地铁隧道正交穿越地裂缝的相互作用机制试验研究

 以西安地铁隧道为工程背景,利用地铁隧道正交穿越地裂缝应力模型试验,分析在地裂缝活动环境下的地铁隧道与地裂缝的相互作用关系。在地裂缝上、下盘发生相对错动时,对模型结构的纵向应变、结构底部的相对位移以及结构外围土压力等进行监测。数据分析结果表明：地铁隧道穿越地裂缝时其荷载传递机制涉及结构的刚度效应、下卧土体的支承作用、隧道与土体之间的摩阻作用以及裂缝处上下盘的接触效应4个方面。根据隧道结构变形特征及应变变化规律,构建隧道与土体底部脱空状态下相互作用力学模型,为西安地铁穿越地裂缝的隧道结构设计提供参考。通过对不同断面隧道的应变及变形比较分析,提出地铁隧道正交穿越地裂缝带时宜采用马蹄形隧道断面,以提高结构的整体刚度;加强位于地裂缝下盘的隧道混凝土的裂缝控制,做好防水处理。     

西安地裂缝对地铁隧道的危害及防治措施研究

西安地裂缝是一种独特的城市地质灾害,其活动对地铁建设造成严重威胁,西安地铁建设的关键是如何解决地铁隧道穿越地裂缝带的问题。以西安地铁穿越地裂缝带为研究对象,在地裂缝基本特征分析和未来活动趋势预测的基础上,分析了地裂缝活动对地铁隧道的危害模式,从结构、防水、地基基础与变形监测等方面提出了如下防治措施:结构上应采用扩大断面、预留净空、分段设缝加柔性接头和局部衬砌加强等措施;防水方面宜采用可卸式管片拼装双层结构法和波纹板强化橡胶复合材料制成的防裂止水带处理;地基基础处理方面采用地基注浆加固法和弹性囊变形恢复法处理;建立隧道衬砌和轨道的变形监测预警方案;地铁线路走向应尽量与地裂缝正交或大角度相交,避免小角度相交;严格禁止在地铁沿线一定范围内开采地下水。研究成果可为西安地铁隧道穿越地裂缝带的施工、结构和防水设计以及隧道病害监测与防治提供重要参考。     

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.     

地铁隧道穿越地裂缝带的结构抗裂预留位移量

 西安地铁穿越多条活动地裂缝带,地裂缝未来活动对地铁隧道结构造成严重威胁。论述西安地裂缝成因、活动方式和剖面特征,对未来地裂缝活动趋势和地铁设计使用期内地裂缝最大垂直位移量进行分析和预测。通过浅埋暗挖马蹄形地铁隧道穿越地裂缝带的三维有限元数值模拟,得出当地裂缝垂直位移量达到20 cm时隧道出现开裂破坏,隧道结构抗裂设计时需分段设缝和扩大断面以适应地裂缝的大变形。基于数值模拟结果,建立地裂缝作用下地铁隧道与地裂缝正交和斜交条件下分段隧道三维运动位移模式,确定正交和斜交条件下结构抗裂的垂直位移、横向位移和轴向位移预留量。其结果可为西安地铁隧道穿越地裂缝带的结构设计提供参考。     

西安地铁区间隧道通过地裂缝带的施工方案

通过对西安地铁区间隧道通过地裂缝的特点分析,提出了几种地铁区间隧道通过地裂缝的方法,指出地铁结构采用这些方法能够适应地裂缝的变形发展,并在地裂缝活动的情况下维持地面交通和地铁的正常运营。     

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。     

地裂缝活动对跨越裂缝带地铁隧道的影响分析

根据西安地裂缝的分布特征与活动方式,结合西安地铁二号线的实际情况,建立地质模型。通过数值计算,分析了地裂缝环境下隧道的变形和受力,并据此来研究穿越地裂缝隧道的设防范围、重点设防位置;研究了地裂缝环境下围岩压力的分布特征,为隧道受力模型的简化提供依据。由分析结果可见,地裂缝环境下隧道变形和受力的主要设防范围为上盘距离地裂缝40 m至下盘距离裂缝30 m共70 m范围;隧道纵向受力的最危险位置为裂缝两侧15～20 m处,隧道受剪最危险范围为裂缝两侧各15 m之内;在上盘地裂缝影响范围内隧道顶部的竖向围岩压力远远大于底部竖向围岩压力,此时可以忽略隧道底部土体的竖向作用力,将结构当作一根以沉降变形区两端为支撑的简支梁构件,采用极限平衡理论求解作用于隧道顶部的竖向围岩压力,并据此进行纵向抗弯设计。     

地铁隧道穿越地裂缝带的物理模型试验研究

 根据西安地裂缝的分布特征与活动方式,结合西安地铁2号线的走向,建立地质模型,通过物理模型试验来研究地裂缝对地铁隧道的影响。由试验结果可知：地裂缝环境下隧道结构的受力、变形模式相当于一悬臂式弹性地基梁,处于拉、压的受力状态,受拉变形区主要在固定盘距裂缝20～80 cm范围内的衬砌顶部,受压区则主要分布在下降盘距裂缝20 cm至固定盘距裂缝80 cm范围内的衬砌底部;地裂缝的活动增加了下降盘内隧道顶部的竖向围岩压力,同时减小了该范围内衬砌底部的竖向围岩压力;地裂缝环境下隧道衬砌的破坏模式以环向开裂为主,次生裂缝的发展则受张剪区的控制,主要形成阶梯形、“y”形的贯通裂缝。在试验分析的基础上,提出地铁隧道穿越地裂带时的设防范围及设防位置