地铁动荷载作用下的地层—地裂缝—隧道相互作用研究

本项目以西安地裂缝地质灾害为背景，重点研究地铁振动荷载对地裂缝的灾害效应以及地裂缝-地铁隧道-围岩的动力相互作用。主要研究内容为：地铁动荷载作用下的地裂缝-地铁隧道相互作用；地铁动荷载在地裂缝场地的传播特征及其工程灾害效应；地裂缝发育地带的地铁隧道振动控制标准及措施；跨地裂缝带的地铁隧道在动荷载作用下的振动监测方案与预警判据。项目拟以物理模型试验为主要手段，以对西安地铁二号线典型地段地裂缝带及沿线建筑物动力反应的实测数据为依据，结合数值计算和理论分析成果，重点解决动荷载作用下地裂缝与地铁工程相互作用机理、动力波在地裂缝场地中的传播规律、地裂缝场地条件下的地铁动荷载灾害效应及其调控措施等关键科学问题。项目的研究成果对于进一步提高我国特殊地质环境下的城市地下工程安全的研究水平，促进地裂缝研究与工程实际相结合具有重要的应用价值和实际意义，并将促进地裂缝和城市地下工程研究的创新和突破。

本项目以西安地裂缝地质灾害为背景，以物理模型试验为主要手段，结合数值模拟和理论分析，重点研究地裂缝—地铁隧道—围岩的动力相互作用以及地铁振动对地裂缝的灾害效应和防控措施。研究内容主要包括：地铁振动作用下的地裂缝—地铁隧道相互作用；地铁振动在地裂缝场地的传播特征及其工程灾害效应；地裂缝发育地带的地铁振动控制标准及措施；跨地裂缝带地铁隧道在动荷载作用下的监测方案与预警判据。.项目取得的主要成果为：.（1）获取了大量地裂缝—地铁隧道—围岩动力相互作用试验数据。分别考虑了隧道与地裂缝正交、大角度斜交、小角度斜交等工况，隧道类型包括在地裂缝活动微弱地段采用的盾构隧道、地裂缝活动强烈地段采用的马蹄形隧道。马蹄形隧道又分为整体式隧道、两段式、三段式隧道等不同工况。.（2）揭示了地铁列车振动波在地裂缝附近隧道及围岩中的传播特征。认为地裂缝对地铁振动波的传播具有阻滞作用；地裂缝附近隧道下方土层的振动要比上部土层强烈；地铁隧道的拱底部位相比拱腰和拱顶部位振动响应更强烈；车速越大，地裂缝附近的围岩振动响应越强烈，但振动在地层中的衰减也越快。.（3）分析了地铁通过地裂缝场地时可能引起的工程灾害效应。认为在靠近下盘地裂缝处，整体式隧道围岩竖向应力较大；靠近上盘地裂缝处，分段式隧道围岩竖向应力较大。与初始应力相比，地铁振动产生的动应力值较小，二者的比值在60倍以上，表明地铁振动作用一般不会加剧地裂缝的扩展，但对其引起地表建筑物振动的效应不能忽视。.（4）提出了地裂缝发育地带的地铁振动控制措施、监测方案与预警判据。随着地铁的运营，地铁引起的振动会越来越严重，如果地铁振动频率接近隧道或围岩的共振频率，其振动的作用将会明显加剧，因此在隧道建设时，采取适当的隔振措施是非常必要的。.（5）对目前通过地裂缝段的地铁隧道分段设计提出了建议。分段隧道的振动响应比整体式隧道的要强烈，分段长度越小，振动作用越明显，因此对穿越地裂缝带的隧道设计应综合考虑静力和动力作用，采取合理的分段措施。. 项目研究成果对于地裂缝发育城市的地铁建设具有一定的应用价值和实际意义，也可为类似地质环境条件下的地下工程提供参考。