地裂缝活动环境下盾构隧道双层衬砌性状分析

图２西安地裂缝带剖面组合形式图【５～刀 Ｆｉｇ．２ Ｃｏｍｂｍｍｉｏｎ ｓｅｃｔｉｏｎ ｐａｔｔｅｒｎｓ ｏｆＸｉ７ａｌｌ ｇｒｏｕｎｄ
ｆｉｓｓｕｒｅ［５’７Ｊ
拟建的西安市地铁二号线工程（南北线）从北到 南将穿过１０条地裂缝，而这些地裂缝现有的工程致 灾状况十分严重（见图３），如果不采取有效措施进行 防治，将会对西安市地铁建设及建成后的地铁安全 运行带来无法估量的危害和损失。因此，如何有效 地解决好地铁穿过地裂缝的工程结构措施及防水措 施问题，具有十分重要的现实意义。
西安地裂缝是一种区域性的地质灾害现象，在 平面上具有明显的方向性、成带性、似等间距性、 位错同步性等展布规律；主地裂缝总体走向均为北 东东，倾向南东，倾角约８０。；地裂缝的活动方式 是蠕动，主要表现为主地裂缝的南侧（上盘）相对 下降，北侧（下盘）相对上升：地裂缝的垂直位移具 有单向累积的特征，断距随深度的增大而增大（见 图１，２）１５￣¨。
ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆｔｈｅ ｌｉｎｉｎｇ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆｔｈｅ ｌｉｎｉｎｇ ｂｅｃｏｍｅ ｓｍａｌｌｅｒ ｗｈｅｎ ｔｈｅｒｅ
ｉｓ ｂｉｇｇｅｒ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｌｉｎｉｎｇ，ｂｕｔ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｌｉｎｉｎｇ ｅｘｃｅｅｄｓ ３００ ｍｉｌｌ，ｔｈｅｒｅ ｏｎｌｙ ｅｘｉｓｔｓ ｗｅａｋｅｒ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅＳＳ；Ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｉｎｎｅｒ ｌｉｎｉｎｇ ｈａｓ ｓｍａｌｌｅｒ ｉｍｐａｃｔ
收稿日期ｌ ２００７—０５—０９：修国日期ｌ ２００７—０６一Ｏｌ 基金项目ｌ国家自然科学基金霞点项Ｅｌ（４０５３４０２１）：国土资源大调查项Ｉ－Ｉ（１２１２０１０６４１４０３）：国家西部交通建设科技项Ｉ目（２００４３１８８１２１ １） 作者简介·邓ｆｆＡＩＩＩ（１９７８一），男，博士·２００１年毕业于长安大学建筑工程专业，现为讲师，主要从事岩土工程与地质灾害防治的教学与研究工作。 Ｅ－ｍａｉｈ ｈｏｖｅｒｄｙｈ＠勾ｕ．ｅｄｕ．∞
ａｎａｌｙｓｉｓ
１引 言
我国华北地区尤其是汾渭盆地，地裂缝十分发 育Ｉｌ Ｊ，所到之处，给城乡建设带来了巨大的经济损 失，也给人们的正常生产和生活造成了重要影响， 已成为一种独特的地质灾害【２’３】。其中，西安地裂 缝是世界上最著名的城市地质灾害，自２０世纪５０ 年代以来，在西安城区发现的地裂缝已达１３条之 多，延伸长度超过１００ ｋｍ，覆盖面积约１５０ ｋｍ２； 这些地裂缝穿越工厂、民房，横切地下洞室、路基， 造成建筑破坏、机器停转、道路变形、管道破裂， 给城市建设带来了一系列灾害１４Ｊ。
Ｆｉｇ．４
图４有限元模型示意图 Ｇｅｎｅｒａｌ ｖｉｅｗ ｏｆ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ
土体，倾角为８０。。 模型左右两个侧面约束其Ｘ方向即水平方向位
移，前后两个侧面约束其ｚ向即纵向位移，项面为 自由面。下表面与底下３个刚片为接触关系，用中 间刚片的顺时针向下绕轴旋转来控制地裂缝错动面 处的最大相对位移量及模拟实际地裂缝错动位移随 远离错动面逐渐减小的趋势。
ｈａｎｇ＇ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ＇ａｎ，Ｓｈａａｎｘｉ ７１００５４，Ｃｈｉｎａ）
ＡｂｓｔｒａｃＵ Ｔｈｅ ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｆ ｍｏｖｉｎｇ ｇｒｏｕｎｄ．ｆｉｓｓｕｒｅｓ ｗｉｌｌ ｂｅａｒ ａｄｄｉｔｉｏｎａＩ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ
万方数据
第２７卷增２
邓亚虹，等．地裂缝活动环境下盾构隧道双层衬砌性状分析
·３８６１·
ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ．１ｉｎｉｎｇ：ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｎｉｎｇ ｈａｓ ｌｉｎｅａｒ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄ－ｆｉｓｓｕｒｅｓ；ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｌｉｎｅｒ ｈａｓ ｇｒｅａｔ ｉｍｐａｃｔ ０１１
（１．长安大学地质工程与测绘学院，陕西西安７１００５４；２．长安大学西部地质资源与地质工程教育部重点实验室，陕西西安７１００５４； ３．长安大学国土资源部岩土工程开放研究实验室，陕西西安７１００５４）
摘要。处于地裂缝活动环境下的盾构隧道，在地裂缝上下盘相对错动下，隧道衬砌在纵向将承受比正常情况下大
得多的附加应力和变形，此时衬砌在结构强度和防水两个方面都可能失效，使隧道不能正常运营。基于此，考虑
ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｌａｒｇｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｏｓｅ ｏｆ ｎｏｒｍａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｗｈｅｎ ｓｕｂｊ｜ｅｃｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｍｏｖｉｎｇ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄ—ｆｉｓｓｕｒｅｓ．ＳＯ，ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ．１ｉｎｉｎｇ ｗｉｌｌｌｏｓｅ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｂｏｔｈ ｉｎ ｔｈｅ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｗａｔｅｒｔｉｇｈｔ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｄｏｕｂｌｅ—ｌａｙｅｒｅｄ ｌｉｎｉｎｇ ｗｈｉｃｈ ｃａｓｔｓ ａｎ ｉｎｔｅｇｒａｌ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｌｉｎｉｎｇ ｉｎｓｉｄｅ ｄｕｃｔ ｐｉｅｃｅｓ，ｉＳ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｔｏ ＣＯ．ｂｅａｒ ｔｈｅ ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ ｌｏａｄｓ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ． Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｅ－ｌａｙｅｒｅｄ ｌｉｎｉｎｇ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｕｂｊｅｃｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄ－ｆｉｓｓｕｒｅｓ．Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｍｏｖｉｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ，ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｉｎｎｅｒ ｌｉｎｉｎｇ ａｒｅ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ，ａｎｄ ｓｏｍｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ ｗｉｔｈ ｇｕｉｄｉｎｇ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｔｏ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｒｅ ｄｒａｗｎ．ｎｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｌ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｌｉｎｉｎｇ ｉｎｓｉｄｅ ｄｕｃｔ ｐｉｅｃｅｓ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ
２计算说明
２００８经
计算模型及其单元划分示意图如图４所示。整 个计算区域为７２ ｍｘ４０ ｍｘ３０ ｍ（长Ｘ宽×高），管片 宽度按１．２ｍ计算，则纵向为６０个管片长度。管片 外径６．０ ｍ，厚度为３００ ｍｌＩｌ，混凝土强度等级为 Ｃ５０，考虑管片环向和纵向接头的影响，对其刚度 乘以０．８５的折减系数；内衬厚度为可变，外径５．４ ｍ， 混凝土强度等级不低于Ｃ３０。裂缝贯通整个计算模型
衬砌的内力和变形与地裂缝错距大致成线性正比关系；内衬厚度对衬砌受力和变形均有较大影响，衬砌越厚，应
力和变形越小，但厚度超过３００ １／１１１１后再增加厚度，效果明显减弱；内衬强度对衬砌受力和变形的影响较小，实
际工程中采用Ｃ３０混凝土即可。
关键词。隧道工程；地裂缝；盾构隧道；双层衬砌；性状；数值分析
中图分类号ｌ Ｕ ４５１．４；Ｏ ２４２
２．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏ，Ｗｅｓｔｅｒｎ Ｇｅｏｌｏｇｙ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｇｅｏｌｏｇｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆＭｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ｈａｎｇ＇ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｘｆａｎ，Ｓｈａａｎｘｉ ７１００５４，Ｃｈｉｎａ；３．ＯｐｅｎＲｅｓｅａｒｃｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｆＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＬａｎｄａｎｄＲｅｓｏｕｒｃｅｓ，
第２７卷增２ ２００８年９月
岩石力学与工程学报 Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｏｃｋ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖ０１．２７ Ｓｕｐｐ．２ Ｓｅｐｔ．，２００８
地裂缝活动环境下盾构隧道双层衬砌性状分析
邓亚虹１·２～，彭建兵１，２～，范文１，２～，黄强兵１’２～，孙萍１＇２
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图１ 西安地裂缝与地貌构造关系图‘卜刀
Ｆｉｇ．１ Ｘｉ＇ａｎ ｇｒｏｕｎｄ－ｆｉｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｉｔｓ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｅｃｔｏｎｉｃ ａｎｄ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｃａｌ ｍａｐ［５～７１
万方数据
地袅缝穿过环城南路五村的窑洞，地裂缝南侧下降，垂直 断距２００ｍ．镜头向南
盾构法隧道一般使用单层钢筋混凝土管片作为 衬砌结构。近年来，随着混凝土腐蚀性和管片防水 性能的提高，采用双层衬砌的必要性已大为减少。 对于地裂缝环境下的盾构隧道，特别是横穿地裂缝 的隧道结构，在地裂缝上下盘相对错动下，隧道衬 砌在纵向将承受比正常情况下大得多的附加应力和 变形，此时衬砌在结构强度和防水两个方面都可能 失效，使隧道不能正常运营。基于此，考虑在混凝 土管片衬砌内再作一层整体式现浇钢筋混凝土内 衬，形成双层衬砌结构，共同承担外力，以达到减 小结构应力和变形的目的，使隧道在地裂缝作用下 仍能正常工作和运营，满足结构强度和防水要求。 为此，本文对双层衬砌结构在地裂缝作用下的受力 和变形性状进行了数值分析，主要考虑了地裂缝上 下盘错距、钢筋混凝土内衬厚度和强度等因素对衬 砌受力和变形性状的影响，得出了一些具有工程指 导意义的结论。
在盾构隧道混凝土管片衬砌内再作一层整体式现浇钢筋混凝土内衬形成双层衬砌结构，共同承担外力，以达到减
小结构应力和变形的目的。为此，对双层衬砌结构在地裂缝作用下的受力和变形性状进行数值分析，主要考虑地