某市地裂缝对地铁工程的危害及其结构措施

某地裂缝对地铁工程的危害及其结构措施研究0.问题1.地裂缝的基本特征2.地铁沿线地裂缝未来活动量估算

3.地裂缝带可能引起的地铁隧道变形破坏模式

4.地铁二号线区间隧道穿过地裂缝带的结构措施5.结论及建议

提纲0.问题某城区分布有13条地裂缝，由于地裂缝运动复杂，对建筑物、道路、管线破坏性极大，单体建筑物一般采用避让法防治。而对即将修建的某地铁2＃线将穿过10条地裂缝和两条次裂缝，无法采取避让措施,在国内外无此先例。为此必须研究地铁区间隧道通过地裂缝带的结构、防水、道床及线路设计措施。

在某市区已发现的地裂缝有十三条1.1地裂缝的平面分布特征1.地裂缝的基本特征地裂缝在平面上呈左行雁列，主体走向为NE700～80°，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3～8m，局部可达20～30m。

各条地裂缝带大体呈等间距排列，间距为0.4～2.1km，平均约1km。某地裂缝展布示意图地裂缝主体倾向南，倾角较陡，一般在700～800。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1.2地裂缝的剖面结构特征交警总队地裂缝（f11）探槽路面开裂剖面形态-Y型剖面形态-S型地裂缝活动速率，一般在1～30mm/a，最大可达55.06mm/a.同一条地裂缝不同地段活动强度也有差异。1.3地裂缝的活动特征1960～1989年活动特征

1990～1996年活动特征1997－至今活动特征

某地裂缝自上世纪60年代至今，其活动经历了如下三个阶段：发生期：上世纪60～70年代；活动期：上世纪80～90年代中期，由于过量开采地下承压水，地裂缝急剧活动，为强烈活动期；相对稳定期：1997年至今，由于限采地下承压水，地裂缝的活动强度较弱，处于缓慢变形阶段。

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1∶0.31∶0.03。

1.4地裂缝的运动变形特征建筑物受损和破坏1.5地裂缝的工程灾害特征道路受损桥梁受损桥梁错开桥面开裂道路损坏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（f11）在交警总队附近的破坏情况现场考察2.地铁沿线地裂缝未来活动量估算地铁设计寿期内的地裂缝最大垂直位移量是地铁跨地裂缝结构设计的一个十分重要的参数。而地裂缝的活动具有一定的不确定性，不同时间段的活动速率不同。因此，按不同时间段的活动速率进行预测，然后结合地裂缝的成因及影响因素等进行综合分析比较加以确定较为合理。各地裂缝最大可能垂直位移量估算

按1960～1989年各地裂缝的活动速率估算最大垂直位移量（mm）按1997～2005年各地裂缝的活动速率估算最大垂直位移量（mm）按最近几年（2001～2005年）各地裂缝的活动速率估算

地铁二号线跨地裂缝处纵向设防长度的确定

3.地钢裂缝带劫可能引屡起的地趴铁隧道变形破刚坏模式根据野永外调查缸和地裂锋缝地表器断坎实赠测，归抛纳出地痛裂缝几嗽种地表赖断坎形用态如图画所示乘：a.裂开还型b.台阶局型3.1地间裂缝对地扫铁危害的陷基本模式c.台凹弹型d.稳定崭型通过野外给测量和调卷查，具体余归纳出如溉下两种基响本变形模算式①地裂缝带剪宽度大②地裂缝岛带窄第一种变波形破坏模绞式：地裂缝片带宽度疏大，裂巡寿缝带变离形呈缓按坡状，典在下盘眯距裂缝柿带6－蛾12m违范围内控隧道受途拉，隧盒道在地控裂缝段倾和上盘冠一定范幼围呈斜配坡形态伟，在1狡0－2杂0m范趟围内呈恼现缓弯怖曲形态手。第二种变肠形破坏模生式：地裂缝带脉窄，变形毯带呈上下歼剧烈变化虽，在下盘榴距裂缝0铸－6m范鸦围内隧道喉某处受拉狂，在上盘锦靠近裂缝悬带附近出漏现剧烈的疤弯曲段。②地裂督缝下盘巴靠近裂逗缝带附壤近的隧曾道管段步出现拉截应力；③下降凝盘一侧因的土体需向下运授动，引甲起该侧暗隧道向跟下运动蔬，相当户于弹性脆地基梁争一侧发产生不均繁匀沉降雅。此时扇隧道衬进砌将承离受弯曲被应力作鸡用。④在地毕裂缝上教盘变形棋带内，搅由于衬扛砌两侧娱的土体擦相对于洋隧道向前下运动胡，对隧册道衬砌蛾施加向梢下的作航用力,绞引起隧卡道底板蒜的拉裂刊变形。根据地表蓄断坎形态偷，归纳出哑隧道结构宝在地裂缝巩作用下的肝基本力学锄模式破为：①在地裂灭缝带附近劫，隧道衬辣砌下部局亭部脱空，山两端支撑像，发生剪娘切和弯饰曲变形；3.2型地裂磁缝作用欠模型模型大小却：100啊m×40逝m×30答m，裂缝臭贯通整个叫模型土体押，倾角按障800考虑。土类体假设为专理想弹塑替性材料。拘有限元计始算时采用奶D-P屈葡服条件和修相关联流御动准则。肠在上下盘蒸之间即地穴裂缝破裂姑面上设置州接触面，昼采用库仑债摩擦模型谷。地裂缝活严动范围：在模型揪上盘底绪部距裂键缝带2必0m范冠围内施雪加三角殖形位移。模型材样料计算疲参数地裂缝宪地表错玻距所需催施加的别模型错戏动量有限元脆计算结从果离散元元本计算结果地裂缝地骨表错距所抛需施加的妄模型错动疗量3.3坏隧道变形扑破坏模式稠数值分析有限元模伴拟计算及拴结果盾构法趣圆形隧福道的三泄维模型猎及横断塌面图模型材料谜计算参数隧道衬砌搏位移云图尘（变形×亮50）呈衬砌兄相对沉降惭量曲线隧道衬砌驴纵向应力吗云图恢衬砌央纵向应力炕云图横断雹面隧道衬砌闭底部纵向缎应力曲线锅隧道衬砌饿顶部纵向凑应力曲线不同错芹距时衬净砌最大贪纵向应辜力/M宜Pa离散元诵模拟计企算及结仁果不同材假料参数不同错距皱时的衬砌怖纵断面变鱼形曲线不同错距帮时衬砌纵突断面拉应短力曲线不同错距答时衬砌纵饥断面压应葵力曲线3.4地吵裂缝带可撑能引起的屿地铁隧道场变形破坏粒模式根据地铁校的结构特四征、现有塑地裂缝活幻玉动特性及萝其有限元烂和离散元帽数值模拟雹计算的结态果，将地叫裂缝带可煮能引起的帝地铁隧道正变形破坏蹈大致分为英如下两种档模式：（1）拉悬张-挤压阴破坏型（2）枣直接剪玩断破坏贸型（3）其锦它病害根据已有彼研究成果巧，与某地蔑裂缝成生寺关系十分雷密切的临规潼叨－菠长安断裂轧的年均活梯动速率最竭大为2.73年mm/a，比地裂缝软年均活若动速率顾小得多，逝所以本研这究主要考撑虑地裂缝储的现今活欧动主要与纳超采地下团水有关。地裂缝爆的活动房诚一般垂厘直位错证、水平更引张和姓水平扭阿动三者墨之比为1∶0.粱31∶0昌.03。由于惩槽探揭兔露的某细地裂缝乔在10米以下稳的拉张释位移量腾很小，义裂缝几济乎是闭旅合的，仰故只考他虑地裂予缝的垂宏直位移弓量，不付考虑水席平和扭殿动的情冤况。4.地铁惑二号线区翻间隧道穿抖过地裂缝课带的结构措施4.1各前提壳条件4.2冲结构措施（一）奥明挖法桑施工的缴结构分球析（1）仁整体式静闭合框剖架结构对于适茧宜采用企明挖法查施工的正地段，帖可采用贿两种不蹲同的结钩构断面授：一种笼为单层容整体现落浇式闭越合框架雨结构，糊另一种趋为双层痕或三层吐整体式愤闭合框暮架结构可。单层整体觉式衬砌结将构横断面垄图单层整土体式衬播砌结构岂纵断面孤图柔性接终头断面遗图计算模湖式图（智单位：营m）结构－荷全载法整体式闭绞合框架结肝构分析结扔果：结构的内警力比较大专，必须加字强配筋和策采取必要骨的加强措繁施，但总探的来说，炎双线隧道挎的整体刚善度明显优身于单线隧窄道，双层粒或三层整摘体闭合框铃架结构的罩截面形式泻无论从受脚力还是变拼形，明显洲优于单层绒整体闭合护框架结构签。（2）管嗽中管结构出发点：外管磨承担地矩裂缝的脚作用，稠采用基挠坑支护虎时的连纪续墙作桥为外管蛇，在外武管的基悟础上用仔简支结牺构支撑敢内管，暖或用可浸调支座禽或柔性附材料支翻撑内管盐，减小展内管的疯变形。模型尺寸：10敬0×2旗4×3更0m3，外管与慌内管之间秆预留1m您空间，二艰者之间的历支撑作用闯考虑为梁洞支撑，管竖道下部垫喝层厚度不坝小于1m哨。管中管淹三维有望限元模臂型竖向位移限云图赵纵向应力搞云图剪应力云贯图家支撑冶点轴力图（二）盾构法管深片结构分纹析计算模扩型：100贫×40隙×30爬m3，盾构珠半径为聚3m，牵管片厚氏0.3嘴m。管父片材料钥为C5性0混凝治土。土博体考虑床为弹塑徒性材料茧，屈服雕准则采败用M-C准则，咏衬砌管膛片设定稠为弹性研材料。庸分别约海束模型剧的两侧坏面及底遣面的法俊向位移业，管片诵和土体策之间按谋接触关哈系考虑右，摩擦客系数取扣0.6苹。盾构法圆秃形隧道的蛮三维计算塌模型及横赤断面图不同错神距时衬兰砌断面赤上的弯断矩承载随力设计舍值/K耐N·m弯矩计颜算纵向纤承载力彩验算盾构管仆片内力乘计算结凭果分析1）地员裂缝环恢境下，互衬砌的尺最大相薄对沉降掉、最大洲拉、压呆应力，感最大剪滨应力，坡最大弯沃矩均随断着错距冷的增大扣而增大蓄。2）由纵物向承载力胜计算可知鹊，当盾构版管片结构历过地裂缝兆段时，地意表错距1煮.89c御m时，必昆须采取加迁强或其他甲处理措施葡。为改善地怪裂缝段盾遣构衬砌的纳受力情况疤，若将盾退构管片每四几环连接库成一段，秃段与段之竭间不考虑党连接，则擦衬砌相当咸于一柔性刺结构，这历对衬砌在臂地裂缝环丹境下的受牵力是有利祖的。考虑阶各段管片浅环数的不欺同，现用锦三种方案输进行计算毫分析：方案一：它将管片每林5环连作洒一段，见区图(a尝)；方案二：婆将管片每沫10环连兵接作为一边段，见图惨(b)屯;方案三：蒙将管片每鸡15环连瞒接作为一滚段，见图振(c)泪。三维有限赏元模型示胀意图(a)(b)(c)a方度案一衬蜓砌竖向演位移及瓦变形云傍图（祖变形放亿大30毙倍）c方案育三衬砌竖沃向位移及旁变形云图泊（变形唤放大30镜倍）b方洗案二衬洽砌竖向誉位移及诸变形云要图（明变形放乞大30脆倍）衬砌竖向塔沉降差和度衬砌段间约错距及张助开距/c李m不同错距蜻时衬砌最涝大纵向应军力/MP匆a不同错距幅时衬砌断肿面最大剪例应力不同错距热时衬砌结肃构的弯矩卵承载力设多计值/K雕N·m盾构管片承分段结构赵分析总结锐：当把衬单砌分段坑以后，惭和整体于相比衬亏砌控制名截面的眠弯矩减搂小了，宇且随着兵各分段请长度的阻减小，捧弯矩值勾在减小路。但即使歪各分段没长度为迅６ｍ，朵当模型港底部错蒜距仅为漏５cm滩时，已末不能满觉足纵向描承载力思的要求却。（三）曲浅埋暗扮挖法马毫蹄形隧泻道结构依分析计算模新型模型尺衬寸同前筑面盾构窝法，隧煌道断面仍为马蹄塘形，断截面宽、附高分别抚为6.卫4m和竖6.6营3m，桨埋深1句0m。篮土体考溉虑为理仇想弹塑床性材料库，采用辣D-P成准则。地铁隧道蒙的初期支满护主要采呜用锚杆和线喷射混凝晋土来支护充围岩，计较算时锚杆阵直径取为φ25，吓长度取洁为2.洞5m、贷间距1外m（图猫5.2辣1），吼按弹性休材料考渠虑。初杠期支护般喷射混凤凝土等呀级取为柱C20犹，厚度喘为25缝0mm盈；二次肿衬砌为卖C30怎混凝土遥，厚度影为40甜0mm源，按弹叮性材料师考虑，橡参数取病值见表锻5-8居。浅埋暗竟挖法马跟蹄形隧伤道的三烧维模型短及横断嘴面图模型材料伞计算参数隧道衬砌垒位移云图大（变形×善50）蚊衬砌相对井沉降量曲蛇线衬砌最大纹相对沉降钻量随错距捧的变化计算结妖果（上为累二衬，闪下为一访衬）隧道衬狂砌纵向始应力云仇图妙内外吴衬砌纵灿向应力伪云图横柏断面不同错距弹时衬砌最星大纵向应丈力/MP案a隧道衬砌辜断面剪应壮力云图谨隧道摘衬砌断面申剪应力云狐图(上盘破)茄(下羞盘)不同错离距时衬浙砌断面预最大剪央应力（四）扩股大截面的缓浅埋暗挖安法马蹄形遍断面分段伶结构分析分析思疤路在地裂径缝范围处45m时内采用烘浅埋暗宁挖法施丧工，每涝隔15痒m设置钻一道变亚形缝，铺缝宽1理.5～枕2.5签cm，冠这样该渗段隧道糖被分割季为3段异，每段谅长为1贝5m，浅见图5促.36葵。考虑口变形缝输的设置焦位置不船同，可轧有两种您方案：方案一：将变形蜓缝直接稼设在地休裂缝带载的正上遮方；方案二：将中剥间段跨终地裂缝椅设置，农其中上掀盘变形监缝距裂植缝带9挨m，下咳盘变形袋缝设置家在距裂息缝带6傅m处。方案一方案二计算模型计算模型北：100金m×40m×30m。地裂话缝倾角800，模型底梯部上盘长视为58m，下盘42m。截面净巷空宽7闻m，高崇7.5殿m，外怜衬厚0搏.25抵m，内像衬厚0妥.6m不，埋深鸽7.7浮m。方案一计腹算结果及队分析——变形缝已设在地为裂缝带董的正上证方衬砌竖耕向位移映云图（乔上为二尘衬）诵衬葵砌变形贞（放大笔30倍淋）隧道衬惑砌竖向巩变形曲辛线变形缝沉丙降差及张具开距/c圆m地裂缝旺作用下香外衬的厚纵向应则力云图不同错仔距时一住衬最大羞纵向应猎力/M晒Paa错踏距10典cm时左b渡错距炒50c团m时地裂缝戏作用下页二衬的岭纵向应莫力云图不同错距晴时二衬最叹大纵向应组力/MP蹄a不同错距骂时一衬最恢大剪应力悼/MPa不同错距木时二衬最驴大剪应力超/MPa正截面受旧力验算及吃配筋：内衬的夜最大拉、兰压应力设紫计值均小蹄于0.6察MPa见，远小于殊混凝土的禁抗拉、抗崇压强度，经按最小配由筋率配纵架向钢筋即滨可。根据最沾小配筋沈率验算角，纵向梳受压区发承载应愁力＝10.他2M妇Pa，满足泰要求。斜截面验盲算：箍筋采喇用HRB淋335型晃号，抗拉猾强度设计孝值为fy=300兔N/mm2，经计登算外衬芹配置箍族筋如下挠：直径德12m晒m，间舍距90针mm。因为内恋衬所受蛮的剪力诊小于混薪凝土的用受剪承桃载力11.97×106N,所点以只需雹按构造义配箍即醒可。衬砌竖向画位移云图刻（上为二稳衬）衬砌锹变形图（把放大30煌倍，左为餐上盘）隧道衬砌果竖向变形问曲线方案二什计算结恢果及分腹析-中间衬砌雪段跨地裂倘缝设置变形缝沉还降差/c匆ma错距薪为20c轧m时煎b纤错距为5今0cm时地裂缝碌作用下被外衬的登纵向应满力云图不同错庄距时外页衬最大磨纵向应利力/M漆Pa不同错距老时内衬最色大纵向应车力/MP诵a不同错秒距时外徐衬最大膜剪应力剧/MP田a不同错吊距时内核衬最大藏剪应力诵/MP钉a1）变形仁缝设在地谜裂缝带的杜正上方，只分段衬砌伸在地裂缝谅上方将产困生很大的哲垂直错距扔和水平张雅开，需采栋取措施调甘整轨道及权加强防水凤处理。2）地追表错距彩≤26遣cm时小，外衬哥纵筋配内筋率取默≥1﹪腐，内衬铅按最小富配