劉 蕾，馬 濤，劉雪玲，倪天翔

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083；2.青海省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，青海 西寧 810001；3.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054；4.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081)

地鐵列車荷載作用下地裂縫附近土壓力響應(yīng)特征模型試驗研究

劉 蕾1，馬 濤2，劉雪玲3，倪天翔4

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083；2.青海省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，青海 西寧 810001；3.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054；4.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081)

為研究地鐵列車振動荷載對地裂縫附近土壓力動響應(yīng)的影響機理，開展了地裂縫與斜交馬蹄形地鐵隧道的物理模型試驗，分別制作地鐵隧道模型和土層模型，采用激振器模擬地鐵列車振動，通過壓力盒測試土壓力分布規(guī)律。試驗結(jié)果表明：地裂縫未活動時，激振點所在的地裂縫一側(cè)的附加土壓力大于另一側(cè)的附加土壓力，離激振點越遠附加土壓力越小。垂直隧道方向的附加土壓力分布具有隧道軸線處最大、隧道兩側(cè)逐漸減小的規(guī)律。地裂縫活動后，位于隧道上部的土體附加壓力呈現(xiàn)上盤大、下盤小的分布規(guī)律，其余部位的附加土壓力呈現(xiàn)下盤大、上盤小的規(guī)律。地裂縫未活動時，土體附加壓力的分布主要受地裂縫的存在及與激振點距離的影響；地裂縫活動后土體附加壓力的分布主要受隧道與土體接觸狀態(tài)的影響。

地裂縫；地鐵隧道；列車荷載；土壓力；模型試驗

西安地鐵目前已有多條線路運行通車，由于西安地鐵具有穿越地裂縫的特殊地質(zhì)環(huán)境，地鐵列車振動荷載引起的地裂縫地段土體動力響應(yīng)成為目前較為關(guān)注的科學(xué)問題。關(guān)于地鐵列車振動荷載對隧道結(jié)構(gòu)及附近地層的動力作用問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作[1-10]，取得了較多的成果。針對地裂縫環(huán)境下地鐵隧道與地層的動力作用研究成果相對較少，袁立群[11-12]通過馬蹄形隧道與地裂縫正交的物理模型試驗，分析了地裂縫、地鐵隧道、地層在列車荷載作用下的相互影響關(guān)系。楊覓[13-14]建立了不同襯砌型式下的隧道-地裂縫-地層相互作用模型，分析了地裂縫鄰近土體振動的基本特征，以及正交隧道斷面尺寸和形狀對振動響應(yīng)的影響。

目前，地裂縫環(huán)境下斜交地鐵隧道與地層的動力作用的研究成果尚不多見。本文通過物理模型試驗，對地裂縫與地鐵隧道斜交的情況下，地鐵列車振動荷載引起的地裂縫附近土體的土壓力動響應(yīng)進行研究。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

根據(jù)試驗條件和西安地鐵實際工程情況確定相似比例，設(shè)計縮尺試驗?zāi)Ｐ?。分別制作地鐵隧道模型和土層模型，采用激振器模擬地鐵列車振動，通過壓力盒測試土壓力，研究地鐵與地裂縫斜交情況下，地鐵振動荷載引起的地裂縫附近土體中土壓力的動力響應(yīng)。試驗?zāi)Ｐ褪疽鈭D見圖1。試驗?zāi)Ｐ椭械亓芽p與地鐵的交角為60°，地裂縫傾角為80°。

圖1 模型試驗設(shè)計圖(單位：cm)Fig.1 Schematic diagram of test model(unit：cm)

1.2 相似比例設(shè)計

本文以西安地鐵2號線的地鐵隧道結(jié)構(gòu)為原型，斷面呈馬蹄形，隧道埋深20 m，結(jié)構(gòu)高度9.55 m。根據(jù)試驗條件，本次試驗的幾何相似比Cl=20、彈性模量相似比CE=1.5，根據(jù)相似理論原理[15]，計算各物理量的相似比見表1。

1.3 模型材料

(1)地層

根據(jù)經(jīng)驗及多次配比試驗，確定采用黏性土、重晶石粉、河砂混合而成，黏土∶重晶石粉∶砂∶水的配比為30∶55∶10∶5。

表1 模型試驗各物理量的相似比Table 1 Similitude ratio of the model test

(2)地裂縫

本次試驗在試驗?zāi)Ｐ椭蓄A(yù)設(shè)地裂縫，地裂縫寬度10 mm，傾角80°，裂縫中用粉細砂填充。

(3)地鐵隧道結(jié)構(gòu)

根據(jù)相似比，模型隧道高47.75 cm，寬47 cm，厚2.75 cm，長1.8 m；采用細石混凝土澆筑而成，混凝土標(biāo)號C15；結(jié)構(gòu)模型內(nèi)縱向配筋為38根Φ2鋼筋，縱筋間距40 mm；橫向配筋為86根Φ2鋼筋，間距20 mm。地鐵隧道斷面見圖2。

圖2 隧道模型斷面圖(單位：cm)Fig.2 Section diagram of tunnel model(unit：cm)

1.4 地鐵列車振動荷載設(shè)計

試驗中采用TST-10型10 kg激振器產(chǎn)生振動荷載。西安地鐵2號線的列車為六輛車編組，列車輪對荷載P0=160 kN。由激振器產(chǎn)生作用于基底的激振力可表示為：

試驗中采取10 Hz的頻率對輪軌進行加載，共設(shè)置4個激振點，激振點與下盤地鐵隧道邊界的距離分別為60 cm、80 cm、100 cm、120 cm，具體位置見圖3。

圖3 激振點位置圖(單位：cm)Fig.3 Layout of vibration exciters(unit：cm)

1.5 量測內(nèi)容及儀器

本次試驗采用ZFCY180微型壓力盒測試土壓力。

分別在填筑高度15 cm、50 cm、85 cm的位置埋設(shè)三層土壓力盒，其中填筑高度15 cm、85 cm的位置分別布設(shè)三條測線，一條測線位于地鐵隧道中軸線，另兩條測線位于隧道中軸線兩側(cè)30 cm的位置；在填筑高度50 cm層于隧道兩側(cè)布設(shè)兩條測線，測線與隧道中軸線的距離為30 cm。各測線均與隧道縱向平行，每條測線布置土壓力盒5個，上盤3個，下盤2個，各壓力盒距地裂縫的距離分別為：上盤37 cm、20 cm、3 cm；下盤3 cm、20 cm。土壓力盒具體布設(shè)情況見圖4。

圖4 土壓力盒布設(shè)位置圖(單位：cm)Fig.4 Layout of pressure cells (unit：cm)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 地裂縫未活動時土壓力響應(yīng)

本文采用附加土壓力分析振動荷載導(dǎo)致的土壓力動力響應(yīng)，附加土壓力指的是在激振時測取的土壓力與未施加激振荷載時的靜土壓力的差值。圖5～圖7分別為地裂縫未活動時10 hz激勵下各測線的附加土壓力曲線。

圖5 地裂縫未活動時15 cm高度附加土壓力曲線Fig.5 Additional earth pressure curves at the height of 15 cm before the ground fissure movement

圖6 地裂縫未活動時50 cm高度附加土壓力曲線Fig.6 Additional earth pressure curves at the height of 50 cm before the ground fissure movement

圖7 地裂縫未活動時85 cm高度附加土壓力曲線Fig.7 Additional earth pressure curves at the height of 85 cm before the ground fissure movement

根據(jù)圖中的測試結(jié)果，地裂縫未活動時，各條測線的附加土壓力均為正值。從豎直方向比較，附加土壓力值隨土體高度的增加逐漸減小，其原因主要受測點位置靜止土壓力的大小及測點距激振點的距離影響。自下而上的三條測線，土體埋深逐漸減小，因此靜止土壓力逐漸減??；此外三條測線距激振點的距離依次增大，距激振點越遠地層受振動的影響越弱。

從隧道縱向比較，激振點所在側(cè)的土體附加壓力普遍大于地裂縫另一側(cè)的土體附加壓力，且距激振點越遠土體附加壓力越小，跨越地裂縫時附加土壓力有較大程度的減小。

從垂直隧道的方向比較，隧道軸線部位的附加土壓力均大于相同高度的隧道兩側(cè)土體的附加土壓力。

2.2 地裂縫上盤下降時土壓力響應(yīng)

圖8～圖10分別為地裂縫上盤下降1 cm時10hz激勵下不同高度土體的附加土壓力曲線。

圖8 地裂縫上盤下降時15 cm高度附加土壓力曲線Fig.8 Additional earth pressure curves at the height of 15 cm after the ground fissure movement

圖9 地裂縫上盤下降時50 cm高度附加土壓力曲線Fig.9 Additional earth pressure curves at the height of 50 cm after the ground fissure movement

圖10 地裂縫上盤下降時85 cm高度附加土壓力曲線Fig.10 Additional earth pressure curves at the height of 85 cm after the ground fissure movement

地裂縫上盤下降后，各條測線的附加土壓力分布與地裂縫未活動時有較大差別。除測線3-2(位于隧道上部中軸線位置)外，其余測線的附加土壓力分布規(guī)律大致相同，均表現(xiàn)為上盤的附加土壓力基本為零，下盤的附加土壓力較大。而測線3-2的附加土壓力分布規(guī)律恰恰相反，表現(xiàn)為上盤的附加土壓力較大，下盤的附加土壓力基本為零。

根據(jù)前期開展的地鐵與地裂縫物理模型試驗得知，地裂縫上盤下降后，隧道與土體的接觸關(guān)系發(fā)生變化，隧道與上盤的隧道下部土體、下盤的隧道上部土體產(chǎn)生脫空現(xiàn)象，上盤的隧道上部土體及下盤的隧道下部土體產(chǎn)生擠密現(xiàn)象。脫空部位的土壓力基本為零，且地鐵列車振動時對附加土壓力影響不大，因此附加土壓力基本為零。擠密部位的土體在振動作用下進一步被壓密，導(dǎo)致附加土壓力增大。由此可見，地裂縫活動后隧道附近土體附加壓力的分布規(guī)律主要受隧道與土體接觸狀態(tài)的影響。

3 結(jié) 論

通過斜交馬蹄形地鐵隧道與地裂縫的物理模型試驗，研究了地鐵列車荷載作用下地裂縫附近的土體的土壓力響應(yīng)，主要取得以下幾點認識：

(1)地裂縫未活動時隧道附近的土體附加壓力具有以下分布規(guī)律：豎直方向隨土體高度的增加附加土壓力逐漸減??；隧道縱向上，激振點所在地裂縫一側(cè)的附加土壓力大于另一側(cè)的附加土壓力，跨越地裂縫時附加土壓力有較大程度的減小，離激振點越遠附加土壓力越小。垂直隧道的方向，隧道軸線部位的附加土壓力大于相同高度的隧道兩側(cè)土體的附加土壓力。

(2)地裂縫上盤下降時，隧道上部的土體附加壓力呈現(xiàn)上盤大、下盤基本為零的分布規(guī)律，其余部位的土體附加壓力呈現(xiàn)下盤大、上盤基本為零的規(guī)律，且激振點從下盤移至上盤時下盤土體附加壓力有所減小。

(3)地裂縫未活動時，土體附加壓力的分布主要受地裂縫的存在及與激振點距離的影響；地裂縫上盤下降后，隧道附近土體附加壓力的分布主要受土體與隧道接觸狀態(tài)的影響。

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Dynamicresponseanalysisoftheearthpressureingroundfissuresareaundervibrationloadsofmetrotrain

LIU Lei1，MA Tao2，LIU Xueling3，NI Tianxiang4

(1.CollegeofResourcesandSafetyEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing100083，China；2.GeologicalEnvironmentalMonitoringCentralStationofQinghaiProvince,Xining,Qinghai810001,China;3.CollegeofGeologicalEngineeringandGeomatics,Chang’anUniversity,Xi’an,
Shaanxi710054,China；4.ChinaInstituteofGeo-EnvironmentMonitoring,Beijing100081，China)

A large scale model test was carried out to study the dynamic response of the earth pressure in ground fissures area under vibration loads of train. The metro tunnel model and the layer model was built. The metro train vibration was simulated by the vibration exciters. The earth pressure was tested by the pressure cell. The test results show that the additional earth pressure on the side of the vibration exciter is bigger. The additional earth pressure reduces when acrossing the ground fissure. The additional earth pressure on the axes of tunnel is bigger than that on the side of the tunnel. When the halling wall of ground fissue descends, the additional earth pressure above the tunnel has the distributing disciplinarian of that on the side of halling wall is bigger than that on footwall,while the distributing disciplinarian is opposite in the other area of ground fissure. The additional earth pressure becomes small when the vibration exciter moving to the halling wall from the footwall. Before the ground fissure movement, the additional earth pressure distribution is affected mainly by the ground fissure. When the halling wall descends, the additional earth pressure distribution is affected mainly by the contact state of the tunnel and the soil.

ground fissure；metro tunnel；train loads；earth pressure；model test

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.04.19

P642.22

A

1003-8035(2017)04-0119-06

2017-06-16;

2017-08-24

國家自然科學(xué)基金(41172257)青海省自然科學(xué)基金(2017-ZJ-909)；青海省應(yīng)用基礎(chǔ)研究(2014-ZJ-706)

劉 蕾(1983-)，女，博士，主要從事地質(zhì)工程及安全工程等方面的研究。E-mail:2370574038@qq.com