地裂缝形态对地铁隧道的试验模型研究

收稿日期：2010-07-20

基金项目：国家自然科学基金资助（No. 40772183，No. 50908018）；高校科研事业费资助项目（No. CHD2010JC073）。 第一作者简介：李凯玲，女，1972年生，博士研究生，讲师，主要从事地质工程、岩土工程、工程力学的教学与研究工作。E-mail: dcdgx21@chd.edu.cn

文章编号：1000－7598 (2011) 06－1690－07

地裂缝剖面形态对地铁隧道 变形影响模型试验研究

李凯玲1, 2，门玉明1, 2，刘 洋3，姜 容1

（1. 长安大学 地质工程与测绘学院，西安 710054；2. 长安大学 西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室，西安 710054；

3.

陕西交通职业技术学院 公路工程系，西安 710018）

摘 要：为揭示隧道底部脱空与结构纵向变形之间的对应关系，模型试验以西安地铁隧道穿越地裂缝带为研究背景，采用圆形地铁隧道结构，研究了在不同地裂缝剖面活动特征下的隧道纵向应变变化规律及其垂直位移。试验结果表明，随着错位量增加，隧道底部脱空区域扩展过程可分为3个阶段：共同变形阶段、临界脱空阶段和脱空发展阶段。针对地裂缝的不同剖面活动形式，隧道结构内部应力将出现很大差异，建议在施工中对应不同地裂缝带采取不同的施工方案。通过监控，结合模型试验的应力应变发展变化规律，可判断结构底部脱空的发展趋势，为西安地铁穿越地裂缝带的结构设计和安全运行提供重要的参考依据。

关 键 词：地裂缝剖面；模型试验；隧道；变形；脱空 中图分类号：P 2.22 文献标识码：A

Model test for influence of ground fissure profile pattern

on deformation of metro tunnel

LI Kai-ling 1, 2, MEN Yu-ming 1, 2, LIU Yang 1, JIANG Rong 1

（1. School of Geology Engineering and Surveying, Chang’an University, Xi’an 710054, China;

2. Key Laboratory of Western China’s Mineral Resources and Geology Engineering of Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an 710054 , China;

3. Department of Highway Engineering, Shaanxi College of Communications Technology Institate, Xi’an 710018, China ）

Abstract: To reveal the corresponding relationship between the void beneath the tunnel bottom and the longitudinal deformation of the metro tunnel, a model test of circler tunnel is carried out under the research background of Xi'an Subway passing through ground fissure active zones. The law of the longitudinal strain and the vertical displacement of the tunnel are studied caused by the different profile activity patterns of ground fissure belts. With the increase of the dislocation between the hanging wall and the foot wall of ground fissure, the test results show that the expansion process of the separation between the bottom of tunnel and the soil layer under the tunnel can be divided into three stages, i.e. co-deformation stage, the initial stage of void and the development of void. In view of different profile activity situations of ground fissures, the stress in the structure presents variance considerably. Different designs are suggested to different profile patterns of ground fissure belts. Under the law of stress and strain of the tunnel in the model test, the trend of the void beneath the tunnel can determined by monitoring the stress of structure. The results can provide reference for the structure design and the safe operation of metro tunnel.

Key words: profile of ground fissure; model test; tunnel; deformation; void

1 引 言

地裂缝是一种常见的地表断裂，古籍文献中记载，“赤帝亡也，五郡陷；皇帝将亡，则地裂” [1]。1958年，西安发现第1条现代地裂缝，至今西安城

区已出现14条地裂缝，据监测，部分地裂缝仍存在不同程度的活动。西安是享誉海内外的历史文化名城和著名的国际旅游城市，又是我国西北地区的政治、经济和文化中心。这样大面积、大范围的连续性分布的地裂缝，已严重影响西安的城市发展[2]。

为了解地裂缝对地下隧道产生的影响，科技工作者展开了一系列地铁隧道的模型试验研究。这些试验分析了地裂缝活动期间地铁隧道的变形及位移变化规律，但地裂缝沉降形式仅模拟为上盘整体沉降却未考虑西安特殊的地形地貌特征，设计中也未实现对试验中出现的隧道底部脱空现象进行实时监测，从而难以开展对脱空问题的进一步讨论。本文从考虑地裂缝不同剖面沉降模式对地铁隧道的影响入手，力求通过试验找到隧道底部脱空现象与隧道应力应变的发展变化规律[3–4]，其研究成果可为地裂缝地区的城市轨道设计提供参考。

2西安地裂缝的剖面活动特征

2.1 西安地裂缝剖面构造

近些年来，随着对西安地裂缝的成因的深入研究，大部分学者认为西安地裂缝是在地质构造和地质环境等多种因素的综合影响下产生的。

西安位于渭河断裂以南，秦岭北侧断裂以北，哑柏断裂以东，临潼―长安断裂以西的冲洪积平原和阶地地区，这些断裂控制着西安的板块沉降和地裂缝的活动。从地貌单元看，临潼―长安断裂以西沿东北偏北方向平行分布着多条间距在1 km至1.5 km之间的黄土梁和洼地。由于骊山断隆的强烈隆起，造成黄土梁南高北低、南陡北缓；洼地北深南浅，两者形成簸箕形盆地和南仰北俯的断裂形式的盆岭地貌。每条黄土梁的南侧陡坡下，都发育着一条隐伏正断层，西安地裂缝正是发育在这些黄土梁南坡之下[5]，如图1所示。

图1 西安地裂缝带剖面图

Fig.1 The section of faults in Xi'an

这些地裂缝等间距带状平行展开，主体走向为NE70°～80°，相邻地裂缝带间距为0.4～2.1 km。由此可见，在西安地裂缝的长期发展过程中，地质构造因素起主导控制地位，而作为环境因素的地下水位问题只是在其发展的某一过程中起到激化和促进作用，加速了地裂缝的地面沉降现象。2.2 西安地裂缝剖面活动特征

目前观测结果认为多数地裂缝总体活动的高峰期已过，但由于西安市地裂缝的活动强度随时间、空间有较大的差异，且与深层承压水的开采强度有密切关系，总体规律表现为东强西弱，南强北弱，最大垂直沉降速率达到56 mm/a。

由于西安地裂缝属于正断层，其运动特点表现为上盘下降，下盘相对稳定。因而，在地铁线路设计中结合历史沉降最大位移量分析，专家提出以“百年预留垂直位移统一按500 mm”考虑[6]。

西安地裂缝的剖面组合形态多样，仅从西安地裂缝的成因分析，地裂缝剖面组合形式主要有以下表现[7]，如图2所示。由图可见，（1）阶梯状：在张拉应力的作用下几条地裂缝倾向相同，依次下降，形成阶梯状构造，表现出西安地貌南高北低的倾斜特征。含光路段的地裂缝等多呈现这种南高北低的阶梯状地面沉降状态。（2）“y”型：在主裂缝的上盘常发育有与主地裂缝倾向相反的的次级地裂缝，组成“y”型构造。在末梢张裂效应的作用下，其活动规律主要表现为主地裂缝的南侧（上盘）相对下降，北侧（下盘）相对上升；次级地裂缝的北侧（上盘）下降，南侧（下盘）相对上升。主地裂缝和次级地裂缝组成地裂缝带，使该区域岩土体出现整体下沉趋势。例如，长安立交段的地裂缝及其次地裂缝所组成的地裂缝带。

地铁隧道在穿越这些地裂缝时会遇到不同的地裂缝剖面组合形式，地裂缝产生活动时地铁隧道和周围围岩会产生不同的相互作用形式。本试验力图分析不同地裂缝组合形式对穿越其上的地铁隧道产生的影响。

图2 西安地裂缝带剖面组合形式

Fig.2 Profile combinations of the fissures zone in Xi’a n 3 模型试验

3.1 模型结构及参数设计

陕西省建设厅2006年《西安地裂缝场地勘查与工程设计规程》[8–9]提出地裂缝上盘主变形区为0～20 m，下盘主变形区为0～12 m。本次模型试验的几何相似比C l =1﹕20。考虑到结构与模型箱之间的边界影响，选取模型箱尺寸为2 m×1.6 m×1.6 m，模拟总变形区为40 m，上盘20 m，下盘20 m的地裂缝区域，如图3所示。为便于在试验过程中观察隧道底部的脱空区域，隧道模型结构采用有机玻璃制作，断面为外直径为300 mm、内直径为270 mm 的圆环，模拟外直径为6 m、壁厚0.3 m的地铁隧道盾构。地铁二号线平均埋深为17.5 m，故而确定隧道模型埋置位置距土体顶部0.825 m。

图3 跨地裂缝隧道模型示意图（单位：mm）

Fig.3 Sketch of settlement test(unit: mm)

地裂缝倾角多为NE70°～80°，在浅表剖面上裂缝面是宽度不足10 mm的剪切弱面，填充物大部分为粉土或粉细砂。试验中在设缝处设置厚8 mm的隔板，当两侧土体夯实后抽走隔板，并将粉细砂填充在预设地裂缝中，裂缝倾角为80°。为减少上盘土体沿倾角下沉时土体与两侧箱壁之间产生摩擦，土体和箱体之间铺设双层聚乙烯薄膜，中间铺撒滑石粉。

3.2 模型相似比设计

根据地铁设计报告，盾构隧道衬砌结构采用C50钢筋混凝土预制管片，抗拉伸强度σ= 1.18 MPa，弹性模量E = 34.5 GPa。为便于进行管内观察，试验采用有机玻璃材料，实测σ=86.6 MPa，伸缩率为4%，E = 2.47 GPa，因而隧道结构模型材料弹性模量相似比C E = 1:15。

本次模型试验C l = 1:20，根据相似理论，计算出隧道结构的位移、应变及应力的相似比分别为C x = 1:20，Cθ= 1:1，Cσ= 1:15。对于围岩地层，压缩模量相似比C E s= 1:20，内摩擦角相似比Cφ= 1:1。模型土采用配制土，经过多次试验，确定其重量比为重晶石粉：黏土：砂:水 = 55:30:10:5，重度相似比Cρ= 1:2，可为试验提供0.013 MPa的拱顶围岩压力，自重应力基本满足相似比关系Cσs = 1:20，从而保证模型试验与原型应力场的相似性。

3.3 地裂缝活动模拟

西安地铁二号线穿越13条地裂缝，其中F2、F6及F9走向在NE75°～85°之间，与西安地铁二号线近似正交，故本次试验模拟地铁与地裂缝的正交情况。

模型箱底板分为沉降平台和稳定平台，分别模拟地裂缝上盘和下盘。稳定平台保持不动，利用千斤顶使沉降平台产生可控制的下沉，模拟地裂缝上盘不同的剖面运动状态。西安地裂缝一般由主裂缝以及其下降侧的次级裂缝组成地裂缝带，带宽3～ 8 m，局部可达20～30 m，根据这些剖面特征，本次试验采取3种沉降模式。

工况1：当主、次裂缝间距较宽时，如长安立交附近的主裂缝f6和次裂缝f6′，两者相距约30～40 m，此时将上盘视作整体沉降。如图4(a)所示，沉降平台整体下沉，沉降平台和稳定平台的最大错距为40 mm，相当于实际地裂缝位错量800 mm。

工况2：沉降平台远端无位移，只在地裂缝处沉降40 mm，如图4(b)所示，用以模拟主、次裂缝间距较窄的地裂缝带。

工况3：固定平台仍旧保持稳定，沉降平台远端下沉20 mm，地裂缝处下沉40 mm，如图4(c)所示，模拟西安地貌南仰北俯的断裂形式。

由于实际地裂缝的活动速率相当缓慢，西安地裂缝的最大值也仅为56.3 mm/a，在模型实验中很难利用相似原理来处理，故在本次试验当中为了满足地裂缝的缓慢活动特性，同时又具有可操控性，将地裂缝活动速率按10 mm/d进行，即每次沉降5 mm，稳定12 h后测试数据，累计沉降40 mm。这也基本符合西安地裂缝间歇性活动的特点。

图4 试验台底板沉降示意图（单位：mm）

Fig.4 Schematic diagram of settlement test(unit: mm)

西安地裂缝不但存在南倾南降的垂直位移，还有水平张量和水平扭转，三者之比为1:0.32:0.03。此次试验只讨论对结构影响最大的相对垂直运动。

3.4 试验监测布置

为了解结构顶部和底部的纵向应力、应变随位错量增大的变化趋势，沿隧道顶面、底面及左右两侧各布置一排应变片（1～13），如图5所示。

沿纵向在隧道正下方土体内埋置9个精密导电塑料直线位移传感器，用以测试隧道底部与其下土体的相对垂直脱空位移量。同时在隧道内部也设置9个精密导电塑料直线位移传感器，来测量隧道底部的垂直位移量。

图5 隧道监测点布置示意图（单位：mm）Fig.5 Arrangement diagram of monitoring points

(unit: mm)

在围岩表面布置13个标志点。通过高精度水准仪检测不同位置处在位错量作用下地表的沉降变形。在围岩中和隧道的四周设置微型土压力盒，测量在沉降发生时土压力的变化。

在隧道底部贴设标尺，因有机玻璃具有良好的透光率，利用高清摄像头在隧道内部观察隧道底部与土体出现脱空时的时间和脱空范围，如图6所示。

图6 模型隧道底部的脱空现象

Fig.6 Void at the bottom of the tunnle

4 试验结果分析

本文着重讨论在对结构影响最大的相对垂直运动作用下隧道与地裂缝正交时的应力-应变规律，特别是由此而产生的隧道底部脱空与结构应变之间的对应关系，横向变形及土压力的变化将另文讨论。

4.1 隧道模型应变分析

工况1：图7分别为沉降平台（上盘）整体沉降5～40 mm时隧道顶部和底部的纵向应变变化曲线。沉降量在0～20 mm之间时，由于隧道与弹性地基共同作用，位于上盘近地裂缝处的隧道顶部出现压应变，底部出现拉应变，结构产生向下的弯曲变形。当位错量达到20 mm之后，整个隧道均表现出上部受拉，下部受压的应力状态，产生向上的弯曲变形，可以认为此时结构处于悬臂状态。这是由于在开始阶段隧道与弹性地基共同作用产生向下弯曲的变形；随着沉降量的进一步增大，隧道底部开始出现脱空，错距达到15 mm时的应变曲线变化可以说明这一点。由于跨中出现脱空，两端与弹性地基产生相互作用，使端部出现应力拐点；随着位错量进一步增大，脱空区随之扩大，直至沉降段底部全部脱空，表现出悬臂梁上拉下压的受力特点。其中，固定端应变表现为最大值，位距裂缝300 mm 处左右，与沉降段相比应变值为4倍以上。因而，对稳定段的约束条件应提出更高要求。

(a) 隧道顶部纵向

(b) 隧道底部纵向

图7 工况1应变曲线

Fig.7 Strain curves of case 1

工况2：对隧道顶部及底部应变变化曲线（图8）分析发现，位错量15 mm之前，地铁隧道与弹性地基同时产生变形，应变是一个递增的过

脱空区域程，而15 mm后应变逐渐减小，这是由于位错量增大，跨中底部出现脱空，两端弹性地基分担了一部分弯矩，使跨中部分的应力值降低。沉降平台由于远端的支承作用，远端隧道顶部出现拉应力，变形曲线出现拐点。随着脱空距离的增大，隧道两端土体的弹性支承的作用将越来越明显，因而跨中弯矩将逐渐减小。

随着地裂缝两侧位错量的逐渐增大，隧道顶部纵向应变值增幅并不均匀。这也可以反映出位于地裂缝带的结构和土体的沉降是不均匀的，有时可能在短时间内出现沉降加剧的现象。

(a) 隧道顶部纵向

(b) 隧道底部纵向

图8 工况2应变变化曲线

Fig.8 Strain curves of case 2

工况3：由隧道应变变化曲线（图9）可以看出，工况3的纵向应变变化趋势介于工况1和工况2之间。当位错量小于15 mm时，隧道表现出比较明显的与弹性地基梁共同工作的状态，隧道顶部受压、底部受拉，应变随位错量增加而递增；位错量达到15 mm后沉降段隧道跨中底部开始出现脱空，而相应的顶部压应变呈逐渐减小的趋势，同时隧道两端顶部出现明显拉应力。这是由于隧道底部与地基脱空后，隧道两端支承于弹性地基上，随着脱空区域逐渐扩大，两端地基的弹性支撑作用更加明显，承担了更多的弯矩，导致隧道跨中承担弯矩减小，应变也随之减小。

(a) 隧道顶部纵向

(b) 隧道底部纵向

图9 工况3应变变化曲线

Fig.9 Strain curves of case 3

4.2 隧道模型位移分析

工况1：沉降平台（上盘）整体下沉，如图10、11所示。裂缝倾角为80°，上盘下沉时，由于重力作用，下盘土体受到挤压，位于裂缝处的部分土体隆起，9号位移计出现向上位移。同时，裂缝处上、下盘土体之间存在摩擦，裂缝处的上盘土体的位移量较跨中土体的位移量要小，因而最大位移出现在地裂缝0.35 m处，见图11。下盘（稳定盘）在距离地裂缝0.25 m处，位移变化量趋于稳定。沉降结束后作剖面，下盘的隧道下部出现与土体的脱空，脱空区域遍布上盘全段。结合隧道应变分析，由于此时稳定段的应变值较大，变形较大，因而隧道上部出现较大位移。

工况2：由图12、13可以看到，此时最大位移发生在近地裂缝0.15 m处，管底位移的最大值与工况1的管底位移最值相差不大。同时，位于下盘的隧道管顶位移变化较小，从距裂缝0.15 m的11号位移计处开始管底位移趋于稳定，与工况1相比较，位移量也小很多。此时可将下盘距裂缝0.15 m（实际原型3 m）之后的约束视作固定端。

图10 工况1隧道剖面素描图（单位：mm ）

Fig.10 Tunnel section sketch of case 1(unit: mm)

图11 工况1隧道底部位移曲线

Fig.11

Displacement curves of tunnel of case 1

图12 工况2隧道剖面素描图（单位：mm ） Fig.12 Tunnel section sketch of case 2(unit: mm)

图13 工况2隧道底部位移曲线

Fig.13 Displacement cures of tunnel of case 2

工况3：图14、15显示位于上盘的隧道产生向下的位移，在沉降初期隧道与土体同时产生变形，位移量相同。位错量达到25 mm 之后，上盘跨中部分的垂直位移增大趋势明显：位错量超过15 mm

后，5号位移计的位移速率增大明显加快，意味着此时隧道两端仍由土体支承，而底部已经出现脱空。工况3的位移变化趋势与工况1相近。

图14 工况3隧道剖面素描图（单位：mm ） Fig.14 Tunnel section sketch of case 3(unit: mm)

图15 工况3隧道底部位移曲线

Fig.15 Displacement curves of tunnel of case 3

5 结 论

（1）根据地裂缝的不同剖面活动形式，施工中应采取不同的施工方案。对于较宽的地裂缝带，建议采用分段隧道组合跨越，注意隧道之间的连接；对于较窄的地裂缝带，可采取局部加强的稍长跨度隧道进行跨越，但要注意对脱空区域的经常性处 理。这样不但便于施工，而且可以减少防水措施的采用，从而减少工程造价。

（2）随着地裂缝两侧错位量的增加，隧道底 部的脱空发展过程分为3个阶段：共同变形阶段、临界脱空阶段及脱空发展阶段。在隧道施工和使用过程中通过监测隧道底部应变值的变化，可作为隧道底部脱空发展状况判据。

（3）根据相似理论，当隧道结构两端支承同 时处于脱空状态时，其位于稳定段距离裂缝处3 m 的垂直位移量趋于稳定，进行理论分析和数值模拟时可考虑将稳定盘距地裂缝3 m 后的围岩约束视作固定端。

以上结论可为西安地铁穿越地裂缝带的结构设计提供参考，也为进一步其他地下工程如沟渠、管道等穿越地裂缝带的设计研究工作提供分析依据。

1696 岩土力学2011年

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高速交通岩土工程国际学术研讨会（IS-GeoTrans2012）1号通知

由中国土木工程学会土力学及岩土工程分会主办、浙江大学软弱土与环境土工教育部重点实验室承办的高速交通岩土工程国际学术研讨会将于 2012年 10月 26 ～28日在杭州召开。

本研讨会围绕“ Towards safe and comfortable high-speed transportation infrastructure”（面向安全舒适的高速交通基础设施）这一主题，将就车-路(隧 )-地基相互作用理论及安全舒适性、盾构与围岩相互作用理论及可掘性、高速交通设施长期沉降及控制标准、高速交通引起的环境振动、基于沉降控制的地基处理技术、基础设施服役状态监控、评估及维护、基础设施抗震性能等展开讨论。组委会将邀请十多位高速交通岩土工程领域的国际知名专家和学者担任特邀报告人。

欢迎国内外各界从事高速交通岩土工程问题研究的技术人员、研究生踊跃投稿并参加会议。

论文摘要截止： 2011年7月 31日全文截止： 2011年 12月 31日

联系人：边学成教授（浙江省杭州市浙江大学岩土工程研究所安中建工大楼 B406室， 310058）；电话： +86-571-88208773；传真： +86-571-88208793；电邮：bianxc @zju.edu.cn

会议网站：http://www.ssgeo.zju.edu.cn/IS-GeoTrans2012EN.htm

（信息来源：河海大学岩土所网站）