西安市地裂縫對地鐵洞室圍巖穩定性影響的研究摘 要:將地裂縫作為弱面進行處理,然后以彈塑性理論為依據導出弱面的破壞準則,并以此為基礎得出弱面對洞室產生剪切破壞時的最不利角度;同時根據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,計算出了剪裂區位置及塑性應力分布規律。關鍵詞:地裂縫 洞室圍巖穩定性 弱面 剪裂區 西安城區附近發育有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定產生影響,而在地裂縫區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范圍,為以后的施工提供參考依據。1區域工程地質環境1 1區域地質構造背景 西安地處渭河盆地中部的西安斷陷區的東南部位,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,西安地裂即發生在該區內。研究區西起三橋,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。地形東南部高,西部和北部低。區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,水系發育,溝區縱橫。 其中臨潼—長安斷裂在區內較為活躍,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—長安斷層的上盤發育了11條次一級反傾向的活動斷層,統稱為西安正斷層組。它們相互平行、等距排列。在現代地裂活動之前,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,只限于地面以下數十米深的淺部。西安地區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,二級階地潛水層為晚更新統沖積含水層,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風積沖積含水層,總厚度為20～50ｍ,水位埋深10～20ｍ。從西安地區多年潛水位動態特征圖上可以發現西安市城內及近郊基本上屬于潛水位穩定區,由此看來,西安地裂縫的出現和活動與西安地區潛水位變化無關。因此,區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 在西安市及其郊區約150ｋｍ2范圍內,在臨潼—長安斷裂上盤,自南而北共發育了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。
(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蠕滑,但也伴隨多期跳動滑移,直至突然產生錯動的粘滑。 (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:表現為活動速率的超長性,空間上的非規律性變化,及反向活動性特點。如南二環長安立交橋從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生位移,產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———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種是土體部分出現受拉破壞或壓剪破壞,另1種是弱面本身出現受拉或壓剪破壞。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 地裂縫區圓形隧洞圍巖剪裂區的應力分布 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,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中徑向塑性應力σｐγ的數值和分布形狀與彈性應力σｅγ大致相近,且認為塑性區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切向應力σｐθ和剪應力τｐγθ,由此有剪裂區塑性應力:3西安市地裂縫對圍巖穩定性影響的研究 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°,發育帶寬度15～45ｍ。在城區東、西兩段活動較強,致災嚴重。 以西安地區某些工程實例中50個土樣的殘剪值的統計值得出結論,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生的主要是剪切破壞,必然處于塑性狀態,此時,可假設土的側壓力系數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,即是地裂縫對地鐵洞室產生剪裂破壞而形成的剪裂區最大的地區。 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得出的剪裂區的最大半徑及剪裂區邊緣2點可估算出各條地裂縫存在時對地鐵隧洞產生剪切破壞時剪裂區的位置,當地裂縫存在時,地鐵洞室圍巖產生剪裂區,地裂縫的傾角不同,圍巖剪裂區的位置和形狀也有所不同。4 結 論 (1)西安市區發育有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,同時根據彈塑性理論和弱面的破壞準則為基礎,得出弱面對洞室產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生剪裂破壞而形成的剪裂區最大的地方。 (3)西安市地裂縫對洞室圍巖破壞機理比較復雜,可以歸結為動態和靜態兩方面的影響,本論文主要研究地裂縫處于靜態時對地鐵洞室圍巖穩定產生的影響,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.地下工程圍巖穩定分析.北京:煤炭工業出版社,1983.
(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蠕滑,但也伴隨多期跳動滑移,直至突然產生錯動的粘滑。 (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:表現為活動速率的超長性,空間上的非規律性變化,及反向活動性特點。如南二環長安立交橋從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生位移,產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———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種是土體部分出現受拉破壞或壓剪破壞,另1種是弱面本身出現受拉或壓剪破壞。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 地裂縫區圓形隧洞圍巖剪裂區的應力分布 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,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中徑向塑性應力σｐγ的數值和分布形狀與彈性應力σｅγ大致相近,且認為塑性區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切向應力σｐθ和剪應力τｐγθ,由此有剪裂區塑性應力:3西安市地裂縫對圍巖穩定性影響的研究 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°,發育帶寬度15～45ｍ。在城區東、西兩段活動較強,致災嚴重。 以西安地區某些工程實例中50個土樣的殘剪值的統計值得出結論,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生的主要是剪切破壞,必然處于塑性狀態,此時,可假設土的側壓力系數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,即是地裂縫對地鐵洞室產生剪裂破壞而形成的剪裂區最大的地區。 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得出的剪裂區的最大半徑及剪裂區邊緣2點可估算出各條地裂縫存在時對地鐵隧洞產生剪切破壞時剪裂區的位置,當地裂縫存在時,地鐵洞室圍巖產生剪裂區,地裂縫的傾角不同,圍巖剪裂區的位置和形狀也有所不同。4 結 論 (1)西安市區發育有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,同時根據彈塑性理論和弱面的破壞準則為基礎,得出弱面對洞室產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生剪裂破壞而形成的剪裂區最大的地方。 (3)西安市地裂縫對洞室圍巖破壞機理比較復雜,可以歸結為動態和靜態兩方面的影響,本論文主要研究地裂縫處于靜態時對地鐵洞室圍巖穩定產生的影響,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.地下工程圍巖穩定分析.北京:煤炭工業出版社,1983.
