地质力学学报  2018, Vol. 24 Issue (5): 714-722
引用本文
陈星, 黄强兵, 刘妮娜, 赵腾. 地震作用下邻近地裂缝带地铁隧道工程场地地表沉降研究[J]. 地质力学学报, 2018, 24(5): 714-722.
CHEN Xing, HUANG Qiangbing, LIU Nina, ZHAO Teng. STUDY ON GROUND SETTLEMENT OF ENGINEERING SITE OF METRO TUNNEL ADJACENT TO GROUND FISSURE ZONE UNDER THE ACTION OF EARTHQUAKE[J]. Journal of Geomechanics, 2018, 24(5): 714-722.
地震作用下邻近地裂缝带地铁隧道工程场地地表沉降研究
陈星1 , 黄强兵1,2 , 刘妮娜1,2 , 赵腾3     
1. 长安大学地质工程与测绘学院, 陕西 西安 710054;
2. 长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室, 陕西 西安 710054;
3. 同济大学土木工程学院, 上海 200092
摘要:为了探讨地震和地裂缝耦合作用下位于地裂缝上盘的地铁隧道顶部地表沉降规律及其对附近建筑物的影响,以邻近穿越地裂缝场地的西安地铁3号线为工程背景,利用FLAC3D有限差分软件,结合理论分析,对西安人工地震波、El Centro波和Kobe波三种不同地震波作用下邻近地裂缝带地铁隧道建设场地地表沉降问题进行了研究。结果表明:地震作用下,隧道顶部一定范围内的地层沉降量显著大于其周围地层,形成宽度约9~16 m的沉降凹槽;El Centro波作用下沉降凹槽的宽度最大,约15.9 m,超越概率为10%的西安人工合成地震波次之,约11.6 m,而Kobe波作用下沉降凹槽的宽度最小,约9.5 m;隧道上覆地层沉降凹槽的沉降规律符合peck公式;隧道顶部约20 m范围内场地地表受地震和地裂缝耦合作用影响最强烈,沉降最大。
关键词地铁隧道    地裂缝    地震波    地表沉降    数值模拟    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2018.24.05.073     文章编号:1006-6616(2018)05-0714-09
STUDY ON GROUND SETTLEMENT OF ENGINEERING SITE OF METRO TUNNEL ADJACENT TO GROUND FISSURE ZONE UNDER THE ACTION OF EARTHQUAKE
CHEN Xing1 , HUANG Qiangbing1,2 , LIU Nina1,2 , ZHAO Teng3     
1. College of Geology Engineering and Geomatics, Chang'an University, Xi'an 710054, Shaanxi, China;
2. Key Laboratory of Western Mineral Resources and Geological Engineering of Ministry of Education, Chang'an University, Xi'an 710054, Shaanxi, China;
3. College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China
Abstract: In order to study the law of ground settlement at the top of subway tunnel located on the hanging wall of ground fissure under the coupling action of earthquake and ground fissure and its influence on nearby buildings, taking Xi'an Metro Line 3 adjacent to the ground fissure site as the engineering background, with FLAC3D finite difference software and theoretical analysis, the ground settlement of engineering site with a metro tunnel adjacent to ground fissure zone under the action of three different seismic waves, namely Xi'an artificial seismic wave, El Centro wave and Kobe wave, are studied. The results show that the settlement of strata at the top of subway tunnel with a certain range is significantly greater than that of the surrounding strata under the action of earthquake, and a settlement groove with a width of 9~16 m is formed. The width of the settlement groove under the action of El Centro wave is the largest, about 15.9 m, and the Xi'an artificial synthetic seismic wave that exceed the probability of 10% is the second, about 11.6 m; The width of the settlement groove under the action of the Kobe wave is the smallest, about 9.5 m. The settlement law of the settlement groove accord with the peck formula. The settlement of the site surface with a range of 20 m at the top of the metro tunnel is the largest as a result of the coupling action of earthquake and ground fissure.
Key words: metro tunnel    ground fissure    seismic wave    ground settlement    numerical simulation    
0 引言

地裂缝作为一种特殊的地质灾害类型,在世界各地均有发育,对人类的工程建设造成了十分严重的影响[1~3],其中美国和中国最为典型,而我国地裂缝灾害较为严重的地方有江苏省和西安市[4]。目前在西安城区共发现14条地裂缝,覆盖面积250 km2,延伸长度150 km,贯穿整个市区[5](见图 1)。西安城市地铁中期规划建设15条,目前已经有3条地铁线路投入运营,其中多条地铁线路与地裂缝相交或邻近穿越地裂带场地,这给西安地铁建设带来了安全隐患[6]

图 1 西安市地裂缝分布图 Figure 1 Distribution map of ground fissures in Xi' an

f7地裂缝总体走向北东65°~75°,倾向南东,倾角70°~85°,发育带宽度达55 m,总长度22.8 km,目前年平均活动速率约为5 mm/a,西安地铁3号线多处与地裂缝带相交并在部分区段近似平行于活动较为强烈的f7地裂缝,关于地铁隧道穿越地裂缝带方面目前已取得了很多重要成果,而邻近穿越地裂缝场地相对较少,仅有少量文献报道,如,吴明等[7]利用有限差分软件FLAC3D进行数值模拟,通过逐渐改变隧道衬砌与地裂缝的净距离L,计算了6种不同工况下地铁隧道衬砌的变形和内力,认为避让距离为30 m是合适的;韩洁等[8]利用地铁隧道从上盘平行穿越地裂缝带的大型物理模型试验和Midas GTS数值模拟方法,研究了近距离平行地裂缝的地铁隧道分别位于地裂缝上下盘时隧道衬砌结构的力学和变形性状,并且提出了地裂缝场地地铁隧道分别位于上盘和下盘的安全避让距离为30 m和15 m的要求。在地震作用下地裂缝场地地震响应问题,相关学者开展了一些研究。如魏春龙等[9]利用ANSYS数值模拟方法分析了单条地裂缝场地和“y”字形地裂缝场地的加速度、位移、剪应力响应规律;刘妮娜等[10]采用振动台模型试验,模拟地震荷载作用下地裂缝场地的动力响应,并且得到了一系列重要的结论;慕焕东等[11]进行了振动方向垂直单条地裂缝场地的振动台模型试验;熊仲明等[12]通过对西安唐延路地下人防工程处的f4地裂缝场地进行了数值模拟,定量的分析了地震动力放大效应以及上下盘效应。

上述研究基本是从静力学和动力学角度对地裂缝场地、地铁隧道穿越地裂缝场地的响应开展的研究,而对于地震作用下邻近地裂缝地铁隧道建设场地地表沉降问题,鲜有人研究。因此,现以邻近穿越地裂缝场地的西安地铁3号线为研究对象,利用FLAC3D有限差分软件,结合理论分析,深入探讨了地震和地裂缝耦合作用下地铁隧道建设场地地表沉降规律。

1邻近地裂缝带场地地铁隧道数值模型

1.1 数值模型建立

数值模拟以邻近地裂缝的西安地铁3号线为原型。为了方便计算,根据西安地铁3号线勘察报告与设计资料,模型中将地铁隧道简化为外径为10 m的圆形,地裂缝的倾角取为80°,隧道埋深为10 m,其外边界与地裂缝的距离为30 m(见图 2a)。

图 2 数值计算模型示意图 Figure 2 Schematic diagram of numerical simulation calculation model

该数值模拟按平面应变进行计算(见图 2b),计算模型横向长度为130 m,地层埋深取50 m,网格尺寸为1.5 m左右,往里延伸一个网格尺寸,模型土体采用摩尔—库伦模型,衬砌采用结构单元中的壳单元,模型的阻尼采用局部阻尼的形式,局部阻尼系数为0.1571。另外,根据计算经验取隧道的局部阻尼系数为0.10[13]

根据勘察报告与设计资料,模型相关的计算参数如表 1所示。

表 1 模型计算参数 Table 1 Calculation Parameters of the model
1.2 地震荷载选择

地震荷载输入根据1 : 400万《中国地震动参数区划图》(GB 18306-2015)[14]的划分,选取表 2中的三种工况。

表 2 数值模拟计算工况 Table 2 Working condition calculated by numerical simulation
1.3 地震波的滤波和基线校正

对于离散的地震波数据,应进行滤波和基线校正工作。因地震波的最大频率影响着计算模型的网格尺寸,滤波可以通过提高地震波的最大频率,进而增大网格的最小尺寸,节约计算时间[15],而基线校正则是为了消除动力计算结束时底部残存的位移和速度。以超越概率为10%的西安人工合成地震波为例,其滤波及基线校正前后的速度时程曲线和傅里叶谱曲线如图 3所示。

图 3 超越概率为10%的西安人工地震波校正前后对比图 Figure 3 Comparison of artificial seismic wave before and after correction in Xi' an with a 10% exceeding probability

滤波后的El Centro波和Kobe波的速度时程曲线如图 4所示。

图 4 校正后的地震波速度时程曲线 Figure 4 Corrected time-history curves of seismic wave velocity
1.4 地表竖向位移监测点布置

在计算模型的地表处进行了地表竖向位移(地震时包括地表土体的隆起和震陷)的监测,监测点的布置如图 5所示。其中,对于地裂缝附近的土体以及地铁隧道上方一定范围内的土体竖向位移的监测点进行了加密:x在40 m到60 m之间(对应地裂缝附近),80 m到100 m之间(对应地铁隧道附近)每隔2 m设置一个监测点,其余区间内每隔5 m至15 m设置一个监测点。

图 5 地表位移测点布置图(单位/m) Figure 5 Layout of surface displacement monitoring points(unit/m)
2 计算结果及分析 2.1 地层沉降变形规律

利用FLAC3D计算得到的地震结束后,模型竖直方向的位移云图如图 6所示。

图 6 不同地震波作用下模型地层最终竖向位移云图 Figure 6 The ultimate vertical displacement contour map of the model strata under the action of different earthquake waves

由图可知,地裂缝附近的地层有着明显的差异沉降,隧道正上方一定范围内的地层在地震作用下沉降量显著高于周围地层,形成了沉降凹槽,最大沉降大致位于隧道的正上方。通过三种不同地震波作用下的结果对比,发现El Centro波作用下沉降凹槽的宽度最大,约15.9 m,超越概率为10%的西安人工合成地震波次之,约11.6 m,而Kobe地震波作用下沉降凹槽的宽度最小,约9.5 m。

2.2 地表沉降变形特征

不同地震波作用下模型地表监测点最终竖向位移变化曲线如图 7所示。

图 7 不同地震波作用下地表最终竖向位移变化曲线 Figure 7 The ultimate vertical displacement variation curves of the ground surface under different seismic waves

由图可知,在地裂缝的下盘,地震作用下远离地裂缝的区域地表发生隆起,而靠近地裂缝的区域则产生了沉降,并且下盘地表隆起区域的隆起量和地震过程中的最大隆起量大致相同。而在地裂缝的上盘,靠近地裂缝区域地表沉降量有所降低,地裂缝区域相对两侧沉降量较小。同时,发现上下盘靠近地裂缝的区域,其最终地表竖向位移均小于在地震过程中的最大沉降;上盘远离地裂缝的区域最终地表竖向位移和地震过程中的最大沉降基本一致。三种地震波作用下,地铁隧道通过的地裂缝场地地表最终沉降规律基本一致,均呈现为下盘远离地裂缝处隆起,靠近地裂缝处出现沉降,上盘整体均发生沉降,在地铁隧道附近沉降量最大。

2.3 场地沉降凹槽的理论解析

地震作用后,地铁隧道正上方一定范围内的地层沉降量明显大于其周围地层,形成了明显的沉降凹槽(见图 6图 7)。沉降凹槽的形式与Peck[16]公式中所提到的圆形盾构隧道施工过程引起的其正上方的沉降凹槽非常相似。Peck假设,在不排水情况下形成了沉降槽,因此沉降槽的体积应该等于地层损失的体积。根据这个假定,并结合采矿工程引起地面位移的相关经验,提出了著名的Peck公式。这一理论得到了广泛的应用,其示意图见图 8。横向地表沉降量的Peck公式如下所示:

图 8 Peck公式地表横向沉降槽示意图 Figure 8 Schematic diagram of the transverse settlement groove on the ground surface of the Peck formula
$ S\left( x \right) = {S_{\max }}\exp \left( { - \frac{{{x^2}}}{{2{i^2}}}} \right) = \frac{{{V_l}}}{{\sqrt {2\pi } {\rm{i}}}}\exp \left( { - \frac{{{x^2}}}{{2{i^2}}}} \right) $ (1)

公式中:S(x)为沉降量,m;Smax为隧道中心线处地表最大沉降量,m;Vl为隧道单位长度地层损失量,m3/m;x为距隧道中心线的距离,m;i为沉降槽宽度系数(隧道中心至沉降曲线反弯点的距离),m。

Peck公式符合正态分布,其函数模型正是GaussAmp函数。利用Origin程序自带的GaussAmp函数对地震作用下邻近地裂缝的地铁隧道上方地表的沉降凹槽进行拟合。GaussAmp函数的表达式以及曲线示意图如公式(2)和图 9所示。

图 9 GaussAmp曲线的示意图 Figure 9 Schematic diagram of the GaussAmp curve
$ y = {y_0} + A{e^{ - \frac{{{{\left( {x - {x_0}} \right)}^2}}}{{2{w^2}}}}} $ (2)

(注:由于沉降量yy0和位置x数值大小相差太大,故可以令yy0的单位为mm;x的单位为m。其中x指的是沉降凹槽上某一点与隧道拱顶的水平距离.)

拟合得到的函数曲线及表达式中的相关参数如图 10表 3所示,其中GausssAmp函数模型中的参数Aw分别对应Peck公式中的最大沉降值Smax和沉降槽宽度系数i

图 10 不同地震波作用下最终时刻隧道上方地表沉降凹槽的拟合曲线 Figure 10 Fitting curves of ground settlement groove at the top of the tunnel at the final time under different seismic waves

表 3 GaussAmp函数拟合结果 Table 3 The fitting results of the GaussAmp function

利用GaussAmp函数模型对不同输入地震波作用下隧道上方的沉降凹槽曲线进行拟合得到的结果的相关系数R2均在0.95以上,说明拟合效果较好,即地震结束后地表的沉降凹槽较为符合Peck公式的形式。

3 结论

基于FLAC3D数值模拟,对不同地震波作用下邻近地裂缝带地铁隧道建设场地地表沉降规律进行了计算与分析,得到了地震和地裂缝耦合作用下位于地裂缝上盘的地铁隧道顶部地表沉降规律及其对附近建筑物的影响规律,结论如下:

(1) 地震作用后,邻近地裂缝地铁隧道建设场地上盘产生沉降,且在上盘隧道的正上方形成沉降凹槽,其宽度约为9~16 m。

(2) El Centro波作用下上盘隧道上方地层中的沉降凹槽宽度最大,约15.9 m,超越概率为10%的西安人工合成地震波作用下沉降凹槽宽度次之,约11.6 m,而Kobe地震波作用下沉降凹槽的宽度最小,约9.5 m。

(3) 邻近地裂缝上盘地铁隧道上方的地表沉降凹槽的沉降规律符合peck公式,理论分析与数值模拟结果的对比分析,说明了数值模拟的可靠性。

(4) 位于地裂缝上盘地铁隧道顶部约20 m范围内地表受地震和地裂缝耦合作用影响最强烈,产生的沉降最大,对于邻近地裂缝带穿越其上盘的地铁隧道地表附近建筑物,应综合考虑沉降凹槽范围,进行合理的避让设计。

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