某市地铁二号线沿线地裂缝带的危害及结构措施专题研究PPT

1、二 五 年 十二 月某市地铁二号线沿线地裂缝带的危害及结构措施专题研究一.研究的必要性二.研究基础三.地裂缝可能引起的地铁病害四.结构及防水措施五.建 议提 纲一、项目研究的必要性1.某地裂缝的基本特征 某地裂缝是在地质环境控制下，空间上具有三维变形特征的地表线状裂缝，它是发育在某市区内的一种独特的城市地质灾害。自上世纪50年代以来，在某市区已发现的地裂缝有十三条，自北而南分别为： f0城北南寨地裂缝带； f1城北辛家庙地裂缝带； f2城北八府庄地裂缝带； f3城西劳动公园地裂缝带； f4城西南边家村（西北大学）地裂缝带； f5城南和平门外地裂缝带； f6草场坡（秦川厂）地裂缝带； f7小寨路

2、（铁炉庙）地裂缝带； f8大雁塔地裂缝带； f9电视塔北陕师大地裂缝带； f10新开门至电视塔南地裂缝带； f11南寨子新小寨地裂缝带； f12东三爻曲江池地裂缝带。 地铁二号线穿过除f0和f1之外的11条地裂缝。某市地铁二号线与地裂缝位置分布图 平面展布特征 地裂缝在平面上呈左行雁列，主体走向为NE 70080，由南而北在黄土梁洼之间有规律排列，位于黄土梁的南侧，呈带状分布。它们一般都由主裂缝及其下降一侧的次级裂缝组成地裂缝带，带宽38m，局部可达2030m。 各条地裂缝带大体呈等间距近似平行排列，间距为0.42.1km，平均约1km。某地裂缝的空间展布规律： 某地裂缝近等间距展布示意图下伏

3、活动构造格局与地表地裂缝的交接关系2m35m0.2m剖面结构特征 地裂缝主体倾向南，倾角较陡，一般在700以上。在剖面上的形态一般为上宽下窄的楔形，向下逐渐消失，最深达百余米。主干地裂缝与次级地裂缝在剖面上的组合形式大致概化为以下几种： 某地裂缝带剖面组合形式图阶梯状 “y”型追踪式某地裂缝的空间展布规律：TC7探 槽（2）台阶状裂缝TC8 探 槽X型及树枝状裂缝较平缓的裂缝箱 形 裂 缝TC9 探 槽X 型 裂 缝不同期次裂缝的不同充填物裂缝局部未充填PD2 平 洞(2)TJ3 探 井(2)主裂缝位错40cm新老裂缝的切割关系新裂缝切断老裂缝古土壤中裂缝宽度变小角砾状裂缝充填物F1地裂缝某地

4、裂缝的活动特点：活动特征 地裂缝活动速率在时空上分布不均，东南郊一带活动速率高，一般在530mm/a，最大可达55.06mm/a；西北郊相对较弱，在110mm/a之间。同一条地裂缝不同地段活动强度也有差异，总体规律是西部较弱,中部较强或强，东部强烈。 地裂缝历年活动速率图f7（E1-S27）系 列 1f2（A1-A2）活动方式的一致性 地裂缝带基本具有统一的三维空间运动变形特征，即南倾南降的垂直位移、水平引张和水平扭动。其中以垂直位移量为最大，南北拉张量次之，而水平错动量则很小，三者之比为10.310.03。 某地裂缝的活动特点：西影路地裂缝三维变形测量变化曲线图交警总队地裂缝（f11）探槽路

5、面开裂剖面形态-Y型剖面形态-S型地裂缝（f11）在交警总队附近的破坏情况现场考察水泥地面开裂破坏建筑物开裂损坏地裂缝（f11）在交警总队附近的破坏情况房屋倾斜建筑物围墙开裂2.某地裂缝的工程危害 某地裂缝是一种独特的城市地质灾害，自20世纪50年代后期发现，1976年唐山大地震后活动明显加强，特别是1980年以后，由于过量抽吸地下承压水导致的地裂缝两侧不均匀沉降进一步加剧了地裂缝的活动，地裂缝所经之处，地面及地下各类建筑物开裂，破坏路面，错断了地下供水、输气管道和建筑物，不但造成了较大的经济损失，而且给某市居民生活带来不便。建筑物受损和破坏建筑物受损和破坏西北大学原留学生楼遭破坏居民楼变形破

6、坏民房开裂破坏道路损坏道路受损桥梁受损桥梁错开桥面开裂农田毁坏车间遭到破坏地下管道破坏地裂缝错断翠华路供水管道造成突水地裂缝错断子午路供水管道造成突水地裂缝错断万寿路供水管道造成地面塌陷管道错断二、研究基础 某地裂缝对勘察研究工作以历时二十余年，以积累了大量的资料，其中以各类工程场地地裂缝勘察资料为主。九十年代中期以前，一些单位对f1f9等九条地裂缝开展过较为系统的勘察研究工作，但近年 来这九条地裂缝又发生了新的变化。f10f12等三条新出现的地裂缝尚未进行过系统的勘察研究工作。关于这些地裂缝的活动监测工作较为零散，且主要集中在f4f8等地裂缝的局部地段。1.研究现状及存在的问题 虽然某地裂缝

7、的勘察研究工作以取得了一些成果，但还存在许多问题，特别是针对地铁建设而言，需要解决的问题更多：（1）地铁所经过的地裂缝带的具体分布位置、剖面结构、次级地裂缝条数、破裂带和变形影响带的宽度以及地裂缝破裂扩展方式等情况不明，限制了地铁结构措施的合理制定。（2）已有的地裂缝监测资料较为零散，加之地裂缝各段的活动量存在差异，与地铁相交的地裂缝段目前无监测资料，同样影响了地铁结构措施的正确制定。（3）目前资料反映出f0、f1向西未延至地铁二号线， f4在地铁二号线处未出露，实际情况是否如此有待进一步详细查明。（隐伏地裂缝问题）（4）近年来的勘察资料表明，十三条主地裂缝带之间某些场地还存在一些规模较小的地

8、裂缝，这种现象是否在十三条主地裂缝带之间普遍存在以及它们对地铁工程是否产生影响还是一个未知数。（5）与地裂缝相伴生的地面沉降在地铁沿线的发育情况、沉降量及其对地铁工程的可能影响等问题也需要专门研究。2004年度地裂缝与地面沉降调查工作部署图 某地区 INSAR 干涉图96/01/07 96/07/0102.8 cmRange Change某地区InSAR图像中、美国际合作初步结果三维可视化示意图 某市地铁二号线工程（南北线），北起火车北站，南至长安韦曲，途经火车北站、南北大街、长安路，线路全长26.4公里。它的建设将会给某市的交通带来质的改变，大大缓解目前某市交通十分拥挤的现象。这条拟建线路从

9、北到南将穿过某13条地裂缝中的11条。三、地裂缝可能引起的地铁病害某市地铁二号线与地裂缝位置分布图环向开裂 ：地裂缝与地铁隧道正交时 ，地裂缝的垂直位移作用；纵向开裂：地裂缝与地铁隧道正交时，地裂缝的垂直位移作用 +“偏压” 斜向开裂 ：地裂缝带与地铁隧道成一定角度斜交； 直接剪断：地裂缝活动量突然变大（有外部激励影响如地震），远远 超过了地铁隧道衬砌的允许变形量。 隧道衬砌环向开裂 隧道衬砌纵向开裂 隧道衬砌斜向开裂1.地铁隧道衬砌可能变形裂损或破坏的形式 地裂缝带的活动 地铁隧道衬砌的变形 路基下沉变形 地铁道床及轨道变形开裂 变形传递 隧道渗漏水和涌水 衬砌开裂 地表水从衬砌开裂处下渗

10、隧道的拱部、边墙等裂 损处发生渗漏水和涌水现象。 2.铁轨路基及轨道变形破坏 3.地铁隧道渗漏水 衬砌周围积水 地裂缝带是很好的渗流通道，地表水沿地裂缝下渗，在隧道衬砌周围大量汇集，如不能迅速排走，静水压力增大到一定程度时，加之地裂缝的活动，极有可能导致隧道衬砌破裂。 地裂缝周围土体在积水的情况下发生软化，导致衬砌基础不均匀沉降，可能引起隧道衬砌破裂。 冲刷作用 地表水沿地裂缝带下渗和流动，冲刷地裂缝两侧壁，使地裂缝宽度变大，随着水流的冲刷作用的进一步增强，可导致地铁隧道底部土层被掏空，衬砌基础下沉，边墙开裂或仰拱、整体道床下沉开裂。 地裂缝的现今活动主要由超采地下水引起的地裂缝的活动一般具有

11、三维特征即垂直位移、水平引张位移和水平扭动位移，三者之比为10.310.03。由于槽探揭露的某地裂缝在10米以下的拉张位移量很小，裂缝几乎是闭合的，故本次研究只考虑地裂缝的垂直位移量，不考虑水平和扭动的情况十三条主地裂缝带之间的地裂缝暂不予考虑，开挖后若出现新裂缝，再另行研究不考虑地震活动对某地裂缝的影响 四、结构及防水措施1.前提条件地裂缝的分级活动微弱，速率30mm/a。破裂带宽度的定义破裂带宽度指的是主地裂缝带内两条边界次级地裂缝之间的水平距离，带内可能发育多条次级地裂缝。 2.地裂缝的分级及其破裂带宽度的定义 对活动微弱或近年来基本无活动迹象的地裂缝发育地段填塞并夯实地表裂缝，设置完善

12、的地表排水系统；钢筋混凝土管片或钢管片，轨枕底部设置可调节高度的垫 板，各管片之间采用柔性接头；对隧道基础换土处理，并在隧道基础底部加砂垫层 地铁隧道3.结构措施 指导思想: “防”与“放”相结合，以结构措施适应变形为主。 蛇形弹簧方案优点: 结构较为简单，控制灵活，投资省；缺点: 地裂缝的变形位置必须很明确，由于蛇形弹簧的抗力有限，上部结构应比较轻巧。优点: 安全可靠缺点: 基础处理周期长，造价较高 对活动性强烈的单条或多条地裂缝，破裂带宽度在10m以内的地裂缝带，拟采用简支梁结构直接跨越。对活动性较强或强烈的多条地裂缝，破裂带宽度在10m以上的地裂缝带，拟采用双层衬砌结构处理优点: 由外层

13、衬砌承受变形，只要内外层衬砌之间的间隙预留得当，则地裂缝活动基本不会对内层衬砌造成影响 缺点: 造价较高 变大变形为小变形，变特殊防水为常规防水。防水设计是与结构设计相关的，主要是做好接头及“三缝”的防水。 指导思想4.防水措施 具体措施采取明挖法施工 基坑开挖时，做好基坑截排水工作，防止地表水及地下水入渗。 地裂缝部位预留注浆孔，预备紧急情况时的堵漏处理； 结构上部用密实粘土或灰土回填，回填时要注意保证质量，分层压实，降低土层的渗透性，减少动水压力的渗透作用； 加强法规建设，在地铁沿线严格限制开采地下水，降低地裂缝的活动性；加强地裂缝实时监测，掌握地裂缝的发展趋势； 在适当位置设置诱导缝，使

14、结构的变形随着设计控制的方向进行。 具体方案 地裂缝活动性较小地段的防水 防水措施只是在常规方法的基础上有所加强即可。 地裂缝活动性较大地段的防水 需要根据“变大变形为小变形，变特殊防水为常规防水”的指导思想进行结构及防水方案的设计。例：双层结构防水 由于内外层结构隔开，内层结构不会有大的变形，只要做好结构接头的防水即可，其实质就是做到“变大为小，外漏内不漏”。 方案实施时，外围结构可作一些适当的防水措施，但是对于地裂缝活动性较强的情况，效果一般比较差，不过它们的破坏对于整个防水系统影响不大，主要目的在于降低破坏后的涌水量，减轻内层结构防水的压力。由于内层结构上面作用的压力小，施工方便，质量易

15、于保证，并且可以在不影响线路运营的情况下维修，所以能保证隧道的永久防水要求。 诱导缝的防水构造以止水带、嵌缝密封胶两种材料为主设置成多道防线，满足建成后地裂活动缓慢阶段裂而不漏的要求。 内层结构采用外防外贴法在外部粘贴防水板。达到“外漏内不漏”的要求双层结构防水构造纵剖面示意图 双层结构防水构造横剖面示意图 六、建 议应尽快对与地铁相交的所有地裂缝进行详细的工程地质勘察，获取可靠的地裂缝平面分布的精确位置、剖面结构形态、破裂带宽度、影响带宽度、隐伏裂缝埋深状况以及破裂扩展模式等资料，以便更好地了解地裂缝的空间活动特点，为地裂缝所引起的地铁病害的防治设计提供必须的参数和科学依据。f0、f1和f4

16、三条地裂缝带是否通过地铁二号线有待进一步详勘确定。通过现代高精度观测技术对地铁二号线所穿过的地裂缝带进行长期监测，精确地掌握其活动量和活动规律，为地裂缝的防治提供必要的基础数据。为了可靠地分析研究地裂缝对地铁工程的危害以及更加科学合理地确定地裂缝带处地铁结构措施和防水措施，必须开展大量的数值模拟计算和大型物理模型模拟工作。地铁沿线存在与地裂缝相伴生的地面沉降灾害，其对地铁工程也将构成一定危害，因此，应就地面沉降对地铁的可能危害及防治措施进行专门研究。在地裂缝、地面沉降环境下，机车振动作用是否加剧地面沉降和地裂缝活动，并由此引起地铁隧道结构的破坏等问题需要开展专门研究工作七、初算成果1.有限元方法（1）上盘桩距裂缝10米，上盘底部加三角形位移模型y方向位移云图 模型顶面y方向位移变化曲线 上下盘接触面y方向位移云图 简支梁结构 简支梁y方向位移变形云图 简支梁位移变化曲线 衬砌y方向位移云图 衬砌y方向位移云图模型y方向位移云图 模型顶面y方向位移变化曲线上下盘接触面y方向位移云图 上下盘接触面位移变化曲线 （2）上盘整体下沉简支梁y方向位移变形云图 衬砌y方向位移变化曲线 衬砌y方向位移云图衬砌y方向位移曲线 （3）单层衬砌，上下盘同时