某市地裂縫與地鐵工程

某市地裂縫與地鐵工程長安大學(xué)二○○七年九月

某市分布有14條地裂縫，成為聞名世界的特殊城市地質(zhì)災(zāi)害，對建筑物、道路、管線的破壞性極大，地面建筑物一般采用避讓法防治，而即將修建的某地鐵2＃線將穿過11條地裂縫和兩條次裂縫，無法采取避讓措施。1.前言這些地裂縫對地鐵隧道可能產(chǎn)生什么危害?采取什么樣的結(jié)構(gòu)措施才能防治這種工程病害？這是迄今為止國內(nèi)外地鐵建設(shè)中還沒遇到過的問題。

面臨這一世界性難題，我們在中國地調(diào)局支持下，開展了地裂縫對地鐵工程危害的大型物理模型實驗，以及地裂縫活動環(huán)境下地鐵工程的變形破壞模式及防治對策的研究工作，為某地鐵工程設(shè)計提供了一系列重要參數(shù)及方案，達(dá)到了國土資源大調(diào)查項目為國家工程經(jīng)濟建設(shè)服務(wù)的目的。世界性難題某市地鐵二號線與地裂縫位置分布圖錯斷Q4底界S0(1.2萬年)

0.2m(埋深1.5m左右)錯斷Q3底界S1(12.8萬年)

2.5m(埋深13m左右)錯斷Q2底界S8(73萬年)

35m(埋深約75m左右)某市地質(zhì)剖面簡圖

14條地裂縫總體走向均為北東60—80o，傾向南東，傾角約為80o。平面形態(tài)呈不等間距近似平行排列。每條地裂縫的延伸長度可達(dá)數(shù)公里至數(shù)十公里。地裂縫都發(fā)育在特定的構(gòu)造地貌部位，即梁崗的南側(cè)陡坡上，梁間洼地的北側(cè)邊緣

2.1地裂縫的基本特征2.某市地裂縫的基本特征及工程危害。地裂縫大多由主地裂縫和分支裂縫組成，少數(shù)地裂縫則由主地裂縫、次生地裂縫和分支裂縫組成，平面上分支結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。F6地裂縫平面展布圖地裂縫分枝破裂形態(tài)F11地裂縫探槽展示圖

地裂縫的活動方式為蠕動，主要表現(xiàn)為主地裂縫的南側(cè)（上盤）下降，北側(cè)（下盤）相對上升。次生地裂縫則表現(xiàn)為北側(cè)（上盤）下降，南側(cè)（下盤）相對上升。地裂縫的垂直位移具有單向累積的特性，隱伏地裂縫的斷距隨深度的增大而增大。地裂縫在剖面上的形態(tài)一般為上寬下窄的楔形，主干地裂縫與次級地裂縫在剖面上的組合形式大致概化為階梯狀、“y”字型和追蹤式地裂縫剖面形態(tài)汽車學(xué)院基坑西壁F7地裂縫汽車學(xué)院基坑?xùn)|壁F7地裂縫建筑物受損和破壞2.2地裂縫的工程災(zāi)害特征道路受損橋梁受損橋梁錯開橋面開裂道路損壞農(nóng)田毀壞車間遭到破壞地下管道破壞地裂縫錯斷翠華路供水管道造成突水渭河電廠南部渭河斷裂帶次級破裂黃渠頭起土場黃土中的活動斷裂研究表明，某地裂縫是在隱伏于黃土層中的構(gòu)造破裂面基礎(chǔ)上形成的，現(xiàn)今超?；顒又饕且虺傻叵滤?。2.3某地裂縫成因分析3.地裂縫對地鐵隧道危害的基本模式某市地裂縫的水平位移量很小，某市地鐵工程可以不考慮

地裂縫水平活動的影響;某市地裂縫的垂直活動產(chǎn)生的垂直位移具有隨時間單向累

積的特征，它對地表和地下的建（構(gòu)）筑物產(chǎn)生的破壞相當(dāng)于緩慢的地基失效;地裂縫對地鐵的影響可以等效于地鐵在靜力作用下的變形，靜力荷載大小相當(dāng)于地裂縫下降盤地鐵重量和上覆土體重量之和;地鐵設(shè)計時還應(yīng)當(dāng)考慮外部荷載的疊加，外部荷載包括地面交通荷載、地鐵列車荷載以及地面施工荷載、地震荷載等。地裂縫破壞人防、窯洞西北工業(yè)大學(xué)人防地道裂縫沿北東東向延伸，縫寬0.1-1cm，垂直錯開明顯臥磚坡道開裂，縫寬3.5cm，垂直錯距2.5cm，顯示垂直張扭性特征地道西出口處的拱墻開裂窯洞開裂合理確定百年內(nèi)垂直位移量合理確定地裂縫地段設(shè)防長度隧道整體與分段式物理模擬試驗4.地裂縫活動引起地鐵隧道變形破壞的防治對策地鐵二號線與地裂縫交匯點處地鐵設(shè)計用地裂縫最大垂直位移量

編號位移量（預(yù)估極限值）278141500500500462275223500500

根據(jù)某地裂縫長期觀測資料的分析研究，確定在地鐵百年壽期內(nèi)，地裂縫最大垂直位移量可按下表進(jìn)行設(shè)計取值。建議每一條地裂縫地段均按500mm設(shè)計垂直位移量。4.1合理確定百年內(nèi)設(shè)計垂直位移量短水準(zhǔn)偉剖面測汽量結(jié)果震表明，唯在地裂怪縫的兩厲側(cè)有一偷定寬度黨的變形零帶，該斧變形帶拉是由地穗裂縫帶棋活動造該成土體表破裂而僚產(chǎn)生的部，該變寸形帶稱瞇為地裂示縫的影鑰響寬度飽。地裂縫影陳響寬度短云水準(zhǔn)測量繩結(jié)果圖1992年1993年1997年1996年1995年1994年S裂縫設(shè)防帶避讓帶設(shè)防帶4.2腰地裂摟縫地段姿設(shè)防長雹度地鐵二號設(shè)線與地裂齊縫交匯點表處的影響查帶寬度

編號寬度（m）f2f3f5f6f7f8f9f10f11f12地鐵設(shè)防長度38.852.349.047.0（40.0）47.062.052.0（41.5）39.044.042.0據(jù)此確定混地鐵二號祝線與地裂稱縫交匯點散處的影響灘帶寬度根據(jù)某六地裂縫謝場地勘場察與工橋程設(shè)計脾規(guī)程（否DBJ坦61-態(tài)620盡06）勺及數(shù)值還計算結(jié)藝果，取省地裂縫家地段設(shè)率防長度摟為64啊m。采用比月例尺1頑:5的倦整體式重閉合框級架結(jié)構(gòu)派模型，償研究某偏典型地洲層埋深慕20.口0m范碰圍地裂事縫活動武對整體藍(lán)式閉合飛框架結(jié)避構(gòu)的影厲響規(guī)律滴，包括齊土與結(jié)薯構(gòu)接觸譜壓力、星結(jié)構(gòu)附丟近土體剖內(nèi)應(yīng)力姥和變形很情況。確定閉煙合框架匹結(jié)構(gòu)的已受力模竭式，為息地鐵穿很過地裂詞縫地段曬的結(jié)構(gòu)慮措施提持供科學(xué)顏依據(jù)。大型單層跑閉合框架辰隧道結(jié)構(gòu)樓的模型試兄驗4.3證地裂搶縫對地?fù)扈F隧道碼危害的熟大型物鼻理模擬陳試驗?zāi)Ｐ驮囃炑b置級與原理試驗平臺：該模恰型試驗避在長安丙大學(xué)大掠型地基花沉降模附擬試驗伸平臺上醬進(jìn)行。芹該試驗動平臺的原試驗有筆效面積櫻320鼓m2（16m膨×20m籃），最大僵沉降量3延0cm。廳試驗系統(tǒng)版共有三個艙子系統(tǒng)組啞成，依次霞為：①升虧降系統(tǒng)，令由138須個變速螺壯旋式電機沉和量程為歲100t蚊的千斤頂紛組成；②男支撐系統(tǒng)盒，包括自吩鎖式支座俱（含節(jié)點焰、托盤）倦以及23嶼0塊三角東形活動面露板；用于跟銜接千斤但頂與面板屢以及模擬出地基沉降此；③控制店系統(tǒng)，由河工控機和姨若干傳感傷器（位移晚傳感器）剪組成。試驗平宗臺系統(tǒng)控制系對統(tǒng)試驗平臺莖全貌模型立任體示意番圖試驗?zāi)Ｌ硇偷貙訐]剖面圖結(jié)構(gòu)模型干試驗試驗原理仆：為模擬掩具有正霸斷層性多質(zhì)的地拴裂縫兩拖側(cè)土體睛活動引閣起地鐵臨整體式效閉合框僑架結(jié)構(gòu)殿受力變鴨形機制易，本次莫試驗?zāi)D型一端折跨試驗?zāi)X平臺，勺一端跨賭原始地排面，人腥為控制順試驗平教臺的整盞體下降份，以考釋察整體害式閉合酸框架結(jié)朵構(gòu)的受銳力變形柜直至破厭壞情況國以及土龍體中裂凍縫的破都裂擴展疏情況柔。模型試驗剩設(shè)計相似關(guān)烏系：以幾何相船似比CL＝1和燙重度相庫似比Cr＝1為基古本相似比選，根據(jù)相尾似理論推樂得各物理冊力學(xué)參數(shù)趙原型值與捐模型值的密相似比如晃下：泊松宰比、應(yīng)變雜和摩擦角頃相似比Cμ＝Cξ＝Cφ＝1，強抄度、應(yīng)力竄、粘聚力上和彈性?？屏肯嗨票仁蠟镃R＝Cσ＝Cc＝CE＝1。圍巖的鑼模擬：模型土取猴某地區(qū)黃偏土，與原蓄型土基本劈燕相同，可基以較好地惡滿足結(jié)構(gòu)調(diào)模型試驗決中模型土熟與原型土由各物理力銀學(xué)指標(biāo)相鳴似關(guān)系炊。整體式閉談合框架結(jié)亂構(gòu)的模擬誘：根據(jù)幾馬何相似稅系數(shù)＝必5，閉屯合框架切結(jié)構(gòu)模鼠型尺寸箱為：1域0.0畏×1恥.21慈0×1吃.30芹2m（澇長×寬撈×高）慘，壁厚負(fù)0.1鹿2m。邪結(jié)構(gòu)模愚型材料竄采用鋼除筋混凝鼠土。混漢凝土配恰合比為康：水泥衡：水：燈粗砂：尊卵石=保1：0蘭.4：篇1.4朗：2.稍6飛。分段結(jié)構(gòu)細(xì)的連接處學(xué)用5cm偵厚的高彈工橡膠和環(huán)陜氧樹脂連責(zé)接，在接萄頭內(nèi)側(cè)用盯鋼條和膨缸脹螺栓將您止水帶矩形閉合交框架結(jié)構(gòu)叨模型測點布設(shè)數(shù)和量測儀刃器1）沉百降位移屆計的布刃設(shè)沉降杯貿(mào)及埋設(shè)2）土壓推力盒的埋隊設(shè)3）應(yīng)變暴片的布設(shè)應(yīng)變片稱量測系徑統(tǒng)鋼筋上布佩設(shè)應(yīng)變片整體閉合易式框架結(jié)站構(gòu)結(jié)果及股分析1）土鵲體沉降秤變化規(guī)條律-2.肆0-1.00.01.02.03.04.05.00.05.010.顧015.貴020.喜025.驅(qū)0位錯量鳴20c傾m位錯量憂24c左m下盤裂縫上盤沿地鐵胃結(jié)構(gòu)縱夜向，地儲裂縫的輛變形模伸式基本覆與以往搬水準(zhǔn)測耐量結(jié)果噴一致。開挖后茅土體縱埋斷面圖徑（鏡像鄭南）-5-4-3-2-1012345-30000-25000-20000-15000-10000-5000050001000015000初始值沉降4cm沉降10cm沉降16cm沉降24cm沉降20cm結(jié)構(gòu)南側(cè)ZS2測線縱軟向應(yīng)變趙曲線-5-4-3-2-1012345-30000-25000-20000-15000-10000-50000500010000結(jié)構(gòu)南側(cè)ZN3測線縱疊向應(yīng)變飼曲線2）結(jié)岡構(gòu)受力狂變化規(guī)晨律-5-4-3-2-101234-30000-25000-20000-15000-10000-500005000初始值裂縫上盤下盤L(m)沉降2cm沉降6cm沉降12cm沉降18cm沉降24cm結(jié)構(gòu)頂部底ZS1測監(jiān)線應(yīng)變曲蔑線-5-4-3-2-1012345-20000-15000-10000-50000500010000初始值沉降2cm沉降8cm沉降14cm沉降20cm沉降22cm結(jié)構(gòu)底屆部ZD球S測線救縱向應(yīng)生變曲線3）變形污破壞模式結(jié)構(gòu)變棟形破壞蜻圖芹結(jié)今構(gòu)內(nèi)部千側(cè)壁裂快縫圖結(jié)構(gòu)頂序部裂縫素圖結(jié)構(gòu)南側(cè)壁裂縫損圖結(jié)構(gòu)北側(cè)壁裂縫圖分段式才閉合框劍架結(jié)構(gòu)曬結(jié)果及乒分析0.0謹(jǐn)00.801.6磁02.4拌03.2筋04.004.802.0模02.5思03.0銀03.504.0擇04.5掃05.005.506.00L(m)△ε(菜×10畜)-3初始值2cm6cm10cm14c但m16cm18c頌m20c倦m0.000.8殃01.6培02.403.204.0針04.8膀05.6陪02.003.0勝04.0藍(lán)05.0歉06.0攀07.00-3L(m箏)初始值2cm6cm10cm14c窩m16cm18cm20c伐m△ε(找×10刊)地裂縫下技盤結(jié)構(gòu)側(cè)壁測線縱注向應(yīng)變隸曲線地裂縫下天盤結(jié)構(gòu)底板測線縱向階應(yīng)變曲線0.8棕01.6太02.4距03.204.0羽04.801.0則02.003.0伸04.0書05.0婆06.0紹0-3L(m嗚)初始值2cm8cm12c延m18cm24c圖m△ε(吐×10悅)地裂縫首上盤結(jié)亮構(gòu)頂部測線縱攔向應(yīng)變該曲線0.0罰00.801.6低02.4否03.204.001.0響02.0串03.0狹04.00-3L(m)初始值6cm10cm16cm18cm20cm22c峰m24c撇m△ε(×恰10培)地裂縫上博盤結(jié)構(gòu)底板測線縱向肌應(yīng)變曲線分段設(shè)縫池的隧道結(jié)狼構(gòu)的變形編主要局限訓(xùn)在變形縫渣上，上盤冊隧道沿縫嚴(yán)下降18等cm，橡促膠止水帶升被扭曲剪痕破；上盤陶隧道中的敞軌道懸空誦15cm蛙，隧道其算他地方未餡見破壞；賀下盤隧道簽反翹脫離編底部土體徑5-8c訪m。模擬結(jié)果崖表明分段式逢結(jié)構(gòu)之駱間的相它對位移阻(鏡向灑:北)焰－－行結(jié)構(gòu)完矮好無損分段式結(jié)無構(gòu)接頭處場止水帶的磨固定與撕伐裂狀況軌道調(diào)援整的模開擬PVC嶺管（L=排4m,號D=1建00m叢m）應(yīng)變片應(yīng)變片連接監(jiān)萌測線路跨地裂縫竄埋設(shè)的P沖VC管道獅斷裂情況盯及素描圖整體式馬腫蹄形隧道鑒模型分段式馬鑄蹄形隧道備模型澆注跨地裂曲縫地段量馬蹄形輝隧道結(jié)比構(gòu)的破墨壞性試污驗正在實澇施的盾古構(gòu)隧道誼模型實預(yù)驗盾構(gòu)法愚圓形隧研道的三登維模型栗及橫斷輸面圖地裂縫肢的活動層在土體蝦中產(chǎn)生控何種效唇應(yīng)、土犧體的下闖沉?xí)鹚淼澜Y(jié)枕構(gòu)造成萬何種影豪響等，剝是一個姻復(fù)雜的綱土與結(jié)帳構(gòu)相互落作用的肅問題。地鐵有限競元仿真模訊擬及結(jié)果4.4業(yè)隧道變形考破壞模式齡數(shù)值分析模型材料污計算參數(shù)隧道襯砌旦位移云圖距（變形×巴50）襯砌相謙對沉降綁量曲線隧道襯攜砌縱向秤應(yīng)力云厘圖襯砌縱向沉應(yīng)力云圖腦橫斷面計算模生型及模礦型尺寸隨同有限瘦元計算甩模型離散元仿賊真模擬及遞結(jié)果不同錯睛距時襯至砌縱斷套面壓應(yīng)隊力曲線材料參數(shù)不同錯溉距時襯砌縱斷急面的變形曲攪線不同錯距卡時襯砌縱走斷面拉應(yīng)桂力曲線結(jié)構(gòu)措施風(fēng)原則跨地裂尾縫地段噸地鐵隧共道結(jié)構(gòu)滴的受力妻分析－綿結(jié)構(gòu)荷直載法擴大截面逝的淺埋暗僵挖法馬蹄熱形隧道分握段結(jié)構(gòu)數(shù)賀值分析淺埋暗挖深法馬蹄形蠢襯砌結(jié)構(gòu)丹的接頭方頃案4.4提地鐵區(qū)間辮隧道穿過斯地裂縫的蹦結(jié)構(gòu)措施益研究結(jié)構(gòu)措施美的基本原筍則是“分佳段處理、裝柔性接頭旋、預(yù)留凈空、局繭部加強書、先結(jié)鼻構(gòu)后防腐水”。地裂縫朵的活動忍是不可仰抗拒的拾，因此潛，區(qū)間勻隧道穿住越地裂縫宜鐘采取分欺段處理旗，地裂縫響主變形夕區(qū)為10m，是主要的設(shè)防區(qū)納，建議按10m進(jìn)行隧虧道分段,微變形喘區(qū)雖然腰存在地裂植縫沉降諸變形的緊影響，炮但其垂驗直形變摟僅占總海變形量的10%歡-20雹%,微變形裕段按10-1璃5m進(jìn)行分段憲。每段隧道蘆結(jié)構(gòu)接頭替應(yīng)采用柔訪性接頭，訴同時局部恒擴大隧道斷面于預(yù)留凈挽空，局繩部加強聚確保襯怕砌結(jié)構(gòu)需強度。結(jié)構(gòu)措脂施原則馬蹄形謹(jǐn)襯砌斷影面圖地鐵二臥號線經(jīng)罩過地裂郊縫地段衣隧道結(jié)暈構(gòu)主要勻采用淺掠埋暗挖撇法施工躁的擴大生馬蹄形供襯砌斷盛面。跨地裂縫嘴地段地鐵池隧道結(jié)構(gòu)貿(mào)的受力分戀析－結(jié)構(gòu)樓荷載法地裂縫地預(yù)段地鐵隧句道結(jié)構(gòu)沿汪縱向分段使示意圖隧道結(jié)構(gòu)襲在地裂縫瘡地段采取罰分段處理很，在主地杯裂縫上盤品取長度1盟0m的2格段，下盤竹在地裂縫葵附近取1毀0米長一牢段，其余晌每段長1盞5m。跨地裂縫屆地段地鐵賣隧道結(jié)構(gòu)笑的受力分沸析－結(jié)構(gòu)惠荷載法半無限空恒間的彈性貌地基梁模突型懸臂梁區(qū)模型兩端支撐翼中間脫空些的地基梁冊模型兩端支撐銳中間未完潛全脫空的夏地基梁模責(zé)型跨地裂縫干地段地鐵纖隧道結(jié)構(gòu)千受力分析苗－結(jié)構(gòu)荷梁載法根據(jù)地快裂縫的委活動情牽況、地嚷裂縫與悶地鐵隧可道的相渣互作用勤，本次肌計算大飄致分為釀如下四寬種分析次計算模洞型：計算結(jié)果熄分析當(dāng)?shù)罔F隧路道通過變虧形很小的墓地裂縫地野段時地鐵江設(shè)計宜采值用長度L=10錦.0m的隧道結(jié)席構(gòu)。當(dāng)?shù)罔F粘隧道穿嬌過活動夕強烈的攪地裂縫讀地段時哨，一旦宣在地裂漏縫上盤漁主變形仍區(qū)隧道開結(jié)構(gòu)完鐵全脫空販，不管兆隧道結(jié)傾構(gòu)采取個分段處蠢理的何紛種長度派形式都尊不會對可結(jié)構(gòu)內(nèi)戒力有所墳改善。當(dāng)?shù)罔F洞隧道穿柜過活動寨強烈的鼻地裂縫比地段時窗，隨著鳥脫空區(qū)腦的增大伴，隧道拖結(jié)構(gòu)內(nèi)嶄力明顯佩增大。泡因此，翼應(yīng)加強泡地裂縫弄強烈活愈動地段陰的地鐵化隧道底拜部脫空級區(qū)的監(jiān)傷測，同臭時在地標(biāo)鐵設(shè)計皮時隧道義結(jié)構(gòu)內(nèi)虜部應(yīng)預(yù)普留注漿叔孔，以困便出現(xiàn)狹脫空時蒼即可注幻玉漿加固咳處理，畜防止脫暖空區(qū)的蒸進(jìn)一步衣擴大導(dǎo)申致隧道煙結(jié)構(gòu)的呆損壞。跨地裂貨縫地段購地鐵隧刊道結(jié)構(gòu)件受力分默析－結(jié)飄構(gòu)荷載超法通過對地召鐵隧道結(jié)青構(gòu)長L=診10.0膀m和L=唱15.0軋m兩種情版況三種模潮型的計算壟，可以得斗出如下結(jié)材論：擴大截罷面的淺松埋暗挖妥法馬蹄潤形隧道先分段結(jié)鞏構(gòu)數(shù)值邊分析將變形縫修直接設(shè)在謠地裂縫帶笨的正上方將中間段盤跨地裂縫億設(shè)置計算模型在地裂縫嶺范圍將隧權(quán)道襯砌分朝段，考慮孫變形縫設(shè)笛置的位置璃不同，可吩有兩種方脊案：變形縫畝跨地裂腰縫的縱甲斷面圖變形縫對猜應(yīng)地裂縫絲式的縱斷面其圖結(jié)果分析襯砌豎向瞎位移云圖盈（上為二詞襯）襯砌變形面（放大3獸0倍）擴大截面飾的淺埋暗胞挖法馬蹄傅形隧道分驕段結(jié)構(gòu)數(shù)活值分析變形縫設(shè)谷在地裂縫盈帶的正上焦方（即對梳縫設(shè)）中間襯砌用段跨地裂換縫設(shè)置（純即騎縫設(shè)幻玉）襯砌豎畝向位移戴云圖（捆上為二稍襯）襯砌變歡形圖（貝放大3逃0倍，千左為上候盤）變形縫匙設(shè)在地弟裂縫帶敞的正上荷方（對伴縫設(shè)）努時，分錯段襯砌在地余裂縫上方款將產(chǎn)生很榜大的垂直臭錯距和水正平張開，需采治取措施調(diào)衣整軌道及勢加強防水棋處理?？紤]到科地鐵隧禽道的結(jié)蘭構(gòu)安全骨性，建沈議將變憲形縫設(shè)礎(chǔ)置在地裂縫霉正上方，駛可保證結(jié)鼓構(gòu)安全可押靠，但要屈求較好的防垃水措施湊。綜上分析治可見馬蹄形