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1、 客运铁路路基穿越地裂缝带特性数值模拟 概述 第一章 绪论1.1 研究目的与意义我国最早的高速铁路建设始于 1999 年 8 月 16 日的秦沈客运 专线，与国外高速铁路建设相比，晚了 30 余年。但中国高铁发展 起步虽晚，但发展最快。中国铁路经过十多年坚持不懈的努力，我 国铁路通过技术创新，CTCS3 级列车运行控制系统及 RBC 设备 的成功运用，标志着我国高铁技术运用达到了世界领先水平，已形 成了具有中国特色的高铁技术体系，也为我国拥有自主知识产权的 高铁技术走走向世界奠定了坚实的基础。从 2004 年广深铁路的试验开行，2007 年和谐号动车组的广 泛运行，到 2012 年哈大高铁的正
2、式运营通车，再到 2013 年中国 高铁四纵干线的基本成型。因为高铁的运用普及， 去年中国铁路一共发送了高达 21 亿多人次的旅客，高速铁路发送 旅客达到了五亿之多，由此可见高速铁路的发送量高达总铁路发送 量的四分之一。高速铁路的不断发展，不仅拉近了城市间的距离， 拉动了城市间的沟通交流，更促进了国民经济的快速增长。高铁已 成为我国引以为豪的国家名片。可以预见，21 世纪是我国高速铁路 建设的高峰时期。其中，作为贯通山西南北，连接陕西的铁路快速 大动脉的大同西安客运专线高速铁路的建设将会实现太原 至大同或者运城两个小时乘高铁就可以到达，太原至西安、郑州、 北京乘坐高铁三个小时就可以到达的目标，
3、这样的话就积极推动了 陕西省和山西省及邻近地区社会经济的发展与沟通建设。这也是继 郑西高速铁路之后又一条穿越我国中西部黄土地区的客运 专线高速铁路。从搜集的史志资料整理统计，山西断陷各盆地内有 文字记载的地质灾害共计 82 条不包括地震形成的灾害），其中有 描述地裂缝出现或产生的记录 23 条，具体位置不详，判断主要分 布在历史地震震中、盆地边界的活动断裂附近。汾渭地堑地处黄河 流域的中游图 1-1），二十世纪中后期，地裂缝灾害十分严重1 -3 图 1-2）。.1.2 国内外的研究现状远在几千年前，中国人的祖先就早已对地裂缝有了初步的认识， 并且将其记载入了史书当中。在史记赵世家一书中，对地震
4、地 裂缝是这样描述的：秦始皇十六年公元前 231 年），代地 大动，自乐徐以西，北至平阴，台屋墙桓大半坏，地诉东西百三十 步。书中所说的代地，在今河北省蔚县境内，其所描述的地 裂缝，不仅有方向，而且还涉及到地裂缝的长度。后汉书五行志 指出，汉灵帝建宁四年公元 171），山西河东出现地裂 12 处，裂 合长十里百七十步，广者三十余步，深不见底。晋书本纪记载 着，晋怀帝永嘉三年公元 309 年），湖北当阳地裂三所，各所三丈， 长三百余步。在顺治新郑县志中，对地裂缝的描述又有所前进， 书中写着：明崇祯十三年公元 1640 年）秋，新郑县西南二 十里桐树张家庄地裂，阔二丈余，长三十余丈，井裂两开，水溢
5、出 。第二章 大西客运专线高铁沿线地裂缝概况2.1 区域性地质环境条件山西省多年降水量的平均值约为 853 亿 t，年平均降雨深度为 534mm。其中大部分地区的降水量在 400800mm 范围之间，降水 量以晋东南向西北方向逐渐呈递减的趋势。降水的分布随高程的垂 直变化是较为明显的，正所谓的山高雨大。山西地区的径流特征一 般是山区径流较大，盆地较小，例如五台山、云中山的年径流深在 200mm 左右，盆地却只在 25mm 以下。另外，关于山西地区的暴 雨情况分析结果是，该省暴雨地区的分布非常不均匀，南部暴雨频 繁量大，而北部次数少并且量小。暴雨主要能形成洪水，时间主要 集中在 7、8 月，在这
6、段时间，洪水与暴雨发生的时间相一致。另 外，从水资源量来看，山西省多年平均的地表水的资源量为 114 亿 m3，地下水的资源量为 93.25 亿 m3，地表的径流量主要集中在汛 期 7、8 月和 9 月这三个月，出现连续枯水年和连续的丰水年。旱 灾相当于洪水给山西造成了更大的损失，为了解决干旱问题，山西 地区严重开采地下水，这样就引起了地下水位的下降，导致漏斗范 围的不断扩大因此例如地裂缝，地面沉降等次生灾害就会频发。2.2 大西客运专线沿线的地裂缝的发育规律及特征山西断陷盆地地裂缝的出现可谓历史悠久，早在汉代就有历史文 献记载。进入现代，特别是二十世纪八十年代以来，随着人类工程 活动和地下水
7、的持续超采，加剧了地裂缝的活动，也诱发产生了新 的地裂缝图 2-4）。根据收集的资料和大西客运专线高速铁路地裂 缝勘察与评估报告41，我们得出了以下概况。太原盆地、临汾盆 地和运城盆地内与大西客运专线高速铁路线路相交或可能相交的地 裂缝位置及总体特征分别见图 2-5）、图 2-6）和图 2-7）。地裂缝 的成因类型主要有构造型断层蠕滑、隐伏断裂控制或影响）、湿陷 型和古地貌地形）控制型四种类型。高堆地裂缝位于临汾市尧都区 刘村镇高堆官场嘉泉一带图 2-8），始出现于 1976 年，基本沿 地貌单元边界展布。据当地村民介绍，当时该地裂缝如下图图 2- 9）。在大西客运专线高速铁路线路附近，裂缝
8、LF3）走向 85101，地表出露较明显，有串珠状陷穴。与线路相交段的 裂缝走向为 101，倾向南，倾角 80左右。线路附近开挖 的大探槽 LFTC3，长 20m、顶宽 10m、深 8m，探槽位置见图 2- 8）揭露该裂缝走向近东西，和线路呈大角度斜交，夹角 83左 右，相交于 DK515+460 附近。地裂缝 LF3 上宽下窄，地面显示 宽度 40cm，上部可见村民填埋的石头、衣物等杂物；裂缝近直立， 稍向南倾，并发育有分支裂缝，其中 LF3-3 裂缝将层淤泥质粉质 黏土错断 0.6m 左右，其形成时间相对 LF3 要早。探槽揭示的多 条裂缝和土层变化较大区域形成裂缝主变形带其中上盘主变形带
9、宽 度 6m，下盘宽度在 4m 左右），使层粉质黏土顶部向南倾斜， 落差接近 1.4m。探槽北侧深约 2m 处有地下水渗出，流量约 0.2L/min。第三章 客运专线高铁路基多角度斜穿地裂缝带的数值模拟213.1 高铁路基 15穿越地裂缝带的数值模拟 213.1.1 有限元计算模型的建立与参数选取 . 213.1.2 计算结果分析 263.1.3 小结 . 323.2 高铁路基 30穿越地裂缝带的数值模拟 333.3 高铁路基 45穿越地裂缝带的数值模拟 393.4 高铁路基 60穿越地裂缝带的数值模拟 453.5 高铁路基 75穿越地裂缝带的数值模拟 513.5.1 有限元模型的建立 . 5
10、13.5.2 计算结果分析 513.5.3 小结 . 563.6 一般规律性总结 56第四章 客运专线高铁路基正交穿越地裂缝带的数值模拟594.1 有限元模型的建立 594.2 计算结果分析 . 594.3 一般规律性总结 64第五章 防治措施建议66第五章 防治措施建议大西客运专线高速铁路在太原盆地主要穿越 8 条地裂缝地段或 带），相交或隐伏相交点有 14 处，其中活动比较强烈有东观变电 站 TY3）地裂缝，东六支地裂缝等，根据前面高铁路基不同角度斜 交和正交穿越地裂缝带的数值计算结果得出的规律性结论，结合目 前国内外已有地裂缝灾害防治的经验，对客运专线高铁工程防治地 裂缝地质灾害提出以下
11、措施和建议：1）采取避让措施。最优先选择的处理方式是选线的时候对地裂 缝带进行平行避让，从根本上规避地裂缝对高铁工程的影响，规避 距离可参考相关规范选取或根据实际地层情况进行分析计算确定。2）当客运专线高速铁路穿越地裂缝带的时候宜优先采用 以桥代路的方式进行，这样由于桥面之间都设有一定的变形 缝可以防止桥面本身塑性破坏，但同时必须采取有效措施防止桥面 大位移下错，并做好地裂缝通过位置处的沉降监测。结论大西客运专线高铁所经过的太原盆地地裂缝发育密集，灾害严重， 对其存在较大的影响和危害。本文通过野外实地调查，收集整理大 量现有资料，重点针对高铁沿线地裂缝，详细开展了高铁路基不同 角度穿越地裂缝带
12、的数值模拟计算，分析了客运专线高铁路基不同 角度穿越地裂缝带的轨道位移、砼板位移及应力应变、路基位移场 等性状，揭示了地裂缝活动对高铁路基的影响机制。主要结论如下：1）高铁路基不同角度斜交穿越地裂缝带时，随着斜交角度 的增大，轨道道床竖向沉降位移减小，当 大于 600 后沉降位移几乎相当，故当 大于 600 穿越地裂缝对于整个 路基影响最小，即在 900 垂直穿越的情况下，影响范围最小。建议 在实际工程中无法避让的地裂缝，在经济影响不大的情况下，最优 选择垂直地裂缝带穿越。2）高速铁路路基斜交穿越地裂缝带时，随着斜交角度 的增大，砼板沉降影响范围变得越来越小。砼板应力和应变曲线上 并没有反映很明显的客观规律。路基底板影响范围与交角 有如下关系见表 6-1。
