穿越地裂縫帶地鐵隧道結(jié)構(gòu)分段長度優(yōu)化研究

黃強(qiáng)兵，姜紫看，鄧亞虹，王立新，胡士偉

(1.長安大學(xué)地質(zhì)工程系， 陜西 西安 710054； 2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043； 3.北京市政路橋股份有限公司，北京 100045)

西安大規(guī)模城市地鐵建設(shè)面臨嚴(yán)重的地裂縫災(zāi)害，地裂縫活動(dòng)對(duì)地鐵工程建設(shè)及后期的安全運(yùn)營構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[1]。地鐵工程屬于百年大計(jì)工程，一般設(shè)計(jì)壽命為100年，為了保證地鐵線路在設(shè)計(jì)使用期(100 a)內(nèi)的安全運(yùn)營，必須對(duì)穿越地裂縫帶的地鐵隧道進(jìn)行有效設(shè)防。近年來國內(nèi)許多專家和學(xué)者開展了地裂縫本身活動(dòng)引起地層應(yīng)力、位移場(chǎng)的變化，及其對(duì)地鐵工程影響及防治的一些開拓性研究[2-9]，認(rèn)為地裂縫活動(dòng)作用下地鐵隧道均會(huì)產(chǎn)生變形破壞，地鐵隧道跨地裂縫帶結(jié)構(gòu)上必須采用“分段設(shè)縫、擴(kuò)大斷面、預(yù)留凈空及局部襯砌加強(qiáng)”等防護(hù)措施[1,4,6-7](圖1、圖2)，來適應(yīng)地裂縫錯(cuò)斷影響產(chǎn)生的過大變形。但上述文獻(xiàn)均未考慮跨地裂縫帶隧道結(jié)構(gòu)分段長度優(yōu)化問題。

圖1 地裂縫影響區(qū)地鐵隧道分段示意圖Fig.1 Longitudinal schematic diagram of the tunnel segments

圖2 柔性接頭(變形縫)構(gòu)造示意圖(單位：mm)Fig.2 Structure diagram of the flexible joint(mm)

國外關(guān)于地裂縫對(duì)隧道工程影響方面的研究幾乎是空白，大多為隧道穿越活斷層區(qū)域的研究成果。A.R Shahidi等[10]認(rèn)為隧道在穿越活斷層區(qū)域時(shí)應(yīng)當(dāng)采用柔性襯砌結(jié)構(gòu)或接頭，以適應(yīng)隧道變形確保列車安全通過；Seokwon Jeon等[11]采用模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬方法，分析了斷層和軟弱面對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響；Vahid等[12]結(jié)合經(jīng)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算，提出隧道在穿越斷層破碎帶時(shí)應(yīng)設(shè)置支撐系統(tǒng)，以消除斷層活動(dòng)作用下隧道的變形破壞。

毋庸置疑，上述研究成果為地鐵隧道穿越活動(dòng)地裂縫帶及其影響區(qū)隧道病害防治研究奠定了重要基礎(chǔ)。但地裂縫地段隧道分段設(shè)縫(特殊變形縫)后，分段隧道多長最合理？這涉及到隧道襯砌結(jié)構(gòu)分段長度的優(yōu)化問題。文獻(xiàn)[7]也指出：為了適應(yīng)地裂縫的大變形及保證地鐵隧道結(jié)構(gòu)的安全性，地鐵隧道穿越地裂縫帶采取分段設(shè)變形縫后，結(jié)構(gòu)分段長度的優(yōu)化是一個(gè)關(guān)鍵問題。到目前為止，未見專門文獻(xiàn)對(duì)分段長度優(yōu)化進(jìn)行計(jì)算分析。因此，本文以西安地鐵1號(hào)線斜交穿越地裂縫帶為工程背景，采用有限元軟件MSC Marc對(duì)過地裂縫帶地鐵隧道分段設(shè)變形縫進(jìn)行數(shù)值模擬分析，依據(jù)分段隧道特殊變形縫的三向變形特征和隧道襯砌結(jié)構(gòu)的塑性區(qū)分布特征，評(píng)價(jià)不同設(shè)縫模式下不同長度分段隧道適應(yīng)地裂縫變形的能力，分析確定分段隧道過地裂縫帶的結(jié)構(gòu)合理長度及最適宜的設(shè)縫模式。研究成果可為地裂縫發(fā)育的城市地鐵隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其他地下空間開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 跨地裂縫帶地鐵隧道分段模式

1.1 西安地裂縫活動(dòng)特征

西安地裂縫是在過量開采承壓水產(chǎn)生不均勻地面沉降的條件下，臨潼-長安斷裂帶西北側(cè)(上盤)一組北東走向的隱伏地裂縫出現(xiàn)活動(dòng)在地表形成的破裂[13]，是構(gòu)造控制和抽取地下水為誘因共同作用的結(jié)果。西安地裂縫活動(dòng)形式為類似于正斷層式的蠕滑，南傾南降，且地層斷距隨深度增加而增大(圖3)，剖面上由主變形區(qū)和微變形區(qū)構(gòu)成的變形影響帶上寬下窄，呈楔形狀。地裂縫一般傾向南，傾角在70°以上。鉆探結(jié)果表明西安地裂縫在剖面地層上均表現(xiàn)為垂直位錯(cuò)作用。

圖3 西安地裂縫活動(dòng)剖面特征圖Fig.3 Schematic profile showing ground fissure activities in Xi’an

1.2 跨地裂縫帶隧道分段模式

西安地鐵隧道過地裂縫帶均采取淺埋暗挖法施工，隧道結(jié)構(gòu)分段設(shè)置寬度為10 cm的特殊變形縫。根據(jù)隧道與地裂縫的平面投影斜交關(guān)系，筆者在大型物理模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了跨地裂縫帶地鐵隧道分段設(shè)縫模式(圖4)，大致分為以下兩種情況：

圖4 跨地裂縫帶隧道分段設(shè)縫模式平面示意圖Fig.4 Mode of deformation joint for the sectional metro tunnel crossing active ground fissure zones

(1)對(duì)縫設(shè)置模式：地裂縫設(shè)防范圍內(nèi)分段設(shè)特殊變形縫的隧道有兩段分段隧道跨于地裂縫帶(圖4a)。該模式下分段隧道結(jié)構(gòu)適應(yīng)地裂縫變形能力強(qiáng)。

(2)懸臂設(shè)置模式：地裂縫設(shè)防范圍內(nèi)分段設(shè)特殊變形縫的隧道中僅一段懸臂跨于地裂縫帶(圖4b)。該模式下隧道結(jié)構(gòu)接頭變形相對(duì)較小，騎跨在地裂縫帶上的隧道段會(huì)受一部分彎矩和剪力作用，其余隧道段適應(yīng)地裂縫變形的能力較好。

圖4中D1～D3為跨地裂縫帶受影響較大的分段隧道特殊變形縫，其中，D1變形縫位于地裂縫的上盤，D2變形縫位于地裂縫帶位置，D3變形縫位于地裂縫下盤；沿縱向分段隧道序號(hào)：上、下盤分別為L1-i、L2-i(i=1，2，…，n)，地裂縫帶走向與隧道軸線相交角度為θ。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特征，跨地裂縫帶隧道分段設(shè)縫后，襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力釋放，分段隧道在地裂縫錯(cuò)動(dòng)作用下將會(huì)產(chǎn)生三維變形(圖5，圖中ab為豎向相對(duì)位移，ab′為軸向相對(duì)位移，ac(Δx)為橫向相對(duì)位移。)，并且其變形主要集中在地裂縫附近的D1～D3三條變形縫上(圖4)。同時(shí)，變形縫變形過大，也會(huì)導(dǎo)致分段隧道接頭受損，加之騎跨于地裂縫之上的分段隧道受到地裂縫位錯(cuò)作用后結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)塑性變形。因此本次計(jì)算重點(diǎn)考慮D1～D3變形縫的三向變形以及不同設(shè)縫模式下地裂縫帶附近隧道結(jié)構(gòu)塑性區(qū)分布特征，以此為依據(jù)來判斷對(duì)縫設(shè)置和騎縫設(shè)置模式的優(yōu)越性及兩種設(shè)縫模式下分段隧道的合理長度。

圖5 分段隧道三向變形示意圖Fig.5 3-D deformation of the segmented tunnel induced by ground fissure

2 計(jì)算模型

2.1 工程背景

西安地鐵1號(hào)線為西安市城市軌道交通網(wǎng)東西向主要骨架線，平面上與走向?yàn)镹EE向分布的地裂縫帶基本斜交，斜交角度θ多為30°左右，故本次計(jì)算取θ=30°。其中萬壽路—長樂坡區(qū)間穿越活動(dòng)較強(qiáng)烈的f5地裂縫帶，該區(qū)間沿長樂路近東西走向，地貌上屬于浐河階地，地面高程在405.48～424.23 m之間。地層巖性主要為雜填土、黃土及古土壤、老黃土、粉質(zhì)黏土、粗砂及圓礫。地下水類型為地下潛水，隧道埋深約15.0 m。區(qū)間隧道穿越f5地裂縫帶，其傾角約80°，其活動(dòng)速率小于5 mm/a。地鐵設(shè)計(jì)壽期(100 a)內(nèi)地裂縫垂直位錯(cuò)量按照500 mm進(jìn)行設(shè)計(jì)考慮。如圖6所示,初襯采用C25噴射混凝土，二襯采用C30混凝土。

圖6 馬蹄形區(qū)間隧道襯砌斷面(單位：mm)Fig.6 Section of the horseshoe tunnel lining (mm)

2.2 有限元模型

本次基于MSC.MARC有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算模型尺寸：長×寬×高(地層厚度)=200 m×60 m×40 m，隧道埋深為H=15 m，地裂縫傾角取80°，分段隧道之間特殊變形縫寬度100 mm(圖2)。地裂縫活動(dòng)類似正斷層，上盤下降而下盤基本穩(wěn)定(圖3)，計(jì)算中地裂縫垂直位錯(cuò)量按500 mm考慮[1]，計(jì)算模型如圖7所示。模型計(jì)算參數(shù)根據(jù)西安地鐵1號(hào)線地裂縫勘察報(bào)告和設(shè)計(jì)報(bào)告取值，如表1所示。

圖7 有限元計(jì)算模型Fig.7 General view of the finite element model

參數(shù)重度γ/(kN·m-3)彈性模量E/ MPa泊松比μ黏聚力c/ kPa內(nèi)摩擦角φ/ (°)層厚s/m地層埋深h/m雜填土(Qml4)18.06.00.3520153.33.90新黃土(Qeol3)18.58.00.304020.07.611.5古土壤(Qel3)18.611.60.284021.03.014.5老黃土(Qeol2)19.013.30.285021.06.521.0粉質(zhì)黏土(Qal2)19.516.00.314024.05.526.5粗砂(Qal2)19.2450.290352.829.3圓礫(Qal2)23.0600.230401.430.7粗砂(Qal2)20.0500.290359.340.0地裂縫c=12 kPa,φ=20°初襯24.82.8×1040.1673×103400.3二 襯25.03.0×1040.1673×103400.55

2.3 邊界條件

數(shù)值模型縱軸方向(Z方向)、橫軸方向(X方向)施加水平約束，地裂縫下盤底部豎直方向約束保持穩(wěn)定不動(dòng)，而上盤底部為強(qiáng)制位移邊界(圖7)，通過上盤底部施加強(qiáng)制位移來有效模擬地裂縫活動(dòng)特征。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，西安地鐵設(shè)計(jì)壽命為100 a，地裂縫最大可能的垂直位錯(cuò)量建議值為500 mm，故計(jì)算時(shí)上盤底部施加的強(qiáng)制位移取值500 mm。

2.4 計(jì)算工況

(1)對(duì)縫設(shè)置模式，跨地裂縫帶分段隧道長度L1-1和L2-1(圖4a)分別取L=10，15，20，30 m，其余鄰接分段隧道長度取20 m，共4種計(jì)算工況，分析D1～D3變形縫的三向變形特征及隧道結(jié)構(gòu)塑性區(qū)分布特征。

(2)對(duì)懸臂設(shè)置模式，跨地裂縫帶分段隧道長度L2-1(圖4b)分別取L=20，30，40 m，其余鄰接分段隧道長度取20 m，共3種計(jì)算工況，重點(diǎn)考慮D2和D3變形縫的三向變形特征，同時(shí)結(jié)合襯砌結(jié)構(gòu)塑性區(qū)分布特征進(jìn)行分析。

考慮到地裂縫作用下分段隧道結(jié)構(gòu)安全性和接頭防水效果主要取決于變形縫的三向變形和襯砌結(jié)構(gòu)塑性區(qū)分布特征，其中變形縫的橫向和豎向相對(duì)變形對(duì)結(jié)構(gòu)影響最大，而縱向(軸向)變形可通過隧道分多段來消納。因此，本次研究以橫向和豎向變形為主，結(jié)合塑性區(qū)分布特征來分析對(duì)縫設(shè)置和騎縫設(shè)置模式的優(yōu)越性和適宜性。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 對(duì)縫設(shè)置模式

(1)特殊變形縫的變形特征

圖8給出了地裂縫位錯(cuò)量s=500 mm作用下不同分段長度(L=10，15，20和30 m)隧道在對(duì)縫設(shè)置模式下D1相鄰分段隧道的三向相對(duì)變形曲線(圖中橫坐標(biāo)環(huán)向位置是從地裂縫下盤往上盤看，左、右拱腰分別為0°和180°，拱頂為90°，拱底為270°，下文同)。由圖8可知，D1的橫向相對(duì)變形主要出現(xiàn)在拱頂、底部(90°和270°方向)附近，且隨著分段隧道長度的增大而減小，沿隧道環(huán)向大致具有反對(duì)稱變化特征。當(dāng)L=10 m時(shí)，橫向相對(duì)變形于拱頂部出現(xiàn)最大值，達(dá)到10.58 cm，而兩拱腰(0°和180°方向)幾乎無橫向相對(duì)變形，說明在地裂縫上盤下降過程中位于上盤的分段隧道L1-1在D1處發(fā)生了明顯的縱向扭動(dòng)變形。豎向相對(duì)變形則剛好相反，主要出現(xiàn)在分段隧道兩拱腰(0°和180°方向)，而拱頂、底部豎向相對(duì)變形較小。兩拱腰的豎向相對(duì)變形隨著L的增大而先減小，當(dāng)L=10 m時(shí)，豎向相對(duì)變形于左拱腰出現(xiàn)最大值，達(dá)到12.45 cm，而拱頂、底部豎向相對(duì)變形則變化不大?？v向相對(duì)變形規(guī)律與橫向大致相同，但方向相反。

圖8 對(duì)縫模式下變形縫D1的橫向和豎向變形曲線Fig. 8 Deformation curves of joint D1 under the mode of opposite joint

圖9為地裂縫位錯(cuò)量s=500 mm作用下不同長度分段隧道的變形縫D2的三向變形曲線。由圖9可知，D2的橫向相對(duì)變形主要出現(xiàn)在隧道頂部(90°方向)附近，且隨著分段隧道長度的增大而增大。當(dāng)L=30 m時(shí)，橫向相對(duì)變形于拱頂部出現(xiàn)最大值，達(dá)到-9.82 cm。從拱頂部向兩拱腰及拱底部橫向相對(duì)變形逐漸減小，說明在地裂縫上盤下降過程中分段隧道在D2處發(fā)生了較大的橫向變形。豎向相對(duì)變形于隧道右拱腰最大，向拱頂、底部逐漸減小，且隨著L的增大而增大，當(dāng)L=30 m時(shí)，豎向相對(duì)變形于右拱腰出現(xiàn)最大值，達(dá)到14.63 cm。沿縱向分段隧道結(jié)構(gòu)變形在右拱腰和拱頂較大，而左拱腰與拱底較小，且隨L的增大而增大。

圖9 對(duì)縫模式下變形縫D2的橫向和豎向變形曲線Fig.9 Deformation curves of joint D2 under the mode of opposite joint

圖10給出了地裂縫位錯(cuò)量s=500 mm作用下不同長度分段隧道的變形縫D3的橫向和豎向變形曲線。由圖10可知，D3的橫向相對(duì)變形主要出現(xiàn)在隧道頂、底部(90°和270°方向)附近，沿隧道環(huán)向大致具有反對(duì)稱變化分布規(guī)律。當(dāng)分段隧道長度L=30 m時(shí)，橫向相對(duì)變形在拱頂部出現(xiàn)最大值，達(dá)到-9.82 cm，而兩拱腰(0°和180°方向)橫向相對(duì)變形較小，說明在地裂縫上盤下降過程中位于地裂縫帶下盤上的分段隧道L2-1在D3處發(fā)生了明顯的縱向扭動(dòng)變形。豎向相對(duì)變形在左拱腰表現(xiàn)為向下變形而右拱腰表現(xiàn)為向上抬升的變形，方向基本相反，進(jìn)一步說明結(jié)構(gòu)發(fā)生了扭動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)變形。當(dāng)L=30 m時(shí)，豎向相對(duì)變形在右拱腰出現(xiàn)最大值，達(dá)到14.60 cm?？v向相對(duì)變形規(guī)律與橫向基本一致，但方向相反。

圖10 對(duì)縫模式下變形縫D3的橫向和豎向變形曲線Fig.10 Deformation curves of joint D3 under the mode of opposite joint

(2)襯砌結(jié)構(gòu)塑性區(qū)分布特征

圖11為地裂縫位錯(cuò)量s=500 mm作用下對(duì)縫設(shè)置模式下不同長度(L=10，15，20，30 m)分段隧道襯砌結(jié)構(gòu)的塑性應(yīng)變?cè)茍D(所有云圖的變形均放大15倍，下同)。由圖11可知，在對(duì)縫設(shè)置模式下，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的塑性區(qū)主要出現(xiàn)在D2處偏上盤的分段隧道(L1-1)底部和拱腳附近位置，塑性區(qū)范圍4～6 m，且塑性區(qū)范圍大小隨分段隧道長度L的增加變化不大，但比較而言，L=30 m的分段隧道(L1-1)底部在D2位置處塑性區(qū)范圍最大，其次是L=10，15 m，L=20 m時(shí)最小。從結(jié)構(gòu)受力來看，這說明對(duì)縫設(shè)置模式下分段長度L=30 m的分段隧道受力最大，最不利于隧道適應(yīng)地裂縫的變形。

圖11 對(duì)縫模式下不同長度分段隧道襯砌塑性應(yīng)變?cè)茍DFig.11 Distribution of the plastic strain of lining in the mode of opposite joint

3.2 懸臂或騎縫設(shè)置模式

(1)變形縫的三向變形特征

懸臂(或騎縫)模式下，主要考慮變形縫D2和D3(圖4b)的三向變形特征。圖12為地裂縫位錯(cuò)量s=500 mm作用下不同長度(L=20，30，40 m)分段隧道的變形縫D2的三向變形曲線。由圖12可知， D2的橫向相對(duì)變形主要出現(xiàn)在隧道頂、底部(90°和270°方向)附近，且隨著分段隧道長度L的增大而減小，沿隧道環(huán)向大致具有反對(duì)稱變化特征。當(dāng)L=20 m時(shí)，橫向相對(duì)變形于拱頂部出現(xiàn)最大值，達(dá)到8.50 cm，而兩拱腰(0°和180°方向)橫向相對(duì)變形較小，說明在地裂縫上盤下降過程中位于下盤的分段隧道L1-1在D2處發(fā)生了明顯的縱向扭動(dòng)變形。豎向相對(duì)變形在兩拱腰較大，并且左拱腰豎向變形大于右拱腰，而拱頂、底部相對(duì)較??；同時(shí)，隨著分段長度L的增加右拱腰豎向位移方向發(fā)生了變化，右拱腰由負(fù)變?yōu)檎?，說明分段隧道長度增加對(duì)變形的約束作用增強(qiáng)。當(dāng)L=40 m時(shí)，豎向相對(duì)位移在左拱腰位置出現(xiàn)最大值，達(dá)到11.23 cm。縱向相對(duì)變形規(guī)律與橫向基本一致，但方向相反。

圖12 懸臂模式下變形縫D2橫向和豎向變形曲線Fig.12 Deformation curves of joint D2 under the mode of cantilever

圖13給出了地裂縫位錯(cuò)量s=500 mm作用下不同長度分段隧道的變形縫D3的三向變形曲線。由圖13可知， D3的橫向相對(duì)變形主要出現(xiàn)在隧道頂、底部(90°和270°方向)附近，同樣地沿隧道環(huán)向大致具有反對(duì)稱變化規(guī)律，與D2的橫向相對(duì)變形變化規(guī)律基本一致，而方向剛好相反，說明分段隧道與地裂縫斜交時(shí)地裂縫帶位置附近的上盤隧道段(L1-1)和下盤隧道段(L2-1)發(fā)生了相反方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)分段隧道長度L=20 m時(shí)，橫向相對(duì)變形于拱頂部出現(xiàn)最大值，達(dá)到-9.60 cm；而兩拱腰(0°和180°方向)相對(duì)橫向變形相對(duì)較小，說明在地裂縫上盤下降過程中位于下盤的分段隧道L2-1在D3處亦發(fā)生了明顯的縱向扭動(dòng)變形。豎向相對(duì)變形左拱腰明顯大于右拱腰，這進(jìn)一步說明分段隧道產(chǎn)生了較大縱向扭動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)變形，當(dāng)L=30 m時(shí)，豎向相對(duì)變形于左拱腰拱腰位置出現(xiàn)最大值，達(dá)到-11.88 cm。縱向相對(duì)變形規(guī)律與橫向基本相同，但方向相反。

圖13 懸臂模式下變形縫D3橫向和豎向變形曲線Fig.13 Deformation curves of joint D3 under the mode of cantilever

(2)襯砌結(jié)構(gòu)塑性區(qū)分布特征

圖14為地裂縫位錯(cuò)量s=500 mm作用下不同長度分段隧道塑性應(yīng)變?cè)茍D。由圖14可以看出，當(dāng)分段隧道長度L=20 m時(shí)，塑性區(qū)主要位于拱腰部位，基本貫通了整個(gè)分段隧道結(jié)構(gòu)，而隧道其他部位均沒有明顯塑性區(qū)；當(dāng)L=30 m時(shí)，塑性區(qū)則主要位于拱腰偏頂部位置；當(dāng)L=40 m時(shí)，塑性區(qū)的分布范圍相比L=20 m和L=30 m的分段隧道來說更大，而且頂部和接頭均出現(xiàn)了塑性破壞，襯砌結(jié)構(gòu)受損較嚴(yán)重。由此可知，懸臂設(shè)置模式下分段隧道長度越長，襯砌結(jié)構(gòu)塑性區(qū)范圍越大，隧道襯砌越容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全越不利。

3.3 兩種設(shè)縫模式比較分析

根據(jù)已有文獻(xiàn)[9]研究來看，分段隧道對(duì)地裂縫引起的豎向變形適應(yīng)性強(qiáng)，而對(duì)于橫向變形適應(yīng)性較弱，橫向變形容易導(dǎo)致分段隧道接頭兩側(cè)防水材料破壞和防水失效，分段隧道的縱向變形完全可以通過分段隧道間寬達(dá)100 mm的特殊變形縫消納掉，因此本次分析重點(diǎn)考慮變形縫的橫向相對(duì)變形和合位移(橫向和豎向)的影響。表2為地裂縫作用下兩種設(shè)縫模式中分段隧道的各變形縫的最大相對(duì)變形量和合位移。

圖14 懸臂模式下不同長度分段隧道襯砌塑性應(yīng)變?cè)茍DFig.14 Distribution of the plastic strain of lining under the mode of cantilever

從不同長度分段隧道變形縫的變形來看，在對(duì)縫設(shè)置模式下，L=15 m時(shí)，各變形縫的橫向相對(duì)變形和合位移最小，僅在D2處與L=10 m時(shí)比較接近，其值均較?。辉趹冶墼O(shè)置模式下，L=40 m時(shí)變形縫的橫向相對(duì)變形和合位移基本均最小，由此從變形縫變形特征角度來判斷，對(duì)縫設(shè)置模式下分段隧道結(jié)構(gòu)合理長度為L=15 m，而懸臂設(shè)置模式下分段隧道結(jié)構(gòu)合理長度為L=40 m。

從分段隧道塑性區(qū)范圍來看，對(duì)縫設(shè)置模式下分段隧道塑性區(qū)主要分布在D1和D2之間的分段隧道L1-1的底部及拱腳部位，其范圍4～6 m，其中L=30 m的分段隧道塑性區(qū)最大，L=10，15 m與L=20 m時(shí)分段隧道的塑性區(qū)范圍較小且相差不大；懸臂設(shè)置模式下塑性區(qū)主要分布在D2和D3之間的分段隧道的拱腰部位，基本貫穿了整個(gè)分段隧道襯砌，范圍約26 m，比對(duì)縫設(shè)置模式的范圍要大，隨著分段隧道長度的增加，塑性區(qū)向拱頂部延伸擴(kuò)展，接頭亦出現(xiàn)明顯塑性破壞現(xiàn)象，且騎跨于地裂縫帶上的分段隧道長度越長，塑性區(qū)范圍越大。故從分段隧道結(jié)構(gòu)塑性區(qū)范圍來看，對(duì)縫設(shè)置模式優(yōu)于懸臂(或騎縫)設(shè)置模式，建議小角度穿越地裂縫的隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采取對(duì)縫設(shè)置模式。

表2 不同設(shè)縫模式下各變形縫的最大相對(duì)變形量(cm)Table 2 Maximum relative settlement of deformation joint under different modes

注：表中數(shù)值正負(fù)號(hào)，橫向變形從下盤往上盤看結(jié)構(gòu)向左變形為“+”，向右變形為“-”；豎向變形向下為“+”，向上為“-”；縱向變形結(jié)構(gòu)張開為“+”，壓縮為“-”。

4 結(jié)論

(1)小角度斜交穿越地裂縫地段地鐵隧道采取分段設(shè)縫時(shí)，對(duì)縫設(shè)置模式優(yōu)于懸臂(騎縫)設(shè)置模式，隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)宜采取對(duì)縫設(shè)置模式。

(2)地鐵隧道分段設(shè)縫斜交過地裂縫帶時(shí)，無論對(duì)縫設(shè)置模式還是懸臂(騎縫)設(shè)置模式，地裂縫帶及其兩側(cè)的分段隧道變形縫的橫向相對(duì)變形最大值出現(xiàn)在隧道拱頂部，豎向相對(duì)變形最大值出現(xiàn)于兩拱腰，且分段隧道結(jié)構(gòu)具有明顯的縱向扭轉(zhuǎn)變形特征。

(3)基于分段隧道變形縫三向變形特征及結(jié)構(gòu)塑性區(qū)分布，在對(duì)縫設(shè)置模式條件下跨地裂縫帶地鐵隧道分段合理長度為15 m，而懸臂(騎縫)設(shè)置模式條件下跨地裂縫帶隧道分段合理長度為40 m。

(4)地鐵隧道跨地裂縫帶結(jié)構(gòu)上采取分段設(shè)縫的對(duì)縫設(shè)置模式時(shí)，跨地裂縫帶的兩段隧道合理長度為15 m，而地裂縫主變形區(qū)范圍內(nèi)分段隧道長度可按10～15 m分段，之外的影響區(qū)或設(shè)防區(qū)隧道分段長度可根據(jù)防水、軌道調(diào)坡等要求適當(dāng)增加。

值得注意的是，工程應(yīng)用中地鐵隧道采取何種模式穿越活動(dòng)地裂縫帶需要考慮線路與地裂縫帶的交角問題，原則上建議隧道正交分段設(shè)縫穿越，而斜交時(shí)需要根據(jù)交角來判斷是否采取對(duì)縫設(shè)置模式還是懸臂設(shè)置模式，本文僅考慮了30°斜交情況，關(guān)于交通隧道穿越地裂縫帶的相交角度優(yōu)化問題有待后續(xù)深入研究。