正交情况下地裂缝活动对地铁隧道影响的力学解析

The research stars with model test datum of effects of ground fissures activities on metro tunnel crossing orthogonally ground fissures , concludes disaster-caused mechanic problems reflected from model test datum. Then a mathematical analysis method is utilized to solve the problems , instead numerical method is used to find out law for the complicated problems. First, The analytic formulas for the spatial distribution and the magnitude of earth pressures of metro tunnel are attained ,which cross orthogonally ground fissures caused by ground fissures activities , utilizing the Differential Element Method considering Terzaghi’s arching effects. Based on the distribution and the magnitude of earth pressure for metro tunnel , the load structural process is used to compute internal force envelope of metro tunnel crossing sections, in order to obtain the most unfavorable conditions. For the internal and the sectional metro tunnel crossing ground fissures, the distributions of longitude internal forces and deformation are analyzed systematic under the different magnitude of gaps between tunnel and soil and the different boundary conditions, through using the Pasternak elastic foundation beam method. The results are a key point to study the effects of ground fissures activity on metro tunnel ,are guiding significance for hazard mitigation design of metro tunnel crossing ground fissures,and can be widely applied to save engineering investments and promote an reasonable and safe engineering design.

本研究拟从已有的正交情况下地裂缝活动对地铁隧道影响的试验资料分析入手，归纳出模型试验资料所反映的地裂缝致灾力学问题，然后通过数学解析的方法求解该问题，对复杂情况辅助以数值方法寻找规律。首先，采用水平微分单元法结合Terzaghi土拱效应原理，解析正交情况地裂缝活动引起的地铁隧道横截面土压力的大小和分布问题。通过地铁隧道土压力的大小和分布模式，结合荷载结构法，计算不同地裂缝活动量值隧道横截面的内力包络图，以期得到最危险工况。针对正交穿越地裂缝的整体式和分段式地铁隧道，采用Pasternaks双参数弹性地基梁法，系统解析其在不同隧道与土脱空量值和边界条件下（力和变形），隧道纵向内力和变形分布。本项目的研究成果是地裂缝活动对地铁隧道影响理论研究课题的重要环节，对于地裂缝带地铁隧道减灾设计非常有指导意义，并对节省工程投资，促进工程合理、安全的设计有着广阔应用前景。

由于过量开擦地下水，西安市地区孕育了14条地裂缝。地裂缝对地铁隧道建设产生了不可避免的影响。除了模式试验以外，本研究力图通过力学解析的方法提出地裂缝段地铁荷载的计算模式和分析方法。首先，采用水平微分单元法结合Terzaghi土拱效应原理，解析正交情况地裂缝活动引起的地铁隧道横截面土压力的大小和分布问题。通过地铁隧道土压力的大小和分布模式，结合荷载结构法，计算不同地裂缝活动量值隧道横截面的内力包络图，以期得到最危险工况。针对正交穿越地裂缝的整体式和分段式地铁隧道，采用Pasternaks双参数弹性地基梁法，系统解析其在不同隧道与土脱空量值和边界条件下（力和变形），隧道纵向内力和变形分布。研究结果表明，上、下盘隧道衬砌分别为拱顶和拱底轴力最大，拱腰和下拱腰处弯矩最大。弯矩沿着纵向分布分为正负弯矩区，分别存在两个弯矩峰值，最大的正弯矩位置恰好为悬空段中心点。值得注意的是，当悬空长度为20 m时，最大的正弯矩仅略小于容许的弯矩值45M/MN•m2。可以预见，若荷载值或悬空长度再稍有增大，将导致隧道结构弯矩达到或超过容许弯矩值，从而将引起结构的不安全。本项目的研究成果是地裂缝活动对地铁隧道影响理论研究课题的重要环节，对于地裂缝带地铁隧道减灾设计非常有指导意义，并对节省工程投资，促进工程合理、安全的设计有着广阔应用前景。