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行處理,然后以彈塑性理論為依據(jù)導出弱面的破壞準則,并以此為基礎得出弱面對洞室產(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Ⅰ號線相交的3條地裂縫為實例,計算出了剪裂區(qū)位置及塑性應力分布規(guī)律。

　　關鍵詞: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,在西安地鐵建設過程中不可避免會與這些地裂縫相互交錯,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)進行地鐵建設在國內尚屬首次,本篇論文將地裂縫作為土體中的弱面進行處理[1],分析其對地鐵洞室的影響機理,從而確定地鐵洞室與地裂縫相交部位的應力分布及剪裂區(qū)范圍,為以后的施工提供參考依據(jù)。

　　1 區(qū)域工程地質環(huán)境

　　1.1區(qū)域地質構造背景

　　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西安斷陷盆地中部斷裂發(fā)育,近EW向、NE向-NEE向和NW向3組斷裂把盆地分割成若干次級地塊,西安地裂即發(fā)生在該區(qū)內。

　　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)108°49′00″～109°49′00″,北緯34°12′00″～34°19′30″。面積約288km2,主要位于西安市區(qū)。地形東南部高,西部和北部低。區(qū)內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)內較為活躍,是盆地內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。它們相互平行、等距排列。在現(xiàn)代地裂活動之前,隱伏于1～7m人工填土和耕作層之下。西安正斷層具有生長的特點,并在300m以上的地層內活動強烈。這組正斷層及地裂縫對西安市政建設、工業(yè)與民用建筑、地下鐵道及其他地下工程有較嚴重影響。

　　1.2　巖土體工程地質特征與水文地質條件

　　西安市區(qū)內沒有基巖出露。第四紀松散土層分布較廣,厚度大,與西安市的地鐵工程建設有密切關系,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20～30m,水位埋深5～10m,水量比較豐富;三級階地潛水層為中更新統(tǒng)風積沖積含水層,總厚度為20～50m,水位埋深10～20m。從西安地區(qū)多年潛水位動態(tài)特征圖上可以發(fā)現(xiàn)西安市城內及近郊基本上屬于潛水位穩(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。因此,區(qū)內潛水對地鐵工程建設的影響不大。

　　1.3　西安地裂縫的工程性質

　　在西安市及其郊區(qū)約150km2范圍內,在臨潼―長安斷裂上盤,自南而北共發(fā)育了11條地裂縫(圖1)[2],依次是:F1新開門地裂縫;F2陜西師范大學地裂縫;F3大雁塔地裂縫;F4小寨地裂縫;F5秦川機械廠地裂縫;F6和平門地裂縫;F7西北大學地裂縫;F8勞動公園地裂縫;F9八府莊地裂縫;F10辛家廟地裂縫;F11井上村地裂縫?！　?

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　　(1)地裂縫活動具有三維活動性,即垂直方向的差異運動,水平NNW向的引張運動和水平NEE方向的扭動,但以正斷層運動為主,差異沉降速率大,變化范圍0～52 5mm/a;水平引張次之,0～10mm/a;水平扭動最小,并且三維活動趨勢基本一致[3]。

　　(2) 地裂縫運動機制是蠕滑―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) 地裂縫活動強度的差異性:一般而言,南郊強,F6、F7、F8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,西段活動強度小。如F6南、中段一般為2 18～3 44mm/月,而西段為1 2～1 9mm/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。如南二環(huán)長安立交橋從1995 8～1996 9,最大垂直位錯達120mm,活動速率為100mm/a,而1970～1990年平均速率才13mm/a,最大速率為32 9mm/a。

　　由于地裂縫的不斷活動,使得地裂縫周圍的地質體發(fā)生位移,產(chǎn)生局部應力場和形變場,從而造成地下洞室、路基、管道變形或剪斷。

　　2 理論分析

　　2.1 弱面及其破壞準則

　　西安市地裂縫內大部分無填充物,少部分填充來自地表的浮土或水流帶來的淤泥質土,填充疏松,比周圍土層松散,沿地裂縫兩側力學參數(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)狀有密切的關系。

　　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,因而表示這組弱面只需要1個參數(shù)―――傾角β0。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γ0,由β0和γ0這兩個參數(shù)才能確定弱面的位置,當γ0=0時,空間弱面實際上就成為平面弱面。

　　弱面土體強度由土體強度和弱面強度兩部分組成,因而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。實際中一般土體強度與弱面強度的差值較大,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則為:　　

　　2.2　地裂縫區(qū)圓形隧洞圍巖剪裂區(qū)的應力分布

　　當圓形隧道圍巖弱面應力不超過弱面強度時,圍巖處于彈性狀態(tài),如果不考慮弱面的各向異性,則可應用各向同性的彈性力學計算圍巖的應力與位移[5]。為了求得圍巖剪裂區(qū)的應力值,鄭穎人等提出了近似計算方法,其前提條件是假設圍巖剪裂區(qū)中徑向塑性應力σpγ的數(shù)值和分布形狀與彈性應力σeγ大致相近,且認為塑性區(qū)主應力方向也與彈性力學場類似,因而可以假定σpγ=σeγ,并具有與彈性應力場相同的主應力方向,然后應用莫爾―庫侖準則求得塑性區(qū)切向應力σpθ和剪應力τpγθ,由此有剪裂區(qū)塑性應力:　　

　　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Ⅰ號線為例進行研究,Ⅰ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F6,該地裂縫出露總長度10 40km,走向大致NE70°。地裂縫傾向南,傾角72～80°,發(fā)育帶寬度55～110m。東段活動強烈,致災嚴重。二是與西工大―西北大學地裂縫于長樂西路相交F7,該地裂縫出露總長度5 38km,總體走向NE30°,傾角85°,發(fā)育帶寬度24～55m,活動中等,西北大學附近破壞較嚴重。三是與勞動公園地裂縫在蓮湖路相交F8,該地裂縫總長度4 35km,總體走向NE75°,傾角85°,發(fā)育帶寬度15～45m。在城區(qū)東、西兩段活動較強,致災嚴重。 www.Examda.CoM

　　以西安地區(qū)某些工程實例中50個土樣的殘剪值的統(tǒng)計值得出結論,弱面土的物理力學指標為隧道圍巖土物理力學指標的1/6～1/2(Cj值),1/5～1/2(φj值)。在該范圍內取值,Cj:10 9kPa,φj:10 1°。假設西安地鐵為一半徑r0=5m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,可假設土的側壓力系數(shù)λ=1,則土體初始應力為P=Σγh(表1)?！　?

　　該式表明:地裂縫與坐標軸的夾角為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中的計算結果?！　?

　　由各條地裂縫的傾角β0得出的最不利角度βl,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?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　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NE70°,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 面的破壞準則為基礎,得出弱面對洞室產(chǎn)生剪切破壞時的最不利角度為β1=45°+φ/2,計算出了不同傾角的弱面的剪裂區(qū)位置和范圍,然后結合通過西安地鐵Ⅰ號線之上的3條地裂縫F6、F7、F8進行實際計算,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理比較復雜,可以歸結為動態(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動對洞室圍巖的破壞效應,以后還需深入地進行研究。

　　參考文獻

　　[1]　鄭穎人.圓形洞室圍巖塑性區(qū)應力和邊界線的近似計算.地下工程,1980,(3).

　　[2]　吳嘉毅.西安地裂縫的工程性質.西安:陜西科技出版社,1990.

　　[3]　張家明主編.西安地裂縫研究.西安:西北大學出版社,1990.

　　[4]　鄭穎人,劉懷恒.弱面體(弱夾層體)力學方法―巖體力學方法.水文地質工程地質,1981,(5).

　　[5]　于學馥,鄭穎人等.地下工程圍巖穩(wěn)定分析.北京:煤炭工業(yè)出版社,1983.