平行于地裂缝的地铁隧道避让距离研究

相 旭

(中铁第一勘察设计院集团有限公司 西安 710043)

平行于地裂缝的地铁隧道避让距离研究

相 旭

(中铁第一勘察设计院集团有限公司 西安 710043)

地裂缝为西安特有的地质灾害，地裂缝的变形对地铁的施工与运营均有不同程度的影响。首先通过1∶5的大型模型试验，对平行于地裂缝的地铁隧道的致灾模式进行研究，得出结果：地铁隧道随着地裂缝上盘沉降量的增大，结构没有出现扭剪变形，且随着平行距离的增加，地裂缝处滑动土楔对隧道的侧向挤压作用也逐渐减弱。通过数值模拟计算，对以上模型试验分析的结果进行更深入的验证，最后得出结论：地铁隧道与地裂缝上盘间30 m为地铁隧道的安全避让距离。该结论对今后西安地铁建设的选线具有重要的参考价值。

西安地铁；地裂缝；平行；模型试验；数值分析

1 研究背景

2 模型试验研究

2.1 试验目的与任务

为了对西安地铁3号线近距离平行穿过地裂缝地段提供安全避让距离和制订工程措施提供科学依据，以西安地铁3号线f 7地裂缝为背景，设置模型试验，主要了解地裂缝错动条件下的衬砌结构受力变形特征、破坏模式以及影响范围。按照几何相似比1∶5加工制作马蹄形隧道衬砌结构模型、地裂缝及围岩地层模型，在试验过程中主要监测隧道围岩压力、结构收敛变形、地层沉降变形、衬砌结构变形破坏的宏观特征、衬砌混凝土及钢筋的应力应变变化规律。

2.2 模型制作

本试验取几何相似常数Cl=5、混凝土弹性模量相似常数CEc=2，根据量纲分析法列出π项式和相似准则方程，计算出各主要物理量的相似比。设计模型混凝土强度等级为C20，试验测定试块28 d强度为27.08 MPa、弹性模量(平均值)为2.74×104MPa，弹性模量选取对应的应力为峰值强度的30%处。

2.3 试验系统及加载方式

为模拟地裂缝的活动方式，即上盘相对下盘下降，本次模型试验在长安大学地基沉降实验平台上进行，将沉降平台一侧设置为地裂缝上盘，相对固定(地面)的一侧设置为地裂缝下盘，通过自锁式千斤顶控制沉降平台缓慢下降来模拟地裂缝的活动，地裂缝的活动速率和错动量通过工控机控制自锁式千斤顶的运行速率和行程来实现(见图1、2)。

图1 土层剖面结构

图2 地裂缝位置示意

为了模拟地裂缝的缓慢活动规律，同时考虑试验的进度，设定千斤顶的运行速率为4 mm/次。每级荷载施加稳定后24 h开始量测结构的应力、应变、土压力、结构位移、地表位移。每级荷载施加间隔时间为24 h左右。本次试验设计地裂缝错动量为20 cm，分为10级荷载来施加。

2.4 试验结果分析

2.4.1 衬砌结构内表面混凝土环向应变

图3表明平行裂缝衬砌结构内表面受拉区主要集中在结构顶部，其余区域应变值水平较小。

图3 衬砌内表面混凝土环向应变变化曲线

图4 平行地裂缝隧道衬砌结构横断面收敛位移

2.4.2 结构收敛位移

图4表明平行裂缝衬砌结构以受压为主，6号测点受压位移最大，4、5号测点受拉(向外变形)，说明结构主要受到靠近地裂缝侧围岩土体的挤压，与土压力分布趋势一致。

2.4.3 衬砌结构外表面混凝土环向应变

图5表明平行裂缝结构外表面受压区主要集中在结构顶部，与图3内表面分布规律对应。说明平行衬砌结构主要受到顶部围岩土体的压力，靠近地裂缝的一侧结构侧壁(拱腰)受拉水平小于远离地裂缝的一侧拱腰，说明结构靠近地裂缝的一侧土压力大于远离地裂缝的一侧，结构受到了地裂缝活动一定的影响。

图5 衬砌结构外表面混凝土环向应变变化曲线

可见，混凝土内外表面应变分布规律显示：近距离平行地裂缝马蹄形隧道结构主要受到顶部围岩土体压力的影响，在一定程度上也受到地裂缝沉降引起的侧向压力，结构变形不明显。

2.4.4 试验结论

通过现场观察及衬砌结构内表面混凝土环向应变、结构收敛位移、衬砌结构外表面混凝土环向应变、土压力等现场实测数据可以得出如下结论：

1) 在近距离平行地裂缝的条件下，马蹄形隧道在轴线方向沉降无明显突变，沉降均匀，沉降速率平稳；在垂直于平行裂缝隧道轴线方向上的隧道衬砌结构两侧土体变形基本相同。

2) 平行于地裂缝的马蹄形隧道衬砌结构的底部横向土压力最大值均在轴线位置，自轴线远离地裂缝的土压力明显减小，靠近裂缝土压力先升后降；靠近地裂缝侧的土压力大于远离地裂缝侧，说明地裂缝沉降对平行裂缝结构产生一定的侧向推力。

3) 平行于地裂缝的隧道结构受到的剪应力非常小，且随着地裂缝上盘沉降量的增大，除个别剪应力变化方向改变，其大小变化不大，说明平行裂缝衬砌结构并没有受扭，结构没有出现扭剪变形。

4) 平行于地裂缝的隧道结构环向钢筋应变水平较低，结构顶部区域为受拉区，与混凝土内表面应变规律吻合，且不存在明显受拉受压集中区，结构无明显纵向变形。

5) 整体式马蹄形隧道结构近距离(对应原型30 m)平行地裂缝时，地裂缝上盘下降不会导致结构发生明显的变形破坏，但在靠近地裂缝的一侧由于地裂缝的活动，上盘地层(土体)会对结构产生水平挤压作用，形成偏压现象，结构整体存在向远离地裂缝带一侧弯曲的趋势，但变形不明显，是安全的。

3 数值模拟分析

3.1 数值模型

3.1.1 模型简化

图6 数值分析模型

3.1.2 边界条件模拟

数值计算模型前后两端和左右两侧分别施加z方向、x方向水平位移的约束，地裂缝下盘底部施加y方向即竖直向位移约束，而其上盘底部为可控活动边界。由于地裂缝的活动方式是上盘下降而下盘稳定，模型中在上盘底部施加强制位移S来控制和模拟地裂缝上盘的下降过程及垂直位移量。

地裂缝是具有一定张开量并且缝隙中充填多种颗粒的狭长裂隙。当上盘下沉时，沿着地裂缝滑动，必然会对裂隙中的颗粒剪切、挤压，并且造成上下盘互相嵌入或者脱空。为了模拟这一力学过程，需要引入接触面。采用Flac3D有限差分软件模拟接触面的Interface单元两个物体之间的滑动。采用结构单元(Shell)模拟隧道衬砌。

3.1.3 计算参数

计算参数如表1所示。

表1 计算参数

3.2 计算工况

为了详细模拟地裂缝活动对隧道结构的影响，采用逐渐变换地裂缝与隧道衬砌净距L及上盘下沉位移S，详细分析隧道内力变化，具体分为6种工况，如表2所示。

表2 计算工况

3.3 计算结果分析

3.3.1 隧道衬砌变形分析

受到隧道周边土体挤压的影响，隧道结构跟着发生变形，从而引起隧道内力变化。图7是隧道衬砌发生水平向位移(x方向)的等值线图，从图中可以看出衬砌的水平向位移为1.9～2.2 cm。随着L的逐步增大，水平位移逐渐减小。

图7 衬砌x位移等值线图(L=30 m,S=30 cm)

3.3.2 隧道衬砌弯矩分析

当L=5 m时，拱底弯矩变化值为67 kN·m；当L=50 m时，拱底弯矩变化值为29 kN·m，拱底弯矩随着L的增大呈减小趋势，并且幅度越来越小(见图8)。

图8 仰拱和拱顶弯矩曲线

3.3.3 隧道衬砌轴力分析

随着上盘下沉，拱底轴力和拱顶轴力增加比较缓慢。当L=5 m时，拱底轴力增加25 kN；当L=50 m时，拱底轴力增加39 kN。当L=5 m时，拱顶轴力增加37 kN；当L=50 m时，拱顶轴力增加35 kN。当L≥30 m时，轴力增加比较缓慢，而且幅度也不大，可以把L=30 m的工况看作轴力变化的界限距离(见图9)。

图9 仰拱和拱顶轴力曲线

3.3.4 计算结论

通过模拟几种工况下的结构变形情况可知：地裂缝活动时，上下盘互相挤压滑动，在上盘产生一个向地面方向滑动的滑动楔。左拱腰的水平位移大于右拱腰的水平位移，隧道结构的水平向位移平均值为1.78 cm;左拱腰轴力大于右拱腰轴力，拱低轴力大于拱顶轴力。随着上盘下沉，当L=30 m时，左拱腰弯矩减小值为55 kN·m，右拱腰弯矩减小值为50 kN·m；当L=30 m时，拱底轴力增加25 kN，拱顶轴力增加37 kN，拱底轴力较其他5种工况大，拱顶轴力较其他5种工况小。

4 结论

通过上述对近距离平行地裂缝带地铁隧道性状的大型模型试验研究和FLAC3D数值模拟计算，得出如下主要结论：

1) 地裂缝上下盘相对滑动时，在上盘产生一个向下滑动的滑动土楔，从模型试验中土压力变化规律得出：该滑动楔对隧道产生侧向挤压作用，且随着平行距离(L)的增加，滑动土楔越来越不明显，对隧道的侧向挤压作用也逐渐减弱。

2) 平行于地裂缝的隧道结构受到的剪应力非常小，且随着地裂缝上盘沉降量的增大，除个别剪应力变化方向的改变，其大小变化不大，说明平行裂缝衬砌结构并没有受扭，结构没有出现扭剪变形。

3) 整体式马蹄形隧道结构近距离(对应原型30 m)平行地裂缝时，地裂缝上盘下降不会导致结构发生明显变形破坏，但在靠近地裂缝的一侧由于地裂缝的活动上盘地层(土体)会对结构产生水平挤压作用，形成偏压现象，结构整体存在向远离地裂缝带一侧弯曲的趋势，但变形不明显，说明地铁隧道从距离地裂缝带30 m的上盘平行穿过时是安全的。

[1] 王景明.地裂缝及其灾害的理论分析与应用[M].西安：陕西科学技术出版社，2000.

[6] 彭建兵.西安地裂缝灾害[M].西安：陕西科学技术出版社，2012.

[8] 中铁第一勘察设计院集团有限公司.地铁隧道近距离平行和小角度穿越活动地裂缝带的性状及防治措施研究[R].北京，2012.

(编辑：郝京红)

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,高级工程师,从事隧道及地下工程设计， 7279689@qq.com

U455.5

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