变化规律，及对地层形变 和应力分布的影响，得出马蹄形隧道结构在地裂缝活动下的受力特点、对周围土体的影 响程度等围岩( 土) 体和地铁隧道的相互作用规律。 关键词：西安地裂缝，马蹄形地铁隧道，相互作用，破坏模式，数值模拟 a b s t r a c t b o u n df i s s u r ei nx i a n , o n eo f t h et y p i c a lg e o l o g i c a ld i s a s t e r s ，h a sc a u s e ds e r i o u sh a r m s t ot h ec o n s t r u c t i o nc r o s s i n gt h ec r a c k s t h ed i s a s t e r sh a v ew a r n e du so ft h es u b w a ys e c u r i t y n o wm e t r ol i n el & l i n e2i su n d e rc o n s t r u c t i o n s ow en e e dd os o m es t u d i e st oa s s u r et h e s a f e t yt r a n s p o r to p e r a t i o na n dc o n s t r u c t i o no fm e t r o t h es o i l - t u n n e l s - s h a p e d ) i n t e r a c t i o n i nt h ee n v i r o n m e n to fg r o u n df i s s u r ea c t i v i t i e si sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r i nt h i sp a p e r , g r o u n df i s s u r e ，i t sg e o l o g i c a ld i s a s t e r sa n dt h ep o s s i b l ef a i l u r em o d e so f s u b w a yt u n n e la r ed i s c u s s e do nt h eb a s i so ft h ee x i s t i n gr e s e a r c hd a t a a n dm o d e lo ft h e s o i l - t u n n e l s 御- s h a p e d ) i n t e r a c t i o nm o d e l e da n ds i m u l a t e dt os t u d yt h em e c h a n i s m si nt h e e n v i r o n m e n to fg r o u n df i s s u r ea c t i v i t i e s t h en l a i np o i n t sd i s c u s s e da sf o l l o w s ： ( 1 ) d i s c u s st h ec a u s e s ，d e v e l o p m e n ta n de x t e n s i o nm e c h a n i s m o f t h eg r o u n df i s s u r ei n x i a 1 1 f o r c e ，d e f o r m a t i o na n df a i l u r em o d e sa l ea l s od i s c u s s e di nt h ee n v i r o n m e n to fa c t i v e g r o u n df i s s u r e s ( 2 ) t h em o d e lo ft h es o i l - t u n n e lc o - s h a p e d ) i n t e r a c t i o nw i l lb er e f i n e da n dm o d i f i e di n t h ee n v i r o n m e n to fa c t i v eg r o u n df i s s u r e s c h a r a c t e r i s t i c so ft h em o d e lw i l lb ed i s c u s s e da n d s u m m a r i z e d t h ew a y so fs i m p l i f i e dc a l c u l a t i o na n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni su s e dt oa n a l y s e t h ef o r c e ，d e f o r m a t i o na n df a i l u r em o d e so fu s h a p e dt u n n e lt h r o u g hg r o u n df i s s u r e si nx i a n h e r em i d a s g t sw i l lb eu s e dt od e a lw i t ht h ep r o b l e m a l la n a l y s i sa b o v ep r o v e st h a tv a r i o u sc o m p o n e n t sn e e dt ob ec o n s i d e r e dw h e nw es t u d y t h ei s s u e s f i n a l l y , t h el a wo ft h es o i l - t u n n e l ( u s h a p e d ) i n t e r a c t i o n , i nt h ee n v i r o n m e n to ft h e g r o u n df i s s u r ei nx i a n , i ss u m m a r i z e d a n dt h ec o m b i n a t i o no fr e s u l t so fr e s e a r c hc 纽 p r o v i d et h e o r e t i c a la n dt e c h n i c a ls u p p o r tf o rm e t r ot u n n e l sa c r o s st h eg r o u n df i s s u r e k e yw o r d s ：g r o u n df i s s u r e ，u s h a p e dt u n n e l ，s o i l - t u u n e l s - s h a p e d ) i n t e r a c t i o n , m e t h o do fs t r u c t u r a l - l o a d , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 长安大学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 世界上第一条地铁位于英国伦敦的法林顿( p a d d i n g t o n ) 和主教路( b i s h o p sr o a d ) 之间，于1 8 6 3 年1 月l o 日开始运营。当时总长不足6 公里，到今天，伦敦已有1 2 条 地铁线在地下纵横交错，构筑了密集的城市轨道交通网。在这个拥有7 0 0 多万人口的城 市里，仅地铁的每日客流量已高达2 0 0 万人次。百余年来，在全世界范围内地铁不仅大 大缓解了地上交通的压力，也构成了世界各大城市生活的一个重要特征。同时，地下空 间( 如城市的地铁体系、各种市政设施隧道及地下商场等设施) 的合理利用已经是解决 城市人口拥挤问题的主要措施之一。 上世纪8 0 年代后期，国际隧协提出了“大力发展地下空间，开始人类新的穴居时 代的倡议。地下空间开发利用已经作为解决人口、环境、资源三大难题的重大举措， 在世界各国得到了积极的响应。特别是城市交通隧道作为空间立体交通方式之一，不仅 可以缓解城市交通压力，解决交通干线跨江越海受到的限制，而且可以缩短线路里程， 降低对周围环境和人民生产、生活的影响。但是，在交通隧道给人们生产、生活带来便 利，越来越多被使用的同时，也受到火灾、水灾、地震、地裂缝等人为灾害及自然灾害 的危害，并造成了巨大的社会影响和经济损失。 地裂缝作为一种缓慢发展且渐进性的地质灾害现象，在全世界许多国家和地区都有 存在和发育。其灾情发生的频率与灾害的规模也逐年加剧，现已成为一种特殊的区域性 地质灾害。其活动主要表现为：地裂缝两侧岩( 土) 体的相对错距以及水平方向的拉张 和错动，使地表、构筑物、地下构筑物、地下设施等发生严重破坏。据统计，我国由于 地裂缝灾害造成的经济损失已达数十亿元，对人民生命财产造成巨大威胁。对西安而言， 尤其是从上世纪五十年代以来，在市区内先后发现了十四条，对位于地裂缝附近或穿越 地裂缝的各种构筑物、市政设施、管道等造成了严重的破坏。据不完全统计，已造成的 经济损失超过十多亿元。西安地裂缝及其相关灾害已成为西安市区最主要的地质灾害之 一f l q0 古都西安作为世界历史文化名城，不仅承载着千古历史文明，更是中国西部城市发 展的一颗闪亮之星。随着经济的飞速发展，城市规模发展迅速，以及古城西安国际化大 都市的准确定位，西安市城市快速轨道交通线建设项目已经全面得到审批，并且已有三 条线处于建设中。已经主体完工的南北走向快速轨道( 也称为西安地铁) 2 号线将是西安 第一章绪论 市规划轨道交通线网中最重要的干线，也是西安市区以钟楼为中心的主轴线。它穿越 囊日r ：。k l ，。f f 二& 逼撤二二游 7 。j 鼻。i7 ：艮一i2 ：- f 图1 1 西安市城市快速轨道交通规划图n 1 了西安1 4 条地裂缝中的1 1 条，西安地铁1 、3 号线呈东西向展布，其中l 号通过4 条 地裂缝，这些地裂缝中有几条工程致灾特征严重，其中f 9 、f 6 、f 5 和f 4 地裂缝地表出 露长，连续性好，活动强烈，致灾严重地段占出露长度的7 0 以上，其他地裂缝致灾段 占整个长度的5 0 以上，是地铁建设史上面临的难点问题之一。因此，西安地铁建设中 的关键难题之一就是解决好地铁隧道穿越地裂缝带的工程问题，所采取的结构措施及旌 工方法是核心。所以，需要在这方面进行深入细致的研究，对解决谣安市地铁建设及建 成后的地铁安全运行中存在的问题有重要的意义【9 - h i 。 西安市城市快速轨道交通线网规划由6 条线路以及大唐新干线组成，总长2 1 7 4 公 里。如图1 1 所示为西安市城市快速轨道交通规划图( 六条线路) 。其七条线路分布如 表1 1 所示； 在西安快速发展城市交通的过程中也不可忽视西安特殊的地质构造和地质条件。西 安所处的渭河流域从地质构造上看，南临秦岭北麓大断裂，北面是凤翔澄城大断裂， 圈 长安大学硕士学位论文 中间是近东西走向的渭河断陷盆地。此处地壳的垂直升降运动很强烈，有发生大地震的 地质背景；同时西安地区目前已经探明有十四条地裂缝，这一特殊情况使使地铁穿越地 区的地质条件进一步的复杂化。 表1 1 西安市城市快速轨道交通规划分布表m 1 线路起点终点里程( k m )车站( 个)修建时间备注 一号线后卫寨纺织城 2 3 91 92 0 0 8 1 0 2 0 1 3 一期 二号线西安铁路北客站会展中心2 6 42 l2 0 0 6 0 9 2 0 l l 三号线港务区鱼化寨3 6 33 02 0 0 9 四号线草滩农场韦曲科技产业园 3 5 2 2 32 0 1 0 五号线纺织城火车站纪阳 4 4 93 l 六号线纺织城长安科技产业园 4 1 12 6 大唐新干线陕西历史博物馆曲江海洋科普馆 9 68 因此，在地裂缝活动环境下隧道结构的受力分析、地层与结构相互作用、隧道防水 设计以及跨地裂缝地带地下结构的安全监测等问题已经成为西安地区地铁建设最需要 考虑的问题。由于各地地质环境差异性大，所以对于西安地裂缝活动环境下隧道结构的 受力分析及地层与结构相互作用的研究尚处于起步阶段。所以对以上问题展开的系统、 深入的研究，将会进一步的丰富和深化地裂缝灾害的防治研究，并将地裂缝的研究成果 与工程建设结合的更加紧密【l m l l l 。 ， 本文选择西安城市快速轨道2 号线为对象，建立地裂缝活动环境下地铁隧道结构与 围岩( 土) 的相互作用模型，对地裂缝活动时地铁隧道结构与围岩( 土) 的相互作用的 力学效应进行研究，以便更好的研究西安其他各条跨地裂缝的地铁线路的隧道防灾设 计、安全监测提供理论及防水措施等项目。 ， 1 2 研究现状 1 2 1 地裂缝、地裂缝成因及地裂缝灾害研究现状 ” ” “地裂缝通俗的说就是地面裂缝的简称，是地表岩层、土体在自然因素( 地壳 活动、水的作用等) 或人为因素( 抽水、灌溉、开挖等) 作用下产生开裂，并在地面形成 一定长度和宽度的裂缝的一种宏观地表破坏现象，也称地质现象。学者王景明对地裂缝 做了定义，认为地裂缝是土体受内外力作用下，岩石和土层产生变形，当内外力的作用 的积累超过围岩( 土) 层内部的结合力时，岩土体产生破裂，其连续性破坏，形成裂隙 ( 含节理和断层) 。地裂缝在地下因受到周围围岩( 土) 层的限制和上部围岩( 土) 层 的土压力作用，所以比较紧密。在靠近地表处由于围压作用明显减小，且有很大的自由 3 第一章绪论 空间，所以接近地表裂缝较宽，即我们常见的地裂缝。其中，地裂缝的一种重要的形成 原因是发生强烈地震时，因地下断层错动致使地质岩层发生错动，在地表产生断裂现象， 其走向和地下断裂带一致，表现为规模大，一般呈带状分布。有时，地裂缝活动会与地 震活动有关，或为地震前兆现象之一，或为地震在地面的残留变形。后者又称地震裂缝。 由于地裂缝又是不断运动发展的，所以地裂缝常常直接影响城乡经济建设和群众生活。 所以如今，地裂缝以及由其引起的灾害已经作为一种独特的地质灾害成为国内外岩土地 质工程领域研究的重要课题。尤其是不可避开的地裂缝灾害，直接威胁到已有和在建基 础设施工程，对人们正常的生活造成不可估量的影响【l - 3 1 。以下是地裂缝的研究现状： ( 一) 国外有关地裂缝研究现状 国外关于地裂缝的提出，英国著名科学家c 莱伊尔( 1 7 9 7 1 8 7 5 ) 曾在所著的地 质学原理一书中描述了多种不同成因的地裂缝，有不同地区的地震地裂缝和火山地裂 缝。关于地裂缝形成的系统研究，美国是在这方面研究较为广泛和深入的国家。自十九 世纪二十年代在美国首次发现地裂缝以来，学者们对各地的地裂缝产生、发展和灾害方 面都进行了不同程度的研究。尤其是从2 0 世纪7 0 年代末开始，美国地质调查局( u n i t o d s t a t e sg e o l o g i c a ls u r v e y ) 、内华达大学( u n i v e r s i t yo f n e v a d a ) 等单位集中选择亚利桑那州 ( a r i z a o n a ) 的皮卡乔( p i c a c h o ) 、德克萨斯州( t e x a s ) 的休斯顿( h o u s t o n ) 、内华达 州( n e v a d a ) 的拉斯维加斯( l a sv e g a s ) 、加里福尼亚州的图格尔一沃斯科及桑克拉雷谷 地( t ug e e r w a s o o & s a n g k e l a l e iv a l l e y , c a l i f o r n i a ) 等作为重点研究区域进行研究。在 研究成果的基础上提出了地裂缝成因的三种观点即：构造成因、地下水过量开采成因、 地质构造成因及地下水过量开采综合成因l l 叫。 、 | ：。i 1 ) 1 9 2 7 年美国首先发现地裂缝以来，美国学者从地震研究入手，认为地裂缝的形 成是由于受构造运动形成。莱奥纳多( l e o n a r d ，1 9 2 9 年) 最早由提出构造成因观点，。 他从地震作用角度分析了出现于亚利桑纳州( a r i z a o n a ) 的皮卡乔( p i e a c h o ) 附近的地 裂缝及相距1 3 公里的爱提诺矿( e it i r om i n e ) 地表异常破裂的成因( 1 9 2 8 年9 月1 2 日) 。他认为，1 9 2 7 年9 月1 1 日在亚利桑纳州东南部途胜城( t u c s o ) 附近的地震导致 了该地区地质岩层破裂，最终使得已有破裂面的岩层产生破裂运动。之后如萨凡奇 ( s a v a g e ，1 9 9 6 ) 、克雷特勒( k r e i t l e r ，1 9 7 7 ) 、弗莱舍( f l e i s c h e r ，1 9 8 2 ) 、怀亚特( w y a t t ， 1 9 8 2 ) 、鲁迪穆尔( r o q u e m o r e ，1 9 8 2 ) 、利平科特( l i p p i n c o t t ，1 9 8 5 ) 及胡德h o l d a h ( 1 9 8 6 ) 等学者对亚利桑纳( a r i z a o n a ) 、加利福尼亚( c a l i f o r n i a ) 、德克萨斯( t e x a s ) 等州地裂 缝的研究也持构造成因观点。另外，卡彭特( c a r p e n t e r ，1 9 9 3 ) 研究了皮卡乔盆地( 4 长安大学硕上学位论文 p i c a c h ob a s i n ) 地裂缝变形和地面错距的长期观测资料，并用三维位错理论结合构造活 动对地裂缝成因进行了全面系统地分析。 2 ) 地裂缝形成原因是地下水过度开采造成的。这种观点早期就为许多人所接受， 理论上的解释具体体现在三个方面：一、费思( f e t h ，1 9 5 1 ) 、尼欧( n e a l ，1 9 6 8 ) 、修 曼( s c h u m a n n 等，1 9 7 0 ) 和纳拉西姆汉( n a r a s i m h a n ，1 9 7 9 ) 等提出：土层失水压缩导 致含水层水平运动进而引起地表开裂和土层差异垂直错距引起地表开裂等观点；二、弗 莱彻( f l e t - c h e r ，1 9 5 4 ) 和莱弗格伦( l e f g r e n ，1 9 6 9 ) 提出：与渗透作用有关的理论， 具体表述为地下水降落漏斗导致水力梯度增大，进而产生管涌现象，造成土体中产生拉 张应力集中，然后地表出现张裂和降落漏斗，致使产生向中心渗流，此时含水层拖拽变 形，产生土层张应力集中，最后产生地表开裂模型的观点；三、鲍尔( b o u w e r ，1 9 7 7 ) 提出的与盆地边缘有关的盆地地下水下降，导致松散土层固结变形，地表土层固结量大 小于下伏土层，产生土层错距翻折，最后出现盆缘折裂模型的观点。例如，美国内华达 州( n e v a d a ) 的拉斯维加斯市( l a sv e g a ) 就是典型的例子，从1 9 0 5 年开始对地下水 进行抽取，到1 9 3 5 年开始进行地面变形观测，地面沉降影响面积已达1 0 3 0 k m 2 ，累计沉 降幅度在沉降中心区已达到1 5 m 1 1 2 。 3 ) 霍尔泽( h o l z e r ，1 9 8 0 ，1 9 8 1 ，1 9 8 4 ) 等人提出的地质构造与地下水超量开采共 同作用形成地裂缝的观点。霍尔泽( h o l z e r ，1 9 8 0 ，1 9 8 1 ，1 9 8 4 ) 等人通过对亚利桑纳 州地裂缝研究后认为：影响该区域地裂缝发育活动的两个最主要因素是该区域的地质构 造活动与对地下水过量开采。其中，地质构造活动对地表形变的影响主要表现为错断位 移，而土层差异压缩变形的影响主要表现为土体开裂位移。随着对地裂缝成因不断的研 究，越来越为大多数人更为接受这个观点。 很明显，后一种是前两种的综合。后逐渐加强研究地下水超采对地裂缝的影响，形 成了地质构造与地下水开采复合成因观点。目前，美国地裂缝的研究更多的考虑多学科 交叉，综合研究，如：在亚利桑那州皮卡乔和爱提诺的地裂缝研究中，设置了专门的试 验剖面，定期进行物探等方法的探测，并建立断层变形、地裂缝位移及地面错距的关联 观测体系，以取得更全面的证据。 一 ， ( 二) 国内有关地裂缝研究现状 1- 我国对地裂缝的研究是从探索地震预报和捕捉地震前兆开始的，始于二十世纪六十 年代末期。七十年代中后期，许多地方出现了由的地面沉降产生地表裂缝得到广泛的注 意，主要发生在工业发达城市、内陆盆地、地下水水源区及油气田开采区。由于地质构 造原因及对地下水的过度采抽，我国在5 0 年代到7 0 年代很多大城市如北京，西安等城 第一章绪论 市和华北平原灌溉区开始出现广泛的地面沉降。其中，大别山北麓、渭河流域，特别是 西安等地区相继发生较大规模的区域性地裂缝现象，并在一些地区形成了重大灾害，直 接影响了人们的正常生产生活【1 2 l 。 我国学者对地裂缝的成因机理的研究也经过一个长期的研究过程。学者们以汾渭盆 地地裂缝为典型，从成因及成因机制等问题进行了系统研究，提并出了多种成因机理模 型。汾渭盆地地裂缝成因的问题经过长达二十余年的“构造成因说 与“抽水成因说 之间的争论。 。 一 一 对于西安地裂缝的研究，也是地裂缝的成因争论最早的说法，八十年代初的主导观 点是地面错距成因论，这种成因说认为西安地裂缝是由于过量抽取地下水导致地面发生 大面积沉降，产生错距引起地裂缝。地裂缝上下盘土体错距发生带上，由于两侧错位变 形差大于岩土体的极限应变而产生了地表破裂，而局部地质构造条件对地裂缝的形成只 起到有限的影响控制作用( 易学发，1 9 8 2 ，1 9 8 4 ；吴在宝等，1 9 8 6 1 王德潜等，1 9 9 6 ： 苏刚等，1 9 9 8 ；阎文中等，1 9 9 8 ；王园等，1 9 9 9 ) 。随着地裂缝的研究工作在不断地深 入，许多学者比较赞同西安地裂缝的构造成因：西安地裂缝是由构造基底伸展断裂系在 横向拉张地质应力场的作用下形成，同时也考虑了长期对地下水开采所造成的影响。主 要的学者代表有：张家明( 1 9 8 6 ，1 9 9 0 ) 的断块掀斜成因论、刘国昌、王景明( 1 9 8 4 ， 1 9 8 6 ) 的隐伏断层蠕动成因论、王兰生( 1 9 8 9 ) 的构造重力扩展成因论、彭建兵( 1 9 9 2 ) 的主伸展断裂伸展活动成因论、李永善、吴嘉毅等( 1 9 8 6 、1 9 9 0 、1 9 9 2 ) 的基底断裂活 动成因论等。成因模式各有所不同，但共同点是构造成因为主同时考虑对地下水开采的 影响。 ： 对于大同地裂缝的研究，著名学者刘玉海、陈志新和马国栋( 1 9 9 0 ) ，到后来的徐 锡伟( 1 9 9 4 ) 都做了很深入的调研和研究。最后认为其成因有可能与鹅毛1 ：1 - 1 ：3 泉断裂 的右旋倾滑运动所引起的局部拉张效应有关系。 ，、 与此同时，学者们对汾渭盆地的榆次、清徐、临汾、运城、渭南、咸阳、三原等地 地裂缝的研究也取得了一定的进展。可是，由国家地震局( 1 9 9 2 ) 地质研究所所提供的 调查研究结果表明：大同地区基底的地质构造活动仅是大同地裂缝形成的一个背景因 素，大同地裂缝的形成的主要原因还是过量汲取地下水，并得出地裂缝位错运动量的 7 0 与过量汲取地下水引起有关。 通过对国内外研究成果的总结，我们可以看出地裂缝的成因有：“地质构造成因说 、 “地下水开采成因说与构造抽水综合成因说等等。其中地质构造与地下水开采复合成因 6 长安大学硕士学位论文 观点已被人们普遍接受，并且已经在某些方面有了重要的理论依据。总的看来，经过这 么多年来国内外学者的研究，对地裂缝相关的研究已经取得了不断进展一但由于地裂缝 问题典型的区域性特点，分布与成因复杂，涉及不同部门及学科，而各部门对地裂缝的 研究的目的又不尽相同，所以对地裂缝研究的侧重点也有所不同。为此，我们应该避免 造成研究成果分散，在宏观研究的基础上，系统深入，以满足工程抗灾设计的需要【l 叫。 如今，地裂缝的研究在成因机理、水文特性预测及预报工作的同时，国内外对地裂 缝研究趋势正从以往的定性静态描述转向以过程为目标的精确定量动力学研究。研究者 们开始重视利用相似材料模拟地裂缝的形成与发展，以非线性理论对地裂缝系统进行定 量的数学描述，建立准确的预测、预报模型( 如人工神经网络模型) ，并与g i s 相结合， 建立完善的研究、预测、预报系统，减少地裂缝灾害对人类活动的影响。 1 2 2 隧道结构围岩( 土) 相互作用的研究现状 。自古人们就开始了地下空间的利用，如最早修建穿越围岩( 土) 的通道或穴居洞室， 到后来的地下建筑物、地下通道、穿山隧道及地下管线等地下构筑物工程的修建。从上 世纪六十年代以来，不断发展的隧道及地下结构开挖相关新技术和对结构研究方法很大 地促进了地下空间领域飞速进步。 。 一 顾名思义，地下构筑物工程构筑于围岩( 土) 中，这也是地下建筑结构或构筑物的 特殊性。也就是这特殊的环境因素，对我们在围岩( 土) 中构筑工程带来很大不便。所 以一直到今天，在对地下构筑物的设计、开挖及使用等方面仍然存在着需要解决的一系 列问题。首当其冲的就是分析地下构筑物与围岩( 土) 中相互作用的受力特点以解决这 些工程问题。同时，越来越多的学者在前入的基础上对土与结构相互作用进行研究。 1 2 2 1 隧道结构设计理论的发展 -” 经过几十年的发展，地下有关结构的设计计算理论在不断的发展中。对于隧道结构 设计理论的发展经历了如下几个主要的发展阶段【1 3 - 1 5 l ： ， 初始阶段，十九世纪末期主要以砖石为材料的隧道衬砌，仿拱桥进行设计，拱轴线 与推力曲线相重合。其特点是只考虑衬砌承受其周围围岩( 土) 所产生的主动压力荷载， 而不计围岩对衬砌变形的约束和由此产生的围岩被动抗力。 第二阶段，考虑围岩( 土) 对隧道衬砌变形的约束，但仍按各种土压力理论确定作 用在衬砌上的主动荷载。主要代表有：o 科默雷尔( o k o m m e r e l l ) ，苏联地下铁道设计 局的有关专家( 1 9 3 6 ，1 9 3 9 年) 和有些学者，c c 达维多夫( c c d a v i d o v ) 等。从o 科默 雷尔( o k o m m e r e l l ) 考虑刚性边墙上呈直线分布的围岩( 土) 压力，到提出了假定抗 7 第一章绪论 力图形的计算方法( 采用了局部变形的温克尔假定) ，再到苏联地下铁道设计局的有关 专家( 1 9 3 6 ，1 9 3 9 年) 和有些学者曾提出局部变形弹性地基圆环理论计算圆形隧道衬砌， 后来由c c 达维多夫( c c d a v i d o v ) 等考虑用弹性介质共同变形理论( 以共同变形的 弹性地基梁为基础，考虑认为一点的作用力，不仅引起该点地基沉陷，而且引起邻近范 围内其他点地基沉陷) 。除此之外，还有人研究过按极限状态计算衬砌的方法。 。 第三阶段，将隧道衬砌和围岩，( 土) 体系按连续介质模型进行分析。此模型从弹性 力学理论出发得出了圆形衬砌结构的弹性解，到发展得出了圆形衬砌简化弹性解，再到 j 塔洛布( j 厢i u t y o u1 9 5 7 年) 和h 卡斯特纳( h k f s t n c r1 9 6 0 ) 年得到的圆形洞室的弹 塑性解，最后到采用岩土的各种流变模型进行了圆形隧道衬砌与围岩的粘弹性分析。- 随着施工技术的飞速进步和电子数字计算机技术的高速发展，以及混凝土与岩土本 构关系( 应力应变关系) 研究的进展，以有限元法为主的地下结构计算数值方法，使 设计理论进入了一个新的时期。应用德鲁克一普拉格屈服准则( d r u c k e r p r a g e ry i e l d c r i t e r i o n ) 进行圆形洞室的弹塑性有限元分析一o c 津凯维奇( o c z i e n k i e w i c z ) 按无拉 力分析研究过隧道的应力和变形，提出了模拟开挖效应的初应力释放法及弹粘塑性模型 计算隧道衬砌一e l 威尔逊( e l w i l s o n ) 等进行过地下结构的有限元抗震和抗爆分析， 及用有限元分析探讨了各种因素对地下洞室和围岩( 土) 的影响( 包括节理围岩洞室的 稳定、施工顺序对洞室稳定以及开挖面附近三维应力状态等问题) 。近年来，由著名学 者石根华提出的非连续变形分析方法( d d a ，d i s c o n t i n u o u sd e f o r m a t i o n a n a l y s i s ) ，也可 广泛的用于分析衬砌结构与围岩( 土) 相互作用，尤其是可以解决共同作用中隧道结构 和围岩( 土) 产生大变形时的受力情况，更加符合实际受力情况，已在一些工程分析中 得以应用。 ：， 。一。 j ， ，j 一 1 2 2 2 地下隧道结构与围岩( ) 的相互作用的研究方法 离散型多样性的围岩( 土) 与隧道结构组成的系统是地下结构与围岩( 土) 的相互 作用研究的重点。对隧道结构与围岩( 土) 的相互作用研究进行全面而真实的解释和模 拟在经济合理性的制约下还需要不断的采用新的方法和研究理论来发展和更新。只有将 已有不同的手段有机结合起来，才可能真正揭示隧道结构与围岩( 土) 相互作用问题的 机理，并对其行为和过程进行较为准确的描述。 最近二十年来，我国基础建设的步伐不断加快，随着一系列重大工程的相继修建， 隧道结构与围岩( 土) 的相互作用的研究，也在理论和实践中都得到了极大地推动和迅 速地发展。隧道结构与围岩( 土) 的相互作用的研究方法可总结为以下几种1 1 6 1 ； 长安大学硕士学位论文 原型观测，包括足尺实际工程试验以及实际工程试验段实测研究； 模型试验：主要是足尺模型试验、大比例尺模型试验，实验室内小比例模型试 ，验等： 数值模拟的方法，主要是有限元分析等。 ， 近年来，在继续进行各种理论分析方法研究的同时，模型试验研究和原型测试的分 析研究也越来越得到各国学者的重视，与理论分析方法结合的研究方法已经是隧道结构 与围岩( 土) 相互作用研究的重要方法。，： 在这里，最值得注意的是应用十分广泛的有限元法。随着计算机的应用发展，计算 机的求解速度越来越快，有限元法也得到了不断的发展和突破。所以在地下结构分析等 方面，数值模拟研究已经得到了非常广泛的应用。尤其是一些有限元软件的产生，如： a b a q u s ( 具有强大的非线性分析功能，其u s e rs u b r o u t i n e 模块能够根据用户的实际需要， 编写用户自定义的材料本构模型、单元类型、荷载类型等) 、a d i n a ( 主要特点：以有限 元方法为基础的大型数值计算系统，通过求解各种物理基本控制方程来计算各种结构、 流体、温度场及多场耦合的工程问题) 、a l g o r ( 以其分析功能齐全、使用操作简便和 对硬件的要求低，在从事设计、分析的科技工作者中享有盛誉) 、a n s y s ( 基于有限单 元法的大型通用软件，涉及领域极其广泛，良好易用的图形界面( g u i ) ，性能、易用性、 协同工作及耦合技术，如流固耦合，等方面有很大提高) 、m s c m a r c ( 是功能齐全的高 级非线性有限元软件，具有极强的结构分析能力) 、f l a c ( f a s tl a g r a n g i a na n a l y s i s o fc o n t i n u a 连续介质受力与变形的快速拉哥冉日方法分析) 以及m i d a s g t s ( g e o t e c h n i c a la n dt u n n e le n g i n e e r i n g 岩土隧道分析软件) 等【1 7 - h i 。 1 2 2 3 围岩( 土) 与地下隧道结构相互作用需要解决的问题 对于围岩( 土) 与地下隧道结构体系相互作用的问题，仍存在着需要解决的一系列 问题1 9 - 1 5 】 2 5 - 3 0 1 ： 。a 、研究不同地质情况下，不同施工工艺下，不同隧道结构、地下建筑结构及地下 管道设旌等受力模型、围岩( 土) 稳定、隧道结构稳定以及围岩( 土) 与隧道相互作用 本构模型。从而真正得到大家广泛认同的模型，使得地下工程的设计和施工更加经济安 全合理。 b 、特殊工况荷载下，地下结构破坏机理。如地震荷载、爆破荷载等作用下长隧道 与围岩( 土) 相互作用机理，地铁隧道与地铁站连接处结构安全分析等。 c 、原型观测、模型试验、足尺模型等模型试验研究受到模型材料、试验测试设备 9 第一章绪论 的制约。有关特殊土与结构接触面研究，如膨胀土、黄土、冻土等与混凝土接触面的力 学特性方面等还有待研究。 ： d 、特殊区域性的灾害引起地下结构新课题。如地裂缝灾害对于地下结构的影响。 西安地裂缝环境下，地铁隧道无法避开地裂缝时，地铁隧道结构与围岩( 土) 相互作用 的研究已经是研究的一个新领域。， ， 、 ! ； 1 2 3 地裂缝环境下土体隧道相互作用的研究现状 。+ 一 一 西安城市快速轨道项目的展开，使得西安地裂缝的的发展、发育及致灾得到了更广 泛和深入的重视。也是整个项目实施中尤为突出、急需解决的问题。自项目开展以来， 著名专家学者彭建兵：门玉明、范文、黄强兵等从快速轨道项目前期就开始对跨越地裂 缝环境下土体一隧道相互作用做了一些深入的研究【1 1 1 。， 一 除了理论分析和计算，长安大学彭建兵教授领导的课题组通过实际地裂缝调查、搜 集多年来西安地面沉降监测资料、进行活动监测、小比例尺( 1 ：2 5 ) 模型试验、大比 例尺( 1 ：5 ) 模型试验( 地裂缝沉降及扩展试验、不同结构形式隧道衬砌受力机理模型 试验) 、小模型抗震模型试验( 考虑地震动荷载作用下地裂缝沉降及扩展试验、不同结 构形式隧道衬砌受力机理模型试验) 。其中小比例尺模型试验( 1 ：2 5 ) 在模型箱( 2 o m 3 o m x1 5 m ) 中完成，模型试验考虑模拟上下盘相对竖向位错作用，研究地裂缝环境 下马蹄形隧道结构变性破坏的影响机制。其中大比例尺( 1 ：5 ) 模型试验在长安大学地 基沉降试验平台上完成，模拟地裂缝运动模式下整体矩形截面、马蹄形截面及盾构隧道 受力机制。长安大学试验平台的面积为3 2 0 m ( 2 0 r e x1 6 m ，允许沉降量为3 0 a n ) ，主要 包括支撑系统、动力系统以及电脑测试系统。沉降试验平台整体的沉降通过对应点的1 3 8 组自锁千斤顶分批升降实现，沉降通过植入的位移传感器及电脑操作系统控制平台沉 降。 。+ 对地裂缝活动时隧道结构与围岩( 土) 相互作用的研究及跨地裂缝地带地铁隧道 的力学效应的研究方面，前面的学者们进行了卓有成效的工作。对西安地裂缝对盾构隧 道和地铁整体式衬砌隧道，包括马蹄形隧道和箱型隧道影响机制有了系统的认识。特别 近年来，在地裂缝环境下已完成的地铁隧道大型物理模型试验研究，耗时四年，先后进 行了5 组9 个工况的试验，已经得了一些重要成果，到目前为止，研究工作仍在继续进行。 大量的物理模型试验，不仅对隧道结构与围岩( 土) 受力相互作用研究有了很大的进展， 而且对地裂缝环境下地下隧道结构措施给出了切实的建议。 另外，长安大学门玉明、李凯玲等正在进行多种工况下的小比例( 1 ：2 0 ) 模型试 1 0 长安大学硕士学位论文 验研究( 国家自然科学基金项目：裂缝活动环境下的地层一地铁隧道相互作用研究，基 金号4 0 7 7 2 1 8 3 ) 。试验在自制模型箱( 2 o m 1 6 m x1 o m ) 中进行，共计十三种工况， 主要研究圆形及马蹄形隧道结构在地裂缝处上下盘位错下的相互作用。在整个领域中， 对这方面的研究也正在深入的展开。 1 2 4 西安地裂缝环境下地铁隧道设计需要考虑的问题 由于地裂缝活动，活动区域发生过量不均匀沉降会对隧道结构内力、变形、接头防 水以及隧道正常运营造成严重的影响。因此，研究隧道的纵向结构性能和变形性能，分 析隧道纵向沉降的因素，是非常必要而且迫切的。西安地裂缝环境下地铁隧道与围岩 ( 土) 相互作用研究主要存在的问题【9 】【3 1 。5 】： 1 、地裂缝运动下地铁隧道受力分析 地铁隧道在西安地裂缝环境下，上下盘不均匀沉降，随着竖向错距的加大，地铁隧 道与围岩( 土) 相互作用发生变化，并产生危害。 一 2 、列车动荷载及地面车辆荷载对隧道结构的受力及使用影响，另外在动荷载的 作用下，土将产生附加的压缩性。试验表明：土的振动压缩曲线与静荷载压缩曲线是及 其相似的，但压缩量较大，一般随着动荷载作用强度的增大而增大，这与土的特性和所 受的静荷载大小有关。在动荷载作用下，沉降量大小除取决于振动加速度( 振动频率和 振幅) 外，还与作用的时间有关，动荷载的时间愈长，压缩量愈大，最终趋于稳定。 3 ：城市地下水作用，随着环境的改交以及对西安地下水开采的限制，西安地下水 位的回升不仅会对西安地裂缝的发育产生影响，而且会对修建好的西安地铁隧道带来新 的危害。1 4 、地震及爆破荷载作用下，地震力及爆破力对地铁隧道影响，西安地区抗震设防 烈度8 度区，处于地震活跃地区。 5 、隧道结构在以上作用下对周围已有建筑物及构筑物造成的影响。两者相互影响 作用，造成破坏。对人们的正常生活及公共基础设施的使用造成影响。 1 3 本文研究的主要内容 1 3 1 本文研究的内容 本文以西安市“十一五重大工程即西安地铁项目中的二号线为背景，主要研究西 安地铁隧道( 马蹄形隧道截面) 穿越地裂缝带时，马蹄形地铁隧道结构与围岩( 土) 相 互作用机理( 包括受力、变形、影响区域及隧道的破坏情况等) 。为了解决与之相关的 第一章绪论 工程问题，在课题中总结了西安地区地裂缝的特点，在对隧道结构力学计算分析学习的 基础上，探讨地裂缝环境下马蹄形地铁隧道结构与围岩( 土) 相互作用机理及特点。在 对隧道结构力学计算分析学习的基础上，探讨了地裂缝环境下马蹄形地铁隧道结构与围 岩( 土) 相互作用机理特点。结构与围岩( 土) 相互作用本来就具有十分重要的意义， 是一项需要不断深入研究的课题。国内外对隧道结构与围岩( 土) 相互作用的研究，己 取得了一定的成果，可是由于地下结构与围岩( 土) 的复杂性，仍然有许多待解决的问 题需要研究。对于地裂缝活动环境下地下结构与围岩( 土) 相互作用课题的研究，则更 是一个全新的课题。 、 。 本文针对特定条件分析讨论了穿越地裂缝带的马蹄形隧道结构与围岩( 土) 相互作 用机理。具体内容如下： ( 1 ) 讨论分析了地裂缝的成因，总结西安地裂缝的发育、扩展机理及对构筑物的 破坏模式。 ( 2 ) 在已有资料的基础上，完善地裂缝活动环境下围岩( 土) 与地铁隧道结构之 间的相互作用模型。 t ， ( 3 ) 分析在西安地裂缝带环境下地铁隧道结构的受力、变形破坏模式。 一t 本文在研究西安轨道交通( 西安地铁隧道) 穿越地裂缝带的隧道结构与围岩( 土) 相互作用模型中，隧道结构采用整体式马蹄形截面，地裂缝与隧道结构正交布置。马蹄 形隧道截面也是目前西安地铁跨地裂缝段采用的结构形式。文中首先讨论隧道结构所受 的土压力计算。其次，讨论马蹄形隧道截面环向受力特点及纵向受力特点，并研究给出 了地裂缝环境下马蹄形隧道结构纵向内力计算的简单方法。最后，用有限元计算软件 m i d a s g t s 建立了有限元模型，对地裂缝活动环境下地铁隧道结构一围岩( 土) 相互作用 进行了模拟分析。 ( 4 ) 对地裂缝活动环境下，围岩( 土) 与地铁隧道结构之间的相互作用力学机制 以及对隧道结构破坏危险点做出总结。 通过结构分析研究了穿越地裂缝带地铁隧道的形变及应力变化规律，分析和总结了 地铁隧道破坏的最危险部位。得出了马蹄形隧道结构在地裂缝活动下的受力特点以及对 周围土体影响程度。为分段式隧道结构提供参考。 ，。 j 。 l 。3 2 本文的技术路及研究意义、 本文通过对马蹄形隧道结构进行特定环境下( 地裂缝环境下) 的荷载分析和受力机 理分析，在一定程度上分析马蹄形地铁隧道结构与围岩( 土) 相互作用受力分析机理， 1 2 长安大学硕士学位论文 得出地裂缝运动对隧道结构的影响程度和影响范围，从而能在以后的工程设计中考虑地 裂缝的影响，确保地铁隧道正常运营。在此基础上，讨论分析地铁隧道结构的监测方法。 其技术路线图1 2 所示。 穿越地裂缝带的马蹄形隧道一围岩( 土) 相互作用研究 鼍荔慧雾耄薹翥器li 地裂缝特点及