地裂縫對(duì)地鐵洞室圍巖穩(wěn)定性影響的研究

西安市地裂縫對(duì)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)行處理,然后以彈塑性理論為依據(jù)導(dǎo)出弱面的破壞準(zhǔn)則,并以此為基礎(chǔ)得出弱面對(duì)洞室產(chǎn)生剪切破壞時(shí)的最不利角度;同時(shí)根據(jù)弱面的傾角和弱面最不利角度計(jì)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(hào)線相交的3條地裂縫為實(shí)例,計(jì)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,在西安地鐵建設(shè)過(guò)程中不可避免會(huì)與這些地裂縫相互交錯(cuò),這樣勢(shì)必會(huì)對(duì)洞室圍巖的穩(wěn)定產(chǎn)生影響,而在地裂縫區(qū)進(jìn)行地鐵建設(shè)在國(guó)內(nèi)尚屬首次,本篇論文將地裂縫作為土體中的弱面進(jìn)行處理[1],分析其對(duì)地鐵洞室的影響機(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依據(jù)。1區(qū)域工程地質(zhì)環(huán)境1 1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ＥＷ向、ＮＥ向-ＮＥＥ向和ＮＷ向3組斷裂把盆地分割成若干次級(jí)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)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(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(gè)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(shì)開(kāi)闊平坦,水系發(fā)育,溝區(qū)縱橫。 其中臨潼—長(zhǎng)安斷裂在區(qū)內(nèi)較為活躍,是盆地內(nèi)部控制西安斷裂東部邊緣的1條生長(zhǎng)斷裂。在臨潼—長(zhǎng)安斷層的上盤(pán)發(fā)育了11條次一級(jí)反傾向的活動(dòng)斷層,統(tǒng)稱(chēng)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(dòng)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(zhǎng)的特點(diǎn),并在300ｍ以上的地層內(nèi)活動(dòng)強(qiáng)烈。這組正斷層及地裂縫對(duì)西安市政建設(shè)、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。1 2　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(méi)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設(shè)有密切關(guān)系,從目前西安市地鐵工程的利用來(lái)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(jí)、三級(jí)階地以及黃土塬區(qū),二級(jí)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(jí)階地潛水層為中更新統(tǒng)風(fēng)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(dòng)態(tài)特征圖上可以發(fā)現(xiàn)西安市城內(nèi)及近郊基本上屬于潛水位穩(wěn)定區(qū),由此看來(lái),西安地裂縫的出現(xiàn)和活動(dòng)與西安地區(qū)潛水位變化無(wú)關(guān)。因此,區(qū)內(nèi)潛水對(duì)地鐵工程建設(shè)的影響不大。1 3　西安地裂縫的工程性質(zhì) 在西安市及其郊區(qū)約150ｋｍ2范圍內(nèi),在臨潼—長(zhǎng)安斷裂上盤(pán),自南而北共發(fā)育了11條地裂縫(圖1)[2],依次是:Ｆ1新開(kāi)門(mén)地裂縫;Ｆ2陜西師范大學(xué)地裂縫;Ｆ3大雁塔地裂縫;Ｆ4小寨地裂縫;Ｆ5秦川機(jī)械廠地裂縫;Ｆ6和平門(mén)地裂縫;Ｆ7西北大學(xué)地裂縫;Ｆ8勞動(dòng)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。 (1)地裂縫活動(dòng)具有三維活動(dòng)性,即垂直方向的差異運(yùn)動(dòng),水平ＮＮＷ向的引張運(yùn)動(dòng)和水平ＮＥＥ方向的扭動(dòng),但以正斷層運(yùn)動(dòng)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(dòng)最小,并且三維活動(dòng)趨勢(shì)基本一致[3]。 (2)地裂縫運(yùn)動(dòng)機(jī)制是蠕滑—粘滑型的,在歷史上是長(zhǎng)期緩慢的靜態(tài)蠕滑,但也伴隨多期跳動(dòng)滑移,直至突然產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)的粘滑。 (3)地裂縫活動(dòng)強(qiáng)度的差異性:一般而言,南郊強(qiáng),Ｆ6、Ｆ7、Ｆ8活動(dòng)程度較大,北郊弱。同一條地裂縫上,東段、中段活動(dòng)性最大,西段活動(dòng)強(qiáng)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(dòng)的周期性:西安地裂縫歷史上即有活動(dòng)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(shí),在地裂縫活動(dòng)其中有高潮和低潮期。 (5)變異性:表現(xiàn)為活動(dòng)速率的超長(zhǎng)性,空間上的非規(guī)律性變化,及反向活動(dòng)性特點(diǎn)。如南二環(huán)長(zhǎng)安立交橋從1995 8～1996 9,最大垂直位錯(cuò)達(dá)120ｍｍ,活動(dòng)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(dòng),使得地裂縫周?chē)牡刭|(zhì)體發(fā)生位移,產(chǎn)生局部應(yīng)力場(chǎng)和形變場(chǎng),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(zhǔn)則 西安市地裂縫內(nèi)大部分無(wú)填充物,少部分填充來(lái)自地表的浮土或水流帶來(lái)的淤泥質(zhì)土,填充疏松,比周?chē)翆铀缮?沿地裂縫兩側(cè)力學(xué)參數(shù)比周?chē)馏w要小,本文因此把地裂縫作為相對(duì)周?chē)馏w強(qiáng)度較弱的1個(gè)面來(lái)處理。地鐵洞室在開(kāi)挖過(guò)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(dòng)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(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,因而表示這組弱面只需要1個(gè)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(gè)夾角γ0,由β0和γ0這兩個(gè)參數(shù)才能確定弱面的位置,當(dāng)γ0=0時(shí),空間弱面實(shí)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(shí)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)則為: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(guò)弱面強(qiáng)度時(shí),圍巖處于彈性狀態(tài),如果不考慮弱面的各向異性,則可應(yīng)用各向同性的彈性力學(xué)計(jì)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(jì)算方法,其前提條件是假設(shè)圍巖剪裂區(qū)中徑向塑性應(yīng)力σｐγ的數(shù)值和分布形狀與彈性應(yīng)力σｅγ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(chǎng)類(lèi)似,因而可以假定σｐγ=σｅγ,并具有與彈性應(yīng)力場(chǎng)相同的主應(yīng)力方向,然后應(yīng)用莫爾—庫(kù)侖準(zhǔn)則求得塑性區(qū)切向應(yīng)力σｐθ和剪應(yīng)力τｐγθ,由此有剪裂區(qū)塑性應(yīng)力:3西安市地裂縫對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響的研究 這里僅對(duì)西安市近期地鐵工程Ⅰ號(hào)線為例進(jìn)行研究,Ⅰ號(hào)線斜跨于3條地裂縫之上。一是與和平門(mén)地裂縫在幸福路與長(zhǎng)樂(lè)路交匯處相交Ｆ6,該地裂縫出露總長(zhǎng)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(dòng)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(zhǎng)樂(lè)西路相交Ｆ7,該地裂縫出露總長(zhǎng)度5 38ｋｍ,總體走向ＮＥ30°,傾角85°,發(fā)育帶寬度24～55ｍ,活動(dòng)中等,西北大學(xué)附近破壞較嚴(yán)重。三是與勞動(dòng)公園地裂縫在蓮湖路相交Ｆ8,該地裂縫總長(zhǎng)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(dòng)較強(qiáng),致災(zāi)嚴(yán)重。 以西安地區(qū)某些工程實(shí)例中50個(gè)土樣的殘剪值的統(tǒng)計(jì)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1/6～1/2(Ｃｊ值),1/5～1/2(φｊ值)。在該范圍內(nèi)取值,Ｃｊ:10 9ｋＰａ,φｊ:10 1°。假設(shè)西安地鐵為一半徑ｒ0=5ｍ的圓形隧道,由于地裂縫對(duì)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(shí),可假設(shè)土的側(cè)壓力系數(shù)λ=1,則土體初始應(yīng)力為Ｐ=Σγｈ(表1)。 該式表明: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(duì)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(jì)算結(jié)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(diǎn)可估算出各條地裂縫存在時(shí)對(duì)地鐵隧洞產(chǎn)生剪切破壞時(shí)剪裂區(qū)的位置,當(dāng)?shù)亓芽p存在時(shí),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?yàn)椋危?0°,與臨潼—長(zhǎng)安斷裂走向一致,地裂縫的活動(dòng)具有周期性和差異性。 (2)將地裂縫作為弱面處理,同時(shí)根據(jù)彈塑性理論和弱面的破壞準(zhǔn)則為基礎(chǔ),得出弱面對(duì)洞室產(chǎn)生剪切破壞時(shí)的最不利角度為β1=45°+φ/2,計(jì)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(guò)西安地鐵Ⅰ號(hào)線之上的3條地裂縫Ｆ6、Ｆ7、Ｆ8進(jìn)行實(shí)際計(jì)算,得出西安地裂縫對(duì)地鐵洞室產(chǎn)生剪切破壞時(shí)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(duì)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(duì)洞室圍巖破壞機(jī)理比較復(fù)雜,可以歸結(jié)為動(dòng)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(shí)對(duì)地鐵洞室圍巖穩(wěn)定產(chǎn)生的影響,并沒(méi)有考慮地裂縫的不斷運(yùn)動(dòng)對(duì)洞室圍巖的破壞效應(yīng),以后還需深入地進(jìn)行研究。參考文獻(xiàn)[1]　鄭穎人.圓形洞室圍巖塑性區(qū)應(yīng)力和邊界線的近似計(jì)算.地下工程,1980,(3).[2]　吳嘉毅.西安地裂縫的工程性質(zhì).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(xué)出版社,1990.[4]　鄭穎人,劉懷恒.弱面體(弱夾層體)力學(xué)方法—巖體力學(xué)方法.水文地質(zhì)工程地質(zhì),1981,(5).[5]　于學(xué)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.