地裂缝地层中沥青混凝土复合衬砌隧道的力学响应分析

摘要

西安地铁修建在地裂缝分布的密集的地层中。随着活动地裂缝上、下盘土体位移错动，隧道衬砌结构将受到显著的附加应力和不均匀沉降作用，引起衬砌结构破坏和防渗设施失效。依此工程问题为背景，利用沥青混凝土材料的流变性、防渗性等优点，考虑改善衬砌结构受力条件，针对业已提出的沥青混凝土复合式衬砌结构隧道支护技术，应用有限差分数值计算分析方法，模拟隧道围岩土层结构、土的力学特性、开挖支护施工过程、沥青混凝土的粘-弹-塑性、地裂缝两侧土层的相对位移变化，进行了地裂缝隧道永久衬砌结构分缝支护、初次衬砌和永久衬砌中间复合无缝沥青混凝土衬砌的力学响应特性分析。
　　 本文以西安地铁2号线小寨至八里村隧道区间段穿越f8地裂缝的地铁隧道为研究对象，建立了三维有限差分计算模型。该模型采用Mohr-Coulomb模型描述土的变形和强度特性；采用摩擦接触面单元模拟地裂缝;采用弹性壳单元模拟初衬；采用弹性实体单元模拟永久衬砌结构，采用Cvisc流变模型描述复合衬砌沥青混凝土的粘-弹-塑变形特性。在上盘底部施加竖向均布位移作用的基础上，进行了三种沥青混凝土复合衬砌厚度的流变计算分析，得到了如下有益的认识。
　　 沥青混凝土复合衬砌能够抑制地裂缝错动位移条件下永久分缝衬砌结构的水平位移和旋转位移，减小衬砌结构在地裂缝附近的张拉挤压变形。沥青混凝土衬砌的流变变形调整和改善了永久分缝内衬的受力状态，减小了地裂缝附近衬砌结构的集中受拉受压作用，有利于保证衬砌结构在地裂缝错动位移作用下的安全运行。比较10cm、30cm和50cm三种沥青混凝土复合衬砌结构方案，随着沥青混凝土层厚度的增加，最大拉压应力逐渐减小，降低衬砌结构张拉挤压破坏的可能性。在地裂缝错动位移条件下沥青混凝土衬砌仍是连续整体结构，与分缝的永久结构共同承受附加应力，并且能够继续发挥防渗效果。建议在地裂缝处采用沥青混凝土复合衬砌结构的方案。