近距离平行通过地裂缝的地铁隧道模拟试验研究

发布时间：2019-08-16 16:58

【摘要】：以西安地铁三号线工程为研究背景,运用物理模拟及数值模拟对隧道近距离平行通过活动地裂缝开展试验研究。对地铁隧道在净距30 m条件下平行通过地裂缝的工况进行物理模型试验,对净距5~50 m的6组工况进行数值模拟。从位移、受力及宏观变形等方面对隧道结构及岩土体变形破坏特征进行分析,揭示平行条件下地裂缝活动对隧道的影响机制。综合物理模拟与数值模拟试验结果认为,地铁隧道于上盘距地裂缝30 m平行通过活动地裂缝是安全可行的,并提出地铁隧道近距离平行通过地裂缝的安全避让距离。
【图文】：

ine3paralleltogroundfissuref4虑试验条件，本文以地铁隧道距离30.0m平行通过地裂缝为研究工况，设计物理模型与数值模拟试验开展研究。2.2相似关系与试验设计综合考虑试验条件与实际工程方案，设计几何相似比lC5、混凝土弹性模量相似比c2EC为主要相似常数[18](见表1)。设计马蹄形模型隧道总长10.0m，隧道轴线与地裂缝走向平行。选用粉细砂充填来模拟西安地裂缝，设置倾角为80°，与原型一致。地层围岩采用粉质黏土模拟，考虑西安地铁埋设深度，按相似比例分层夯实填筑模型土体，物理模型试验如图3所示。表1模型试验相似比Table1Similituderatiosofmodeltest物理量相似比C隧道钢筋面积sAsAC=25隧道混凝土应力ccC=2线位移xxC=5角位移C=1面荷载ppC=2力矩MMC=250为了研究近距离平行通过地裂缝的隧道受力变形规律，试验中对模型顶部地表变形、隧道内部收敛位移变形、结构应变与外围土压力等均进行了监测。利用实验室大型地基沉降平台模拟地裂缝上盘(见图3(b))，使其缓慢下降以再现地裂缝活动过程。本次试验分为10级荷载步来完成，设计地裂缝错动量为20cm，相当于原型中地裂缝错动1.0m，是模型隧道外表面应变测点0.00.51.0mN(a)模型隧道(b)物理模型示意图(单位：m)图3物理模型试验Fig.3Physicalmodeltest地铁百年设计使用期内对地裂缝沉降量预测[9，16]的2倍，以便对其极端破坏工况进行验证。2.3试验结果及分析(1)模型顶面沉降变形特征分析试验过程中，随着上盘(沉降平台)的下降，即地裂缝的错动，地表出现次生裂缝，预设地裂缝在地表处被拉开，上下盘错距逐渐增大，并于地裂缝附近形成明显陡坎。伴随地裂缝活动，模型土体顶面出现了一系

第33卷增2贺凯等：近距离平行通过地裂缝的地铁隧道模拟试验研究4089图4随地裂缝活动模型顶面变形Fig.4Deformationofthetopsurfacewithdislocatingofthegroundfissure(a)轴向沉降变形(b)横向沉降变形图5隧道模型顶部土体表面沉降变形曲线Fig.5Curvesofsubsidenceforthetopsurfaceofmodelsoil盘地层在靠近地裂缝1～3m时，沉降量出现陡降，当距地裂缝距离大于4m后，地表沉降趋稳，沉降速率均匀，沉降量不再随距地裂缝距离增大而出现明显变化。监测结果还显示，隧道两侧地表变形基本相同，无显著差异沉降现象，且地表沉降量与地裂缝上盘实际错动量几近相同，说明在试验工况下，地裂缝活动对隧道及其周边地层竖向应力场的影响无显著差异，土体与隧道协同沉降变形。(2)隧道结构变形破坏特征分析模型隧道结构横断面收敛位移如图6所示，图中1号截面和2号截面位于模型隧道轴线中点两侧各1.5m处，图中受压为正。从图6中可以看出，2个截面的收敛位移趋势整体相同，测点1，3，5，6，7均受压(向内位移)，测点2，4受拉(向外位移)。以隧道顶部轴线为界(测点1处)，靠近地裂缝一侧的测点5，6，7受到地裂缝活动的直接作用，因此将该侧称为主动侧，远离地裂缝一侧的测点2，，3，4虽未受到地裂缝直接影响，但受到了围岩土体的被动作用，因此称其为被动侧。受地裂缝活动的影响，隧道主动侧测点全部受到较大的压力，尤其是主动侧中部的6号测点，位移量为所有测点之最。因为隧道整体强度高，在受到地裂缝侧向作用力及变形协调机制下，被动侧产生向外的变形，如测点2，4，但测点3位于被动侧中部，首当其冲地承受了围岩土体对隧道的被动压力，所以测点3也轻微受压，产生了向内的位移变形。(a)1号截面(b)2号截面图6模型隧道结构横断面收敛位移
【作者单位】： 长安大学地质工程与测绘学院;长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室;
【基金】：国家自然科学基金重点项目(41130753) 国土资源大调查项目(1212011120067)
【分类号】：U455.4

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本文编号：2527553