地裂缝场地隧道结构与围岩作用机理

１ ２ 计 算 参 数 选 取 ．
数值计算参数 依据 西安地 铁草场 坡一八 里村 区间 段的地层土体物理力学参数 。根据实际勘察 资料 ， 数值 模型将 围岩土层分为 ４种 ： Ｑ 新黄 土（ 埋深 ０～ ． 、 ７ ５ｍ） Ｑ 粉质黏土古土壤层 （ 深 ７ ５～２ ． 、 埋 ． ５ ５ｍ） 老黄 土古
的 ０ １倍 。 ．
１ 分析 方法
１ １ 数 值 模 型 ．
笔者拟采用三维有 限元数值模 拟来分析地裂缝活
收 稿 日期 ： ０ ０— ５— ７ 修 回 日期 ２ １ ０ ３ ２１ ０ ２ ０ ０－ ６－ ０ 作 者 简 介 ：邓 国 华 ， 。 士 ， 男 博 工程 师 ， 事 地 铁 土 建 工 程 设 计 管 理 工 从
２ 计算结 果与分 析
２ １ 地 表 沉 降 位移 ．
图 ｌ 图 ２所 示 为 地 裂 缝 活 动 下 自由场 地 和 隧道 场 、
错位两部分组成 。在地裂缝处变形缝错 位位移较大， 其
余变形缝错位较小。地裂缝处变形缝错位 ７２ 与沉 ．５ ｍ， ｏ 降前相 比最大地表沉降位移达到 ２ ｛ 自由场地地裂缝 １ ｍ， ３
三 角 形 位 移 ， 大 为 ｌ 最 小 为 ０ １ 上 盘 其 余 部 分 最 ｍ， ． ｍ，
为 ０ １ｍ。 ．
图 ３ 隧 道 轴 线 方 向 地 表 沉 降位 移
２ ２ 隧 道衬 砌 结 构 轴 向沉 降位 移 ．
在 地 裂缝 活动 条 件 下 ， 隧道 衬 砌 结 构 变形 如 图 ４所 示， 隧道 沉 降位 移主 要 由单 节 隧 道 结构 转 动 和 变 形 缝 处
来 了较 大的安全 隐患 。对于 点式 建筑 ， 工业 与 民用 如
建筑 ， 可采 用 时 空 避 让 法 来 有 效 处 理 地 裂 缝 对 建 筑 均 物 的影 响 ， 对 于线 型建 筑 ， 能 通 过 寻 找 合 理 的 工 程 但 只 措 施 来 有 效 防 范地 裂 缝 对 建 筑 物 的 影 响 。就 地 裂 缝 的
成 因 与发 展 目前 已取 得 了较 多 的 成 果 ｌ ， 是 ， 裂 卜 但 地
缝造成 的不均匀沉 降对建筑 物的影 响还 没有成熟 的经 验可循 ｌ 。有 鉴 于此 ， 者 结合 西 安地 铁 与地 裂 缝 ５ 笔
的 实 际 情 况 ， 析 探 讨 地 裂 缝 活 动 条 件 下 隧 道 结 构 和 分 围 岩 的 变化 机 理 ， 提 出 有 效 的 工 程 措 施 打 下 坚 实 的 为
都 市 快 轨 交通 ・第 ２ ４卷 第 １期 ２ １ ０ １年 ２月
土 建 技 术
ｄｉ１ ．９ ９ｊｉ ｎ １７ ６ ７ ．０ １０ ．２ ｏ：０ ３６ ／．ｓ ．６ ２— ０ ３ ２ １． １０ １ ｓ
地 裂 缝 场 地 隧道 结 构 与 围岩 作 用 机 理
邓 国 华 佘 芳涛
（ ．西安市地下铁道有 限责任公 司 西安 ７ ０ １ ； ．西 安 理 工 大 学 １ １０ ８ ２
ｊ
边 Ｙ： ５ｍ处 ， ７ 倾角 为 ８ 。地 裂缝 与洞轴 向正交 ， 在 ０， 并
地 裂 缝 处 设 置 变 形 缝 。 盾 构 隧 道 断 面 为 圆 形 ， 山 法 矿 隧洞断面为马蹄形 。
目前 ， 西 安 城 郊 区 共 发 现 １ 在 ５条 地 裂 缝 ， 活 动 其 特 征 主 要 有 垂 向 、 平 拉 张 和 扭 转 位 移 ， 地 裂 缝 仍 在 水 且 不 断发 展 ， 形 成 新 的 次 级 地 裂 缝 。地 裂 缝 的 存 在 和 并 活 动 严 重制 约 了城 市 建 设 和 规 划 发 展 ， 地 铁 建 设 带 给
８ Ｕ ＢＮ Ａ Ｉ Ｒ Ｉ Ｒ Ｎ Ｉ ８ ＲＡ Ｐ Ｌ Ａ Ｓ Ｒ Ｄ Ａ Ｔ Ｔ
地裂缝 场地隧道 结构与 围岩作用 机理
２ ３ 衬 砌 结 构 内 力 ．
图 ６ 图 ７分 别 是 隧 道 衬 砌 拱 顶 和 拱 底 沿 洞 轴 线 、 方 向 的 应 力 分 布 图 。 地 裂 缝 活 动 条 件 下 衬 砌 应 力 集
道洞轴线的沉降较大 ， 自由场地 地表 出现均 匀 的凹 而
槽 ， 台 凹 型 。这 说 明 ， 地 裂 缝 活 动 条 件 下 隧 道 结 构 呈 在
０ １
０
ｃ ｌ）
２
３
４
５
量 减少 ５ ％ 。地 裂缝 处衬砌 结构 错位 位 移与 自由场地 相 ５ ２ ３ Ｏ ５ Ｏ ５ １ ● Ｏ
计算模型水 平方 向取 约 ３～５倍 洞径 ， 直 方 向取 约 垂 ２～ ３倍洞径 ， 模型建立时 宽度方 向（ 为 ８ 深 度方 ） ０ｍ；
向 （ ） ６ 长 度 方 向 （ ） １０ｍ； 到 ８ 为 ０ｍ； Ｙ 为 ５ 得 ０×６ ０Ｘ
ｉ Ｉ岩土压力、 衬砌结构 内力等方面， 分析地裂缝活动条件
ｉ 下隧道 结构 与 围岩 变化 特征 和作 用机理 ： ｛
１０ ｍ） ５ （ 的双 向隧道计 算模 型。其 中， Ｙ 向即洞轴 沿 方
线 方 向 ０～ ０ｍ，５～ ５ 为 盾 构 开 挖 施 工 区域 ， ４ ９ １０Ｉ ｎ ４ ０～ ９ 为 暗 挖 法 施 工 区 域 ， 裂 缝 处 隧 道 处 理 段 上 盘 为 ５ ｍ 地 ２ 下 盘 为 ２ 总 长 度 为 ４ ０ｍ， ５ｍ， ５ｍ。地 裂 缝 接 触 面 在 底
图 ４ 隧 道 衬砌 结 构轴 线 沉 降位 移
０１ ．
隧 道轴 向坐 粝
Ｏ
２ ０
４ ’ ０
８ ０
１０ ０
渣一． ０１
册 －０２
一
０３
下 盘
一
上盘 Ｏ４ — Nhomakorabea０５ ．
图 ２ 地裂缝 活动下隧道地表沉降示意
图 ５ 自由场地衬砌结构相同位置 土体沉 降位移
西安 ７０ ４ ） １ ０ ８
动条件下地铁隧道结构 ， 以及 围 岩 的应 力 和 变 形 发 展 。 ｉ ｉ摘 要 针 对 西安地铁 在 地裂 缝 活动 条件 下引起 的 ． Ｙ －
ｌ Ｉ程 问题 ， 通过数值模拟， 结合地 裂缝 区域 的设计方案， ｛ ｊ分别从地表沉降位移、 衬砌 沉降位移 、 围岩位移场、 围
翅
向坐标／ ｍ
逝
由于地裂缝的变形 主要集 中在裂 缝 处附 近 ， 远离 裂 在 缝处 逐渐变 小 ， 在 变形 区 内计 算模 型 底 部 的位 移 故
按 三 角 形 考 虑 。具 体 实 施 ： 裂 缝 模 型 左 右 两 侧 面 地
自由场地 隧 道土层
及 纵 向两端 面为 法 向约束 ， 面为 自由面 ， 盘为 固 顶 下 定 约束 ， 在地 裂缝上 盘底 部距 裂缝带 ５ｍ范 围内施 加
土壤 层 （ 深 ２ ． ～３ ． 、 粉 质 黏 土 （ 深 埋 ５５ ０ ５ｍ） Ｑ 埋 ３ ． 以下 ） 模 型 中 土 体 所 采 用 摩 尔 一 伦 模 型 。 盾 ０５ｍ ， 库 构 衬 砌 和 矿 山 法 初 衬 均 采 用 壳 体 单 元 ， 山 法 二 衬 采 矿 用 实 体 单 元 和 线 弹 性 模 型 。地 裂 缝 采 用 接 触 面 单 元 模
区域 较 深 ， 约 在 衬 砌 以下 ２ ３ 之 问 。 对 于逐 渐 大 ０～ ０ｍ
远离地裂缝 的区域 ， 影响趋于减弱 。 其
中在单 节衬砌 结 构 的两 端 部 位 变形 缝 附 近。在 上 盘
衬 砌 拱 顶 大 多 受 压 应 力 作 用 （ 力 压 为 负 ） 在 下 盘 受 压 ， 拉 应 力 较 多 （ 力 拉 为 正 ） 而 在 拱 底 部 位 衬 砌 受 力 较 压 ， 拱 顶 部 位 小 ， 化 也 小 ， 、 盘 多 处 于 受 压 状 态 。 衬 变 上 下
《 西安地裂缝场 地勘查 与工 程设 计规 程》 规定 ： 地
Ｕ Ｂ ＮＲ Ｐ ＩＴ Ａ ＳＴ ８ Ｒ Ａ Ａ Ｉ Ｒ Ｌ Ｒ Ｎ Ｉ ５ ＤＡ
都 市快 轨 交 通 ・ ２ 第 ４卷 第 １ ２ １ 年 ２月 期 ０１
裂 缝 的主 变 形 区 为 上 盘 ０～６ｎ， 盘 ０～ 微 变 形 ｌ下 ４ｍ； 区 为 上 盘 ６～ ０ｍ， 盘 ４～１ 由此 确 定 不 同结 构 ２ 下 ２ｍ， 类 别 的 建 筑 物 避 让 距 离 。基 于 此 ， 数 值 计 算 时 地 裂 在 缝 变 形 的影 响 范 围 上盘 取 ２ ２ 下 盘 取 １ ０～ ６ｍ， ２～１ 。 ６ｍ
基础 。
拟， 接触 面的法向刚度 ， 即其 体积模 量取邻 近土体体 积 模量 的 １ 倍 ， ０ 接触面 的剪切模 量取邻 近土体 剪切模 量 的 ０Ｉ ， ． 倍 黏聚力 和摩 擦 角取 周 围土体 黏 聚力 和摩擦
角 的 １５ 接 触 面 的拉 应 力极 限 取邻 近 土 体 拉 应 力 极 限 ／；
作 ， ｈ ｄ ｎ ＠ １ ３ ｃ ｍ ｇ — ｅ ｇ ６ ｏ
１ ３ 开 挖 方 式模 拟 ．
首先 ， 得到地裂缝 区域 的 自重应力 ， 自重 荷载产 将
生的位移初始化 ； 后 ， 拟施 工 工序 和开 挖过程 ， 然 模 得
到应力 场作为地裂缝错动作用 的初始 条件 。
１ ４ 边 界 位 移 确 定 ．
一
＼ 裂 缝
隧道 结构
横断 面 １
＼ｆ
砌洞 顶部位 拉应 力最大值为 ０ ２７ＭＰ ， ．５ ａ 压应力最大 值 为 ０３ １ Ｐ ， ．２ ａ最大值部位均 出现在 地裂缝处衬砌变 形 Ｍ
缝 附 近 。Ｃ ０混 凝 土 抗 压 强 度 为 ３ Ｐ ， 拉 强 度 为 ３ ０Ｍ ａ 抗 ２ ０ Ｐ 。隧 道 衬 砌 受 拉 应 力 危 害 性 更 大 ， 盘 衬 砌 ．１Ｍ ａ 下 结 构 较 上 盘 更 易发 生 裂纹 甚 至 破 坏 。 根 据 计 算 隧 道 衬 砌 最 大拉 压 应 力 与 强度 ， 砌 结 构 处 于 安 全 状 态 。 衬
影响隧道围岩土体 以及地 面的变 形规律 。从 图 ３中看 出， 隧道结构 阻碍 了上盘土体沉 降变形 ， 加速 了下盘 土
体 沉 降 变形 ， 且 相 对 自 由场 地 在 地 裂 缝 带 上 没 有 明 而 显 的 台阶 断层 ， 主 要 是 因 为 衬 砌 结 构 阻 碍 了 土 体 变 这
形发展 ， 致使土体应力重分布。
错位位移较小 ， 故预测实际错位位移应小于５ ｍ， ０１ 对隧 ３
道因地裂缝错位变形的防渗要求也有所降低 。
卜—、 ． ．． ． 。
６ ０
隧道轴 向坐
呈
一
２ ．Ｉ ０ 、
趔
遨 星
妊
．
…厂
下 盘
／ 上 盘
图 ｌ 地裂缝 活动下 自由场地地表沉降示意
处 错位 ３ 最大 地表 沉 降 位 移 为 ４ ｍ， 图 ５所示 。 ４ｃ ｍ， ５ｃ 如
地 的地表沉降 ， 移放 大 ５ 位 ０倍 。从 图 中可 以看 出， 隧
道 地 层 地 表 沉 降 在 两 洞 轴 线 之 间 部 位 较 小 ， 远 离 隧 在
隧道地层结构沉降位移与 自由场地相 同位置 的土体沉 降位移相 比， 地裂缝 处错位位移减少 ７ ． ％ ， 大沉降 ８７ 最 同位置的土体错位位移相 比， 减少的原 因有两个 ： 一是衬 砌结构转动调整部分沉降位移 ， 二是衬砌刚度相对土体沉 降较小， 这也说明衬砌结构相对 阻碍沉 降作用。地铁设 计 中要求衬砌 结构在地裂缝处适应沉 降设计错位 的位 移为 ５ 这是依据 自由场地地裂缝段地表沉降位移提 ０ ｍ， ｃ 出的。然而， 拥有隧道场地衬砌错位位移相对 自由场地
ｌ ｊ关键词 城市轨道 交通 地裂缝 地铁隧道 数值模
ｆ拟 西 地 ｌ ｉ 安 铁
ｌ ｛
｝ 中图分类号 ｛
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Ｐ４ ．６ ６ ２２
文章标志码
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Ａ
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ｉ ｌ ｊ文章编号 １ ２ ６７（０１０ —０５ ０ ６ —０３２１）１０８—５ ７