工程地质学报  2018, Vol. 26 Issue (5): 1360-1365   (3591 KB)    
地铁振动作用下穿越地裂缝隧道-地层动力响应模型试验研究
许晨, 袁立群, 门玉明, 刘蕾, 杨觅    
① 长安大学地质工程与测绘学院 西安 710054;
② 聊城大学建筑工程学院 聊城 252059;
③ 中国矿业大学(北京)资源与安全工程系 北京 100083
摘要:以西安地铁工程为背景,设计了穿越地裂缝隧道——地层动力响应试验模型,开展了地铁振动作用下穿越地裂缝隧道——地层相互作用的动力模型试验,揭示了地裂缝活动及地铁列车振动时对位于地裂缝处地层的动力响应规律。试验结果表明:在地裂缝未活动时,隧道拱顶位置的加速度响应与拱底相比,其值相对较小,表明地铁列车振动引发拱底部的振动加速度,通过衬砌传递至上覆岩土体时,加速度发生了显著的衰减;当地裂缝上盘下降时,隧道拱底及拱顶测点产生的振动响应比地裂缝未活动时明显更为强烈。表明地裂缝的活动对隧道结构振动特性具有显著影响;受地铁列车运行位置变化和地裂缝上盘下降的双重影响,地裂缝两侧土体振动加速度幅值有明显的差异,这会对隧道结构的振动特性造成不利影响,在设计中应采取适当措施,防止造成隧道衬砌的局部损伤或破坏。
关键词地铁振动    地裂缝    动力响应    模型试验    
DYNAMIC MODEL TEST FOR RESPONSE OF TUNNEL-STRATUM CROSSING GROUND FISSURE UNDER VIBRATION OF METRO
XU Chen, YUAN Liqun, MEN Yuming, LIU Lei, YANG Mi    
① School of Geology Engineering and Geometrics, Chang'an University, Xi'an 710054;
② School of Architecture and Civil Engineering, Liaocheng University, Liaocheng 252059;
③ College of Resource and Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083
Abstract: A tunnel-stratum dynamic response model which crossing ground fissure is designed set in Xi'an subway project. The dynamic model test of the interaction between tunnel and stratum under the subway vibration load is carried out. The dynamic response law of stratum with ground fissure is revealed. The results show the follows. When the ground fissure is not active, the acceleration response of the arch vault is relatively smaller than that of arch bottom. It indicates that the acceleration of arch bottom caused by subway vibration is attenuated significantly when it transfers to the overlying soil through lining. When the hanging wall falls down, the vibration response of the tunnel vault and bottom is obviously stronger than that when the ground fissure is not active. It indicates that, the activity of ground fissure obviously influences the vibration performance of tunnel. Meanwhile, the acceleration amplitude between the hanging and heading wall is obviously different due to the train running position variation and the fall of hanging wall. This effect is unfavorable to the vibration performance of the tunnel, and appropriate measures should be taken to prevent the local damage or destruction of the tunnel lining.
Key words: Subway vibration    Ground fissure    Dynamic response    Model test    

0 引言

地裂缝在我国分布广泛,且近年来呈现逐渐扩大,危害日益加重的趋势。20世纪60年代末期,由于地裂缝活动引发了多起建筑物的破坏,造成了较为严重的经济损失,从而开启了我国学者对地裂缝的研究工作。到20世纪70年代中后期,在大别山区域、渭河盆地,特别是西安地区先后出现了规模较大的区域性活动地裂缝,部分地裂缝造成了一定的次生灾害,引起了社会各界的普遍关注。

自2005年后,随着西安地铁线路的规划及多条线路的立项与建设,跨地裂缝构筑物的防灾设计已经成为各方关注的重点。自2006年以来,国内多个科研单位及个人围绕地裂缝与地铁线路安全这一重大课题展开了广泛的科学研究(李新生等,2007孙萍等,2008范文等,2010李忠生等,2013乔建伟等,2015刘方翠等,2016),系统研究了过地裂缝带地铁隧道防灾减灾措施,解决了地铁工程施工中的部分难题。于地裂缝地区修建地铁,在地铁修建史上尚属首例,必然会面临一系列亟待解决的重要科学问题,其中地铁线路穿越地裂缝发育地层时,在地铁振动作用下的动力响应模式及其致灾作用,会对地裂缝的后续扩展、变形过程产生影响,严重时可能影响到地铁运营的安全性,对其开展研究显得尤为重要。

近年来,国内外对地层—地下结构的动力相互作用研究已取得了大量成果,对于地铁运行引起的环境振动问题也给予了广泛关注,并取得了丰硕的研究成果(Forrest et al., 2006; Ozer,2008; 陈国兴等,2012李霞等,2015Lemnitzer et al., 2017)。Nelson(1987)研究了地面振动传至建筑物的动力响应规律,给出了建筑物以及位于建筑物中的人和敏感仪器所容许的地面振动等级,提出了控制此类振动的方法;Melke(1988)对实验室和现场监测的定量预测方法以及分析技术进行了改进,通过振动衰减链法,提出了相应的以震级为单位的振动预测公式,评估了运营地铁列车引发振动的各种影响因子,研究成果可用于定量预测地铁的振动响应。徐忠根等(2002)分析了广州地铁1号线振动对环境的影响。陶连金等(2003)利用快速拉格朗日法有限差分软件FLAC对地铁车站隧道衬砌与地层的整体动力学行为进行了分析,得到了列车振动在地面的衰减规律,并研究了不同轨道参数对地铁振动的衰减规律。洪俊清等(2006)建立了土与结构相互作用的数值分析模型,分析了地铁运行对周边建筑物的振动效应。刘卫丰等(2010)就地铁列车运行引起的地表振动响应问题,提出了一个数值预测模型。葛世平等(2015)开展了地铁振动荷载下隧道周边孔隙水压力的长期监测工作,探讨了孔隙水压力的变化规律。但从现有文献来看,对位于地裂缝场地及其附近的地铁振动引起的隧道与地层的相互作用研究,则鲜见报道。因此,开展地裂缝环境下地铁隧道及围岩的振动响应规律研究,是一个全新的课题。

受地铁振动荷载影响,地裂缝发育地层与隧道相互作用特征有别于远离地裂缝的静止土层,其有更复杂的地层与结构接触界面力学状态,在接触面处存在一定的摩擦特征,在隧道底部等局部地带存在脱空现象。接触面摩擦力的大小和分布规律,以及脱空区的尺寸和位置,都会显著影响隧道结构的力学及变形分析。地裂缝发育地层和地铁隧道接触面力学状态的改变,也会导致地层与结构相互作用过程产生变化。如何针对地裂缝发育地层与地铁隧道结构动力作用的特点,开展科学的研究工作,是在地裂缝这种特殊地质环境条件下进行地下工程建设亟待解决的重要基础科学问题。

为深入研究地铁振动与地裂缝带围岩动力相互作用这一课题,项目组成员近年来在国家自然科学基金项目(41172257)的支持下,开展了多工况的模型试验和数值模拟,进行了与地裂缝正交、60°斜交、30°斜交等不同条件下的试验和模拟研究,得出了一些重要认识。本文主要对正交工况下穿越地裂缝隧道及围岩在地铁振动荷载和地裂缝共同作用下的动力响应模型试验及成果做一简要介绍。

1 地铁振动作用下穿越地裂缝隧道-地层动力响应模型试验设计

模型试验根据试验设计和试验场地条件采用了缩尺试验。试验采用的模型箱尺寸为2 m(长)×1.6 m(宽)×1.2 m(高)。在模型制作过程中,对地裂缝提前进行预设,地裂缝的活动通过控制模型中地裂缝上盘土体沉降来模拟,地铁列车振动用激振器模拟,并通过安装在模型内的加速度计测试地铁振动加速度时程。模型试验外观图如图 1所示。

图 1 模型试验侧面图 Fig. 1 Profile of model test

试验模型中地裂缝倾角为80°,隧道结构分为整体式、两段式和三段式3种。试验采用的地铁隧道原型为西安地铁二号线隧道,该隧道穿越地裂缝时采用的结构形式为扩大断面的马蹄形隧道结构,隧道高9.55 m,顶部最大埋深20 m。模型几何相似比为1 ︰ 20(模型:原型),地层模型材料采用重晶石粉、黏性土及河砂,按一定比例配置而成。三段式隧道每段长度均为60 cm。

试验重点是测试在地铁振动荷载作用下不同部位地层的振动加速度响应,选用的测试仪为LC0801应变式加速度计,其量程为±10 g,频率范围为0~200 Hz。在隧道顶底部不同位置共埋设10个加速度计,布设位置在隧道中轴线断面内(图 2)。以模型箱底部为起点,分别在隧道底部15 cm、25 cm处各埋设4个加速度计,在隧道顶部72.75 cm处埋设2个加速度计,所有加速度计在地裂缝两侧平均分布。

图 2 隧道及加速度传感器立面布置图 Fig. 2 Elevation layout of tunnel and acceleration sensor

试验采用的激振器型号为TST-10型激振器,最大激振力为100 N。为了模拟真实的地铁振动荷载效果,在模型隧道底部铺设两条轨道,用钢板制作横梁连接轨道,在横梁上固定激振器。

由激振器生成的作用于基底的激振力可表示为:

$ F\left(t \right) = \frac{{100}}{2}\left[ {1 + \sin \left({2{\rm{ \mathsf{ π} }}ft - {\rm{ \mathsf{ π} /2}}} \right)} \right]\;\;\;\left(N \right) $ (1)

依据西安地铁二号线的实际监测数据,可知地铁运行荷载引发基床振动的频率范围近振源的基床以高频为主,在1~1000 Hz均有分布,远振源的地表以中低频为主,主要在100 Hz以下。在进行模型试验时,选取10 Hz频率进行加载试验。

考虑实际行车过程中,列车与地裂缝的相对位置处于不断变化的过程中,在本次模型试验中共布设2个激振点,分布在隧道内部距下盘隧道外侧边界60 cm和80 cm处。

2 试验结果及分析

为防止地裂缝活动引起隧道衬砌结构的开裂,在西安地铁工程建设中,对位于地裂缝附近的隧道采用了分段设计方案。为研究分段对隧道—地层动力响应特性的影响,对穿越地裂缝的隧道结构分别进行了整体式、两段式和三段式马蹄形隧道结构模型试验和数值模拟。试验分4种工况,分别为地裂缝不活动、上盘下降1 cm、上盘下降2 cm和上盘下降3 cm。限于篇幅,下面仅进行三段式隧道周围土体加速度响应分析。

2.1 地裂缝两侧不同埋置深度加速度响应分析

在地裂缝未活动工况下,在距离下盘端部60 cm、80 cm位置处分别施加10 Hz的激振力,所得到的地裂缝两侧A2、A6、A9和A3、A7、A10各测点的加速度监测结果如图 3所示,其中时间坐标是相对时间,这里只选取测量时间中25 s区间段的数据进行分析。

图 3 地裂缝未活动工况下10 Hz激振时各测点加速度时程曲线 Fig. 3 Soil time-history curves of acceleration at each measuring point under the condition of 10 Hz when the ground fissure is not active a. 60 cm激振点激振;b. 80 cm激振点激振

图 3可以看出,在距离下盘端部不同部位激振,所得的隧道底部A6、A7两测点的加速度,均大于位于拱底向下10 cm深处的A2、A3点的加速度,说明在列车振动过程中,土层对其加速度具有明显的衰减作用。而在隧道拱顶位置,测点A9、A10的加速度,与拱底测点A6、A7相比,顶部的加速度值相对较小,表明地铁列车振动引发拱底部的振动加速度,通过衬砌传递到上覆岩土体时,加速度发生了显著的衰减。

随后,在地裂缝上盘下降2 cm工况下,在距下盘端部60 cm、80 cm位置处分别施加10 Hz激振力,得到地裂缝下盘不同高度处A3、A7和A10各测点的加速度测试结果(图 4)。

图 4 上盘下降2 cm工况下10 Hz激振时各测点加速度时程曲线 Fig. 4 Soil time-history curves of acceleration at each measuring point under the condition of 10 Hz when the settlement of hanging wall is 2 cm a. 60 cm激振点激振;b. 80 cm激振点激振

图 4可见,在上盘下降2 cm的工况下,位于隧道拱底处的A7点的加速度峰值传递到土层中的A3测点后,其加速度同样有所衰减,表明地裂缝活动时土层对于列车振动的衰减作用依然存在;A10测点位于隧道拱顶上部,与A7相比,拱顶处的加速度幅值显著减小,表明产生于隧道基底的振动加速度通过衬砌向上传播时,加速度同样产生了比较大的衰减,这一规律和无地裂缝时的试验结果相一致。

进一步比较图 3图 4中A3、A7和A10测点在地裂缝活动前后的试验结果,可知受地裂缝上盘下降的影响,位于隧道拱底的A7测点及拱顶的A10测点产生的振动响应比地裂缝未活动时更为强烈。由此可见,地裂缝的活动对隧道结构振动特性具有明显影响。这是因为随着地裂缝上盘土体的下降,使得隧道与围岩的接触应力发生了改变,尤其在靠近地裂缝带处,这种变化更加显著,当地裂缝持续活动,隧道底部土体出现局部脱空时,其振动特性将会发生进一步改变。

2.2 沿隧道纵向不同距离处土层加速度响应分析

图 5为地裂缝上盘下降2 cm时,在距下盘端部60 cm、80 cm位置处施加10 Hz激振力时隧道底部A1、A2和A3各测点的加速度监测结果。

图 5 上盘下降2 cm工况下10 Hz激振时加速度时程曲线 Fig. 5 Soil time-history curves of acceleration at each measuring point under the condition of 10 Hz when the settlement of hanging wall is 2 cm a. 60 cm激振点激振;b. 80 cm激振点激振

图 5可知,当激振点距下盘端部60 cm时,拱底土层内A3测点的振动幅值最大,A2测点幅值次之,A1测点幅值最小;这是因为激振点距A3测点最近,距A1测点最远,其传播规律由近及远,越来越小,符合振动波的传播规律。当在距下盘端部80 cm处激振时,A2测点振动幅值相对最大,A3测点幅值次之,A1测点幅值最小,表明在隧道轴线方向上,随着激振点至地裂缝距离的变化,与隧道分缝相对位置的变化,各测点加速度幅值亦呈现变化趋势。比较A2测点和A3测点的幅值,可以看出,受激振点与地裂缝相对位置变化、隧道分缝等双重影响,地裂缝两侧土体振动加速度幅值大小及变化规律有着明显的差异,这种差异又会进一步影响到隧道结构的振动响应。因此在设计中应采取合理措施,防止地裂缝活动造成隧道衬砌结构振动特性的变化,进而引起局部损伤或破坏。

实际上,分段对隧道振动响应也有明显的影响,分段越多,在地裂缝活动时出现脱空的范围越小,但同时又会带来施工成本的增加,在设计时应综合考虑。

图 6显示了激振点位于60 cm时沿隧道纵向分布的A1~A8加速度计的最大幅值。从水平分布来看,位于地裂缝下盘的靠近激振点的A3、A7的幅值最大,跨过地裂缝后逐渐衰减,A2和A6的值也分别小于A4和A8的值,最远处A1和A5的值最小;从竖向分布来看,处于隧道拱底位置的A5~A8的最大值均大于位于下部土层A1~A4的值,说明振动从隧道拱底传递至下部土层时,土层对于振动波的衰减作用明显。

图 6 A1~A8加速度计的最大幅值分布图 Fig. 6 Maximal amplitude distribution of acceleration sensor A1~A8

考虑到在列车荷载作用下,地裂缝附近的隧道下部地层振动加速度响应存在显著的突变点,较常规加速度值出现了放大现象。因此,可以认为地裂缝对场地的加速度响应影响显著,建议穿越地裂缝带的隧道结构在设计时,应采取适当的减振措施,如加厚仰拱厚度或采用可行的减振轨道。

3 结论

(1) 在列车振动过程中,土层对其加速度具有明显的衰减作用。在地裂缝未活动时,隧道拱顶位置的加速度响应与拱底的相比,其值相对较小,表明地铁列车振动引发拱底部的振动加速度,通过衬砌传递到上覆岩土体时,加速度发生了显著的衰减。

(2) 受地裂缝上盘下降的影响,隧道拱底测点及拱顶测点产生的振动响应比地裂缝未活动时明显更为强烈,表明地裂缝的活动对隧道结构振动特性具有显著影响。

(3) 受地铁列车运行位置变化和地裂缝上盘下降的双重影响,地裂缝两侧土体振动加速度幅值有明显的差异,这种影响也会对隧道结构的振动特性造成不利影响,在设计中应采取适当措施,防止造成隧道衬砌的局部损伤或破坏。

参考文献
Chen G X, Zuo X, Wang Z H, et al. 2012. Shaking table test on seismic falilure characteristics of subway station structure at liquefiable ground[J]. Journal of Building Structures, 33(1): 128~137.
Fan W, Xiong W, Peng J B, et al. 2010. Model tests on segmental subway tunnel crossing ground fissure belt[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 32(1): 138~143.
Forrest J A, Hunt H E M. 2006. Ground vibration generated by trains in underground tunnels[J]. Journal of Sound And Vibration, 294(4): 706~736.
Ge S P, Yao X J. 2015. Response characteristics of pore pressure in soils nearby metro tunnel due to train vibration loading[J]. Journal of Engineering Geology, 23(6): 1093~1099.
Hong J Q, Liu W Q. 2006. Analysis of effects induced by subway train on surrounding building vibration[J]. Journal of Vibration and Shock, 25(4): 142~145.
Lemnitzer A, Kyykhosropour L, Kawamata Y, et al. 2017. Dynamic response of underground structures in sand:experimental data[J]. Earthquake Spectra, 33(1): 347~372. DOI:10.1193/032816EQS048DP
Li X S, Wang J, Wang W P, et al. 2007. Ground fissures along Xi'an subway line 2 characteristics harms and measures[J]. Journal of Engineering Geology, 15(4): 463~468.
Li X, Du X L, Lu D C, et al. 2015. Test scheme design for shaking table model test of the seismic responses of the complex subway station under two horizontal directions seismic ground motions[J]. Journal of Disasgter Prevention and Mitigation Engineering, 25(3): 321~327.
Li Z S, Gao H Y, Song Y H, et al. 2013. Investigation and research on Chang'an ground fissure along the fourth metro line of Xi'an city[J]. China Civil Engineering Journal, 46(8): 98~104.
Liu F C, Qin S W, Peng J B, et al. 2016. Characters of the ground fissures developing in Beijing[J]. Journal of Engineering Geology, 24(6): 1269~1277.
Liu W F, Liu W N, Degrande G. 2010. Experimental validation of a numerical model for predition of metro train-induced ground-sruface vibration[J]. Journal of Vibration Engineering, 23(4): 373~379.
Melke J. 1988. Noise and vibration from underground railway lines:proposals for a prediction procedure[J]. Journal of Sound and Vibration, 120(2): 391~406. DOI:10.1016/0022-460X(88)90451-8
Nelson P M. 1987. Transportation noise reference book[M]. San Francisco: Buttewrprth & Co. Ltd.
Ozer U. 2008. Environmental impacts of ground vibration induced by blasting at different rock units on the Kadikoy-Kartal metro tunnel[J]. Engineering Geology, 100(1-2): 82~90. DOI:10.1016/j.enggeo.2008.03.006
Qiao J W, Peng J B, Deng Y H, et al. 2015. The study on basic characteristic of earth fissure in Linfen Basin[J]. Journal of Engineering Geology, 23(5): 856~865.
Sun P, Peng J B, Fan W. 2008. Three-dimensional distinct element analysis of ground fissure dislocations on shield pipelines of operational tunnels along Xi'an second subway line[J]. Journal of Engineering Geology, 16(5): 710~714.
Tao L J, Li X L, Lu X, et al. 2003. Study on attenuation law of ground motion induced by subway shock[J]. World Earthquake Engineering, 19(1): 83~87.
Xu Z G, Ren M, Yang Z Q, et al. 2002. Environment vibration measurement and analysis of first line Guangzhou subway[J]. Environment Technology, (4): 12~14.
陈国兴, 左熹, 王志华, 等. 2012. 可液化场地铁车站结构地震破坏特性振动台试验研究[J]. 建筑结构学报, 33(1): 128~137.
范文, 熊炜, 彭建兵, 等. 2010. 分段式地铁隧道穿越地裂缝带的模型试验研究[J]. 岩土工程学报, 32(1): 138~143.
葛世平, 姚湘静. 2015. 地铁振动荷载下隧道周边土体孔压响应特征研究[J]. 工程地质学报, 23(6): 1093~1099.
洪俊清, 刘伟庆. 2006. 地铁对周边建筑物振动影响分析[J]. 振动与冲击, 25(4): 142~145. DOI:10.3969/j.issn.1000-3835.2006.04.038
李霞, 杜修力, 路德春, 等. 2015. 双向水平地震作用下复杂地铁车站振动台模型试验的方案研究[J]. 防灾减灾工程学报, 35(3): 321~327.
李新生, 王静, 王万平, 等. 2007. 西安地铁二号线沿线地裂缝特征、危害及对策[J]. 工程地质学报, 15(4): 463~468. DOI:10.3969/j.issn.1004-9665.2007.04.006
李忠生, 高虎艳, 宋彦辉, 等. 2013. 西安地铁四号线沿线长安地裂缝研究[J]. 土木工程学报, 46(8): 98~104.
刘方翠, 祁生文, 彭建兵, 等. 2016. 北京市地裂缝分布与发育规律[J]. 工程地质学报, 24(6): 1269~1277.
刘卫丰, 刘维宁, DegrandeG. 2010. 地铁列车运行引起地表振动的预测模型及其试验验证[J]. 振动工程学报, 23(4): 373~379. DOI:10.3969/j.issn.1004-4523.2010.04.003
乔建伟, 彭建兵, 邓亚虹, 等. 2015. 临汾盆地地裂缝基本特征研究[J]. 工程地质学报, 23(5): 856~865.
孙萍, 彭建兵, 范文. 2008. 地裂缝错动对地铁区间隧道影响的三维离散元分析[J]. 工程地质学报, 16(5): 710~714. DOI:10.3969/j.issn.1004-9665.2008.05.025
陶连金, 李晓霖, 陆熙, 等. 2003. 地铁诱发地面运动的衰减规律的分析研究[J]. 世界地震工程, 19(1): 83~87. DOI:10.3969/j.issn.1007-6069.2003.01.014
徐忠根, 任珉, 杨泽群, 等. 2002. 广州市地铁一号线振动传播对环境影响的测定与分析[J]. 环境技术, (4): 12~14. DOI:10.3969/j.issn.1004-7204.2002.04.004