（地质工程专业论文）地裂缝作用下的地铁隧道与地层相互作用模型试验研究.pdf

摘要 由于自然和人为等因素的作用和影响，自上世纪5 0 年代以来，西安市区先后出现 了1 4 条地裂缝带，其活动时间之长和规模之大，在国内尚属罕见，直至目前，有的地裂 缝还在活动。这对于西安地铁工程建设，是一个重大安全隐患。如果不能采取有效的措 施，必将会对西安地下铁道工程造成严重的影响。由于地铁工程无法避让，必须穿越这 些地裂缝带，并且不允许在建成运营后出现较大的损坏，因此明确地裂缝对地铁隧道的 作用机制、解决地铁穿越地裂缝带的防灾设计问题就显得尤为重要。 本文作者利用长安大学地基沉降试验平台模拟地裂缝的活动，对西安典型地层埋深 2 0 o m 范围内地裂缝活动对地铁箱型隧道结构的影响机制进行了研究，采用位移计、水 准仪、钢弦式压力盒、应变片测试系统等测试仪器，得到了地铁隧道结构通过地裂缝带 的应力应变特征、结构周边土体受力情况和地表土体沉降变形特征等，确定了箱型隧道 结构的受力模式。 本文重点介绍了与地裂缝成3 0 。斜交情况下的箱型隧道的研究成果，并将本次试验 与之前完成的地裂缝与隧道9 0 。直交试验，以及与同等条件下进行的盾构柔性衬砌结构 模型试验进行了比较分析，确定了地铁隧道以3 0 0 斜穿地裂缝时的隧道变形破坏模式， 以供西安地铁隧道设计、施工及安全运营参考。 关键词：地裂缝，地铁，箱型隧道结构，应变，接触压力 a b s t r a c t b e c a u s eo ff u n c t i o na n di n f l u e n c eo ff a c t o r s ，s u c ha sn a t u r ea n df a c t i t i o u s n e s s e t c ， s i n c e5 0 si nl a s tc e n t u r y ，1 4g r o u n df i s s u r e sh a v et u r n e du ps u c c e s s i v e l yi nx i a n ，o f w h i c h a c t i v i t yt i m ei sl o n ga n dt h es c a l ei sl a r g et h a ti s s t i l lr a r ei nt h ed o m e s t i c ，a n da r ei n c o n s t a n t l yd e v e l o p i n g t h e s eg r o u n df i s s u r e sw i l ls e r i o u s l ya f f e c tt h em e t r op r o j e c ti nx i a n ， i fc a n tb et a k e np r o p e rm e a s u r e s b e c a u s et h em e t r op r o j e c ti su n a b l et oa v e r t ，w i l lp a s s t h r o u g ht h e s eg r o u n df i s s u r e s ，a n dg r e a td a m a g ea r en o ta l l o w e da f t e rt h em e t r oi sc o m p l e t e d a n dp u ti n t oo p e r a t i o n ，s ot om a k es u r eh o wt h eg r o u n df i s s u r e sa f f e c tt h es u b w a yt u n n e l i n g a n ds o l v et h ep r o b l e ms e e m sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t t h ea u t h o rr e s e a r c h e sh o wt h eg r o u n df i s s u r e sa f f e c tt h eb o xt u n n e ls t r u c t u r ei nt h e t y p i c a ld e p t ho ft h el a y e r s2 0 0 ms c o p eo fx i a ni nu s eo ft h ef o u n d a t i o ns e t t l i n ge x p e r i m e n t f i e l do fc h a n g a nu n i v e r s i t yt oi m i t a t eg r o u n df i s s u r ea c t i v i t i e s u s i n ge x t e n s o m e t e r ，l e v e l i n g i n s t r u m e n t ，t h e s t e e lt u r n so nl a t h et y p ep r e s s u r eb o x ，s t r a i ns l i c et e s ts y s t e m e t c ，i nt h e e x p e r i m e n r tw ec a ng a i nt h es t r e s s s t r a i nc h a r a c t e r i s t i co fs u b w a ys t r u c t u r ec r o s s i n gt h e g r o u n df i s s u r e ，t h e s t r e s ss i t u a t i o no fs o i li ns t r u c t u r e s p e r i p h e r a l a n dt h es e t t l i n g c h a r a c t e r i s t i co fs o i li nt h es t r a t u m s ，m a k e ss u r et h ed a m a g ef o r mo ft h eb o xt u n n e ls t r u c t u r e t h i sp a p e rl a i ds p e c i a ls t r e s so ni n t r o d u c i n gt h er e s u l t so ft h eb o xt u n n e ls t r u c t u r ec u t t h r o u g ht h eg r o u n df i s s u r ew i t h3 0 d , a n dt h o u g ht h ec o m p a r i s o no ft h i sm o d e lt e s t 、t h em o d e l t e s to fb o xt u n n e ls t r u c t u r ec u tt h r o u g ht h eg r o u n df i s s u r ew i t h9 0 。，a n dt h em o d e lt e s to f s h i e l ds t r u c t u r ew i t hs o f tj o i n t s ，m a k e ss u r et h ed a m a g ef o r mo ft h eb o xt u n n e ls t r u c t u r ec u t t h r o u g ht h eg r o u n df i s s u r ew i t h3 0 d ，t op r o v i d er e f e r e n c ef o rd e s i g n 、c o n s t r u c t i o na n ds a f e t y o p e r a t i o no fx i a ns u b w a y k e yw o r d s ：g r o u n df i s s u r e ，s u b w a y ，b o xt u n n e ls t r u c t u r e ，s t r a i n ，c o n t a c tp r e s s u r e 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，均己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。 敝储虢耀稃 1 年习日 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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者虢呼油 导师签名：川么讽、7一乡 尹年 饿夕 0 加 长安大学硕l 学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论弟一早三百y 匕 随着西安市城市规模的快速发展，交通问题同益突出，地下铁道的建设势在必行。 地下铁道的建设，是关系到西安城市建设和市民生活的大事，由于地铁的修建投资大、 周期长、技术要求高，所以前期必须做好充分的调查、研究工作，为地铁建设的可行性、 风险性、安全性、经济性提供可靠的资料。要在普通地质条件下修建地铁，从目前地铁 建设的经验来看，是不存在什么问题的，但是西安却有自己独特的城市地质特征一地裂 缝。 地裂缝是地表岩、土体在自然或人为因素作用下，产生开裂，并在地面形成一定长 度和宽度的裂缝的一种地质现象，当这种现象发生在有人类活动的地区时，便可成为一 种缓慢发展的渐进性地质灾害，民间称之为“地峡”或“地裂”【1 1 。 西安是我国地裂缝灾害最典型、最严重的城市。地裂缝的发生、发展对城市的规划 建设、重大工程项目的设计施工等都带来了较大的影响，最为典型的是西安城市快速轨 道建设。由于西安分布着1 4 条北东向近平行地裂缝，按照西安城市建设规划，几乎每 条地铁线路均以不同的角度穿越地裂缝，要受到地裂缝活动的影响。现在正建的西安市 城市轨道交通二号线从北到南将穿过大部分地裂缝，而这些地裂缝有的工程致灾状况十 分严重，其中s 、坛、砖和厶地裂缝地表出露长，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，这在当前世界地铁 建设工程中是极为罕见的，是地铁建设史上的重大难点问题。一号线受4 条地裂缝( 劳 动公园地裂缝、西北大学地裂缝f 4 、和平门地裂缝6 、草场坡地裂缝坛) 的影响，并 且将以小角度穿越地裂缝，这无疑将使地铁建设更复杂，如果不进行深入细致的研究， 将会对西安市地铁建设及建成后的地铁安全运行带来无法估量的危害和损失。因此，在 西安地铁建设中的难题和关键技术就是跨越地裂缝的地铁结构防灾设计问题【2 ，3 】。 本文以西安地裂缝地质灾害为背景，选择正在建设中的地铁2 号线和1 号线为对象， 通过对西安典型地层埋深2 0 o m 范围内地裂缝活动对箱型隧道结构影响的大型物理模型 试验研究，得出与地裂缝小角度( 以3 0 0 为代表) 相交的箱型隧道结构通过地裂缝带的 位移、应力应变特征、结构周边土体受力情况以及引起的地层土体沉降特征，并结合之 前已经完成的与地裂缝9 0 0 交角时的地铁隧道结构试验，进行比较分析，总结出与地裂 第章结论 缝小角度相交情况下的地铁隧道的变形及破坏机理，为西安市地铁一、二号线的设计 施工及安全运营提供科学的理论指导和决策依据。 西安市地裂缝分布图及地铁一、二号线线路图分别如下图l1 和图1 2 。 基幽 。j ：1 _ _ jr “。；1 虻。，l | 圈1 1图1 2 1 2 本文研究的目的、意义和方法 1 21 研究目的及意义 西安作为世界历史文化名城，从城市的定位和城市功能考虑，修建地铁对于扩大城 市规模，拉大城市骨架，优化城市布局，保护古城风貌，减少中心市区人口密度，增强 城市功能和城市人防能力，缓解城市交通供需矛盾，改善城市交通结构，构筑城市综合 变通体系，具有重要的作用。但是由于西安市区先后出现了1 4 条地裂缝带，严重地制 约了城市建设用地的有效利用和城市建设规划发展，为城市建筑留下了重大的灾害隐 患。在以往地表工业与民用建筑物设计时对地裂缝带均采用避让的方法，但是地铁工程 不同于工业与民用建筑，无法避让，必须穿越这些地裂缝带，并且不允许建成后出现影 响运营安全的事故i ”。因此，通过多种手段。对地铁隧道通过地裂缝时的变形机理及防 灾措施进行深入研究，是非常必要的，也是西安地铁建设中亟待解决的重要课题。近两 年来，作者先后参与了西安地铁二号线和西安地铁一号线通过地裂缝段的犬型物理模型 试验研究工作，完成了多种1 况的试验。本文主要通过对与地裂缝以3 0 。相交时的箱型 隧道的大型物理模型试验，对地裂缝作用下的地铁隧道与地层相互作用问题进行研究。 试验利用长安大学地基沉降试验平台模拟地裂缝活动，通过与地裂缝成3 0 0 斜交的 地铁隧道大比例尺模型试验，研究了西安典型地层埋深2 0 o m 范围内地裂缝活动对地铁 箱型隧道结构的影响机制得到地铁隧道结构通过地裂缝带的应力应变特征、结构周边 长安大学硕二卜学位论文 土体受力情况和地表土体沉降变形特征等，确定了箱型隧道结构的受力模式。 将隧道与地裂缝以3 0 0 斜交试验与之前完成的9 0 0 直交试验，以及与同等条件下进 行的盾构柔性衬砌结构的受力变形，应力、应变状态及与土体之间的相互作用进行比较 分析，确定3 0 0 斜交下隧道变形破坏模式，以供西安地铁隧道的设计、施工及安全运营 参考。 通过模拟地裂缝活动对结构的影响试验，可以查明结构本身以及周围土体变形特 征，这对如何有效地解决好地铁穿过地裂缝的工程结构措施及防水措施问题，具有十分 重要的参考价值。 目前，对于西安地裂缝的研究很多。但是针对地裂缝作用下的地铁隧道的破坏机理 及防灾设计的研究很少，特别是对于小角度斜交的情况，更是首创，所以，本文所涉及 的模型试验研究具有一定的创新性。 1 2 2 研究方法 模型试验是一种模拟实际工程情况行之有效的方法，它能探索许多运用解析方法不 易解决的问题，诸如岩土体在弹性、塑性、粘性范围直到破坏的机理，以及运动与动力 学等问题，其参数选择具有可控性和灵活性，研究周期较短。它还可以与有限元数值模 拟相结合，通过理论计算与模型试验的结合来提高分析的可靠性，更好地为实际工程服 务5 , 6 , 7 1 。 西安地裂缝的活动方式是上盘以垂直向为主的沉降运动，下盘略为上升或稳定不 动，具有正断层性质，其过程较为缓慢，且具有随时问累积的特征。在浅地表剖面上地 裂缝面是一个宽度不超过l c m 的剪切弱面。当地裂缝活动量增大到某一值时，位于上盘 的地铁隧道底部将出现脱空现象，失去支撑的隧道受上覆土体重量和两侧土体的摩擦作 用，其力学变形特征类似于一连续梁受均布荷载作用下的变形破坏【8 1 。本文在相似理论 的指导下，通过试验升降平台模拟地裂缝的上盘下降，测量并分析结构中不同点处应力 应变大小和分布规律、结构顶、底部与土体接触压力大小的变化过程、结构的位移和变 形及模型土体表面沉降变形。本文技术路线框图如图1 3 所示。 第章绪论 1 3 地裂缝的研究现状 图1 3 技术路线框图 地裂缝灾害的产生和发展，直接或间接的制约了城市和乡村的建设和发展，引起了 政府和许多学者的注意。为了减缓和防治地裂缝的灾害规模和灾情程度，许多国家的专 家学者都对地裂缝灾害丌展了研究。 1 3 1 国外地裂缝的研究现状 与世界上其它国家相比，美国是地裂缝研究开展得较为广泛、深入的国家，它对地 裂缝的系统研究始于上世纪5 0 年代，至今已经对地裂缝的成因模式获得了综合性的认 识，形成了以下三种不同的观点： ( 1 ) 构造成因：构造成因观点最早由l e o n a r d ( 1 9 2 9 ) 提出，他在对出现于亚利桑 纳州p i c a c h o 城附近的地面异常丌裂现象进行研究后，认为是地震活动导致地裂缝的产 生。之后的一些学者，如k r e i t l e ( 1 9 7 7 ) ，w y a t t ( 1 9 8 2 ) ，r o q u e m o r ( 1 9 8 2 ) ，l i p p i n c o t t ( 1 9 8 5 ) 及h o l d a h l ( 1 9 8 6 ) 等也都支持构造成因观点 9 1 。尽管他们对成因机制的解释 4 长安大学硕卜学位论文 不尽相同，但都认为非构造因素对地裂缝的影响是间接的，而构造活动才是导致地裂缝 形成的直接控制因素。 ( 2 ) 地下水开采成因：开采地下水导致的地层附加变形一直以来都被许多研究者 认为是地裂缝形成的主要因素，但是对这一过程的机理却产生了很多不同的解释，人们 从各种不同的角度建立了相应的理论分析模型，提出了不同的土体开裂机理。s c h u m a n n 等( 1 9 7 0 ) 对f e t h ( 1 9 5 1 ) 的研究进行深化后，提出基岩表面形状的突变或具压缩性土 层厚度分布的明显差异，导致了松散土层的差异压密沉降，从而在地表压密沉降差异大 的部位形成拉张应力集中，进而产生开裂变形。此外，n e a l 等( 1 9 6 8 ) ，和d a v i s ( 1 9 7 6 ) 在研究了地裂缝与地下水位的关系，以及地裂缝发育区水位下降与排水的关系后，认为 由于水位下降引起上部土层失水后在水平方向发生收缩是地裂缝产生的主要原因【1 u j 。 ( 3 ) 复合成因：自2 0 世纪7 0 年代起，美国地质学会等一些机构对地裂缝的形成机 制进行了系统研究。h o l z e r 等通过对采集到的地裂缝和地面沉降数据的分析，并综合考 虑地质环境背景后，得出该地区的构造活动和地下水开采是影响地裂缝形成及活动的最 主要因素。h o l z e r 将地裂缝的形变过程分为：产生平行裂面位移的错断( f a u l t ) 和产生 垂直裂面位移的开裂( f i s s u r e ) 两种不同形式。在此基础上，h a n e b e r g ( 1 9 9 3 ) 又进一 步将地裂缝的成因模式分为：开裂模式( o p e n i n gm o d e ) ，剪裂模式( s h e a r i n gm o d e ) 及 撕裂模式( t e a r i n gm o d e ) 三种类型【1 0 1 。 除美国外，南美地区的墨西哥，东非的埃塞俄比亚，亚洲的菲律宾、日本、泰国等 国家也都开展了不同程度的地裂缝观测和理论研究，总结了当地地裂缝发育的影响因 素，对这些地区的防灾减灾起到了一定的指导作用。 1 3 2 国内地裂缝的研究现状 我国的地裂缝灾害较为集中的分布在由汾渭地堑系、华北平原地堑系、郊庐断裂系 和大别山北缘断裂系所组成的大华北地质构造带上，其中汾渭盆地地裂缝最具代表性， 并且也是目前研究水平最高的。关于汾渭地堑地裂缝的成因，被认为是这一区域的新近 构造活动的产物( 李永善1 9 8 6 ，王景明1 9 8 9 ) ；另有部分学者认为它是构造活动、人为 因素和外力作用叠加影响所致，但也认同构造作用在裂缝形成过程中的重要作用。 在城市地裂缝灾害研究方面，西安、大同和邯郸等地裂缝出现较早、发育时间较长 的城市一直是灾害研究的重点地区，其中尤以西安的研究水平最高。西安是我国地裂缝 灾害最典型、最严重的城市，相关的科研机构和学者从不同的角度出发，对西安地裂缝 第一章绪论 的形成机制进行了深入的探讨，目前比较认可的一种是西安地裂缝的活断层与人工抽水 沉降双重成因模式j 。 1 9 8 7 - - 1 9 9 0 年，同本地震、地貌学家东京大学松田时彦和东京都立大学贝冢爽平， 与陕西省地震局和国家地震局李永善、耿大玉、汪一鹏等合作，开展题为“西安地裂与 渭河瓮地活断层的研究【1 2 】，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。 陕西省地矿局水文观测总站和原成都理工学院合作开展了题为“西安地裂缝与地面 沉降及其控制”的研究，提出了构造重力扩展成因说。 近年来有关专家得到国家自然科学基金资助，对我国部分地区地裂缝属性、分布、 活动特征、成因和成灾机制等进行了系统研究，随着人们对地裂缝灾害重视程度的不断 提高，以及各种现代化手段在研究过程中的应用，开展对地裂缝现象致灾机理、成灾环 境，以及减灾对策和工程治理措施的研究是地裂缝研究今后的发展方向【。 1 4 地裂缝活动对结构的影响作用研究现状 总的看来，国内外对地裂缝的研究己取得了不断进展，但由于地裂缝问题十分复杂， 涉及部门及学科广泛，且各部门调查的目的不同，对地裂缝研究的侧重点也各不相同， 成果至今仍显分散，宏观研究较多，系统深入不够，远不能满足工程结构抗灾设计的需 要。并且由于我们以往对地裂缝的研究主要集中于对其成因机理及活动规律的研究，关 于地裂缝活动时地层与结构相互作用的问题，对地裂缝活动时地层与地铁隧道的力学效 应的研究，以及跨地裂缝地带地下结构的安全监测等问题还很少涉及，其研究基础尚处 于十分薄弱的地步，更缺乏有关地裂缝与结构相互作用方面的试验研究。 近年来，长安大学彭建兵教授领导的课题组通过实际地裂缝调查、活动监测、大比 例尺( 1 ：5 ) 模型试验及有限元数值模拟等，在地裂缝活动时地层与结构相互作用的问 题及跨地裂缝地带地铁隧道的力学效应的研究方面，进行了卓有成效的工作，特别是在 模型试验研究方面，投入了巨大的人力、财力和物力，耗时近4 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，目前为止试验研究工作仍在继续【i 川。本文正是 这一系列研究的一部分。 6 长安大学硕士学位论文 第二章西安地裂缝的基本特征及破坏模式 2 1西安地裂缝分布及其活动特征 2 1 1西安地裂缝的空间分布特征 西安地裂缝是在地质环境控制下，空间上具有三维变形特征的地表线状裂缝，在平 面上具有明显的方向性、成带性、似等间距性、位错同步性和多级性以及剖面上的结构 组合形式多样性等展布规律【1 1 , 1 4 , 1 5 , 1 6 】。见图2 1 和图2 2 ( 1 ) 方向性 西安市地裂缝带的总体走向为n e7 0 0 - 8 0 0 ，局部地段的地裂缝走向为n w ，n n e 和e w 向，均位于古黄土梁南侧的坡脚下，无论黄土梁的高度如何变化，也不管黄土梁 的局部走向如何改变，地裂缝总是与其相伴相随。 ( 2 ) 成带性 西安地裂缝是在西安正断层组的基础上发育起来的，由南而北在黄土梁洼之间有规 律排列，呈带状分布。它们一般都由主裂缝及其下降一侧的次级裂缝组成地裂缝带，带 宽3 8 m ，局部可达2 0 , 、, 3 0 m 1 4 】。 ( 3 ) 多级性 作为西安地裂缝主体的这些n e e 向地裂缝具有显著的多级性，同级地裂缝走向相 同，侧列再现首尾相接，排成左行雁列式，组成高一级的地裂缝带，实为剪切破裂带。 对于各级地裂缝而言，皆由次一级的羽状张扭性地裂缝组成 1 1 1 。 ( 4 ) 似等间距性 各条地裂缝带大体呈等间距近似平行排列，间距为0 4 - - 2 1 k m ，平均约l k m ( 西安 市地震局地裂缝研究组，1 9 8 6 ) 。这一特征反映了控制各地裂缝带的先存断裂具似平行 等间距性特征。 ( 5 ) 位错同步性 西安地裂缝位错活动现状主要是以南盘下降为主 1 1 1 。 7 第= 章西安地裂缝的摹本特缸投m * 樽式 田2 1 西安地裂缝与地貌构造关系圈 6 ) 剖i n i 结构组合形式的多样性 西安地裂缝带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。削而上呈舒缓波状，倾角均大于6 0 。，倾向南。而且西安地裂缝大多是由手地裂缝 和分支裂缝组成的。少数地裂缝则伴生主地裂缝、次生地裂缝和分支裂缝。次生地裂缝 分布在主地裂缝的南侧，总体倾向北西丰干地裂缝与次级地裂缝在剖面上的组台形式 具有多样性的特点，大致概化为虬下四种：阶梯状、，”型和追踪式( 图22 ) ，其中y 型颇具构造意义，它是地裂缝南盘下降、北盘上升的垂向剪切作用在地表自i b 面上产生 末端张裂效应的结果( 彭建兵，1 9 9 1 ) 。 圈2 2 西安地裂缝带音0 面组合形式图( 据彭建兵1 9 9 1 ) 长安人学硕l 学位论文 2 1 2 西安地裂缝地表断坎的剖面特征 地表断坎形态反映出地裂缝活动的几何特征和运动学特征，据此推测地裂缝的运动 方式对隧道结构的影响。 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【1 7 1 ： a ：裂开型，地裂缝的北侧稍稍隆起，南侧稍稍凹陷，形如光滑的j 下弦曲线。 b ：台阶型，主地裂缝的垂直错距在地表出露，明显呈高度不等的台阶。 c ：台凹型，地裂缝两侧的垂直差异运动显著，北侧上升且在断面处有隆起，南侧 相对下降且在断面处有凹陷。 这几种地表断坎的形态反映了地裂缝形成过程中的不同阶段。起初是裂开型，而后 变化到台阶型，最后呈台凹型，稳定之后形成地裂缝带。 2 1 3 西安地裂缝活动特点 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【1 4 1 ：活动强烈，速率 3 0 m r n a ；活动较强烈，速率5 - - - 3 0 m r n a ； 活动微弱，速率 5 m m a 。这些地裂缝的垂直上盘底部下降速率以5 - - 3 5 m m a 居多，最 大达5 5 0 6 m m a 。就其活动特点而言，这些地裂缝带具有较明显的周期性、活动速率的 不均匀性、突变性、活动方式的一致性和正断性。 ( 1 ) 周期性 地裂缝活动存在着由活跃期和隐伏期组成的活动大周期，大周期与地震活动有较好 的对应关系，完整的大周期为4 0 0 - - - 7 8 0 a ；中周期为2 0 - , - 2 4 a ；短周期与承压水位动态变 9 第二章两安地裂缝的基本特征及破坏模式 化基本一致，约3 4 个月，即每年1 - 3 月的地裂缝带活动速率较小，而7 1 0 月速率 较大，与西安市地面沉降速率年内变化规律基本一致，这主要是由于随季节变化，市区 超采地下水引起承压水位下降从而导致地面沉降，进而加剧地裂缝活动所致 1 1 1 。 ( 2 ) 活动速率的不均匀性 现有的监测资料表明，地裂缝活动速率在时空上分布不均，西安市东南郊一带活动 速率高，一般在5 - - 3 0 m m a ，西北郊相对较弱在1 l o 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 14 1 。 ( 3 ) 突变性 据以往的仪器监测资料表明，地裂缝活动过程中常出现突变，这种突变常常与地震 活动密切相关。如1 9 9 8 年1 月5 日泾阳县永乐镇4 8 级地震时，西安电子城地裂缝仪器 自动监测曲线出现明显的突跃点。这说明地震有明显加剧地裂缝活动的迹象或趋势 18 1 。 同时一般下完暴雨后，地裂缝的活动会较平时加剧! ( 4 ) 活动方式的一致性 地裂缝带基本具有统一的三维空间运动变形特征，即南倾南降的垂直位移、水平引 张和水平扭动。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 ：0 3 1 ：0 0 3 1 4 1 。 ( 5 ) 正断性 主地裂缝带均表现出南倾南降的j 下断活动特征，并以张性或张扭性裂缝出现。 2 2 地裂缝影响下地铁隧道可能发生的破坏模式 2 2 1 西安地裂缝的灾害特征【1 , 1 1 , 1 4 , 1 6 , 1 9 , 2 0 纵观以往西安市城市建设中的地裂缝灾害的表现形式，西安市地裂缝灾害大致具有 如下几个明显的特征： ( 1 ) 三维空问的有限性 地裂缝灾害的三维空间有限性，主要是指地裂缝致灾范围仅限于地裂缝带的影响空 间之内，对远离地裂缝带的外围地段和更深处不具辐射作用( 刘玉海等，1 9 9 4 ) 。并且在 地裂缝范围内，其灾害效应在横向、垂向和走向上反映出来，即横向上，由主裂缝向两 侧致灾程度逐渐减弱，且上盘重于下盘；在垂直方向上，沿主裂缝自地表向下灾害作用 1 0 长安人学硕一l ：学位论文 强度递减，几十米深部只使井管和钻具破裂；沿地裂缝走向其灾害作用强弱很不平衡， 一般转折段和错列部位相对较重。 ( 2 ) 成灾过程的缓变性和累进性 西安地裂缝成灾过程是渐变的，由能量积累到释放有较长的时间过程，所以建筑物 破坏是逐渐发生的，一般不具突发性。当然，如果西安市附近出现地震，则可诱发地裂 缝灾害的突变。从以往西安地裂缝灾害来看，地面出现裂缝到其上建筑物破坏少则几月 多则几年。据探槽揭露资料证实，地裂缝发生的时间越短破坏宽度越小，随着时间的推 移，其影响宽度逐渐加大，其上建筑物裂缝不断加宽，最后导致整体破坏被迫拆除。致 灾作用伴随地裂缝显露之后，随时间增长逐年加重，平面上沿走向向两端不断扩展，线 扩展速率约每年几千米。在剖面上灾害作用自下而上逐渐加强，累积破坏效应集中于基 础与上部结构接合部位的地表浅部十几米范围内。 ( 3 ) 灾害过程的周期性 西安地裂缝常常反复成灾，其灾害过程往往具有周期性变化。 ( 4 ) 灾害强度分布的非均衡性和非对称性 主裂缝带灾害重，次裂缝带灾害轻；地裂缝灾害上盘重，下盘轻；地表建筑物灾害 重，地下建筑物灾害轻。地裂缝灾害沿走向有强弱交替的分段特征，生成时间长的段落 灾害多重于时间短的段落。地裂缝发生转折和错列的部位灾害重，展布平直部位轻。 ( 5 ) 灾害效应的方向性 地裂缝引起的地表建筑物是由下往上裂。这与地震引起的建筑物开裂形态特征截然 不同，它标志着地裂缝对建筑物的影响是由下往上传递的。 ( 6 ) 地裂缝灾害的不可抗拒性 大量事实证明，西安地裂缝对沿线的不同类型、不同结构的建( 构) 筑物都遭到了 不同程度的破坏。这表明在现有通常的建筑结构型式下，各类建( 构) 筑物对地裂缝活 动引起的蠕动应力都是不可抗拒的。因此，针对西安市地裂缝带对建( 构) 筑物的影响， 2 0 0 5 年西安市重新修订了陕西省标准西安市地裂缝场地勘查与设计规程 ( d b j 6 1 6 2 0 0 6 ) ，要求任何类型的建筑物不得跨越主地裂缝布置【2 1 1 。 2 2 2 地铁隧道变形破坏模式 可以推断，在修建西安市地铁时，地裂缝活动可f l a i l 起的地铁病害大致归纳为如下 几种 1 4 1 ： 第二章两安地裂缝的基本特征及破坏模式 ( 1 ) 地铁隧道衬砌变形裂损或破坏 隧道衬砌是承受地层压力、防止围岩变形塌落的工程主体建筑物。根据地裂缝走向、 活动特征以及其与地铁相交情况，地铁隧道衬砌变形裂损或破坏可分为如下三种： 环向开裂 在地裂缝的垂直位移作用下，地裂缝带附近隧道衬砌底部局部脱空，地裂缝下盘靠 近裂缝带附近的隧道管段出现拉应力，发生弯曲变形，产生隧道环向裂缝，如图2 4 ( a ) 所示。 纵向开裂 当地裂缝与地铁隧道重合或者平行时，在地裂缝的垂直位移作用下，地铁上部及地 表存在有严重的压力不均，即所谓的“偏压 ，可能会使隧道衬砌产生危害更严重的纵 向裂缝即衬砌纵向开裂。如果纵向裂缝平行于隧道轴线，其危害最大，可能引起地铁隧 道掉拱、边墙断裂甚至整个隧道塌方，如图2 4 ( b ) 所示。 斜向开裂 当地裂缝带与地铁隧道成一定角度斜交时，地裂缝的活动可能会使隧道发生受扭变 形，产生斜向裂缝，导致衬砌开裂。 直接剪断 当地裂缝活动量突然变大( 有外部激励影响如地震) ，远远超过了随道衬砌的允许 变形量，由于地裂缝的垂直错动导致隧道有可能发生直接剪断破坏；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，如图2 5 和2 6 【2 2 1 。 ( a ) 隧道衬砌环向开裂 ( b ) 隧道衬砌纵向开裂 图2 4 地裂缝活动引起地铁隧道衬砌开裂情况 1 2 长安大学预十学位论文 图2 5 隧越衬砌环向开裂 圈2 6 新城区物资局仓库地下水管错开( 镜向：l i d 2 ) 铁轨路基及轨道变形破坏 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，从而导致整体道床及轨道变形开裂。考 虑到地铁轨道的上下变形量即高差不能超过几个毫米。因此，应尽量使轨道的变形控制 在允许的范围之内。西安市地裂缝活动的平均速率以5 3 5 m m a 居多，最大可逃 5 50 6 m m a ，而西北郊的地裂缝活动相对较弱，其活动速率也在l i o m m a 之间，按此 速率计算，在地铁使用期( t 程寿命) 内地铁隧道衬砌肯定会发生破坏，而铁轨路基及 轨道也极有可能产生破坏。路基及轨道的破坏方式如何，主要根据其穿过的地裂缝的活 动特点来决定。 ( 3 ) 地铁隧道渗漏水 隧道和地下工程处于岩土层中，修建后成为所穿过岩土体附近地下水集聚的通道。 当隧道穿过或靠近地下含水地层，时刻受到地下水的渗透压力作用，如衬砌的防水及排 水设施不完善，地下水就会浸入隧道，发生隧道渗漏水病害。 以上所述均是西安市地裂缝带对修建后的地铁隧道可能产生的地铁病害。当然，在 修建过程中，当经过地裂缝带时，如不采用超前支护等其它措施，也有可能造成隧道塌 方、渗漏水及涌水等地铁隧道施工病害，这也是一个不容忽视的问题。 -_k 1 第三章结构模型试验 3 1 模型设计理论 第三章结构模型试验 3 1 1 模型的定义 工程界常指的模型是与物理系统密切有关的物理装置，即所谓的物理模型。通过对 它的试验，可在需要的方面精确地预测系统的性能。结构模型试验目前已是结构研究工 作中的重要研究手段之一，与原型相比，一般缩小了尺寸，节省了资金、人力和时间， 能在复杂的试验中突出主要矛盾，能预测一些尚未出现的实物的性能，当其他分析方法 无法有效的采用时，用模型试验来研究现象相似性问题【2 3 1 。 3 1 2 相似原理 相似理论是说明工程中各种相似现象相似原理的学说，由于其能将工程实际与模型 试验联系起来，揭示具体工程的实际问题，因此在试验理论学科中得到了广泛应用。相 似原理由3 个相似定理组成。这3 个相似定理从理论上阐明了相似现象有什么性质，满 足什么条件才能实现现象的相似 2 4 , 2 5 】。 第l 相似定理相似正定理：彼此相似的现象，单值条件相同，其相似判据的数 值也相同。 第2 相似定理叫定律：当某一现象由n 个物理量的函数关系来表示，且这些物 理量中含有m 种基本量纲时，则能得到( n m ) 个相似判据；描述这一现象的函数关系 式，可表示成如下过程： 一般物理方程 ( x 1 ，x 2 ，x 3 ，一，x n ) = 0 ( 3 1 ) 按第2 相似定理，可改写成 缈( 万l ，y 2 ，一曲) = 0 ( 3 2 ) 第3 相似定理相似逆定律：现象的单值条件相似，并且由单值条件导出来的相 似判据在数值上相等，是现象彼此相似的充分和必要条件。 单值条件相同是指：该系统激活条件相似，在被研究过程中具有根本意义的物理常 数成正比例。 1 4 长安大学硕士学位论文 因此，模型设计不仅仅是模型本身尺寸比例的缩小或放大的问题，而是要考虑为了 使模型试验结果可以推算到原型上去，需对整个试验过程做周密的设计，如模型试验对 加载设备、量测仪器、模型制作材料等一系列问题的考虑。一般来讲，对于研究弹性阶 段应力状态的模型试验，模型材料应尽可能与一般弹性理论的基本假定一致，即材料是 均匀、各向同性，应力与应变呈线性变化，且有不变的泊松系数。对于研究结构的全部 特性( 即弹性和强度以及破坏时的特性) 的模型试验，通常要求模型材料与原型材料的特 性极相似，最好是模型材料与原型材料一致瞄川。 3 2 本项试验目的及任务 本项模型试验的目的是研究地铁隧道衬砌结构与地裂缝3 0 0 斜交下的破坏模式、破 坏特征和破坏机理，以及与之前完成的9 0 0 直交模式物理模型试验进行对比分析，属于 破坏性试验。试验同时完成了整体式箱型隧道和盾构隧道两种工况，本文只介绍整体式 箱型隧道的试验过程及结果。 通过试验主要解决以下具体问题： ( 1 ) 采用1 ：5 的衬砌结构模型，研究地裂缝活动对与其成3 0 0 夹角的整体式箱型衬 砌结构的影响机理，包括结构外围土压力、结构收敛变形、衬砌混凝土及钢筋的应力应 变变化规律。 ( 2 ) 通过本结构模型试验，与之前完成的结构模型试验( 地裂缝与结构垂直相交) 进行对比分析，以及与同等条件下进行的盾构柔性衬砌结构的变形破坏模式进行比较分 析，确定地裂缝与隧道3 0 0 斜交时整体式箱型衬砌结构的不同变形破坏规律和特征。 ( 3 ) 为西安地铁工程穿过地裂缝段所采取的工程措施提供科学依据，并丰富地裂 缝对地下结构影响等方面的研究。 3 3 结构模型制作与加工 3 3 1模型试验的相似关系设计 模型材料的应力一应变关系应与原型材料的强度特征曲线盯一f 相似，对模型混凝 土、模型钢筋来说均难完全满足，所以，本次模型试验只能采用部分相似模型试验。 相似准则应由平衡方程、边界条件、几何方程等按照相似理论来严格推导，但由于 地裂缝下结构受力是一种复杂应力状态，其拉压、弯曲、剪切变形都非常显著，难以全 堕三苎堕塑垫型苎墼 部满足，只能以一种主要变形为主来推导其相似准则。因试验平台尺寸限制，本试验取 几何相似常数q 一、混凝土弹性模量吒一，根据量纲分析法列出”项式和相似准则方 程t 计算出各主要物理量的相似比如下： 衬砌混凝土：2 乞7 t ic 一：吒22 。 衬砌钢筋：。引；一：毛引：c 2 辞候= 2 5 。 角位移o2 c ；线位移c2 c q 25 ：面荷载q 2 c = 2 ：力矩o = 乞辞= 2 5 0 。 3 32 地裂缝的设置 根据大量的野外调查，实际地裂缝中基本被粉细砂和粉土( 或粉质秸土) 充填，为 了与实际地裂缝的力学强度性质相似，模型中地裂缝采用粉细砂填充进行模拟，其倾角 设鼍为9 0 。，与结构轴线成3 0 。相交( 照片3 1 ) 地裂缝自模型底部丌始设置至结构顶 霰a 厢片3 】蓿型隧道轴垃与地裂德以如。斜交 333 模型混凝土 取儿何相似常数q2 5 ，隧道模型项板外度宽1 2 1 0 m m 、侧墙外度高1 3 0 2 m m 、四周 壁厚均为1 2 0 m m ，模型总长l oo m 。 设计混凝土强度等级( 2 2 5 t 实验测定试块2 8 天强度2 7o m p a 、弹性模量 2 8 5 。1 0 4 m p a ，弹性模量的选取对应的应力为峰值强度的3 0 处，老规范是峰值强度的 长安大学硬+ 学位论文 4 0 ，使按新规范算的弹性模量比老规范略大。混凝土采用商品混凝土，采用一次性浇 筑，不留施工缝，支模、拆模见照片3 2 、3 3 。 施工过程j 下常，浇筑质量符合设计要求。 腻片3 2 内外模板及支架照片3 3 浇筑后的村砌结构外形 33 4 模型钢筋 模型钢筋按等强度原则确定： 盟：盟 a 。f 。a 。f 。： ( 33 ) 其中。一为原型结构钢筋面积；爿一为原型结构混凝土面积：厶为原型结构受力 钢筋抗拉强度设计值：丘为原型结构混凝土抗压强度设计值；。为模型结构钢筋面积 d 。为模型结构混凝土面积：丘为模型结构受力钢筋抗拉强度设计值；厶为模型结构 混凝土抗压强度设计值。箱型隧道衬砌结构原型尺寸及配筋图见图31 。 所以模型结构受力钢筋面积为： 如2 瓮+ 等3 寺老去厶 。， 取模型钢筋2 厶、模型混凝上近似厶2 厶，则模型钢筋的面积为 a 。= 如c ； ( 3 5 ) 1 、原型结构项、底板外侧环向受力钢筋m 2 2 2 0 0 ，由式( 35 ) 可得模型环向受力 钢筋直径d = 2 2 5 历。如粜模型钢筋间距为2 0 0 n m ，则模型钢筋直径只需98 4 n 蚰， 实配巾1 0 2 0 0 。 第三章结构模型试验 2 、原型结构顶、底板内侧环向受力钢筋0 2 2 1 3 0 ，由式( 3 5 ) 可得模型环向受力 钢筋直径d = 2 2 5 , 1 0 n 。如果模型钢筋直径取1 0 m m ，模型钢筋间距为1 3 4 m m ，实配 0 1 0 2 0 0 - - i - 0 1 0 4 0 0 。 3 、原型结构侧墙外侧环向受力钢筋0 2 2 2 0 0 ，由式( 3 5 ) 可得模型坏向受力钢筋 直径d = 2 2 1 5 5 肝。如果模型钢筋间距为2 0 0 r a m ，则模型钢筋直径只需9 8 4 m m ，实配 0 1 0 2 0 0 。 4 、原型结构侧墙内侧环向受力钢筋中2 2 1 0 0 ，由式( 3 5 ) 可得模型环向受力钢筋 直径d = 2 2 5 1 0 甩。如果模型钢筋间距为l o o m m ，则模型钢筋直径只需9 8 4 m m ，实配 1 0 1 0 0 。 5 、原型结构顶、底板及侧墙内、外侧纵向分布钢筋1 8 2 0 0 ，由式( 3 5 ) 可得模 型环向受力钢筋直径d = 1 8 5 5 加。如果模型钢筋间距为2 0 0 m m ，则模型钢筋直径只需 8 0 5 m m ，实配0 8 2 0 0 。 6 、其它辅助用钢筋，根据比例1 ：5 缩小钢筋直径，预埋件根据1 ：5 比例缩小，基本 构造按照可行性研究设计图纸要求预留。隧道模型尺寸及配筋详见图3 2 。 一t 、一o l “。萨一下_ 越 垂：虻她a鲁i 一 星卜、 兰以业岳l r 一一 p o2 l b “l ，；= 手 一 一、一 l ， 上一一l 塑 ，f - j 。e nr ll 。 4 ；0 图3 1 原型衬砌结构及配筋简图( 单位：r a m ) 图3 2 模型尺寸及配筋简图( 单位：r a m ) 3 3