西安地裂缝活动现状及地铁隧道建设应对措施

汾渭盆地是国内地裂缝发育最强烈的地区。西安地处汾渭盆地,已经出露地表和隐伏的地裂缝共发现15条。在综合已有的认识基础上,深化了西安地裂缝成因的认识。通过西安地裂缝的活动现状及其发展趋势分析,针对西安各地裂缝的分布、活动状态和已有监测结果,给出了地裂缝带的最大地表宽度和地铁设防长度;针对地裂缝活动对衬砌结构的影响及破坏作用,从适应地裂缝变形、预防衬砌结构破坏和道床变形调控等方面,探讨了地基处理措施、结构加强措施、道床结构措施,阐述了西安地铁2号线通过地裂缝时地铁隧道建设的应对措施。目前,确立的“放”与“防”的设计指导思想是西安地铁隧道穿越地裂缝设计方案进一步完善和深入研究的基础     

穿越地裂缝带地铁隧道结构分段长度优化研究

目前西安地铁建设中过地裂缝带隧道均采取分段设缝的结构措施,而隧道结构分段长度的优化问题是地铁隧道穿越地裂缝带设防的关键。本文以西安地铁斜交穿越地裂缝带为工程背景,通过分段设缝的地铁隧道斜交跨地裂缝带的有限元数值模拟,研究了斜交跨地裂缝带地铁隧道分段设缝的合理模式及分段隧道的合理长度。计算结果表明:对缝设置模式下分段设缝隧道结构塑性区范围较小,集中在隧道拱底、拱脚;而悬臂设置模式下塑性区分布范围大且较为复杂,不利于进行衬砌加强。地铁隧道穿越地裂缝带衬砌结构宜采取分段设缝的对缝设置模式,跨地裂缝带的分段隧道合理长度为15 m,位于地裂缝主变形区内的分段隧道长度可按10～15 m考虑,而穿越地裂缝主变形区之外的地铁隧道分段长度可根据轨道调坡及隧道防水等其他要求适当增加。研究成果可为地裂缝发育的城市地铁隧道结构设计及其他地下空间开发提供重要的理论依据和技术参考。     

西安地铁正交地裂缝隧道的模型试验研究

以西安地铁二号线穿越地裂缝的区间隧道为对象,通过几何相似比尺50:1的物理模型试验,开展了地裂缝活动条件下地铁隧道骑缝（变形缝与地裂缝一致）正交穿越地裂缝时衬砌结构与围岩相互作用机制的试验研究。结果表明,在地裂缝发生各级错动位移条件下,不同围岩应力场的围岩土压力、衬砌结构应力及其不均匀沉降位移变化规律相似;上下盘内的衬砌结构之间具有明显的错断位移,下盘内衬砌结构的沉降量越小,上盘内衬砌结构的沉降量越大,均呈渐变趋势;上盘内衬砌结构应力、围岩土压力随地裂缝错动位移的增加而减小,下盘衬砌结构应力和围岩土压力随地裂缝错动位移的增加而增大,围岩土压力和衬砌结构应力的增量峰值均发生在地裂缝附近。模型试验研究研究结果对于分析地裂缝活动区间地铁隧道工程的运营及维护具有重要的理论与实际意义。     

地铁振动作用下穿越地裂缝隧道-地层动力响应模型试验研究

以西安地铁工程为背景,设计了穿越地裂缝隧道——地层动力响应试验模型,开展了地铁振动作用下穿越地裂缝隧道——地层相互作用的动力模型试验,揭示了地裂缝活动及地铁列车振动时对位于地裂缝处地层的动力响应规律。试验结果表明:在地裂缝未活动时,隧道拱顶位置的加速度响应与拱底相比,其值相对较小,表明地铁列车振动引发拱底部的振动加速度,通过衬砌传递至上覆岩土体时,加速度发生了显著的衰减;当地裂缝上盘下降时,隧道拱底及拱顶测点产生的振动响应比地裂缝未活动时明显更为强烈。表明地裂缝的活动对隧道结构振动特性具有显著影响;受地铁列车运行位置变化和地裂缝上盘下降的双重影响,地裂缝两侧土体振动加速度幅值有明显的差异,这会对隧道结构的振动特性造成不利影响,在设计中应采取适当措施,防止造成隧道衬砌的局部损伤或破坏。     

地裂缝错动对地铁区间隧道影响的三维离散元分析

拟建西安地铁2号线穿越10条地裂缝,地裂缝活动将影响地铁2号线的安全运营。应用三维离散元程序3DEC建立三维计算模型,分析了裂缝带错动对地铁区间隧道盾构管线的影响,得出了不同错距工况下隧道衬砌的变形和应力。通过计算得知,当土体上下盘底部竖向错距由10cm增大到93cm时,引起的衬砌竖向变形量由0. 712cm增大到13. 99cm,且最大变形均发生在沿纵向约35～36m处,距裂缝带距离约为9. 5～8. 5m;引起的管道纵向最大拉应力则由0. 65MPa增大到18. 43MPa,最大压应力由0. 611MPa增大到16. 9MPa,且最大应力区与最大变形区一致。这一结论的获得可为地铁设计、施工及其安全运营提供科学的理论指导及设计依据。     

西安地铁2号线隧道穿越地裂缝带的设防参数

基于西安地裂缝成因、基本特征和未来活动趋势分析,通过几何缩比为1：5的地裂缝活动模型试验和地裂缝活动对盾构隧道影响的数值模拟计算,研究了西安地铁2号线隧道正交穿越地裂缝带的设防参数。通过分析地裂缝年平均活动速率和历史最大活动量,确定了与地铁2号线相交的各条地裂缝的最大垂直位移量的预测值和设计建议值。模型试验和数值模拟结果表明,正交条件下地铁隧道在地裂缝活动地段的设防宽度为60 m,即上盘为35 m,下盘为25 m;沿隧道纵向地裂缝两侧地层变形规律呈现台阶状突变变形,隧道纵向设计可将上盘视为整体下降来考虑;地铁隧道穿越地裂缝带必须分段设缝以适应地裂缝的变形,其分段长度在地裂缝主影响区按10 m进行设防,在一般影响区可按10～15 m进行分段设防。研究结果可为地铁隧道穿越地裂缝带的结构设计提供参考。     

隧道斜交穿越地裂缝的模型试验研究

西安地区由北向南间隔分布有十多条近东西走向的地裂缝,建设中的多条地铁线路与地裂缝呈斜交状态。为了揭示地铁隧道斜交穿越地裂缝时受地裂缝活动而产生的力学性状变化,采用50:1几何相似比尺的物理模型试验仪,在合理模拟围岩地层、衬砌结构、应力条件、地裂缝与洞轴线交角及其错动位移基础上,开展了斜交地裂缝活动条件下隧道衬砌结构与围岩相互作用的物理模型试验研究,并与正交地裂缝活动下的测试结果进行了对比分析。表明斜交地裂缝活动对地铁隧道的影响范围更大,各变形缝均有明显的沉降差发展;邻近斜交地裂缝的衬砌结构易处于“悬臂梁”受力状态,衬砌结构不均匀沉降使其产生旋转位移,围岩土压力变化使衬砌结构内力产生显著变化;随着地裂缝错动位移的发展,上盘内拱顶和下盘拱顶、拱底出现围岩作用的加强,而上盘拱底出现围岩作用的松弛。与隧道正交穿越地裂缝的情况比较,斜交穿越地裂缝时围岩土压力和衬砌结构内力变化更大,易出现拉裂破坏。     

地裂缝剖面形态对地铁隧道变形影响模型试验研究

为揭示隧道底部脱空与结构纵向变形之间的对应关系,模型试验以西安地铁隧道穿越地裂缝带为研究背景,采用圆形地铁隧道结构,研究了在不同地裂缝剖面活动特征下的隧道纵向应变变化规律及其垂直位移。试验结果表明,随着错位量增加,隧道底部脱空区域扩展过程可分为3个阶段:共同变形阶段、临界脱空阶段和脱空发展阶段。针对地裂缝的不同剖面活动形式,隧道结构内部应力将出现很大差异,建议在施工中对应不同地裂缝带采取不同的施工方案。通过监控,结合模型试验的应力应变发展变化规律,可判断结构底部脱空的发展趋势,为西安地铁穿越地裂缝带的结构设计和安全运行提供重要的参考依据。     

西安地铁隧道穿越地裂缝带的计算模型探讨

通过对西安地铁隧道穿越地裂缝带的大型物理模型试验成果的分析,提出在地裂缝活动时,穿越地裂缝带的地铁隧道有以下两个方面的变化特征：一是作用于隧道的荷载发生改变;二是在隧道底部产生脱空现象。这种脱空现象无论在整体式隧道还是盾构隧道中都会出现。造成隧道在界面上与土体脱空的原因是隧道和周围地层的变形不协调。脱空区域的大小对地铁隧道的变形与内力计算会产生明显影响。在对隧道变形特征分析的基础上,总结得出了西安地铁穿越地裂缝带隧道变形的4种计算模型：对于整体式长隧道,可以采用一端固定而另一端简支,或一端固定而另一端定向支承的计算模型;对于整体式短隧道,可以采用外伸梁模型;对于盾构隧道,可以采用一端固定而另一端定向支承的计算模型。最后,对脱空条件下隧道数值分析的建模问题进行了讨论。算例分析表明：在数值计算中,对于隧道与土体接触面的界面处理非常关键,否则将造成计算结果的重大误差。     

地裂缝场地地铁隧道地震动力响应的振动台试验研究

以西安轨道交通3号线地铁隧道近距离通过地裂缝场地为工程背景,采用几何比1:30的大型振动台模型试验,研究不同地震波作用下通过地裂缝带上盘场地地铁隧道的地震动力响应。试验结果表明:地裂缝场地上盘加速度响应表现出明显的放大效应;浅埋地铁隧道对地震波在土层中的传播具有一定阻碍作用,而隧道两侧拱腰位置围岩土层加速度放大效应最强;隧道特征部位PGA放大系数拱腰最大,拱底次之,拱顶最小,其中靠近地裂缝侧拱腰的PGA放大系数大于远离一侧;地裂缝附近动土压力增量明显增加,而靠近隧道附近,动土压力增量明显降低;地震作用下隧道通过地裂缝场地上下盘出现差异沉降,地表出现多条与地裂缝近似平行和正交的裂缝;隧道环向受剪切作用在靠近地裂缝一侧的拱肩部位环向应变最大,而隧道轴向受挤压作用在左右拱腰处应变出现最大值。研究结果可为地裂缝场地地铁隧道结构抗震设计与防灾减灾提供重要科学参考与借鉴。      

地裂缝与斜交地铁隧道动力响应数值分析

采用ABAQUS有限元软件建立马蹄形地铁隧道与地裂缝呈60°斜交的计算模型研究地铁运行引起的地裂缝附近地层的振动响应。计算结果表明:隧道附近的土体振动较强烈,距离隧道越远,土体的加速度幅值越小;振动响应较强烈的区域,沿隧道纵向约为120 m,沿竖直方向为隧道下方15 m,与隧道纵向垂直的水平方向上为隧道左右20 m范围;振动在与隧道纵向垂直的水平方向传播时,无地裂缝地带在隧道两侧均匀衰减,地裂缝地带在有地裂缝的一侧振动衰减较快,说明地裂缝对地铁振动在地层中的传播有较强的阻隔作用;地裂缝附近隧道下方土层的振动要比上部土层强烈,传至地表的振动加速度基本衰减为零。      

地裂缝与斜交地铁隧道动力相互作用试验研究

通过进行地裂缝与斜交地铁隧道的物理模型试验,研究地铁列车荷载作用下地裂缝与斜交马蹄形地铁隧道的动力相互作用特性。试验结果表明:地铁行驶产生的振动在土层中各个方向传播时会有不同程度的衰减,地裂缝对地铁振动具有阻隔作用;地裂缝附近隧道下方土层的振动要比上部土层强烈;地铁隧道的拱底部位相比拱腰和拱顶部位振动响应更强烈。地裂缝未活动时,隧道底部与土体的接触附加压力较大;地裂缝上盘下降时,位于地裂缝附近的下盘隧道底部和上盘隧道顶部与土体的接触附加压力较大。地裂缝未活动时,激振作用产生的隧道顶部和底部的附加应变均较小;地裂缝上盘下降后,位于上盘的隧道顶部和位于下盘的隧道底部产生负的附加应变,位于下盘的隧道顶部和位于上盘的隧道底部产生正的附加应变,且随上盘下降量的增大,附加应变逐渐变大。     

地震作用下邻近地裂缝带地铁隧道工程场地地表沉降研究

为了探讨地震和地裂缝耦合作用下位于地裂缝上盘的地铁隧道顶部地表沉降规律及其对附近建筑物的影响,以邻近穿越地裂缝场地的西安地铁3号线为工程背景,利用FLAC3D有限差分软件,结合理论分析,对西安人工地震波、El Centro波和Kobe波三种不同地震波作用下邻近地裂缝带地铁隧道建设场地地表沉降问题进行了研究。结果表明:地震作用下,隧道顶部一定范围内的地层沉降量显著大于其周围地层,形成宽度约9~16 m的沉降凹槽;El Centro波作用下沉降凹槽的宽度最大,约15.9 m,超越概率为10%的西安人工合成地震波次之,约11.6 m,而Kobe波作用下沉降凹槽的宽度最小,约9.5 m;隧道上覆地层沉降凹槽的沉降规律符合peck公式;隧道顶部约20 m范围内场地地表受地震和地裂缝耦合作用影响最强烈,沉降最大。      

交叉隧道施工中新建隧道周围复合地层与间距对既有隧道的沉降影响研究

沿海地区特别是广州地区地铁建设多在复合地层中进行盾构施工,开挖引起的地层沉降很难控制,如何防止大面积的地层沉降,保证既有建(构)物安全成为施工难题。基于此,本文提出了复合地层盾构施工的地质概化模型,运用三维有限元方法对交叉隧道盾构施工进行了建模分析,研究了不同的复合地层类型及不同的覆土厚度与间距下,新建隧道盾构正交下穿施工对既有隧道沉降的影响。结果表明,新建隧道在近似均一土层中下穿施工引起的既有隧道沉降最大,上软下硬地层次之,长距离硬岩段最小,沉降随土层弹性模量的增加而减小;同时,既有隧道沉降随覆土厚度的增加而增大;随隧道间距的增大而减小,当间距小于2倍衬砌外径时,既有隧道沉降较大,存在损坏的危险。最后,提出了相应的沉降控制对策。     

地下综合管廊穿越地裂缝变形与受力特征研究

以西安市昆明路地下综合管廊穿越f3地裂缝为研究对象,基于有限元数值模拟分析了地裂缝错动作用下分段地下综合管廊的变形与受力特征。结果表明:地裂缝错动作用下地下管廊顶板竖向沉降变形整体上呈现反“S”形特征,其变形量随地裂缝错动量的增大而增大;管廊结构纵向变形大致可划分3个变形段即下盘翘曲变形段、不均匀沉降段和上盘整体沉降段;在管廊设计使用寿期100 a内地裂缝错动量为50 cm时,管廊接头部位顶板的水平位移在地裂缝带处达到峰值,为4.1 cm,而底板水平位移为3.2 cm,管廊接头部位易发生张开、错位破坏现象,应予以加固;在地裂缝带附近,上盘管廊底板的接触压力减低至0,存在底板脱空现象,应预留注浆孔便于必要时进行注浆加固处理,而下盘管廊底板的接触压力则有明显增大的趋势;当地裂缝错动量超过20 cm时管廊结构顶、底板的拉应变超过了混凝土的极限拉应变,管廊变形破坏模式主要为拉张破坏。研究结果可以为西安市及其他地裂缝发育区地下综合管廊穿越地裂缝带的结构设计提供科学依据。     

陕西三原双槐树地裂缝的发育特征

陕西三原双槐树地裂缝由两条近平行的地裂缝组成,延伸长度大于4km,地裂缝活动给沿线居民带来了巨大的灾害和经济损失。通过调查访问和探槽、探井、平硐等勘探工程,从平面展布特征、剖面结构特征、活动特征和力学性质等方面描述了该地裂缝的发育特征。结果显示:南侧的F1地裂缝的破碎带宽度和活动程度均大于北侧的F2地裂缝,其中的F1地裂缝破碎带宽度一般大于10m,最大可达50余米,不同期次和不同级次的裂缝数量可达30余条,如此规模的裂缝破碎带宽度和裂缝数量在黄土地区并不多见。