西安市地裂縫對地鐵洞室圍巖穩(wěn)定性影響的研究

1、西安市地裂縫對地鐵洞室圍巖穩(wěn)定性影響的研究摘要:將地裂縫作為弱面進(jìn)展處理,然后以彈塑性理論為根據(jù)導(dǎo)出弱面的破壞準(zhǔn)那么,并以此為根底得出弱面對洞室產(chǎn)生剪切破壞時的最不利角度;同時根據(jù)弱面的傾角和弱面最不利角度計算出不同傾角的弱面的剪裂區(qū)位置和范圍,以與西安市地鐵號線相交的3條地裂縫為實例,計算出了剪裂區(qū)位置及塑性應(yīng)力分布規(guī)律。關(guān)鍵詞:地裂縫洞室圍巖穩(wěn)定性弱面剪裂區(qū)西安城區(qū)附近發(fā)育有11條地裂縫,其延伸覆蓋面積極廣,在西安地鐵建立過程中不可防止會與這些地裂縫互相交織,這樣勢必會對洞室圍巖的穩(wěn)定產(chǎn)生影響,而在地裂縫區(qū)進(jìn)展地鐵建立在國內(nèi)尚屬首次,本篇論文將地裂縫作為土體中的弱面進(jìn)展處理1,分析其對地鐵

2、洞室的影響機(jī)理,從而確定地鐵洞室與地裂縫相交部位的應(yīng)力分布及剪裂區(qū)范圍,為以后的施工提供參考根據(jù)。1區(qū)域工程地質(zhì)環(huán)境11區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景西安地處渭河盆地中部的西安斷陷區(qū)的東南部位,由于拉張作用形成的第四紀(jì)西安斷陷盆地中部斷裂發(fā)育,近向、向-向和向3組斷裂把盆地分割成假設(shè)干次級地塊,西安地裂即發(fā)生在該區(qū)內(nèi)。研究區(qū)西起三橋,東至灞橋,南起曲江池,北至呼沱寨施家寨一帶。地理位置為東經(jīng)10849001094900,北緯341200341930。面積約2882,主要位于西安市區(qū)。地形東南部高,西部和北部低。區(qū)內(nèi)按地貌可分為東南部黃土塬,中部黃土梁與河流階地,西部河流低階地等3個地形階梯,由東南向北西部逐

3、漸降低。黃土塬塬面平緩,自然沖溝較發(fā)育,黃土梁洼相間,地形波狀起伏;河流階地地勢開闊平坦,水系發(fā)育,溝區(qū)縱橫。其中臨潼長安斷裂在區(qū)內(nèi)較為活潑,是盆地內(nèi)部控制西安斷裂東部邊緣的1條生長斷裂。在臨潼長安斷層的上盤發(fā)育了11條次一級反傾向的活動斷層,統(tǒng)稱為西安正斷層組。它們互相平行、等距排列。在現(xiàn)代地裂活動之前,隱伏于17人工填土和耕作層之下。西安正斷層具有生長的特點(diǎn),并在300以上的地層內(nèi)活動強(qiáng)烈。這組正斷層及地裂縫對西安市政建立、工業(yè)與民用建筑、地下鐵道及其他地下工程有較嚴(yán)重影響。12巖土體工程地質(zhì)特征與水文地質(zhì)條件西安市區(qū)內(nèi)沒有基巖出露。第四紀(jì)松散土層分布較廣,厚度大,與西安市的地鐵工程建立有

4、親密關(guān)系,從目前西安市地鐵工程的利用來看,只限于地面以下數(shù)十米深的淺部。西安地區(qū)地下水主要分為潛水、淺層承壓水與深層承壓水。西安地裂縫主要分布在渭河二級、三級階地以及黃土塬區(qū),二級階地潛水層為晚更新統(tǒng)沖積含水層,總厚度為2030,水位埋深510,水量比擬豐富;三級階地潛水層為中更新統(tǒng)風(fēng)積沖積含水層,總厚度為2050,水位埋深1020。從西安地區(qū)多年潛水位動態(tài)特征圖上可以發(fā)現(xiàn)西安市城內(nèi)及近郊根本上屬于潛水位穩(wěn)定區(qū),由此看來,西安地裂縫的出現(xiàn)和活動與西安地區(qū)潛水位變化無關(guān)。因此,區(qū)內(nèi)潛水對地鐵工程建立的影響不大。13西安地裂縫的工程性質(zhì)在西安市及其郊區(qū)約1502范圍內(nèi),在臨潼長安斷裂上盤,自南而北

5、共發(fā)育了11條地裂縫(圖1)2,依次是:1新開門地裂縫;2陜西師范大學(xué)地裂縫;3大雁塔地裂縫;4小寨地裂縫;5秦川機(jī)械廠地裂縫;6和平門地裂縫;7西北大學(xué)地裂縫;8勞動公園地裂縫;9八府莊地裂縫;10辛家廟地裂縫;11井上村地裂縫。(1)地裂縫活動具有三維活動性,即垂直方向的差異運(yùn)動,程度向的引張運(yùn)動和程度方向的扭動,但以正斷層運(yùn)動為主,差異沉降速率大,變化范圍0525/;程度引張次之,010/;程度扭動最小,并且三維活動趨勢根本一致3。(2)地裂縫運(yùn)動機(jī)制是蠕滑粘滑型的,在歷史上是長期緩慢的靜態(tài)蠕滑,但也伴隨多期跳動滑移,直至突然產(chǎn)生錯動的粘滑。(3)地裂縫活動強(qiáng)度的差異性:一般而言,南郊強(qiáng)

6、,6、7、8活動程度較大,北郊弱。同一條地裂縫上,東段、中段活動性最大,西段活動強(qiáng)度校如6南、中段一般為218344/月,而西段為1219/月。(4)地裂縫活動的周期性:西安地裂縫歷史上即有活動期,又有平靜期,呈現(xiàn)一定的周期性,這與斷層的周期性很相似。同時,在地裂縫活動其中有高潮和低潮期。(5)變異性:表現(xiàn)為活動速率的超長性,空間上的非規(guī)律性變化,及反向活動性特點(diǎn)。如南二環(huán)長安立交橋從1995819969,最大垂直位錯達(dá)120,活動速率為100/,而19701990年平均速率才13/,最大速率為329/。由于地裂縫的不斷活動,使得地裂縫周圍的地質(zhì)體發(fā)生位移,產(chǎn)生部分應(yīng)力場和形變場,從而造成地下

7、洞室、路基、管道變形或剪斷。2理論分析2.1弱面及其破壞準(zhǔn)那么西安市地裂縫內(nèi)大部分無填充物,少部分填充來自地表的浮土或水流帶來的淤泥質(zhì)土,填充疏松,比周圍土層松散,沿地裂縫兩側(cè)力學(xué)參數(shù)比周圍土體要小,本文因此把地裂縫作為相對周圍土體強(qiáng)度較弱的1個面來處理。地鐵洞室在開挖過程中,圍巖既可能沿著弱面發(fā)生破壞,也可能是圍巖本身的塑性流動或受拉破壞,這與弱面在圍巖中所處的位置及產(chǎn)狀有親密的關(guān)系。弱面分平面弱面和空間弱面2種,平面弱面就是假定弱面走向與隧洞軸線方向平行,因此表示這組弱面只需要1個參數(shù)傾角0。空間弱面就是弱面走向與隧洞軸線方向不平行,存在一個夾角0,由0和0這兩個參數(shù)才能確定弱面的位置,當(dāng)

8、0=0時,空間弱面實際上就成為平面弱面。弱面土體強(qiáng)度由土體強(qiáng)度和弱面強(qiáng)度兩部分組成,因此弱面土體的破壞形式有兩種:1種是土體部分出現(xiàn)受拉破壞或壓剪破壞,另1種是弱面本身出現(xiàn)受拉或壓剪破壞。實際中一般土體強(qiáng)度與弱面強(qiáng)度的差值較大,這是只考慮弱面的破壞,而不考慮土體的破壞。根據(jù)鄭穎人等的研究成果4,平面情況下弱面的破壞準(zhǔn)那么為:轉(zhuǎn)貼于論文聯(lián)盟.ll.2.2地裂縫區(qū)圓形隧洞圍巖剪裂區(qū)的應(yīng)力分布當(dāng)圓形隧道圍巖弱面應(yīng)力不超過弱面強(qiáng)度時,圍巖處于彈性狀態(tài),假如不考慮弱面的各向異性,那么可應(yīng)用各向同性的彈性力學(xué)計算圍巖的應(yīng)力與位移5。為了求得圍巖剪裂區(qū)的應(yīng)力值,鄭穎人等提出了近似計算方法,其前提條件是假設(shè)圍

9、巖剪裂區(qū)中徑向塑性應(yīng)力的數(shù)值和分布形狀與彈性應(yīng)力大致相近,且認(rèn)為塑性區(qū)主應(yīng)力方向也與彈性力學(xué)場類似,因此可以假定=,并具有與彈性應(yīng)力場一樣的主應(yīng)力方向,然后應(yīng)用莫爾庫侖準(zhǔn)那么求得塑性區(qū)切向應(yīng)力和剪應(yīng)力,由此有剪裂區(qū)塑性應(yīng)力:3西安市地裂縫對圍巖穩(wěn)定性影響的研究這里僅對西安市近期地鐵工程號線為例進(jìn)展研究,號線斜跨于3條地裂縫之上。一是與和平門地裂縫在幸福路與長樂路交匯處相交6,該地裂縫出露總長度1040,走向大致70。地裂縫傾向南,傾角7280,發(fā)育帶寬度55110。東段活動強(qiáng)烈,致災(zāi)嚴(yán)重。二是與西工大西北大學(xué)地裂縫于長樂西路相交7,該地裂縫出露總長度538,總體走向30,傾角85,發(fā)育帶寬度2

10、455,活動中等,西北大學(xué)附近破壞較嚴(yán)重。三是與勞動公園地裂縫在蓮湖路相交8,該地裂縫總長度435,總體走向75,傾角85,發(fā)育帶寬度1545。在城區(qū)東、西兩段活動較強(qiáng),致災(zāi)嚴(yán)重。以西安地區(qū)某些工程實例中50個土樣的殘剪值的統(tǒng)計值得出結(jié)論,弱面土的物理力學(xué)指標(biāo)為隧道圍巖土物理力學(xué)指標(biāo)的1/61/2(值),1/51/2(值)。在該范圍內(nèi)取值,:109,:101。假設(shè)西安地鐵為一半徑0=5的圓形隧道,由于地裂縫對地鐵洞室圍巖產(chǎn)生的主要是剪切破壞,必然處于塑性狀態(tài),此時,可假設(shè)土的側(cè)壓力系數(shù)=1,那么土體初始應(yīng)力為=(表1)。該式說明:地裂縫與坐標(biāo)軸的夾角為50左右的地區(qū),即是地裂縫對地鐵洞室產(chǎn)生剪

11、裂破壞而形成的剪裂區(qū)最大的地區(qū)。由以下公式可得表2中的計算結(jié)果。由各條地裂縫的傾角0得出的最不利角度,表1和表2得出的剪裂區(qū)的最大半徑及剪裂區(qū)邊緣2點(diǎn)可估算出各條地裂縫存在時對地鐵隧洞產(chǎn)生剪切破壞時剪裂區(qū)的位置,當(dāng)?shù)亓芽p存在時,地鐵洞室圍巖產(chǎn)生剪裂區(qū),地裂縫的傾角不同,圍巖剪裂區(qū)的位置和形狀也有所不同。4結(jié)論(1)西安市區(qū)發(fā)育有11條地裂縫,大致平行排列,總體走向為70,與臨潼長安斷裂走向一致,地裂縫的活動具有周期性和差異性。(2)將地裂縫作為弱面處理,同時根據(jù)彈塑性理論和弱面的破壞準(zhǔn)那么為根底,得出弱面對洞室產(chǎn)生剪切破壞時的最不利角度為1=45+/2,計算出了不同傾角的弱面的剪裂區(qū)位置和范圍,然后結(jié)合通過西安地鐵號線之上的3條地裂縫6、7、8進(jìn)展實際計算,得出西安地裂縫對地鐵洞室產(chǎn)生剪切破壞時的最不利角度約為50,即地裂縫與給定坐標(biāo)軸的夾角為50的地方,就是地裂縫對地鐵洞室產(chǎn)生剪裂破壞而形成的剪裂區(qū)最大的地方。(3)西安市地裂縫對洞室圍巖破壞機(jī)理比擬復(fù)雜,可以歸結(jié)為動態(tài)和靜態(tài)兩方面的影響,本論文主要研究地裂縫處于靜態(tài)時對地鐵洞室圍巖穩(wěn)定產(chǎn)生的影響,并沒有考慮地裂縫的不斷運(yùn)動對洞室圍巖的破壞效應(yīng),以后還需深化地進(jìn)展研究。參考文獻(xiàn)1鄭穎人.圓形洞室圍巖塑