西安地鐵區(qū)間隧道穿越地裂縫的穩(wěn)定性初探

1、西安地鐵區(qū)間隧道穿越地裂縫的穩(wěn)定性初探摘 要：以西安地鐵二號(hào)線南門(mén)至南稍門(mén)區(qū)間隧道作為研究背景，利用有限差分軟件flac3d對(duì)穿越地裂縫處的區(qū)間隧道的開(kāi)挖過(guò)程和支護(hù)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，首先分析了地裂縫對(duì)地鐵區(qū)間隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。其次，分析了全斷面開(kāi)挖和臺(tái)階法開(kāi)挖對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)臺(tái)階法開(kāi)挖無(wú)論從控制沉降上還是控制塑性區(qū)上都優(yōu)于全斷面開(kāi)挖，對(duì)實(shí)際施工具有一定的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：地裂縫；數(shù)值模擬；地表沉降；開(kāi)挖方法aprimary research on the stability of the xian subway through the ground fissureabst

2、ract: on the basis of the geological situation of the south gate to nanshao gate tunnel of the xian metro, the excavation and support process of the metro tunnel was simulated by the finite difference software-flac3d in this paper. firstly, this paper analyzed the influence of the ground fissure on

3、the country rock stability of the metro tunnel in the term of different lining structures. secondly, the paper researched the influence of the full face excavation method and bench excavation method. it analyzed the ground surface settlement, crown displacement, the change of the stress of the count

4、ry rock-support system, and the distribution of the plastic zone in the term of unsupported, initial support, and secondary lining. by comparing and analyzing, it concluded that the bench excavation is better than full face excavation.key words : ground fissure numerical simulation soil settlement c

5、onstruction method西安市城市快速軌道交通二號(hào)線為西安市軌道交通線網(wǎng)南北向骨干線，從工程地質(zhì)條件來(lái)看，西安市存在著諸如地裂縫、地面沉降、黃土濕陷以及高烈度的地震效應(yīng)等一些對(duì)地鐵建設(shè)影響較大的工程地質(zhì)問(wèn)題。其中地裂縫的存在對(duì)地鐵隧道的影響程度最大，也是最難解決的問(wèn)題。西安地裂縫是一種獨(dú)特的城市地質(zhì)災(zāi)害，50年代開(kāi)始出現(xiàn)地裂縫對(duì)建筑的破壞現(xiàn)象，70年代唐山地震前夕地裂縫活動(dòng)明顯加劇，劇烈活動(dòng)一直持續(xù)至今。30余年間地裂縫的強(qiáng)烈活動(dòng)給西安的城市建設(shè)造成嚴(yán)重危害，目前已經(jīng)成為西安市的主要地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害1-5。西安市地裂縫的運(yùn)動(dòng)機(jī)制屬于蠕滑粘滑型，兼具垂直運(yùn)動(dòng)和水平運(yùn)動(dòng)等多種方式的活動(dòng)特征

6、，地裂縫的存在對(duì)地鐵區(qū)間隧道產(chǎn)生的破壞也具有剪切破壞和拉張破壞等多種形式，破壞機(jī)理比較復(fù)雜，可以歸結(jié)為動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩方面的影響，本文主要研究地裂縫處于靜態(tài)時(shí)對(duì)地鐵區(qū)間隧道穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響。本文以西安地鐵二號(hào)線南門(mén)至南稍門(mén)區(qū)間隧道作為研究背景，通過(guò)數(shù)值模擬軟件flac 3d7-8的計(jì)算，分析了地裂縫對(duì)地鐵區(qū)間隧道圍巖穩(wěn)定性的影響以及不同開(kāi)挖方法對(duì)穿越地裂縫的地鐵區(qū)間隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。1 計(jì)算模型的建立1.1 計(jì)算域的確定建立坐標(biāo)系符合右手螺旋法則，z軸向上，y軸指向隧道開(kāi)挖前進(jìn)方向，隧道中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)。為了簡(jiǎn)便計(jì)算，區(qū)間斷面都選擇帶仰拱的擴(kuò)大馬蹄形斷面，尺寸為8.5m8.8m，拱頂距地表11

7、m。模型上表面為地面，坐標(biāo)為+17m，下表面取至-16m，模型高度為33m，約為4d，x軸方向取40m，約5d。模型長(zhǎng)度取30m，約4d。所建模型見(jiàn)圖1.1，隧道斷面放大圖見(jiàn)圖1.2。圖1.1 隧道模型圖1.2 單元選取模型采用flac3d中填充的shell單元模擬隧道，采用放射狀單元(radcylinder)模擬隧道周邊土體，采用六面體單元(brick)模擬各土層，采用flac3d中特有的結(jié)構(gòu)襯砌單元(shell)模圖1.2 隧道斷面放大圖擬鋼筋混凝土襯砌。模型單元數(shù)為44580，結(jié)點(diǎn)數(shù)為47368。1.3 邊界條件模型的底面限制水平和垂直位移；左右邊界限制水平位移；上表面取自由邊界。1.4

8、 土層參數(shù)西安市地裂縫內(nèi)大部分無(wú)充填物，少部分充填來(lái)自地表的浮土或水流帶來(lái)的淤泥質(zhì)土，填充疏松，比周圍土層松散，沿地裂縫兩側(cè)力學(xué)參數(shù)比周圍土體要小，所取的地裂縫處物理力學(xué)參數(shù)要小于周圍土體。表1.1土層物理力學(xué)參數(shù)名稱密度kg/m彈性模量mpa泊松比內(nèi)摩擦角 。粘聚力kpa人工填土16805.50.312.511新黃土16506.30.252230古壤土17505350.32225老黃土16404.980.282726粉質(zhì)粘土18206.150.262223中砂層186011.20.332地裂縫4002.50.41851.5 強(qiáng)度準(zhǔn)則及本構(gòu)模型強(qiáng)度準(zhǔn)則采用摩爾庫(kù)侖準(zhǔn)則，本構(gòu)模型采用flac3d

9、中的摩爾庫(kù)侖本構(gòu)模型。襯砌結(jié)構(gòu)采用彈性模型。2 計(jì)算結(jié)果分析2.1 臺(tái)階法開(kāi)挖施工計(jì)算結(jié)果分析地表沉降值是施工中最為關(guān)心的控制指標(biāo)之一，現(xiàn)有的地層控制指標(biāo)基本以地層最大沉降值來(lái)衡量。而應(yīng)力場(chǎng)的分布對(duì)施工的指導(dǎo)也同樣不可缺少，通過(guò)應(yīng)力分布的大小和位置來(lái)提前指導(dǎo)施工。圖2.1 地裂縫斷面z方向位移云圖圖2.3最大主應(yīng)力云圖圖2.1-圖2.5為施加二次襯砌后的計(jì)算結(jié)果，地裂縫斷面z方向的最大位移為4.41cm，而非地裂縫斷面z方向的最大位移為3.23cm，均出現(xiàn)在拱頂處。這說(shuō)明地裂縫的存在對(duì)隧道圍巖的穩(wěn)定性起著絕對(duì)性的作用。地裂縫斷面x方向最大位移為9.23mm，最大主應(yīng)力的變化范圍為-0.24mp

10、a39.5kpa，最小主應(yīng)力的變化范圍為-2.77mpa0.72mpa。洞壁四周均產(chǎn)生壓應(yīng)力降低區(qū)，這從一個(gè)側(cè)面反應(yīng)出由于巖體產(chǎn)生塑性變形，形成塑性圈，同時(shí)塑性圈內(nèi)土體的粘聚力c、內(nèi)摩擦角和彈性模量e都要降低，從而使強(qiáng)度降低，巖體喪失部分承載能力，使重分布以后的二次應(yīng)力也降低，因而洞壁這一壓應(yīng)力降低區(qū)反應(yīng)了洞室的不穩(wěn)定。由圖2.3可以看出由于地裂縫的影響，在地裂縫與洞室的交匯處圖2.2 地裂縫斷面x方向位移云圖圖2.4 最小主應(yīng)力云圖圍巖的壓應(yīng)力最低。由圖2.4可以看出在洞頂與地裂縫交匯處出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力，對(duì)洞室穩(wěn)定性最為不利的正是這拉應(yīng)力的集中。剪應(yīng)力重分布規(guī)律如圖2.5所示，剪應(yīng)力在洞室

11、周圍成對(duì)稱分布，在拱角部位產(chǎn)生明顯的剪應(yīng)力集中區(qū)，并且左上側(cè)拱角處和右下側(cè)拱角處為壓剪，左下側(cè)拱角和右上側(cè)拱角為拉剪，最大剪應(yīng)力值約為0.93mpa。圖2.5 地裂縫斷面剪應(yīng)力云圖圖2.6 剪應(yīng)力云圖2.2全斷面開(kāi)挖和臺(tái)階法開(kāi)挖計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析由圖2.7-圖2.8可以看出，在地裂縫處，全斷面開(kāi)挖后對(duì)地表和已完成的支護(hù)結(jié)構(gòu)造成的位移均比臺(tái)階法開(kāi)挖后的位移值大，但是兩者相差均不到1cm。此時(shí)，地表沉降值和拱頂位移值都在工程允許的范圍之內(nèi)。對(duì)于兩種開(kāi)挖方法所形成的塑性區(qū)，圖2.9-2.10為開(kāi)挖至地裂縫處的塑性區(qū)分布圖，從圖中可以看出，無(wú)論在縱向還是橫向上，全斷面開(kāi)挖比臺(tái)階法開(kāi)挖土體整體塑性區(qū)范圍

12、均較大，而且工作面前方塑性區(qū)較臺(tái)階法更大，但在工作面通過(guò)后即迅速消失，表明全斷面法開(kāi)挖對(duì)土體的擾動(dòng)集中于工作面前方。而且還發(fā)現(xiàn)在地裂縫處出現(xiàn)了較大的塑性區(qū)，這也說(shuō)明地裂縫處的圍巖強(qiáng)度較弱，容易被破壞。圖2.7地表沉降曲線對(duì)比圖圖2.8拱頂沉降曲線對(duì)比圖3 結(jié)論本文通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算得出如下結(jié)論：（1）對(duì)于地表沉降，地裂縫處的斷面要比非地裂縫斷面大，這說(shuō)明地裂縫的存在對(duì)圍巖的穩(wěn)定性有一定性的影響。（2）由于地裂縫的存在，在地裂縫與洞室的交匯處圍巖應(yīng)力與其他位置相比較低，尤其在洞室側(cè)壁，應(yīng)力降低幅度更為明顯，這是由于巖圖2.9全斷面開(kāi)挖隧道塑性區(qū)剖面圖體產(chǎn)生塑性變形，形成塑性圈，同時(shí)塑性圈內(nèi)土體的粘

13、聚力c、內(nèi)摩擦角和彈性模量e都要降低，從而使圍巖強(qiáng)度降低，土體喪失部分承載能力。（3）最小主應(yīng)力在洞頂與地裂縫交匯處表現(xiàn)為較大的拉應(yīng)力，這對(duì)洞室的穩(wěn)定性極為不利。（4）文中對(duì)全斷面開(kāi)挖和臺(tái)階法開(kāi)挖方法進(jìn)行對(duì)比，分析發(fā)現(xiàn)：對(duì)于控制地表沉降，臺(tái)階法開(kāi)挖要優(yōu)于全斷面開(kāi)挖。對(duì)于兩種開(kāi)挖方法所形成的塑性區(qū)，無(wú)論在縱向和橫向上，全斷面開(kāi)挖比臺(tái)階法開(kāi)挖土體整體塑性區(qū)范圍均較大。而且有一個(gè)特點(diǎn)，即工作面前方塑性區(qū)較臺(tái)階法更大，但在工作面通過(guò)后即迅速消失，表明全斷面法開(kāi)挖對(duì)土體的擾動(dòng)集中于工作面前方。而且還發(fā)現(xiàn)在地裂縫處出現(xiàn)了較大的塑性區(qū)，這也說(shuō)明地裂縫處的圍巖強(qiáng)度較弱，容易被破壞。圖2.10臺(tái)階法開(kāi)挖隧道塑性區(qū)剖面圖參考文獻(xiàn)：1 劉雪梅.地裂縫對(duì)地鐵洞室穩(wěn)定性影響研究.碩士論文.西安：長(zhǎng)安大學(xué)2 馮慧霞.水環(huán)境下地裂縫對(duì)西安地鐵的影響.碩士論文.西安：建筑科技大學(xué)3 李新生，閆文中等.西安地裂縫活動(dòng)趨勢(shì)分析.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)