地铁隧道斜交穿越地裂缝的模型试验研究

庞旭卿，严静平

(1.西安理工大学 土建学院，陕西 西安 710048；2.陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000；3.长安大学 地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054；4. 新疆乌鲁木齐市建委安监站，新疆 乌鲁木齐 830004)



地铁隧道斜交穿越地裂缝的模型试验研究

庞旭卿1, 2，严静平3, 4

(1.西安理工大学 土建学院，陕西 西安 710048；2.陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000；3.长安大学 地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054；4. 新疆乌鲁木齐市建委安监站，新疆 乌鲁木齐 830004)

西安地处国内地裂缝发育最强烈的汾渭盆地，地裂缝已成为西安市地铁施工及运营中的一种典型地质灾害。采用比例尺为1∶20的马蹄形衬砌结构模型，研究地铁隧道和地裂缝60°斜交情况下的隧道结构接触压力、隧道结构应变、上部地层变形及隧道下部脱空等情况。研究结果表明：随着地裂缝位错量的增加，隧道结构上部受力表现为上盘压力增加下盘压力减小的趋势；地裂缝活动对上盘地表变形的影响大于对下盘地表变形的影响；沉降初期上盘隧道下部开始出现脱空，下盘隧道靠近地裂缝处土体出现隆起；下盘隧道结构的上部处于受拉下部处于受压状态，上盘隧道结构上部处于先受压后受拉而下部一直处于受拉状态。

地铁隧道；地裂缝；斜交穿越；模型试验

70 年代后期以来，由于自然和人为等因素的影响，西安市先后出现了14条地裂缝，其活动时间之长和规模之大，在国内外尚属罕见。西安地铁在建设过程中不可避免的与这些地裂缝穿插交错，地裂缝的活动性会造成地铁隧道结构扭曲及衬砌面开裂渗漏水，直接影响地铁的施工及安全运营[1-2]。近几年来，针对西安在建的地铁隧道穿越地裂缝的问题取得了一些很有价值的研究成果。彭建兵等[3]提出西安地裂缝是由于过量开采地下承压水导致其出露地表而形成的近地表构造破裂。范文等[4]初步提出了隧道穿越地裂缝带的设防范围及位置。黄强兵等[5-7]揭示了地裂缝作用下整体式衬砌隧道的变形破坏规律。严静平等[8-10]开展了穿越地裂缝带的地铁隧道结构安全监测与预警判据研究。此外，为研究地裂缝对地下隧道产生的影响，科技工作者展开了一系列地铁隧道的模型试验研究。如袁立群[11]通过模型试验研究了地铁隧道-地裂缝-地层在列车振动荷载作用下的动力响应规律；李凯玲[12]、熊田芳[13]利用地铁隧道正交穿越地裂缝应力模型试验，分析了地裂缝活动环境下的地铁隧道与地裂缝的相互作用关系；李建军[14]进行了45°斜交地裂缝活动条件下地铁隧道与围岩土体相互作用的物理模型试验研究；胡志平[15]开展了箱型隧道30°斜穿活动地裂缝的变形破坏模式试验研究。但这些模型试验成果多为试验现象描述和定性分析，很少从工程设计的角度进行讨论，且未有对地铁隧道60°斜穿活动性地裂缝地铁隧道与围岩土体相互作用的探讨。本文以西安地铁二号线为工程背景，探讨了隧道结构与地裂缝相互作用机理，为斜交穿越地裂缝带的隧道结构设计提供一定的技术参考。

1　工程背景与模型试验设计

1.1工程背景

本文以贯穿10条地裂缝的西安地铁二号线为工程背景，该线路全长26.302km，地裂缝致灾段占全长的50%，其中4条地裂缝致灾严重地段占出露长度的70%以上。通过比例尺为1∶20的地裂缝与地铁结构相互作用模型试验，研究地铁隧道与地裂缝斜交时地铁隧道结构的受力模式、破坏特征及地铁隧道在地裂缝位错作用下的脱空距离和影响范围，对穿越地裂缝带的地铁隧道的设计及运营过程中的安全监测和灾害防治具有指导意义。

1.2模型设计

西安地铁二号线穿越地裂缝处的设计断面采用的为马蹄形断面，因此，设计的隧道模型断面也采用马蹄形断面，试验模型模拟长40m、宽32m和埋深8m的隧道。选取的几何相似比常数为1∶20，制作的模型长为2m，上盘与下盘的长度各为1m，模型顶部厚度为0.4m(模拟隧道洞顶距地表距离)，断面净高为0.453m，断面宽度0.455m(横断面见图1)。

单位：mm图1　隧道模型横断面简图Fig.1 Sketches of tunnel section for model

地裂缝位错的模拟通过隧道模型下部的千斤顶平台升降进行控制。为更好的观察试验过程中隧道模型在地裂缝错动情况下结构的受力状态及其与土体脱空情况，制作隧道模型结构选取的材料为聚甲基丙烯酸甲脂有机玻璃材料。模型土体采用土层容重相似比为1：1的配置土，采用粉细砂模拟地裂缝处的填充物，以上设计完全能够保证模型试验与现场应力场的相似性。

1.3量测内容与数据采集系统

模型压力通过在距模型底面10和80cm处埋设的土压力传感器进行测量，模型应变的测量通过布设的应变花与应变片完成。在隧道模型顶部和底部中线处自上盘向下盘各布设7个应变花，在环5、环8和环11处沿环向加设左下、右下两组应变花，应变花的布设位置如图2所示。

单位：mm图2　模型应变测量应变花布设图Fig.2 Strain rosette setting map for model strain measurement

不同地裂缝位错时隧道下部的脱空情况通过在隧道模型中心线下方布设的高精度位移计进行测量(见图3)。在模型顶面土体上沿隧道轴向和地裂缝的延伸方向布设2排位移监测点，以观察上部土体变形。

图3　隧道模型管下部位移计布置剖面图Fig.3 Layout section of displacement meter in lower tunnel model tube

试验中应变片数据的采集通过江苏东华测试技术有限公司生产的DH3815数据采集仪完成，模型底部位移量与千斤顶平台升降的位移量的采集通过XMT604智能控制仪完成，土压力传感器数据的采集通过VC890D数字万用表完成。

2　试验分析及成果

2.1隧道与土体接触土压力分析

地裂缝位错时沿隧道模型轴向土体与结构上部接触压力的变化见图4。

注：受压力为正值图4　隧道上部压力分布图Fig.4 Upper tunnel pressure profile

由图4可以看出，当地裂缝发生位错时，位于隧道模型结构上部的上盘承受的压力增加，下盘承受的压力减小。在隧道模型结构上部的上盘影响区域为距地裂缝0～0.35m处，在下盘影响区域为距地裂缝0～0.15m处。原因在于距离地裂缝较远的土体完整密实，发生位错时土体向下运动产生的牵引力导致隧道顶部土压力增加，距离地裂缝较近的土体当隧道结构随试验平台下降时，隧道模型沿纵向向下弯曲导致隧道上部土体与隧道分离其顶部压力减小。

地裂缝位错时沿隧道轴向土体与隧道结构下部接触压力的变化见图5。

注：受压力为正值图5　隧道下部压力分布图Fig.5 Tunnel bottom pressure profile

由图5可以看出，随着地裂缝位错量增大，位于地裂缝上盘的隧道底部接触压力减小至0，位于地裂缝下盘的隧道底部接触压力在0～0.1m区域增大，在0.1～0.25m区域减小。主要原因在于沉降量达到5mm后，位于地裂缝上盘的隧道底部出现脱空。

2.2隧道上部土层沉降量变化分析

为研究模型顶面土体的变形破坏情况，在模型上表面沿隧道轴线方向布置了5个监测点。图6为实际沉降量和理论沉降量的对比曲线。

图6　实际沉降量与理论沉降量对比曲线Fig.6 Settlement curves of actual and theory settlement amount

由图6可以看出，地裂缝上盘发生的位移远大于下盘。当沉降量超过20mm时，地表下沉速率随着地裂缝沉降量的增大逐渐减小。主要原因在于地裂缝上盘下降时，两盘间摩阻力阻止上盘土体向下运动；另外，上盘隧道结构下部出现脱空，隧道下部土体的下降对上部土体影响减小。

2.3隧道下部及土体相对位移分析

隧道下部及土体相对位移见图7。由图7可以看出，隧道模型上盘位移量随着地裂缝位错量的增大而增大，而下盘位移量变化则逐渐变缓。试验发现，在沉降量达到15mm时隧道上盘开始出现脱空现象，且随着地裂缝位错量的增加，脱空区域和沉降量增加，脱空区域为距地裂缝0～0.6m。而下盘土体因受到上盘土体的摩擦和挤压而向上隆起，地裂缝对下盘的影响区域为0～0.25m。

2.4隧道纵向与环向应变分析

地裂缝发生位错时，隧道顶部和底部纵向应变变化见图8与图9。

注：负值为位移量变大；正值为位移量变大图7　隧道底部土体位移变化曲线Fig.7 Displacement curves at the bottom of tunnel

图8　隧道顶部纵向应变变化曲线Fig.8 Longitudinal strain curves of tunnel top

注：受变为正值；受压力负值图9　隧道顶部纵向应变变化曲线Fig.9 Longitudinal strain curves of tunnel bottom

由图8与图9可以看出，当地裂缝的位错量小于15mm时，上盘隧道发生向下的弯曲变形，下盘隧道发生向上的弯曲变形，处于上盘的隧道顶部受压而底部受拉，处于下盘的隧道顶部受拉而底部受压。当地裂缝的位错量达到20mm后，隧道底部脱空变大，上盘一端发生向下的弯曲，表现为隧道模型向上拱起，处于上盘的隧道顶部转变为整体受拉状态。

图10和图11分别为上盘距地裂缝35cm和下盘距地裂缝25cm处衬砌环向应变的变化曲线。

注：此环在地裂缝上盘，距离地裂缝35 cm,受拉为正值，受压为负值图10　地裂缝上盘环向应变曲线Fig.10 Hoop strain curves of upper plate in ground fissures

注：此环在地裂缝上盘，距离地裂缝25 cm,受拉为正值，受压为负值图11　地裂缝下盘环向应变曲线Fig.11 Hoop strain curves of lower plate in ground fissures

由图10和图11可以看出，地裂缝的上盘隧道环向应变表现为左拱腰受压而其余部位受拉，且左拱腰的应力远大于隧道的其他部位。主要原因在于隧道结构与地裂缝呈60°角斜交，处于上盘的隧道沿纵向发生向下弯曲变形的同时发生向左的扭转变形。而处于地裂缝下盘的隧道环向应变主要表现为受压，原因在于土层限制了处于下盘的隧道结构发生位移和变形。同时，试验数据表明，上盘隧道衬砌结构环向受力大于下盘，上盘结构环向应力集中在左、右拱腰，下盘结构环向应力集中在拱顶和拱底，因此，在上盘左、右拱腰和下盘拱顶、拱底易出现破坏。

3　结语

1)随着地裂缝位错量的增加，隧道结构上部上盘压力增大，下盘压力减小的趋势；隧道结构下部上盘压力减小至0，而下盘压力持续增加。

2)地裂缝活动对上盘地表变形的影响大于对下盘地表变形的影响。处于地裂缝下盘的隧道结构顶部受拉而底部受压；处于地裂缝上盘的隧道结构顶部先受压后受拉，而底部整体受拉。

3)上盘隧道衬砌结构环向受力大于下盘，上盘隧道环向应变为左拱腰受压而其余部位受拉，下盘的隧道环向应变表现为受压。上盘环向应力集中在左、右拱腰，下盘环向应力集中在拱顶和拱底，在上盘左、右拱腰和下盘拱顶、拱底易出现破坏。

4)通过对穿越地裂缝带地铁隧道结构的受力模式及破坏特征研究揭示了地裂缝位错作用下隧道的变形破坏规律，为地裂缝带或断层带分别区域隧道、管道的设计施工及运营过程中的安全监测和灾害防治提供了技术依据。

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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

国家自然科学基金资助项目(40772183)；陕西省渭南市科研发展计划资助项目(2015KYJ-3-2)；陕铁院科研基金资助项目(2012-16)

庞旭卿(1976-)，男，陕西华阴人，副教授，博士研究生，从事岩土工程与地质灾害防治方面的教学与研究；E-mail：pangxuqing@126.com

TU91

A

1672-7029(2016)07-1359-06