地裂缝对地铁隧道围岩附加动土压力影响特征研究*

许 晨，袁立群，门玉明，杨 觅

(1.长安大学 地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054；2.聊城大学 建筑工程学院，山东 聊城 252059)

我国对地裂缝灾害的研究始于1960年代末期，是伴随探索地震预报和捕捉地震前兆开始的。进入2005年以后，西安开展了大规模地铁建设，地铁结构跨越多条地裂缝带，这些特殊部位的地铁结构防灾设计成为制约地铁建设的重要问题。自2006年至今，各大科研单位及众多学者围绕这一问题展开了广泛研究[1-6]。但是，因为地裂缝地区的地铁工程建设在地铁修建史上较为罕见，过地裂缝带地铁修建的很多问题还需进一步探讨，如地裂缝附近围岩与地铁隧道的动力相互作用特点仍是未知的，这些都是地裂缝地区地铁建设需要解决的问题。

对无地裂缝时的地层——地下结构的动力相互作用研究，国内外均已取得大量成果。对于地铁行车荷载引起的环境振动问题也受到许多国家的重视，并开展了大量研究工作，如Nelson P M等人[7]通过对振动经由地面传至建筑物引起的动力响应研究，给出了建筑物及其中人和敏感仪器对应的地面振动等级，并提出相应的控制振动方法；Melke J等人[8]改进了实验室和现场监测的分析方法及定量预测手段，选用振动衰减链法，提出了对应的振动预测公式，分析了列车荷载对地铁围岩振动的影响因素，该方法可用来定量分析预测地铁活动引发的振动响应；Kurzweil G[9]对地铁运行时产生的振动波在不同范围内的传播路径及衰减特性进行了研究，分析了邻近建筑物的二次振动情况和噪音问题。近年来，国内在地铁行车荷载引起的环境振动方面取得了一定研究成果，如徐忠根等人[10]对广州地铁一号线振动对环境的影响进行了测定与分析；洪俊清等人[11]建立了土与结构共同作用的有限元分析模型，从地铁列车荷载频谱特征和场地土类型出发，分析了地铁运行所引起的周边建筑物的振动效应；陶连金等人[12]以地铁车站间的隧道模型为研究对象，利用快速拉格朗日法有限差分软件FLAC对隧道衬砌与地层的整体动力学行为进行了分析，得到了列车运行振动在地面的衰减规律，并对不同轨道参数对地铁振动的衰减规律进行了研究。总体来看，目前已有的研究成果基本上都未涉及地裂缝问题，而对处于地裂缝赋存条件下的围岩与地铁隧道动力相互作用问题的研究至今还处于空白。在动荷载作用下，地裂缝活动带附近的结构与地层间相互作用不同于静止土地裂缝附近结构与地层之间的接触关系，其力学性态更为复杂，二者在接触界面处有一定的摩擦特征，同时在隧道底部等局部地带存在脱空现象。摩擦力的大小和分布规律，脱空区的尺寸及部位等，都将影响地铁隧道结构的内力及变形分析。构建合理的结构与地层之间的动力相互作用分析模型,是地裂缝地区地下工程设计中的关键科学问题。

为更深入研究地铁振动与地裂缝动力相互作用特征这一课题，笔者及其项目组成员近年来在国家自然科学基金项目的支持下，开展了一系列模型试验和数值模拟研究，分别进行了与地裂缝正交、60°斜交、30°斜交等不同工况的模型试验和数值模拟[13-16]，得出了一些新的认识，下面主要对试验模型及部分试验成果做一介绍。

1 地铁振动与地裂缝动力相互作用模型试验设计

本文依托的实际工程为西安地铁2号线，依据该地铁线路的实际情况设计本模型试验。该地铁线路跨越地裂缝时选用马蹄形隧道结构，实际工程中隧道埋深10 m，衬砌高9.55 m。《西安地裂缝场地勘查与工程设计规程》对地裂缝变形影响范围有严格要求，其中地裂缝上盘为0～20 m，下盘为0～15 m，本文将地裂缝的总变形范围上限设定为40 m。地铁衬砌结构及地裂缝附近土体的物理力学参数如表1所示。

表1 隧道原型结构参数

根据试验条件，试验中的物理模型采用1∶ 20几何相似比，模型箱的尺寸如图1所示，试验模拟的土体范围为：40 m×32 m×20 m。

图1 试验模型示意图(单位：mm)

根据相似比换算得到模型隧道实际尺寸为：高度477.5 mm，宽度470 mm，厚度27.5 mm，用C15混凝土整体浇筑而成，模型内纵、横向均配置钢筋。隧道结构分为整体式隧道、两段式隧道和三段式隧道三种工况。其中整体式隧道全长1.8 m，两段式马蹄形隧道由1.05 m和0.75 m的两个分段组成，三段式马蹄形隧道单段长0.6 m。以相似理论为依据，考虑本模型试验的尺寸设定，计算得到试验中对应物理量的相似比(表2)。

表2 模型试验各物理量相似比

模型试验使用的岩土体材料是按一定比例将重晶石粉、粘性土以及河砂混合搅拌而成，可以模拟西安地铁埋深范围内的黄土和古土壤地层。模型试验地层相似材料的物理力学参数如表3所示。

表3 地层物理力学参数

本文模型试验预设宽10 mm的地裂缝，其倾角为80°，其与隧道夹角分别选取90°、60°和30°，分别模拟地铁隧道与地裂缝正交、大角度斜交和小角度斜交的工况。

隧道及围岩的振动加速度测试采用应变式加速度计，共10支，均布设在隧道中轴线位置，埋设高度以模型箱底板顶面为零点，在隧道底部15 cm和25 cm处各埋设4支，在隧道顶部72.75 cm处埋设2支。土压力测试采用微型压力盒，分别布置在距模型箱底板顶面15 cm、50 cm和85 cm处。其中于15 cm、85 cm高度处各布设三条测线，每条测线以中轴线为中心间距30 cm；当模型填筑至50 cm时，在中轴线两侧位置各布设一条测线，测线距离中轴线30 cm。测线走向与隧道轴向相一致，每条测线上共布置5个土压力盒，其中3只埋设在上盘，2只埋设在下盘，压力盒到地裂缝的距离：上盘分别为3 cm、20 cm和37 cm；下盘分别为3 cm和20 cm。压力盒布设如图2所示。

在隧道拱底、拱顶中线位置各布设一排应变片，其中环4、7、10位置为应变花样式；两边侧壁中线处各布置7个应变花；在拱底腰部的环4、环7和环10两侧各布置3个应变花。应变片(花)的布设位置见图3。

图2 围岩压力盒布置图

图3 应变片(花)布置图(单位：mm)

试验中振动荷载采用TST-10型10 kg激振器产生。根据西安地铁2号线列车编组情况，将激振力用公式[17]表示为：

(1)

式中：f为加载频率，t为加载时间。在确定加载频率时，参考西安地铁2号线岩土工程勘察报告，采取5种不同频率(10 Hz、20 Hz、30 Hz、40 Hz、50 Hz)对轮轨进行加载。

由于实际行车过程中，列车与地裂缝相对位置处于不断变化中，故在模型中设置了4个不同位置的激振点，以下盘地铁隧道右端边界处为零点，各激振点位置分别为60 cm、80 cm、100 cm和120 cm，设置在模型隧道内的轨道上。

2 试验结果与分析

试验分为三种工况，分别为整体式、两段式和三段式马蹄形隧道的动力响应试验[13-16]。从试验结果可知，隧道分段对列车的振动效应有较为显著的影响，分段越多，隧道的动力响应越强烈。限于篇幅，本文主要介绍三段式隧道模型与地裂缝正交的部分土压力模型试验结果。

2.1 土压力分析

图4显示地裂缝未活动时，距隧道模型右端60 cm处(位于下盘靠近地裂缝位置)和80 cm处(位于上盘靠近地裂缝位置)在10 Hz激振作用下三段式隧道模型的附加土压力分布。由图4可知，在地裂缝未活动情况下，在下盘60 cm处激振时，靠近地裂缝两侧的附加土压力会由于地裂缝的存在而出现明显的差异，即经过地裂缝后，土压力出现了衰减现象，最大衰减幅度(Y1-2排)可达到20%左右；在上盘(80 cm处)激振时，经过地裂缝后，附加土压力同样会出现衰减，但衰减幅度与前者不同，此时最大衰减幅度(Y3-3排)约10%左右。表明在地裂缝未活动情况下，无论是在上盘还是在下盘激振，经过地裂缝后，附加土压力都会出现衰减，但衰减的幅度不同。从土压力分布图上来看，由于地裂缝的存在，在靠近地裂缝位置的土压力会出现一个凹点，产生与无地裂缝场地不同的土压力分布特征。这就提示设计人员在地铁列车穿越未活动地裂缝段的隧道抗振设计中，由于上行线和下行线围岩中的附加动土压力的分布规律有明显差别，在设计时应考虑这一特点。

图4 地裂缝未活动时10Hz激振附加土压力分布图

图5给出了地裂缝活动状态下，即地裂缝上盘地层下降2 cm时，三段式隧道模型在10 Hz激振作用时产生的附加土压力分布图。与图4对比可知，当上盘下降2 cm，上盘及下盘土层中附加土压力相对无地裂缝活动时都有所减小，这是由于上盘隧道底部出现脱空所致。与地裂缝未活动时所得到的数据对比，当地裂缝活动引起上盘下降，Y3系列压力盒(第三排)读数产生了较小的负值，表明上盘下降后，拱顶以上的动土压力小于静土压力，位于轴线处的Y3-1土压力比位于隧道侧壁的Y3-3以及Y3-2降低幅度要大，这些都表明地裂缝上盘土体在下降过程中，引起了隧道与土层之间的脱空。这时通过地裂缝带的隧道围岩中的土压力变化较小，但脱空改变了隧道结构的受力模式，使隧道由弹性地基梁模式改变为无地基梁受力模式，其脱空区结构的内力将会明显增大。

图5 地裂缝上盘下降2 cm情况下10 Hz激振引起的附加应力分布图

2.2 隧道与土体间压力分析

在模型中地裂缝两侧隧道上埋设两圈土压力盒，用于测试隧道与土体间的接触压力变化情况，每圈埋设8只，共计16只。各土压力盒的编号及分布情况如表3所示。

表3 微型土压力盒编号及分布

图6为在60 cm和80 cm激振点激振时，地裂缝两侧环向布置的两圈土压力盒的读数。由图可知，当地裂缝未产生活动时，激振作用下Y1-5和Y2-5(拱底)位置处土压力大于静土压力6～8 kPa；激振点位于60 cm时上盘的Y1-5土压力略小于下盘的Y2-5，激振点位于80 cm时，Y2-5土压力略小于Y1-5，侧边及拱顶处的土压力变化幅度不大，不超过1～3 kPa；当上盘下降1 cm，上盘的Y1系列土压力的变化幅度趋于0，说明当上盘下降1 cm后，激振作用产生的土压力减小幅度与地层下降引起的土压力减小幅度相差不大，而下盘的Y2系列土压力减小幅度比未下降时大，但与静止土压力情况下60 cm处激振的工况相比还是产生了一定的附加压力；当激振点位于80 cm处，拱底附加土压力趋近于0，其他部位的压力值增大幅度较小；当上盘下降2 cm时，各测点的接触压力相比前两种工况(地裂缝未活动、上盘下降1 cm)均有所降低，当激振点位于60 cm处时，上盘拱底处Y1测点的下降幅度最大，其值达到-5.6 kPa，下盘拱底处Y2土压力数值为-3.67 kPa，其他各测点土压力变化范围在-1.0 kPa～-3.0 kPa之间，当激振点位于80 cm处，地裂缝两侧Y1和Y2土压力变化趋势基本一致，且Y1测点处的土压力值稍大，也说明当激振点位于上盘时，测点处的动荷载引起的附加压力能够传递至下盘，地裂缝活动引起上盘下降后，位于上盘的Y1土压力因为地层脱空效应引起土压力数值比下盘Y2测点大幅减小。

图6 隧道环向附加压力分布图

3 结论

本文介绍了地铁振动作用下地裂缝对地铁隧道围岩附加动土压力影响特征研究的模型试验，通过对穿越地裂缝带的围岩及隧道在振动荷载作用下的土压力分布特征的分析，得到以下认识:

(1)在地裂缝未活动情况下，在下盘(60 cm处)激振时，靠近地裂缝两侧的附加土压力会由于地裂缝的存在而出现明显变化，即经过地裂缝后，土压力出现了衰减现象，最大衰减幅度(Y1-2排)可达20%左右；在上盘(80 cm处)激振时，经过地裂缝后，附加土压力同样会出现衰减，最大减小幅度(Y3-3排)约10%左右。表明无论在上盘还是在下盘激振，经过地裂缝后，附加土压力都会出现不同程度的衰减，但衰减的幅度不同。

(2)当地裂缝活动导致上盘下降以后，隧道拱顶以上部分土层的土压力比静土压力有所降低，表明地裂缝上盘土体在下降过程中，引起了隧道与土层之间的脱空。这时位于地裂缝带附近围岩中的附加土压力受地裂缝的影响较小，但脱空改变了隧道结构的受力模式，使隧道的内力特征发生了较大变化。

(3)当地裂缝未活动时，处于拱底位置处的土压力在列车振动作用下均比静土压力增大。地裂缝上盘地层下降以后，各点的接触压力比地裂缝未活动时都有所降低，表明地裂缝活动会引起隧道周围土压力的重分布。