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1、西安地铁区间隧道穿越地裂缝的稳定性初探摘 要：以西安地铁二号线南门至南稍门区间隧道作为研究背景，利用有限差分软件FLAC3D对穿越地裂缝处的区间隧道的开挖过程和支护过程进行了数值模拟，首先分析了地裂缝对地铁区间隧道围岩稳定性的影响。其次，分析了全断面开挖和台阶法开挖对隧道稳定性的影响。通过对比发现台阶法开挖无论从控制沉降上还是控制塑性区上都优于全断面开挖，对实际施工具有一定的指导意义。关键词：地裂缝；数值模拟；地表沉降；开挖方法APrimary Research on the Stability of the Xian Subway through the Ground FissureAbst
2、ract: On the basis of the geological situation of the south gate to Nanshao gate tunnel of the Xian metro, the excavation and support process of the metro tunnel was simulated by the finite difference software-FLAC3D in this paper. Firstly, this paper analyzed the influence of the ground fissure on
3、the country rock stability of the metro tunnel in the term of different lining structures. Secondly, the paper researched the influence of the full face excavation method and bench excavation method. It analyzed the ground surface settlement, crown displacement, the change of the stress of the count
4、ry rock-support system, and the distribution of the plastic zone in the term of unsupported, initial support, and secondary lining. By comparing and analyzing, it concluded that the bench excavation is better than full face excavation.Key words : Ground fissure Numerical simulation Soil settlement C
5、onstruction method西安市城市快速轨道交通二号线为西安市轨道交通线网南北向骨干线，从工程地质条件来看，西安市存在着诸如地裂缝、地面沉降、黄土湿陷以及高烈度的地震效应等一些对地铁建设影响较大的工程地质问题。其中地裂缝的存在对地铁隧道的影响程度最大，也是最难解决的问题。西安地裂缝是一种独特的城市地质灾害，50年代开始出现地裂缝对建筑的破坏现象，70年代唐山地震前夕地裂缝活动明显加剧，剧烈活动一直持续至今。30余年间地裂缝的强烈活动给西安的城市建设造成严重危害，目前已经成为西安市的主要地质环境灾害1-5。西安市地裂缝的运动机制属于蠕滑粘滑型，兼具垂直运动和水平运动等多种方式的活动特征
6、，地裂缝的存在对地铁区间隧道产生的破坏也具有剪切破坏和拉张破坏等多种形式，破坏机理比较复杂，可以归结为动态和静态两方面的影响，本文主要研究地裂缝处于静态时对地铁区间隧道稳定性产生的影响。本文以西安地铁二号线南门至南稍门区间隧道作为研究背景，通过数值模拟软件FLAC 3D7-8的计算，分析了地裂缝对地铁区间隧道围岩稳定性的影响以及不同开挖方法对穿越地裂缝的地铁区间隧道围岩稳定性的影响。1 计算模型的建立1.1 计算域的确定建立坐标系符合右手螺旋法则，z轴向上，y轴指向隧道开挖前进方向，隧道中心点为坐标原点。为了简便计算，区间断面都选择带仰拱的扩大马蹄形断面，尺寸为8.5m8.8m，拱顶距地表11
7、m。模型上表面为地面，坐标为+17m，下表面取至-16m，模型高度为33m，约为4D，x轴方向取40m，约5D。模型长度取30m，约4D。所建模型见图1.1，隧道断面放大图见图1.2。图1.1 隧道模型图1.2 单元选取模型采用FLAC3D中填充的shell单元模拟隧道，采用放射状单元(radcylinder)模拟隧道周边土体，采用六面体单元(brick)模拟各土层，采用FLAC3D中特有的结构衬砌单元(shell)模图1.2 隧道断面放大图拟钢筋混凝土衬砌。模型单元数为44580，结点数为47368。1.3 边界条件模型的底面限制水平和垂直位移；左右边界限制水平位移；上表面取自由边界。1.4
8、 土层参数西安市地裂缝内大部分无充填物，少部分充填来自地表的浮土或水流带来的淤泥质土，填充疏松，比周围土层松散，沿地裂缝两侧力学参数比周围土体要小，所取的地裂缝处物理力学参数要小于周围土体。表1.1土层物理力学参数名称密度kg/m弹性模量MPa泊松比内摩擦角 。粘聚力kPa人工填土16805.50.312.511新黄土16506.30.252230古壤土17505350.32225老黄土16404.980.282726粉质粘土18206.150.262223中砂层186011.20.332地裂缝4002.50.41851.5 强度准则及本构模型强度准则采用摩尔库仑准则，本构模型采用FLAC3D
9、中的摩尔库仑本构模型。衬砌结构采用弹性模型。2 计算结果分析2.1 台阶法开挖施工计算结果分析地表沉降值是施工中最为关心的控制指标之一，现有的地层控制指标基本以地层最大沉降值来衡量。而应力场的分布对施工的指导也同样不可缺少，通过应力分布的大小和位置来提前指导施工。图2.1 地裂缝断面z方向位移云图图2.3最大主应力云图图2.1-图2.5为施加二次衬砌后的计算结果，地裂缝断面z方向的最大位移为4.41cm，而非地裂缝断面z方向的最大位移为3.23cm，均出现在拱顶处。这说明地裂缝的存在对隧道围岩的稳定性起着绝对性的作用。地裂缝断面x方向最大位移为9.23mm，最大主应力的变化范围为-0.24MP
10、a39.5KPa，最小主应力的变化范围为-2.77MPa0.72MPa。洞壁四周均产生压应力降低区，这从一个侧面反应出由于岩体产生塑性变形，形成塑性圈，同时塑性圈内土体的粘聚力c、内摩擦角和弹性模量E都要降低，从而使强度降低，岩体丧失部分承载能力，使重分布以后的二次应力也降低，因而洞壁这一压应力降低区反应了洞室的不稳定。由图2.3可以看出由于地裂缝的影响，在地裂缝与洞室的交汇处图2.2 地裂缝断面x方向位移云图图2.4 最小主应力云图围岩的压应力最低。由图2.4可以看出在洞顶与地裂缝交汇处出现了较大的拉应力，对洞室稳定性最为不利的正是这拉应力的集中。剪应力重分布规律如图2.5所示，剪应力在洞室
11、周围成对称分布，在拱角部位产生明显的剪应力集中区，并且左上侧拱角处和右下侧拱角处为压剪，左下侧拱角和右上侧拱角为拉剪，最大剪应力值约为0.93MPa。图2.5 地裂缝断面剪应力云图图2.6 剪应力云图2.2全断面开挖和台阶法开挖计算结果的对比分析由图2.7-图2.8可以看出，在地裂缝处，全断面开挖后对地表和已完成的支护结构造成的位移均比台阶法开挖后的位移值大，但是两者相差均不到1cm。此时，地表沉降值和拱顶位移值都在工程允许的范围之内。对于两种开挖方法所形成的塑性区，图2.9-2.10为开挖至地裂缝处的塑性区分布图，从图中可以看出，无论在纵向还是横向上，全断面开挖比台阶法开挖土体整体塑性区范围
12、均较大，而且工作面前方塑性区较台阶法更大，但在工作面通过后即迅速消失，表明全断面法开挖对土体的扰动集中于工作面前方。而且还发现在地裂缝处出现了较大的塑性区，这也说明地裂缝处的围岩强度较弱，容易被破坏。图2.7地表沉降曲线对比图图2.8拱顶沉降曲线对比图3 结论本文通过数值模拟计算得出如下结论：（1）对于地表沉降，地裂缝处的断面要比非地裂缝断面大，这说明地裂缝的存在对围岩的稳定性有一定性的影响。（2）由于地裂缝的存在，在地裂缝与洞室的交汇处围岩应力与其他位置相比较低，尤其在洞室侧壁，应力降低幅度更为明显，这是由于岩图2.9全断面开挖隧道塑性区剖面图体产生塑性变形，形成塑性圈，同时塑性圈内土体的粘
13、聚力c、内摩擦角和弹性模量E都要降低，从而使围岩强度降低，土体丧失部分承载能力。（3）最小主应力在洞顶与地裂缝交汇处表现为较大的拉应力，这对洞室的稳定性极为不利。（4）文中对全断面开挖和台阶法开挖方法进行对比，分析发现：对于控制地表沉降，台阶法开挖要优于全断面开挖。对于两种开挖方法所形成的塑性区，无论在纵向和横向上，全断面开挖比台阶法开挖土体整体塑性区范围均较大。而且有一个特点，即工作面前方塑性区较台阶法更大，但在工作面通过后即迅速消失，表明全断面法开挖对土体的扰动集中于工作面前方。而且还发现在地裂缝处出现了较大的塑性区，这也说明地裂缝处的围岩强度较弱，容易被破坏。图2.10台阶法开挖隧道塑性
14、区剖面图参考文献：1 刘雪梅.地裂缝对地铁洞室稳定性影响研究.硕士论文.西安：长安大学2 冯慧霞.水环境下地裂缝对西安地铁的影响.硕士论文.西安：建筑科技大学3 李新生，闫文中等.西安地裂缝活动趋势分析.工程地质学报 2001 09 01 4 张家明.西安地裂缝研究.西安:西北大学出版社,19905 刘雪梅.西安市地裂缝的工程危害及处理措施的初步探讨.地质灾害，vol.8 No.86 刘建航，侯学渊.盾构法隧道.北京:中国铁道出版社.19917 杨立强，张中杰，等.FLAC基本原理及其在地学中的应用.地学前缘，2003年第10卷(1)8 龚纪文，崔建军等.FLAC数值模拟软件及其在地学中的应用.大地构造与成矿学，2002年第26卷
