地裂縫對(duì)地鐵隧道的影響機(jī)制及病害控制研究.pdf

1、自從二十世紀(jì)五十年代以來(lái)，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(yán)重，其未來(lái)活動(dòng)對(duì)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(wèn)題成為了一個(gè)全新的重大工程難題，近年來(lái)引起了學(xué)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(dòng)帶為工程研究背景和依托，對(duì)西安地鐵沿線地裂縫未來(lái)活動(dòng)趨勢(shì)和最大垂直位錯(cuò)量進(jìn)行了分析與預(yù)測(cè)，采用大型模型試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬計(jì)算相結(jié)合的方法，對(duì)地

2、裂縫活動(dòng)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(jī)制進(jìn)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(yùn)動(dòng)、再次超采地下水對(duì)地裂縫活動(dòng)的影響程度入手，分析了西安地裂縫未來(lái)百年的活動(dòng)趨勢(shì)。在現(xiàn)今活動(dòng)速率和歷史最大位錯(cuò)量及活動(dòng)級(jí)別綜合分析的基礎(chǔ)上對(duì)地裂縫未來(lái)活動(dòng)量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，得出了地鐵設(shè)計(jì)使用期(100年)內(nèi)西安地鐵與地裂縫各交匯點(diǎn)附近地裂縫的最大垂直位錯(cuò)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(guò)大型模型試驗(yàn)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(jī)制。 (3)通過(guò)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(dá)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(jì)算奠定了基礎(chǔ)。

4、 (4)通過(guò)大型模型試驗(yàn)，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(duì)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(duì)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(yàn)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(yàn)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(zhǎng)度的計(jì)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(zhǎng)度。建立了基于三維空間的地裂縫活動(dòng)環(huán)境下分段式隧道運(yùn)動(dòng)位移模式和計(jì)算公式，確定了地鐵隧道穿越地裂縫帶的抗裂設(shè)計(jì)預(yù)留位移量。

6、 (8)通過(guò)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(yàn)，對(duì)分段設(shè)變形縫的地鐵隧道穿越地裂縫帶的適應(yīng)性進(jìn)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(shí)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(shuō)明多段設(shè)變形縫加柔性接頭連接的地鐵隧道具有較強(qiáng)的適應(yīng)地裂縫活動(dòng)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