地裂縫對地鐵隧道的影響機制及病害控制研究.pdf

1、自從二十世紀五十年代以來，由于自然和人為因素的影響，西安市區(qū)出現(xiàn)了大量地裂縫，危害十分嚴重，其未來活動對在建的西安地鐵構(gòu)成重大安全隱患。因此，西安地鐵隧道穿越地裂縫的問題成為了一個全新的重大工程難題，近年來引起了學術(shù)界和工程界的高度關(guān)注。 本文以西安市重大工程-西安地鐵隧道穿越地裂縫活動帶為工程研究背景和依托，對西安地鐵沿線地裂縫未來活動趨勢和最大垂直位錯量進行了分析與預(yù)測，采用大型模型試驗和有限元數(shù)值模擬計算相結(jié)合的方法，對地

2、裂縫活動作用下不同襯砌結(jié)構(gòu)類型的地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形破壞機制進行了系統(tǒng)研究，提出了地鐵隧道穿越地裂縫帶的病害控制措施。 本文主要研究工作和成果如下： (1)從區(qū)域構(gòu)造運動、再次超采地下水對地裂縫活動的影響程度入手，分析了西安地裂縫未來百年的活動趨勢。在現(xiàn)今活動速率和歷史最大位錯量及活動級別綜合分析的基礎(chǔ)上對地裂縫未來活動量進行了預(yù)測，得出了地鐵設(shè)計使用期(100年)內(nèi)西安地鐵與地裂縫各交匯點附近地裂縫的最大垂直位錯量，為西安

3、地鐵隧道穿越地裂縫帶的結(jié)構(gòu)設(shè)防提供了重要參數(shù)。 (2)通過大型模型試驗和有限元數(shù)值模擬，揭示了地裂縫作用下不同襯砌結(jié)構(gòu)形式(包括明挖箱形襯砌、淺埋暗挖馬蹄形襯砌和盾構(gòu)管片襯砌)的地鐵隧道與地裂縫帶正交和斜交條件下的變形破壞機制。 (3)通過有限元數(shù)值模擬擬合得出了地鐵隧道縱向變形曲線方程，其表達式為：y=A·x3+B·x2+C·x+D，其中4，B，C，D均為常數(shù)，為地裂縫作用下隧道縱向結(jié)構(gòu)性能的理論分析與計算奠定了基礎(chǔ)。

4、 (4)通過大型模型試驗，揭示了地裂縫作用下地鐵隧道圍巖壓力、位移以及地表沉降變形的變化規(guī)律，可為西安地鐵沿線城市規(guī)劃與建筑物設(shè)防提供參考。 (5)針對西安地鐵大多數(shù)線路斜交穿越地裂縫帶的現(xiàn)狀，采用有限元數(shù)值模擬方法揭示了地鐵隧道與地裂縫斜交角度θ對地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形破壞的影響規(guī)律。 (6)根據(jù)襯砌類型、地鐵隧道與地裂縫空間相交展布關(guān)系，在大型模型試驗和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，首次提出了地裂縫作用下地鐵隧道變形破壞模

5、式，其中整體式襯砌隧道變形破壞模式為拉張-擠壓破壞(正交)和拉張-扭剪破壞(斜交)，盾構(gòu)隧道變形破壞模式為直接剪切破壞(正交)和扭轉(zhuǎn)-剪切破壞(斜交)。 (7)基于大型模型試驗和有限元數(shù)值模擬方法，建立了地鐵隧道穿越地裂縫帶結(jié)構(gòu)縱向設(shè)防長度的計算方法，合理確定了西安地鐵隧道正交與斜交穿越地裂縫帶的縱向設(shè)防長度。建立了基于三維空間的地裂縫活動環(huán)境下分段式隧道運動位移模式和計算公式，確定了地鐵隧道穿越地裂縫帶的抗裂設(shè)計預(yù)留位移量。

6、 (8)通過分段設(shè)縫的明挖箱形隧道和淺埋暗挖馬蹄形隧道分別正交和斜交穿越地裂縫帶穿的大型模型試驗，對分段設(shè)變形縫的地鐵隧道穿越地裂縫帶的適應(yīng)性進行了研究，結(jié)果表明分段式柔性接頭隧道能承受較大的剪切變形，相鄰襯砌管段變形和次生應(yīng)力均較小，同時多段設(shè)變形縫具有很好的消化地裂縫變形的效果，從而說明多段設(shè)變形縫加柔性接頭連接的地鐵隧道具有較強的適應(yīng)地裂縫活動大變形的能力。 (9)基于西安地鐵工程穿越地裂縫帶的特殊性和復(fù)雜性，在地裂