某市地裂缝与地铁工程

某市地裂缝与地铁工程长安大学二○○七年九月

某市分布有14条地裂缝，成为闻名世界的特殊城市地质灾害，对建筑物、道路、管线的破坏性极大，地面建筑物一般采用避让法防治，而即将修建的某地铁2＃线将穿过11条地裂缝和两条次裂缝，无法采取避让措施。1.前言这些地裂缝对地铁隧道可能产生什么危害?采取什么样的结构措施才能防治这种工程病害？这是迄今为止国内外地铁建设中还没遇到过的问题。

面临这一世界性难题，我们在中国地调局支持下，开展了地裂缝对地铁工程危害的大型物理模型实验，以及地裂缝活动环境下地铁工程的变形破坏模式及防治对策的研究工作，为某地铁工程设计提供了一系列重要参数及方案，达到了国土资源大调查项目为国家工程经济建设服务的目的。世界性难题某市地铁二号线与地裂缝位置分布图错断Q4底界S0(1.2万年)

0.2m(埋深1.5m左右)错断Q3底界S1(12.8万年)

2.5m(埋深13m左右)错断Q2底界S8(73万年)

35m(埋深约75m左右)某市地质剖面简图

14条地裂缝总体走向均为北东60—80º，倾向南东，倾角约为80º。平面形态呈不等间距近似平行排列。每条地裂缝的延伸长度可达数公里至数十公里。地裂缝都发育在特定的构造地貌部位，即梁岗的南侧陡坡上，梁间洼地的北侧边缘

2.1地裂缝的基本特征2.某市地裂缝的基本特征及工程危害。地裂缝大多由主地裂缝和分支裂缝组成，少数地裂缝则由主地裂缝、次生地裂缝和分支裂缝组成，平面上分支结构较复杂。F6地裂缝平面展布图地裂缝分枝破裂形态F11地裂缝探槽展示图

地裂缝的活动方式为蠕动，主要表现为主地裂缝的南侧（上盘）下降，北侧（下盘）相对上升。次生地裂缝则表现为北侧（上盘）下降，南侧（下盘）相对上升。地裂缝的垂直位移具有单向累积的特性，隐伏地裂缝的断距随深度的增大而增大。地裂缝在剖面上的形态一般为上宽下窄的楔形，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阶梯状、“y”字型和追踪式地裂缝剖面形态汽车学院基坑西壁F7地裂缝汽车学院基坑东壁F7地裂缝建筑物受损和破坏2.2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渭河电厂南部渭河断裂带次级破裂黄渠头起土场黄土中的活动断裂研究表明，某地裂缝是在隐伏于黄土层中的构造破裂面基础上形成的，现今超常活动主要是因超采地下水所引起。2.3某地裂缝成因分析3.地裂缝对地铁隧道危害的基本模式某市地裂缝的水平位移量很小，某市地铁工程可以不考虑

地裂缝水平活动的影响;某市地裂缝的垂直活动产生的垂直位移具有随时间单向累

积的特征，它对地表和地下的建（构）筑物产生的破坏相当于缓慢的地基失效;地裂缝对地铁的影响可以等效于地铁在静力作用下的变形，静力荷载大小相当于地裂缝下降盘地铁重量和上覆土体重量之和;地铁设计时还应当考虑外部荷载的叠加，外部荷载包括地面交通荷载、地铁列车荷载以及地面施工荷载、地震荷载等。地裂缝破坏人防、窑洞西北工业大学人防地道裂缝沿北东东向延伸，缝宽0.1-1cm，垂直错开明显卧砖坡道开裂，缝宽3.5cm，垂直错距2.5cm，显示垂直张扭性特征地道西出口处的拱墙开裂窑洞开裂合理确定百年内垂直位移量合理确定地裂缝地段设防长度隧道整体与分段式物理模拟试验4.地裂缝活动引起地铁隧道变形破坏的防治对策地铁二号线与地裂缝交汇点处地铁设计用地裂缝最大垂直位移量

编号位移量（预估极限值）278141500500500462275223500500

根据某地裂缝长期观测资料的分析研究，确定在地铁百年寿期内，地裂缝最大垂直位移量可按下表进行设计取值。建议每一条地裂缝地段均按500mm设计垂直位移量。4.1合理确定百年内设计垂直位移量短水准伟剖面测汽量结果震表明，唯在地裂怪缝的两厉侧有一偷定宽度党的变形零带，该斧变形带拉是由地穗裂缝带棋活动造该成土体表破裂而僚产生的部，该变寸形带称眯为地裂示缝的影钥响宽度饱。地裂缝影陈响宽度短云水准测量绳结果图1992年1993年1997年1996年1995年1994年S裂缝设防带避让带设防带4.2腰地裂搂缝地段姿设防长雹度地铁二号设线与地裂齐缝交汇点表处的影响查带宽度

编号宽度（m）f2f3f5f6f7f8f9f10f11f12地铁设防长度38.852.349.047.0（40.0）47.062.052.0（41.5）39.044.042.0据此确定混地铁二号祝线与地裂称缝交汇点散处的影响滩带宽度根据某六地裂缝谢场地勘场察与工桥程设计脾规程（否DBJ坦61-态620尽06）勺及数值还计算结艺果，取省地裂缝家地段设率防长度搂为64啊m。采用比月例尺1顽:5的倦整体式重闭合框级架结构派模型，偿研究某偏典型地洲层埋深慕20.口0m范碰围地裂事缝活动武对整体蓝式闭合飞框架结避构的影厉响规律滴，包括齐土与结薯构接触谱压力、星结构附丢近土体剖内应力姥和变形很情况。确定闭烟合框架匹结构的已受力模竭式，为息地铁穿很过地裂词缝地段晒的结构虑措施提持供科学颜依据。大型单层跑闭合框架辰隧道结构楼的模型试兄验4.3证地裂抢缝对地捡铁隧道码危害的熟大型物鼻理模拟陈试验模型试旺验装置级与原理试验平台：该模恰型试验避在长安丙大学大掠型地基花沉降模附拟试验伸平台上酱进行。芹该试验动平台的原试验有笔效面积樱320鼓m2（16m膨×20m篮），最大僵沉降量3延0cm。厅试验系统版共有三个舱子系统组哑成，依次霞为：①升亏降系统，令由138须个变速螺壮旋式电机沉和量程为岁100t蚊的千斤顶纷组成；②男支撑系统盒，包括自吩锁式支座俱（含节点焰、托盘）倦以及23屿0块三角东形活动面露板；用于跟衔接千斤但顶与面板屡以及模拟出地基沉降此；③控制店系统，由河工控机和姨若干传感伤器（位移晚传感器）剪组成。试验平宗台系统控制系对统试验平台茎全貌模型立任体示意番图试验模添型地层挥剖面图结构模型干试验试验原理仆：为模拟掩具有正霸断层性多质的地拴裂缝两拖侧土体睛活动引阁起地铁临整体式效闭合框侨架结构殿受力变鸭形机制易，本次莫试验模挤型一端折跨试验脑平台，勺一端跨赌原始地排面，人腥为控制顺试验平教台的整盏体下降份，以考释察整体害式闭合酸框架结朵构的受锐力变形柜直至破厌坏情况国以及土龙体中裂冻缝的破都裂扩展疏情况柔。模型试验剩设计相似关乌系：以几何相船似比CL＝1和烫重度相库似比Cr＝1为基古本相似比选，根据相尾似理论推乐得各物理册力学参数赵原型值与捐模型值的密相似比如晃下：泊松宰比、应变杂和摩擦角顷相似比Cμ＝Cξ＝Cφ＝1，强抄度、应力窜、粘聚力上和弹性模科量相似比氏为CR＝Cσ＝Cc＝CE＝1。围岩的锣模拟：模型土取猴某地区黄偏土，与原蓄型土基本劈燕相同，可基以较好地恶满足结构调模型试验决中模型土熟与原型土由各物理力银学指标相鸣似关系炊。整体式闭谈合框架结乱构的模拟诱：根据几马何相似税系数＝必5，闭屯合框架切结构模鼠型尺寸箱为：1域0.0畏×1耻.21慈0×1吃.30芹2m（涝长×宽捞×高）惨，壁厚负0.1鹿2m。邪结构模愚型材料窜采用钢除筋混凝鼠土。混汉凝土配恰合比为康：水泥衡：水：灯粗砂：尊卵石=保1：0兰.4：篇1.4朗：2.稍6飞。分段结构细的连接处学用5cm侦厚的高弹工橡胶和环陕氧树脂连责接，在接萄头内侧用盯钢条和膨缸胀螺栓将您止水带矩形闭合交框架结构叨模型测点布设数和量测仪刃器1）沉百降位移届计的布刃设沉降杯贸及埋设2）土压推力盒的埋队设3）应变暴片的布设应变片称量测系径统钢筋上布佩设应变片整体闭合易式框架结站构结果及股分析1）土鹊体沉降秤变化规条律-2.肆0-1.00.01.02.03.04.05.00.05.010.顾015.贵020.喜025.驱0位错量鸣20c倾m位错量忧24c左m下盘裂缝上盘沿地铁胃结构纵夜向，地储裂缝的辆变形模伸式基本覆与以往搬水准测耐量结果喷一致。开挖后茅土体纵埋断面图径（镜像郑南）-5-4-3-2-1012345-30000-25000-20000-15000-10000-5000050001000015000初始值沉降4cm沉降10cm沉降16cm沉降24cm沉降20cm结构南侧ZS2测线纵软向应变赵曲线-5-4-3-2-1012345-30000-25000-20000-15000-10000-50000500010000结构南侧ZN3测线纵叠向应变饲曲线2）结冈构受力狂变化规晨律-5-4-3-2-101234-30000-25000-20000-15000-10000-500005000初始值裂缝上盘下盘L(m)沉降2cm沉降6cm沉降12cm沉降18cm沉降24cm结构顶部底ZS1测监线应变曲蔑线-5-4-3-2-1012345-20000-15000-10000-50000500010000初始值沉降2cm沉降8cm沉降14cm沉降20cm沉降22cm结构底届部ZD球S测线救纵向应生变曲线3）变形污破坏模式结构变栋形破坏蜻图芹结今构内部千侧壁裂快缝图结构顶序部裂缝素图结构南侧壁裂缝损图结构北侧壁裂缝图分段式才闭合框剑架结构晒结果及乒分析0.0谨00.801.6磁02.4拌03.2筋04.004.802.0模02.5思03.0银03.504.0择04.5扫05.005.506.00L(m)△ε(菜×10畜)-3初始值2cm6cm10cm14c但m16cm18c颂m20c倦m0.000.8殃01.6培02.403.204.0针04.8膀05.6陪02.003.0胜04.0蓝05.0歉06.0攀07.00-3L(m筝)初始值2cm6cm10cm14c窝m16cm18cm20c伐m△ε(找×10刊)地裂缝下技盘结构侧壁测线纵注向应变隶曲线地裂缝下天盘结构底板测线纵向阶应变曲线0.8棕01.6太02.4距03.204.0羽04.801.0则02.003.0伸04.0书05.0婆06.0绍0-3L(m呜)初始值2cm8cm12c延m18cm24c图m△ε(吐×10悦)地裂缝首上盘结亮构顶部测线纵拦向应变该曲线0.0罚00.801.6低02.4否03.204.001.0响02.0串03.0狭04.00-3L(m)初始值6cm10cm16cm18cm20cm22c峰m24c撇m△ε(×恰10培)地裂缝上博盘结构底板测线纵向肌应变曲线分段设缝池的隧道结狼构的变形编主要局限训在变形缝渣上，上盘册隧道沿缝严下降18等cm，橡促胶止水带升被扭曲剪痕破；上盘陶隧道中的敞轨道悬空诵15cm蛙，隧道其算他地方未馅见破坏；贺下盘隧道签反翘脱离编底部土体径5-8c访m。模拟结果崖表明分段式逢结构之骆间的相它对位移阻(镜向洒:北)焰－－行结构完矮好无损分段式结无构接头处场止水带的磨固定与撕伐裂状况轨道调援整的模开拟PVC岭管（L=排4m,号D=1建00m丛m）应变片应变片连接监萌测线路跨地裂缝窜埋设的P冲VC管道狮断裂情况盯及素描图整体式马肿蹄形隧道鉴模型分段式马铸蹄形隧道备模型浇注跨地裂曲缝地段量马蹄形辉隧道结比构的破墨坏性试污验正在实涝施的盾古构隧道谊模型实预验盾构法愚圆形隧研道的三登维模型栗及横断输面图地裂缝肢的活动层在土体虾中产生控何种效唇应、土牺体的下闯沉会对桂隧道结枕构造成万何种影豪响等，剥是一个姻复杂的纲土与结帐构相互落作用的肃问题。地铁有限竞元仿真模讯拟及结果4.4业隧道变形考破坏模式龄数值分析模型材料污计算参数隧道衬砌旦位移云图距（变形×巴50）衬砌相谦对沉降绑量曲线隧道衬携砌纵向秤应力云厘图衬砌纵向沉应力云图脑横断面计算模生型及模矿型尺寸随同有限瘦元计算甩模型离散元仿贼真模拟及递结果不同错睛距时衬至砌纵断套面压应队力曲线材料参数不同错溉距时衬砌纵断急面的变形曲搅线不同错距卡时衬砌纵走断面拉应桂力曲线结构措施风原则跨地裂尾缝地段吨地铁隧共道结构滴的受力妻分析－绵结构荷直载法扩大截面逝的浅埋暗僵挖法马蹄热形隧道分握段结构数贺值分析浅埋暗挖深法马蹄形蠢衬砌结构丹的接头方顷案4.4提地铁区间辫隧道穿过斯地裂缝的蹦结构措施益研究结构措施美的基本原笋则是“分佳段处理、装柔性接头旋、预留净空、局茧部加强书、先结鼻构后防腐水”。地裂缝朵的活动忍是不可仰抗拒的拾，因此潜，区间匀隧道穿住越地裂缝宜钟采取分欺段处理旗，地裂缝响主变形夕区为10m，是主要的设防区纳，建议按10m进行隧亏道分段,微变形喘区虽然腰存在地裂植缝沉降诸变形的紧影响，炮但其垂验直形变搂仅占总海变形量的10%欢-20雹%,微变形裕段按10-1璃5m进行分段宪。每段隧道芦结构接头替应采用柔访性接头，诉同时局部恒扩大隧道断面于预留净挽空，局绳部加强聚确保衬怕砌结构需强度。结构措脂施原则马蹄形谨衬砌断影面图地铁二卧号线经罩过地裂郊缝地段衣隧道结晕构主要匀采用浅掠埋暗挖撇法施工躁的扩大生马蹄形供衬砌断盛面。跨地裂缝嘴地段地铁池隧道结构贸的受力分恋析－结构楼荷载法地裂缝地预段地铁隧句道结构沿汪纵向分段使示意图隧道结构袭在地裂缝疮地段采取罚分段处理很，在主地杯裂缝上盘品取长度1盟0m的2格段，下盘竹在地裂缝葵附近取1毁0米长一牢段，其余晌每段长1盏5m。跨地裂缝届地段地铁卖隧道结构笑的受力分沸析－结构惠荷载法半无限空恒间的弹性貌地基梁模突型悬臂梁区模型两端支撑翼中间脱空些的地基梁册模型两端支撑锐中间未完潜全脱空的夏地基梁模责型跨地裂缝干地段地铁纤隧道结构千受力分析苗－结构荷梁载法根据地快裂缝的委活动情牵况、地嚷裂缝与闷地铁隧可道的相渣互作用勤，本次肌计算大飘致分为酿如下四宽种分析次计算模洞型：计算结果熄分析当地铁隧路道通过变亏形很小的墓地裂缝地野段时地铁江设计宜采值用长度L=10锦.0m的隧道结席构。当地铁粘隧道穿娇过活动夕强烈的搅地裂缝读地段时哨，一旦宣在地裂漏缝上盘渔主变形仍区隧道开结构完铁全脱空贩，不管兆隧道结倾构采取个分段处蠢理的何纷种长度派形式都尊不会对可结构内戒力有所坟改善。当地铁洞隧道穿柜过活动寨强烈的鼻地裂缝比地段时窗，随着鸟脱空区脑的增大伴，隧道拖结构内崭力明显佩增大。泡因此，翼应加强泡地裂缝弄强烈活愈动地段阴的地铁化隧道底拜部脱空级区的监伤测，同臭时在地标铁设计皮时隧道义结构内虏部应预普留注浆叔孔，以困便出现狭脱空时苍即可注幻玉浆加固咳处理，畜防止脱暖空区的蒸进一步衣扩大导申致隧道烟结构的呆损坏。跨地裂货缝地段购地铁隧刊道结构件受力分默析－结飘构荷载超法通过对地召铁隧道结青构长L=诊10.0膀m和L=唱15.0轧m两种情版况三种模潮型的计算垄，可以得斗出如下结材论：扩大截罢面的浅松埋暗挖妥法马蹄润形隧道先分段结巩构数值边分析将变形缝修直接设在谣地裂缝带笨的正上方将中间段盘跨地裂缝亿设置计算模型在地裂缝岭范围将隧权道衬砌分朝段，考虑孙变形缝设笛置的位置璃不同，可吩有两种方脊案：变形缝亩跨地裂腰缝的纵甲断面图变形缝对猜应地裂缝丝式的纵断面其图结果分析衬砌竖向瞎位移云图盈（上为二词衬）衬砌变形面（放大3兽0倍）扩大截面饰的浅埋暗胞挖法马蹄傅形隧道分骄段结构数活值分析变形缝设谷在地裂缝盈带的正上焦方（即对梳缝设）中间衬砌用段跨地裂换缝设置（纯即骑缝设幻玉）衬砌竖亩向位移戴云图（捆上为二稍衬）衬砌变欢形图（贝放大3逃0倍，千左为上候盘）变形缝匙设在地弟裂缝带敞的正上荷方（对伴缝设）努时，分错段衬砌在地余裂缝上方款将产生很榜大的垂直臭错距和水正平张开，需采治取措施调衣整轨道及势加强防水棋处理。考虑到科地铁隧禽道的结兰构安全骨性，建沈议将变宪形缝设础置在地裂缝霉正上方，驶可保证结鼓构安全可押靠，但要屈求较好的防垃水措施凑。综上分析治可见马蹄形