相 旭

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 西安 710043)

平行于地裂縫的地鐵隧道避讓距離研究

相 旭

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 西安 710043)

地裂縫為西安特有的地質(zhì)災(zāi)害，地裂縫的變形對(duì)地鐵的施工與運(yùn)營(yíng)均有不同程度的影響。首先通過(guò)1∶5的大型模型試驗(yàn)，對(duì)平行于地裂縫的地鐵隧道的致災(zāi)模式進(jìn)行研究，得出結(jié)果：地鐵隧道隨著地裂縫上盤(pán)沉降量的增大，結(jié)構(gòu)沒(méi)有出現(xiàn)扭剪變形，且隨著平行距離的增加，地裂縫處滑動(dòng)土楔對(duì)隧道的側(cè)向擠壓作用也逐漸減弱。通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)以上模型試驗(yàn)分析的結(jié)果進(jìn)行更深入的驗(yàn)證，最后得出結(jié)論：地鐵隧道與地裂縫上盤(pán)間30 m為地鐵隧道的安全避讓距離。該結(jié)論對(duì)今后西安地鐵建設(shè)的選線具有重要的參考價(jià)值。

西安地鐵；地裂縫；平行；模型試驗(yàn)；數(shù)值分析

1 研究背景

2 模型試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)?zāi)康呐c任務(wù)

為了對(duì)西安地鐵3號(hào)線近距離平行穿過(guò)地裂縫地段提供安全避讓距離和制訂工程措施提供科學(xué)依據(jù)，以西安地鐵3號(hào)線f 7地裂縫為背景，設(shè)置模型試驗(yàn)，主要了解地裂縫錯(cuò)動(dòng)條件下的襯砌結(jié)構(gòu)受力變形特征、破壞模式以及影響范圍。按照幾何相似比1∶5加工制作馬蹄形隧道襯砌結(jié)構(gòu)模型、地裂縫及圍巖地層模型，在試驗(yàn)過(guò)程中主要監(jiān)測(cè)隧道圍巖壓力、結(jié)構(gòu)收斂變形、地層沉降變形、襯砌結(jié)構(gòu)變形破壞的宏觀特征、襯砌混凝土及鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律。

2.2 模型制作

本試驗(yàn)取幾何相似常數(shù)Cl=5、混凝土彈性模量相似常數(shù)CEc=2，根據(jù)量綱分析法列出π項(xiàng)式和相似準(zhǔn)則方程，計(jì)算出各主要物理量的相似比。設(shè)計(jì)模型混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20，試驗(yàn)測(cè)定試塊28 d強(qiáng)度為27.08 MPa、彈性模量(平均值)為2.74×104MPa，彈性模量選取對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為峰值強(qiáng)度的30%處。

2.3 試驗(yàn)系統(tǒng)及加載方式

為模擬地裂縫的活動(dòng)方式，即上盤(pán)相對(duì)下盤(pán)下降，本次模型試驗(yàn)在長(zhǎng)安大學(xué)地基沉降實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行，將沉降平臺(tái)一側(cè)設(shè)置為地裂縫上盤(pán)，相對(duì)固定(地面)的一側(cè)設(shè)置為地裂縫下盤(pán)，通過(guò)自鎖式千斤頂控制沉降平臺(tái)緩慢下降來(lái)模擬地裂縫的活動(dòng)，地裂縫的活動(dòng)速率和錯(cuò)動(dòng)量通過(guò)工控機(jī)控制自鎖式千斤頂?shù)倪\(yùn)行速率和行程來(lái)實(shí)現(xiàn)(見(jiàn)圖1、2)。

圖1 土層剖面結(jié)構(gòu)

圖2 地裂縫位置示意

為了模擬地裂縫的緩慢活動(dòng)規(guī)律，同時(shí)考慮試驗(yàn)的進(jìn)度，設(shè)定千斤頂?shù)倪\(yùn)行速率為4 mm/次。每級(jí)荷載施加穩(wěn)定后24 h開(kāi)始量測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、土壓力、結(jié)構(gòu)位移、地表位移。每級(jí)荷載施加間隔時(shí)間為24 h左右。本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)地裂縫錯(cuò)動(dòng)量為20 cm，分為10級(jí)荷載來(lái)施加。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.4.1 襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)表面混凝土環(huán)向應(yīng)變

圖3表明平行裂縫襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)表面受拉區(qū)主要集中在結(jié)構(gòu)頂部，其余區(qū)域應(yīng)變值水平較小。

圖3 襯砌內(nèi)表面混凝土環(huán)向應(yīng)變變化曲線

圖4 平行地裂縫隧道襯砌結(jié)構(gòu)橫斷面收斂位移

2.4.2 結(jié)構(gòu)收斂位移

圖4表明平行裂縫襯砌結(jié)構(gòu)以受壓為主，6號(hào)測(cè)點(diǎn)受壓位移最大，4、5號(hào)測(cè)點(diǎn)受拉(向外變形)，說(shuō)明結(jié)構(gòu)主要受到靠近地裂縫側(cè)圍巖土體的擠壓，與土壓力分布趨勢(shì)一致。

2.4.3 襯砌結(jié)構(gòu)外表面混凝土環(huán)向應(yīng)變

圖5表明平行裂縫結(jié)構(gòu)外表面受壓區(qū)主要集中在結(jié)構(gòu)頂部，與圖3內(nèi)表面分布規(guī)律對(duì)應(yīng)。說(shuō)明平行襯砌結(jié)構(gòu)主要受到頂部圍巖土體的壓力，靠近地裂縫的一側(cè)結(jié)構(gòu)側(cè)壁(拱腰)受拉水平小于遠(yuǎn)離地裂縫的一側(cè)拱腰，說(shuō)明結(jié)構(gòu)靠近地裂縫的一側(cè)土壓力大于遠(yuǎn)離地裂縫的一側(cè)，結(jié)構(gòu)受到了地裂縫活動(dòng)一定的影響。

圖5 襯砌結(jié)構(gòu)外表面混凝土環(huán)向應(yīng)變變化曲線

可見(jiàn)，混凝土內(nèi)外表面應(yīng)變分布規(guī)律顯示：近距離平行地裂縫馬蹄形隧道結(jié)構(gòu)主要受到頂部圍巖土體壓力的影響，在一定程度上也受到地裂縫沉降引起的側(cè)向壓力，結(jié)構(gòu)變形不明顯。

2.4.4 試驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察及襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)表面混凝土環(huán)向應(yīng)變、結(jié)構(gòu)收斂位移、襯砌結(jié)構(gòu)外表面混凝土環(huán)向應(yīng)變、土壓力等現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以得出如下結(jié)論：

1) 在近距離平行地裂縫的條件下，馬蹄形隧道在軸線方向沉降無(wú)明顯突變，沉降均勻，沉降速率平穩(wěn)；在垂直于平行裂縫隧道軸線方向上的隧道襯砌結(jié)構(gòu)兩側(cè)土體變形基本相同。

2) 平行于地裂縫的馬蹄形隧道襯砌結(jié)構(gòu)的底部橫向土壓力最大值均在軸線位置，自軸線遠(yuǎn)離地裂縫的土壓力明顯減小，靠近裂縫土壓力先升后降；靠近地裂縫側(cè)的土壓力大于遠(yuǎn)離地裂縫側(cè)，說(shuō)明地裂縫沉降對(duì)平行裂縫結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的側(cè)向推力。

3) 平行于地裂縫的隧道結(jié)構(gòu)受到的剪應(yīng)力非常小，且隨著地裂縫上盤(pán)沉降量的增大，除個(gè)別剪應(yīng)力變化方向改變，其大小變化不大，說(shuō)明平行裂縫襯砌結(jié)構(gòu)并沒(méi)有受扭，結(jié)構(gòu)沒(méi)有出現(xiàn)扭剪變形。

4) 平行于地裂縫的隧道結(jié)構(gòu)環(huán)向鋼筋應(yīng)變水平較低，結(jié)構(gòu)頂部區(qū)域?yàn)槭芾瓍^(qū)，與混凝土內(nèi)表面應(yīng)變規(guī)律吻合，且不存在明顯受拉受壓集中區(qū)，結(jié)構(gòu)無(wú)明顯縱向變形。

5) 整體式馬蹄形隧道結(jié)構(gòu)近距離(對(duì)應(yīng)原型30 m)平行地裂縫時(shí)，地裂縫上盤(pán)下降不會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的變形破壞，但在靠近地裂縫的一側(cè)由于地裂縫的活動(dòng)，上盤(pán)地層(土體)會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平擠壓作用，形成偏壓現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)整體存在向遠(yuǎn)離地裂縫帶一側(cè)彎曲的趨勢(shì)，但變形不明顯，是安全的。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型

3.1.1 模型簡(jiǎn)化

圖6 數(shù)值分析模型

3.1.2 邊界條件模擬

數(shù)值計(jì)算模型前后兩端和左右兩側(cè)分別施加z方向、x方向水平位移的約束，地裂縫下盤(pán)底部施加y方向即豎直向位移約束，而其上盤(pán)底部為可控活動(dòng)邊界。由于地裂縫的活動(dòng)方式是上盤(pán)下降而下盤(pán)穩(wěn)定，模型中在上盤(pán)底部施加強(qiáng)制位移S來(lái)控制和模擬地裂縫上盤(pán)的下降過(guò)程及垂直位移量。

地裂縫是具有一定張開(kāi)量并且縫隙中充填多種顆粒的狹長(zhǎng)裂隙。當(dāng)上盤(pán)下沉?xí)r，沿著地裂縫滑動(dòng)，必然會(huì)對(duì)裂隙中的顆粒剪切、擠壓，并且造成上下盤(pán)互相嵌入或者脫空。為了模擬這一力學(xué)過(guò)程，需要引入接觸面。采用Flac3D有限差分軟件模擬接觸面的Interface單元兩個(gè)物體之間的滑動(dòng)。采用結(jié)構(gòu)單元(Shell)模擬隧道襯砌。

3.1.3 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算參數(shù)

3.2 計(jì)算工況

為了詳細(xì)模擬地裂縫活動(dòng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響，采用逐漸變換地裂縫與隧道襯砌凈距L及上盤(pán)下沉位移S，詳細(xì)分析隧道內(nèi)力變化，具體分為6種工況，如表2所示。

表2 計(jì)算工況

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1 隧道襯砌變形分析

受到隧道周邊土體擠壓的影響，隧道結(jié)構(gòu)跟著發(fā)生變形，從而引起隧道內(nèi)力變化。圖7是隧道襯砌發(fā)生水平向位移(x方向)的等值線圖，從圖中可以看出襯砌的水平向位移為1.9～2.2 cm。隨著L的逐步增大，水平位移逐漸減小。

圖7 襯砌x位移等值線圖(L=30 m,S=30 cm)

3.3.2 隧道襯砌彎矩分析

當(dāng)L=5 m時(shí)，拱底彎矩變化值為67 kN·m；當(dāng)L=50 m時(shí)，拱底彎矩變化值為29 kN·m，拱底彎矩隨著L的增大呈減小趨勢(shì)，并且幅度越來(lái)越小(見(jiàn)圖8)。

圖8 仰拱和拱頂彎矩曲線

3.3.3 隧道襯砌軸力分析

隨著上盤(pán)下沉，拱底軸力和拱頂軸力增加比較緩慢。當(dāng)L=5 m時(shí)，拱底軸力增加25 kN；當(dāng)L=50 m時(shí)，拱底軸力增加39 kN。當(dāng)L=5 m時(shí)，拱頂軸力增加37 kN；當(dāng)L=50 m時(shí)，拱頂軸力增加35 kN。當(dāng)L≥30 m時(shí)，軸力增加比較緩慢，而且幅度也不大，可以把L=30 m的工況看作軸力變化的界限距離(見(jiàn)圖9)。

圖9 仰拱和拱頂軸力曲線

3.3.4 計(jì)算結(jié)論

通過(guò)模擬幾種工況下的結(jié)構(gòu)變形情況可知：地裂縫活動(dòng)時(shí)，上下盤(pán)互相擠壓滑動(dòng)，在上盤(pán)產(chǎn)生一個(gè)向地面方向滑動(dòng)的滑動(dòng)楔。左拱腰的水平位移大于右拱腰的水平位移，隧道結(jié)構(gòu)的水平向位移平均值為1.78 cm;左拱腰軸力大于右拱腰軸力，拱低軸力大于拱頂軸力。隨著上盤(pán)下沉，當(dāng)L=30 m時(shí)，左拱腰彎矩減小值為55 kN·m，右拱腰彎矩減小值為50 kN·m；當(dāng)L=30 m時(shí)，拱底軸力增加25 kN，拱頂軸力增加37 kN，拱底軸力較其他5種工況大，拱頂軸力較其他5種工況小。

4 結(jié)論

通過(guò)上述對(duì)近距離平行地裂縫帶地鐵隧道性狀的大型模型試驗(yàn)研究和FLAC3D數(shù)值模擬計(jì)算，得出如下主要結(jié)論：

1) 地裂縫上下盤(pán)相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，在上盤(pán)產(chǎn)生一個(gè)向下滑動(dòng)的滑動(dòng)土楔，從模型試驗(yàn)中土壓力變化規(guī)律得出：該滑動(dòng)楔對(duì)隧道產(chǎn)生側(cè)向擠壓作用，且隨著平行距離(L)的增加，滑動(dòng)土楔越來(lái)越不明顯，對(duì)隧道的側(cè)向擠壓作用也逐漸減弱。

2) 平行于地裂縫的隧道結(jié)構(gòu)受到的剪應(yīng)力非常小，且隨著地裂縫上盤(pán)沉降量的增大，除個(gè)別剪應(yīng)力變化方向的改變，其大小變化不大，說(shuō)明平行裂縫襯砌結(jié)構(gòu)并沒(méi)有受扭，結(jié)構(gòu)沒(méi)有出現(xiàn)扭剪變形。

3) 整體式馬蹄形隧道結(jié)構(gòu)近距離(對(duì)應(yīng)原型30 m)平行地裂縫時(shí)，地裂縫上盤(pán)下降不會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變形破壞，但在靠近地裂縫的一側(cè)由于地裂縫的活動(dòng)上盤(pán)地層(土體)會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平擠壓作用，形成偏壓現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)整體存在向遠(yuǎn)離地裂縫帶一側(cè)彎曲的趨勢(shì)，但變形不明顯，說(shuō)明地鐵隧道從距離地裂縫帶30 m的上盤(pán)平行穿過(guò)時(shí)是安全的。

[1] 王景明.地裂縫及其災(zāi)害的理論分析與應(yīng)用[M].西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2000.

[6] 彭建兵.西安地裂縫災(zāi)害[M].西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2012.

[8] 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.地鐵隧道近距離平行和小角度穿越活動(dòng)地裂縫帶的性狀及防治措施研究[R].北京，2012.

(編輯：郝京紅)

Study on the Minimum Distance Between Metro Tunnel and Parallel Ground Fissure

Xiang Xu

(China Railway First Survey & Design Institute Group Co., Ltd., Xi′an 710043)

Xi'an metro; ground fissure; parallel; model test; numerical analysis

相旭,男,高級(jí)工程師,從事隧道及地下工程設(shè)計(jì)， 7279689@qq.com

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