盾构隧道60°斜穿地裂缝的变形破坏机制试验研究

 从西安地铁盾构隧道工程背景和西安地裂缝地质环境出发,根据相似理论设计盾构隧道管片衬砌结构60°斜穿地裂缝的物理模型试验。管片混凝土应变、纵向和环向螺栓应变、结构接触土压力和结构外围土压力、结构内部收敛位移、模型顶表面土体变形以及宏观变形破坏现象表明,盾构隧道管片衬砌结构60°斜穿地裂缝的变形破坏模式以剪切变形为主,局部有扭转和弯曲变形;结构破坏范围为上盘0.75D(D为管片环外径1.20 m),下盘0.50D;管片混凝土破坏主要发生在螺栓孔附近,地裂缝处纵向螺栓发生较强的剪切、扭转和拉伸变形破坏;管片衬砌结构变形破坏不对称,管片环向处于偏压状态;环缝拱顶错位量大于拱底和拱腰,拱顶最大错位量达30 mm(0.025D),模型难以适用地裂缝错动变形20 cm(0.166 7D),盾构管片衬砌结构不适用于地裂缝活动强烈的地质环境。     

马蹄形隧道40°斜穿地裂缝的变形破坏机制试验研究

 从西安地铁隧道工程背景和西安地裂缝地质环境出发,根据相似理论设计马蹄形隧道衬砌结构40°斜穿地裂缝的物理模型试验。结构模型混凝土应变、纵向和环向钢筋应变、结构外围土压力、结构内部收敛位移、模型顶表面土体变形以及宏观变形破坏现象表明：整体式马蹄形隧道衬砌结构40°斜穿地裂缝时其破坏模式为扭转、弯曲、剪切变形破坏,变形破坏不对称;衬砌混凝土环向裂缝主要分布在上盘区0.83D(D = 1.8 m)、下盘区1.11D;纵向裂缝主要分布在上盘区1.11D、下盘区(1.94～2.22)D;下盘结构变形破坏范围和程度要高于上盘。马蹄形隧道结构在40°斜穿地裂缝时,宜采用分段方式来应对扭转、弯曲、剪切变形,应加强结构抗扭设计,扩大断面或提高混凝土强度等级来应对剪切变形。     

地裂缝活动下分段式马蹄形隧道特殊变形缝的三维变形特征试验研究

 为研究40°斜穿地裂缝分段式马蹄形衬砌结构受地裂缝影响的变形破坏模式、特殊变形缝的三维变形特征,从西安地铁隧道工程背景和西安地裂缝地质环境出发,根据相似理论设计分段式马蹄形隧道衬砌结构40°斜穿地裂缝的物理模型试验。模型顶面土体沉降、结构底部土压力分布、变形缝三维变形特征表明：分段式马蹄形隧道衬砌结构40°斜穿地裂缝时其破坏模式为顺变形缝发生整体剪切变形破坏,变形缝发生垂直位错、轴向拉伸、水平偏移三维变形分量,管段结构混凝土没有破坏;变形缝拱顶处的三维变形分量均分别大于其拱底的,且其分布规律基本一致;上盘侧变形缝垂直位错大于下盘侧,其轴向拉伸变化不大,水平偏移主要发生在地裂缝处,变形缝垂直位错从下盘端部向上盘逐渐增加;根据相似理论推算,原型结构在地裂缝上盘下降90 cm时,5处变形缝最大总垂直位错量达72 cm,最大总轴向拉伸量达34.5 cm,最大总水平偏移量达32 cm。     

地裂缝活动环境下盾构隧道双层衬砌性状分析

 处于地裂缝活动环境下的盾构隧道,在地裂缝上下盘相对错动下,隧道衬砌在纵向将承受比正常情况下大得多的附加应力和变形,此时衬砌在结构强度和防水两个方面都可能失效,使隧道不能正常运营。基于此,考虑在盾构隧道混凝土管片衬砌内再作一层整体式现浇钢筋混凝土内衬形成双层衬砌结构,共同承担外力,以达到减小结构应力和变形的目的。为此,对双层衬砌结构在地裂缝作用下的受力和变形性状进行数值分析,主要考虑地裂缝上下盘错距、钢筋混凝土内衬厚度和强度等因素对衬砌受力和变形性状的影响,得出一些具有工程指导意义的结论,计算结果表明：管片内的整体式钢筋混凝土内衬能有效的减小隧道衬砌在地裂缝错动下的内力和变形;衬砌的内力和变形与地裂缝错距大致成线性正比关系;内衬厚度对衬砌受力和变形均有较大影响,衬砌越厚,应力和变形越小,但厚度超过300 mm后再增加厚度,效果明显减弱;内衬强度对衬砌受力和变形的影响较小,实际工程中采用C30混凝土即可。     

地裂缝对地铁隧道的影响机制及病害控制研究

自20世纪50年代以来,由于自然和人为因素的影响,西安市区出现了大量地裂缝,危害十分严重,其未来活动对在建的西安地铁构成重大潜在安全隐患.因此,西安地铁隧道穿越地裂缝的问题成为了一个全新的重大工程难题,近年来引起了工程界和学术界的高度关注.以西安地铁隧道穿越地裂缝活动带为工程研究背景和依托,对西安地铁沿线地裂缝未来活动趋势和最大垂直位错量进行了分析与预测,采用大型模型试验和有限元数值模拟计算相结合的方法,对地裂缝活动作用下不同衬砌结构类型的地铁隧道变形破坏机制及病害控制进行系统研究.主要研究工作和成果如下:(1) 从超采地下承压水和区域构造运动对地裂缝活动的影响程度入手,分析西安地裂缝未来百年的活动趋势.在现今活动速率和历史最大位错量分析的基础上对地裂缝未来活动量进行了预测,得到地铁设计使用期(100 a)内西安地铁与地裂缝各交汇点附近地裂缝的最大垂直位错量.(2) 通过大型物理模型试验和有限元数值模拟,揭示地裂缝活动环境下地铁明挖箱形隧道、浅埋暗挖马蹄形隧道和盾构隧道分别正交和斜交穿越地裂缝带的变形破坏机制、隧道围岩压力与位移以及地表沉降变形的变化规律.(3) 通过有限元数值模拟,分析地裂缝作用下地铁隧道衬砌结构的变形与力学行为,得出地裂缝作用下地铁隧道纵向变形曲线方程,其表达式为:y = Ax3+Bx2+Cx+D,其中A,B,C,D均为常数.同时,揭示了地铁隧道与地裂缝斜交角度θ对地铁隧道衬砌结构变形破坏的影响规律.(4) 根据衬砌类型、地铁隧道与地裂缝空间相交展布关系,在大型模型试验和数值模拟的基础上,提出地裂缝作用下地铁隧道变形破坏模式,其中整体式衬砌隧道变形破坏模式为拉张-挤压破坏(正交)和拉张-扭剪破坏(斜交),盾构隧道变形破坏模式为直接剪切破坏(正交)和扭转-剪切破坏(斜交).(5) 基于大型物理模型试验和有限元数值模拟方法,建立地铁隧道穿越地裂缝带结构纵向设防长度的计算方法,确定了西安地铁隧道正交与斜交穿越地裂缝带的纵向设防长度.建立基于三维空间地裂缝活动作用下分段式隧道运动位移模式和计算公式,确定地铁隧道穿越地裂缝带的抗裂预留位移量(净空量).(6) 通过分段设缝的地铁隧道正交和斜交穿越地裂缝带的大型物理模型试验,对分段设变形缝的地铁隧道穿越地裂缝带的适应性进行了研究,结果表明分段柔性接头隧道能承受较大的剪切变形,相邻衬砌管段变形和次生应力均较小;同时多段设变形缝具有很好的消化地裂缝变形的效果,从而说明多段设变形缝加柔性接头连接的地铁隧道具有较强的适应地裂缝活动大变形的能力.(7) 基于西安地铁工程穿越地裂缝带的特殊性和复杂性,在地裂缝活动可能引起的地铁工程病害分析的基础上,从结构、防水、地基加固及基础处理、轨道调整等方面,提出了地铁隧道穿越地裂缝带的病害控制措施.     

分段柔性接头地铁隧道适应地裂缝大变形的模型试验研究

西安地裂缝是一种特殊的城市地质灾害,地铁隧道穿越地裂缝带时必须分段设特殊变形缝。以西安地铁隧道正交穿越地裂缝带为工程背景,采用几何比1:5的大比例尺模型试验,研究分段设缝柔性接头隧道穿越地裂缝带的适应性。试验结果表明:地裂缝活动环境下隧道设置特殊变形缝的柔性接头避免了衬砌结构应力集中,对结构起到保护作用,分段柔性接头隧道具有较强的适应地裂缝大变形的能力。设置与地裂缝倾角一致的斜变形缝对围岩压力与位移有一定影响,而对衬砌结构安全性影响较小。正交条件下斜变形缝能消耗20%以上的地裂缝位移量,在地裂缝影响区隧道可通过多段设变形缝串联的方式最大限度地消除地裂缝大变形对隧道的影响。接头处顶底部止水带基本完好,而两侧止水带因地裂缝垂直位移作用出现撕裂现象,防水设计应重点考虑接头两侧壁的防水。研究结果可为地裂缝活动环境下地铁隧道结构与防水设计提供重要参考。     

地裂缝对地铁明挖整体式衬砌隧道影响机制的模型试验研究

 以西安地铁2号线穿越地裂缝带为研究背景,采用几何缩比1∶5的大比例尺地裂缝与地铁隧道结构模型试验,研究了地裂缝活动对地铁明挖隧道整体式衬砌结构的影响机制。试验结果表明：随地裂缝位错量的增加,隧道顶部土与结构接触压力上盘明显增大,下盘减小,底部接触压力上盘减小直至为0,下盘则明显增大;当地裂缝位错量达到20 cm时,位于地裂缝上盘的隧道结构底部出现脱空现象,下盘2.5 m处衬砌出现开裂,对隧道底部脱空区应及时进行注浆等地基处理;隧道底板基本处于受压状态,而顶板受力较复杂,下盘受拉,上盘则先受拉后受压。地裂缝作用下隧道变形破坏模式为拉张破坏,且隧道衬砌开裂主要出现在下盘距地裂缝14.0 m范围内,而位于上盘的隧道衬砌基本完好,这与地裂缝活动引起土体和地表建(构)筑物的变形破坏主要发生在上盘刚好相反。研究结果可为西安地铁穿越地裂缝的隧道结构设计与防治措施制定提供一定参考。     

地下综合管廊结构斜穿活动地裂缝的变形破坏机制室内模型试验研究

以西安地区地裂缝环境为研究背景,通过几何缩尺比例为1∶15的物理模型试验得到上、下盘相对错动情况下结构周边围岩土压力及结构应力、变形规律和宏观破坏现象,论述地下综合管廊45°斜穿地裂缝时的变形破坏模式。结果表明:随着错动量的不断增大,上盘中管廊结构顶部纵向与土体的接触压力明显增加,下盘中明显减小;至于结构顶部横向与土体的接触压力,地裂缝与结构轴线相交处土压力较大,两边土压力较小;混凝土表面纵向裂缝主要分布在下盘区2.9D～5.1D(D=0.277 m)范围内,环向裂缝主要分布于下盘区0.9D范围内,下盘结构变形程度高于上盘结构;地下综合管廊在45°斜穿地裂缝时其变形不对称,结构处于扭转、弯曲、剪切的复杂应力状态,结构的受力形式属于薄壁杆件约束扭转。研究结果可为西安地下综合管廊斜穿地裂缝时的结构设计和防治措施的制定提供一定参考。     

正断层活动对公路山岭隧道工程影响的数值分析

 根据渭河盆地正断层的结构特征及活动形式,采用有限元方法模拟正断层环境下公路山岭隧道衬砌的受力变形,针对断层错动量、断层倾角、隧道埋深以及隧道与断层的交角4个主要因素分别进行组合计算,并由此归纳出衬砌的破坏模式。结果表明4个因素对衬砌受力变形影响的敏感性依次减弱,在断层裂缝两侧各40 m的范围内是受力变形的集中位置,且当断层倾角小于50°时衬砌的受力类似于一端固定的悬臂梁。通过对衬砌的相对沉降量、纵向应力及剪应力的分析计算,将衬砌的主要破坏模式分为3类：在大纵向应力作用下,以拉张破坏为主、挤压破坏为辅的拉张–挤压型破坏,在大剪应力作用下发生的直接剪断型破坏,以及拉张–挤压与剪切结合的破坏形式。     

地铁隧道穿越地裂缝带隧道围岩作用研究

地裂缝是一类特殊的城市地质灾害,主要分为地震裂缝和土体湿陷裂缝等。在地裂缝区域内修建地铁工程无疑会遇到地表沉降变形大、隧道衬砌结构变形异常的设计、施工难题,如果对地裂缝认识不足,易造成后期结构开裂变形,渗漏水等问题。依托石家庄某地铁工程实例,采用数值模拟法建立地裂缝模型,从围岩位移和应力两方面讨论、分析了地层上下盘变形对地铁隧道的影响规律,得出了隧道结构的受力特点及地裂缝地层隧道设计宜采用柔性连接分段式设计、预埋注浆管注浆的施工方法,降低了地裂缝对隧道结构的影响。