地鐵隧道斜交穿越地裂縫的模型試驗(yàn)研究

龐旭卿，嚴(yán)靜平

(1.西安理工大學(xué) 土建學(xué)院，陜西 西安 710048；2.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000；3.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054；4. 新疆烏魯木齊市建委安監(jiān)站，新疆 烏魯木齊 830004)

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地鐵隧道斜交穿越地裂縫的模型試驗(yàn)研究

龐旭卿1, 2，嚴(yán)靜平3, 4

(1.西安理工大學(xué) 土建學(xué)院，陜西 西安 710048；2.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000；3.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054；4. 新疆烏魯木齊市建委安監(jiān)站，新疆 烏魯木齊 830004)

西安地處國內(nèi)地裂縫發(fā)育最強(qiáng)烈的汾渭盆地，地裂縫已成為西安市地鐵施工及運(yùn)營中的一種典型地質(zhì)災(zāi)害。采用比例尺為1∶20的馬蹄形襯砌結(jié)構(gòu)模型，研究地鐵隧道和地裂縫60°斜交情況下的隧道結(jié)構(gòu)接觸壓力、隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)變、上部地層變形及隧道下部脫空等情況。研究結(jié)果表明：隨著地裂縫位錯(cuò)量的增加，隧道結(jié)構(gòu)上部受力表現(xiàn)為上盤壓力增加下盤壓力減小的趨勢；地裂縫活動(dòng)對上盤地表變形的影響大于對下盤地表變形的影響；沉降初期上盤隧道下部開始出現(xiàn)脫空，下盤隧道靠近地裂縫處土體出現(xiàn)隆起；下盤隧道結(jié)構(gòu)的上部處于受拉下部處于受壓狀態(tài)，上盤隧道結(jié)構(gòu)上部處于先受壓后受拉而下部一直處于受拉狀態(tài)。

地鐵隧道；地裂縫；斜交穿越；模型試驗(yàn)

70 年代后期以來，由于自然和人為等因素的影響，西安市先后出現(xiàn)了14條地裂縫，其活動(dòng)時(shí)間之長和規(guī)模之大，在國內(nèi)外尚屬罕見。西安地鐵在建設(shè)過程中不可避免的與這些地裂縫穿插交錯(cuò)，地裂縫的活動(dòng)性會造成地鐵隧道結(jié)構(gòu)扭曲及襯砌面開裂滲漏水，直接影響地鐵的施工及安全運(yùn)營[1-2]。近幾年來，針對西安在建的地鐵隧道穿越地裂縫的問題取得了一些很有價(jià)值的研究成果。彭建兵等[3]提出西安地裂縫是由于過量開采地下承壓水導(dǎo)致其出露地表而形成的近地表構(gòu)造破裂。范文等[4]初步提出了隧道穿越地裂縫帶的設(shè)防范圍及位置。黃強(qiáng)兵等[5-7]揭示了地裂縫作用下整體式襯砌隧道的變形破壞規(guī)律。嚴(yán)靜平等[8-10]開展了穿越地裂縫帶的地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測與預(yù)警判據(jù)研究。此外，為研究地裂縫對地下隧道產(chǎn)生的影響，科技工作者展開了一系列地鐵隧道的模型試驗(yàn)研究。如袁立群[11]通過模型試驗(yàn)研究了地鐵隧道-地裂縫-地層在列車振動(dòng)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律；李凱玲[12]、熊田芳[13]利用地鐵隧道正交穿越地裂縫應(yīng)力模型試驗(yàn)，分析了地裂縫活動(dòng)環(huán)境下的地鐵隧道與地裂縫的相互作用關(guān)系；李建軍[14]進(jìn)行了45°斜交地裂縫活動(dòng)條件下地鐵隧道與圍巖土體相互作用的物理模型試驗(yàn)研究；胡志平[15]開展了箱型隧道30°斜穿活動(dòng)地裂縫的變形破壞模式試驗(yàn)研究。但這些模型試驗(yàn)成果多為試驗(yàn)現(xiàn)象描述和定性分析，很少從工程設(shè)計(jì)的角度進(jìn)行討論，且未有對地鐵隧道60°斜穿活動(dòng)性地裂縫地鐵隧道與圍巖土體相互作用的探討。本文以西安地鐵二號線為工程背景，探討了隧道結(jié)構(gòu)與地裂縫相互作用機(jī)理，為斜交穿越地裂縫帶的隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的技術(shù)參考。

1　工程背景與模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1工程背景

本文以貫穿10條地裂縫的西安地鐵二號線為工程背景，該線路全長26.302km，地裂縫致災(zāi)段占全長的50%，其中4條地裂縫致災(zāi)嚴(yán)重地段占出露長度的70%以上。通過比例尺為1∶20的地裂縫與地鐵結(jié)構(gòu)相互作用模型試驗(yàn)，研究地鐵隧道與地裂縫斜交時(shí)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的受力模式、破壞特征及地鐵隧道在地裂縫位錯(cuò)作用下的脫空距離和影響范圍，對穿越地裂縫帶的地鐵隧道的設(shè)計(jì)及運(yùn)營過程中的安全監(jiān)測和災(zāi)害防治具有指導(dǎo)意義。

1.2模型設(shè)計(jì)

西安地鐵二號線穿越地裂縫處的設(shè)計(jì)斷面采用的為馬蹄形斷面，因此，設(shè)計(jì)的隧道模型斷面也采用馬蹄形斷面，試驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M長40m、寬32m和埋深8m的隧道。選取的幾何相似比常數(shù)為1∶20，制作的模型長為2m，上盤與下盤的長度各為1m，模型頂部厚度為0.4m(模擬隧道洞頂距地表距離)，斷面凈高為0.453m，斷面寬度0.455m(橫斷面見圖1)。

單位：mm圖1　隧道模型橫斷面簡圖Fig.1 Sketches of tunnel section for model

地裂縫位錯(cuò)的模擬通過隧道模型下部的千斤頂平臺升降進(jìn)行控制。為更好的觀察試驗(yàn)過程中隧道模型在地裂縫錯(cuò)動(dòng)情況下結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)及其與土體脫空情況，制作隧道模型結(jié)構(gòu)選取的材料為聚甲基丙烯酸甲脂有機(jī)玻璃材料。模型土體采用土層容重相似比為1：1的配置土，采用粉細(xì)砂模擬地裂縫處的填充物，以上設(shè)計(jì)完全能夠保證模型試驗(yàn)與現(xiàn)場應(yīng)力場的相似性。

1.3量測內(nèi)容與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

模型壓力通過在距模型底面10和80cm處埋設(shè)的土壓力傳感器進(jìn)行測量，模型應(yīng)變的測量通過布設(shè)的應(yīng)變花與應(yīng)變片完成。在隧道模型頂部和底部中線處自上盤向下盤各布設(shè)7個(gè)應(yīng)變花，在環(huán)5、環(huán)8和環(huán)11處沿環(huán)向加設(shè)左下、右下兩組應(yīng)變花，應(yīng)變花的布設(shè)位置如圖2所示。

單位：mm圖2　模型應(yīng)變測量應(yīng)變花布設(shè)圖Fig.2 Strain rosette setting map for model strain measurement

不同地裂縫位錯(cuò)時(shí)隧道下部的脫空情況通過在隧道模型中心線下方布設(shè)的高精度位移計(jì)進(jìn)行測量(見圖3)。在模型頂面土體上沿隧道軸向和地裂縫的延伸方向布設(shè)2排位移監(jiān)測點(diǎn)，以觀察上部土體變形。

圖3　隧道模型管下部位移計(jì)布置剖面圖Fig.3 Layout section of displacement meter in lower tunnel model tube

試驗(yàn)中應(yīng)變片數(shù)據(jù)的采集通過江蘇東華測試技術(shù)有限公司生產(chǎn)的DH3815數(shù)據(jù)采集儀完成，模型底部位移量與千斤頂平臺升降的位移量的采集通過XMT604智能控制儀完成，土壓力傳感器數(shù)據(jù)的采集通過VC890D數(shù)字萬用表完成。

2　試驗(yàn)分析及成果

2.1隧道與土體接觸土壓力分析

地裂縫位錯(cuò)時(shí)沿隧道模型軸向土體與結(jié)構(gòu)上部接觸壓力的變化見圖4。

注：受壓力為正值圖4　隧道上部壓力分布圖Fig.4 Upper tunnel pressure profile

由圖4可以看出，當(dāng)?shù)亓芽p發(fā)生位錯(cuò)時(shí)，位于隧道模型結(jié)構(gòu)上部的上盤承受的壓力增加，下盤承受的壓力減小。在隧道模型結(jié)構(gòu)上部的上盤影響區(qū)域?yàn)榫嗟亓芽p0～0.35m處，在下盤影響區(qū)域?yàn)榫嗟亓芽p0～0.15m處。原因在于距離地裂縫較遠(yuǎn)的土體完整密實(shí)，發(fā)生位錯(cuò)時(shí)土體向下運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的牽引力導(dǎo)致隧道頂部土壓力增加，距離地裂縫較近的土體當(dāng)隧道結(jié)構(gòu)隨試驗(yàn)平臺下降時(shí)，隧道模型沿縱向向下彎曲導(dǎo)致隧道上部土體與隧道分離其頂部壓力減小。

地裂縫位錯(cuò)時(shí)沿隧道軸向土體與隧道結(jié)構(gòu)下部接觸壓力的變化見圖5。

注：受壓力為正值圖5　隧道下部壓力分布圖Fig.5 Tunnel bottom pressure profile

由圖5可以看出，隨著地裂縫位錯(cuò)量增大，位于地裂縫上盤的隧道底部接觸壓力減小至0，位于地裂縫下盤的隧道底部接觸壓力在0～0.1m區(qū)域增大，在0.1～0.25m區(qū)域減小。主要原因在于沉降量達(dá)到5mm后，位于地裂縫上盤的隧道底部出現(xiàn)脫空。

2.2隧道上部土層沉降量變化分析

為研究模型頂面土體的變形破壞情況，在模型上表面沿隧道軸線方向布置了5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。圖6為實(shí)際沉降量和理論沉降量的對比曲線。

圖6　實(shí)際沉降量與理論沉降量對比曲線Fig.6 Settlement curves of actual and theory settlement amount

由圖6可以看出，地裂縫上盤發(fā)生的位移遠(yuǎn)大于下盤。當(dāng)沉降量超過20mm時(shí)，地表下沉速率隨著地裂縫沉降量的增大逐漸減小。主要原因在于地裂縫上盤下降時(shí)，兩盤間摩阻力阻止上盤土體向下運(yùn)動(dòng)；另外，上盤隧道結(jié)構(gòu)下部出現(xiàn)脫空，隧道下部土體的下降對上部土體影響減小。

2.3隧道下部及土體相對位移分析

隧道下部及土體相對位移見圖7。由圖7可以看出，隧道模型上盤位移量隨著地裂縫位錯(cuò)量的增大而增大，而下盤位移量變化則逐漸變緩。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在沉降量達(dá)到15mm時(shí)隧道上盤開始出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，且隨著地裂縫位錯(cuò)量的增加，脫空區(qū)域和沉降量增加，脫空區(qū)域?yàn)榫嗟亓芽p0～0.6m。而下盤土體因受到上盤土體的摩擦和擠壓而向上隆起，地裂縫對下盤的影響區(qū)域?yàn)?～0.25m。

2.4隧道縱向與環(huán)向應(yīng)變分析

地裂縫發(fā)生位錯(cuò)時(shí)，隧道頂部和底部縱向應(yīng)變變化見圖8與圖9。

注：負(fù)值為位移量變大；正值為位移量變大圖7　隧道底部土體位移變化曲線Fig.7 Displacement curves at the bottom of tunnel

圖8　隧道頂部縱向應(yīng)變變化曲線Fig.8 Longitudinal strain curves of tunnel top

注：受變?yōu)檎?；受壓力?fù)值圖9　隧道頂部縱向應(yīng)變變化曲線Fig.9 Longitudinal strain curves of tunnel bottom

由圖8與圖9可以看出，當(dāng)?shù)亓芽p的位錯(cuò)量小于15mm時(shí)，上盤隧道發(fā)生向下的彎曲變形，下盤隧道發(fā)生向上的彎曲變形，處于上盤的隧道頂部受壓而底部受拉，處于下盤的隧道頂部受拉而底部受壓。當(dāng)?shù)亓芽p的位錯(cuò)量達(dá)到20mm后，隧道底部脫空變大，上盤一端發(fā)生向下的彎曲，表現(xiàn)為隧道模型向上拱起，處于上盤的隧道頂部轉(zhuǎn)變?yōu)檎w受拉狀態(tài)。

圖10和圖11分別為上盤距地裂縫35cm和下盤距地裂縫25cm處襯砌環(huán)向應(yīng)變的變化曲線。

注：此環(huán)在地裂縫上盤，距離地裂縫35 cm,受拉為正值，受壓為負(fù)值圖10　地裂縫上盤環(huán)向應(yīng)變曲線Fig.10 Hoop strain curves of upper plate in ground fissures

注：此環(huán)在地裂縫上盤，距離地裂縫25 cm,受拉為正值，受壓為負(fù)值圖11　地裂縫下盤環(huán)向應(yīng)變曲線Fig.11 Hoop strain curves of lower plate in ground fissures

由圖10和圖11可以看出，地裂縫的上盤隧道環(huán)向應(yīng)變表現(xiàn)為左拱腰受壓而其余部位受拉，且左拱腰的應(yīng)力遠(yuǎn)大于隧道的其他部位。主要原因在于隧道結(jié)構(gòu)與地裂縫呈60°角斜交，處于上盤的隧道沿縱向發(fā)生向下彎曲變形的同時(shí)發(fā)生向左的扭轉(zhuǎn)變形。而處于地裂縫下盤的隧道環(huán)向應(yīng)變主要表現(xiàn)為受壓，原因在于土層限制了處于下盤的隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生位移和變形。同時(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，上盤隧道襯砌結(jié)構(gòu)環(huán)向受力大于下盤，上盤結(jié)構(gòu)環(huán)向應(yīng)力集中在左、右拱腰，下盤結(jié)構(gòu)環(huán)向應(yīng)力集中在拱頂和拱底，因此，在上盤左、右拱腰和下盤拱頂、拱底易出現(xiàn)破壞。

3　結(jié)語

1)隨著地裂縫位錯(cuò)量的增加，隧道結(jié)構(gòu)上部上盤壓力增大，下盤壓力減小的趨勢；隧道結(jié)構(gòu)下部上盤壓力減小至0，而下盤壓力持續(xù)增加。

2)地裂縫活動(dòng)對上盤地表變形的影響大于對下盤地表變形的影響。處于地裂縫下盤的隧道結(jié)構(gòu)頂部受拉而底部受壓；處于地裂縫上盤的隧道結(jié)構(gòu)頂部先受壓后受拉，而底部整體受拉。

3)上盤隧道襯砌結(jié)構(gòu)環(huán)向受力大于下盤，上盤隧道環(huán)向應(yīng)變?yōu)樽蠊把軌憾溆嗖课皇芾?，下盤的隧道環(huán)向應(yīng)變表現(xiàn)為受壓。上盤環(huán)向應(yīng)力集中在左、右拱腰，下盤環(huán)向應(yīng)力集中在拱頂和拱底，在上盤左、右拱腰和下盤拱頂、拱底易出現(xiàn)破壞。

4)通過對穿越地裂縫帶地鐵隧道結(jié)構(gòu)的受力模式及破壞特征研究揭示了地裂縫位錯(cuò)作用下隧道的變形破壞規(guī)律，為地裂縫帶或斷層帶分別區(qū)域隧道、管道的設(shè)計(jì)施工及運(yùn)營過程中的安全監(jiān)測和災(zāi)害防治提供了技術(shù)依據(jù)。

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Research on physical model experiment of metro tunnel obliquely crossing ground fissure

PANG Xuqing1, 2，YAN Jingping3, 4

(1.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture，Xi’anUniversityofTechnology，Xi’an710048，China；2.ShaanxiRailwayInstitute，Weinan，shanxi714000，China；3.SchoolofGeologyEngineeringandGeomatics,Chang’anUniversity,Xi’an710054,China;4.SafetySupervisionstationofUrumqiBURCC,Urumqi830004,China)

Xi’anislocatedinFennutrient-ladenbasinwhichisthemostpowerfuldomesticgroundfissuredevelopment,groundfissurehasbeenakindoftypicalgeologicaldisastersinXi’anmetroconstructionandoperation.Inthispaper,contactpressureoftunnelstructureandtunnelstructurestrain,upperstratadeformationandthetunnellowerpavementwasstudiedbythescaleof1:20u-shapedliningstructuremodelwhenMetrotunnelandthegroundfissures60 °oblique,etc.Thetestresultsindicatethatuppertunnelstructurestressshowstheupperplatepressureincreaseandlowerplatepressuredecreaseswiththeincrementsofgroundfracturedislocation.Groundfissureactivitiesaffectonthesurfacedeformationtoupperplateisgreaterthanthelowerplate.Atthebeginningofthesedimentationonthetunnelbottomofupperplatebegantoappearempty,thetunneloflowerplatenearthegroundfissuresoiluplift;Theuppertunnelstructureoflowerplatebearpullingforcebutthelowerpartoftunnelstructurebearpressure,Theuppertunnelstructureofupperplatebearpressurebeforeintensionbutthelowerpartoftunnelstructurebearpullingforce.

metrotunnel;groundfissure;obliquecrossing;physicalmodelexperiment

2015-09-26

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(40772183)；陜西省渭南市科研發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015KYJ-3-2)；陜鐵院科研基金資助項(xiàng)目(2012-16)

龐旭卿(1976-)，男，陜西華陰人，副教授，博士研究生，從事巖土工程與地質(zhì)災(zāi)害防治方面的教學(xué)與研究；E-mail：pangxuqing@126.com

TU91

A

1672-7029(2016)07-1359-06