工程地质学报  2017, Vol. 25 Issue (6): 1624-1632   (5018 KB)    
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  • 收稿日期:2017-09-23
  • 收到修改稿日期:2017-10-23
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    孟振江
    彭建兵
    黄强兵
    郭瑞
    宋彦辉
    黄树华
    基于断裂错动引起地铁隧道的变形响应研究
    孟振江①②, 彭建兵①②, 黄强兵①②, 郭瑞, 宋彦辉①②, 黄树华    
    ① 长安大学地质工程与测绘学院 西安 710054;
    ② 西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室 西安 710054;
    ③ 中铁第一勘察设计院集团有限公司 西安 710043
    摘要:以西安地铁隧道穿越骊山山前断裂为研究原型,分析了该断裂的活动特征,并基于近场区地震危险性分析结果,对断裂黏滑活动可能产生的地表最大垂直位错量进行了预测;运用数值模拟方法,研究了断裂错动造成地层与隧道的变形响应特征,并对分段隧道结构受损的临界位错量值进行了分析验证;计算了断裂活动的影响范围,确定了地铁隧道穿越断裂带的主要设防区域。研究结果表明,随着断裂位错量的增大,上盘地层的沉降响应表现较明显,上下盘地层的差异沉降区域集中在断裂带附近,并呈"倒三角"形状逐渐向两侧扩展;当断裂位错量大于20cm时,上下盘远离断裂带的地铁隧道差异沉降尤为严重;当上盘沉降量达到50cm时,相邻分段隧道产生拉张、位错破坏;基于隧道拱顶处地层的竖向位移变化特征,得到地铁隧道穿越该断裂带的最小纵向设防长度为上盘40m、下盘15m,经对比验证,数值模拟计算结果与现场勘察结论一致;最后提出了相应的设防建议措施。
    关键词断裂活动    地铁隧道    数值模拟    变形响应    设防长度    
    STUDY ON DEFORMATION RESPONSE OF METRO TUNNEL BASED ON FRACTURE DISLOCATION
    MENG Zhenjiang①②, PENG Jianbing①②, HUANG Qiangbing①②, GUO Rui, SONG Yanhui①②, HUANG Shuhua    
    ① College of Geology Engineering and Geomatics, Chang'an University, Xi'an 710054;
    ② Key Laboratory of Western Mineral Resources and Geological Engineering, Ministry of Education, Xi'an 710054;
    ③ China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd., Xi'an 710043
    Abstract: Piedmont fracture of Mount Li that Xi'an metro tunnel pass through was taken as research prototype, and the activity characteristics were analyzed, and the biggest vertical displacement of the ground surface by the fault sticky slip activity was forecast based on the risk analysis results of earthquake in near field. The responsive deformation and failure characteristics of stratum and subway tunnel caused by fracture dislocation were studied by using numerical simulation method, and the critical dislocation amount of section tunnel structure damaged was analyzed and verified; the influence range of fracture activity were calculated, and the main fortification area of the subway tunnel crossing the fault zone was determined. Research result shows that the settlement response of stratum on the hanging wall is more obvious with the increase of the amount of fracture dislocation, differential settlement areas of stratum between the hanging wall and foot wall are concentrate near the fracture zone, which extend to both sides taking on the shape of "inverted triangle" gradually. When the amount of dislocation is greater than 20cm, the differential settlement of metro tunnel between the hanging wall and foot wall is particularly serious; the adjacent sectional tunnels appear tension and dislocation phenomena when the dislocation of hanging wall is 50cm. Based on the changing characteristics of the stratum vertical displacement at the tunnel vault, the least longitudinal fortified lengths of subway tunnel passing through the fault zone are get, which are 40m on the hanging wall and 15m on the footwall. The experimental results are consistent with the field investigation results after contrasting and verifying. Finally, corresponding proposed measures for fortification are put forward.
    Key words: Fracture activity    Metro tunnel    Numerical simulation    Deformation response    Fortified length    

    0 引言

    国内外许多城市的地铁隧道线路都无法避免地要穿越活断裂,而断裂活动引起的地层位错或断裂黏滑产生的永久性地表位移可导致地铁轨道变形、隧道衬砌结构开裂及防渗设施受损等破坏,会给浅埋的地铁隧道结构造成巨大的危害,严重威胁列车的运行安全(Kontogianni et al., 2003)。断裂错动对地铁隧道的影响引起了广大学者的高度关注,国内外大量研究成果表明,断裂错动会给穿越的埋地隧道带来严重危害,必须进行必要的设防(Anastasopoulos et al., 2008; Chen et al., 2010)。在工程设防应对措施方面,美国洛杉矶城市地铁隧道穿越Hollywood活断裂时采用了扩大断面的结构处理措施,将隧道衬砌断面尺寸由6.0m扩大到了8.5m(Stirbys et al., 1999);土耳其某隧道穿越North Anatolian断层被建议采用柔性和刚性支护结合的方法进行设防施工(Dalgic,2002);在模拟试验研究方面,有关专家通过缩尺模型试验研究了断层活动对隧道稳定性的影响,认为隧道的变形破坏程度随其与断层距离的增大而减小(Jeon et al., 2004);也有学者通过砂箱模型试验和数值模拟分析研究了逆冲断层对隧道的破坏特征,认为位于断层上盘的隧道比下盘隧道更易变形破坏(Lin et al., 2006)。相比国外,国内相关工程的研究经验较少,可借鉴的成果也不多:针对广州地铁工程穿越活断裂问题,有学者提出布设地铁车站时应尽量避开断层,否则应采取结构抗震及有效的支护和止排水等设防措施(吴辉,2006);赵颖等(2014, 2016)采用有限元分析方法对活断层区地铁隧道的埋置深度与结构受损的关系进行了研究,认为在正断层位错影响下,隧道埋深为8m时的衬砌结构震害程度最大,衬砌结构出现损伤的区域主要发生在活断层附近的一定范围,且在拱顶部位损伤最严重;有关正断层错动导致地铁变形的研究表明,隧道拱顶衬砌在基岩下盘出现受拉区,上盘出现受压区(黄芸等,2015);受到隧道周边土体挤压,隧道衬砌跟着发生变形,从而引起隧道内力变化,且隧道水平位移随上盘下沉位移的增大而增加(吴明等,2015);通过对乌鲁木齐轨道交通2号线区间隧道穿越活断层的研究,认为在地层剪切力与土层沉降作用下,结构在边角处产生应力-集中(张海龙,2016)。可见,断裂活动对地铁隧道的影响不容忽视,上述研究成果对西安地铁穿越断裂带及相应的防治研究具有一定的借鉴意义,但总体来看,国内外相关研究多在断裂活动引起隧道的病害分析及影响方面,虽得出了一些定性结论,但研究成果缺乏普遍性,难以用于指导具体的工程实践和结构设防,针对断裂活动引起地铁隧道的变形响应特征研究仍显不足。由于地铁隧道工程穿越活断裂的研究面临很多复杂问题,如断层破裂机制较复杂、活断裂黏滑发震引起地表位错量预测较难及试验结果离散性较大等,且已有研究中针对断裂上下盘错动对地铁隧道的具体影响范围的研究也鲜有涉及,对相关结构设防参数的可靠性尚未进行针对性的分析验证,相对应的理论计算模型尚显缺乏,同时在隧道结构防护的措施研究方面也涉及不多,这都给地铁隧道的施工、运营造成了不利因素。

    活断裂引起的地层错动、隧道结构变形响应和断裂活动产生的地震地表永久位移的估算对地铁工程的选址、灾害预测以及地震应急有重大意义,是隧道结构抗裂设计的前提和基础。基于此,本文在前人研究成果基础上,以西安地铁9号线(临潼线)区间隧道工程穿越骊山山前断裂为研究背景,在分析该断裂带活动特征的基础上,对其在地铁设计使用期内断裂黏滑发震产生的最大地表位错量进行了预测;采用数值模拟方法,研究了地层与地铁隧道在不同断裂位错量下的变形响应特征,确定了地铁隧道在与断裂带交汇区域的纵向设防长度,最后提出了相应的结构应对措施,并对两种结构设防方案进行了比较,以期能为该工程的合理设防提供科学依据。研究成果对西安地铁隧道穿越断裂区域的结构设计与施工具有重要的指导价值和现实意义,也可为其他地铁线路穿越活断裂的抗裂、抗震设防提供参考。

    1 研究背景
    1.1 断裂基本特征

    西安地铁9号线设计线路沿线的地球物理勘探结果表明,骊山山前断裂西延伸段在芷阳五路和芷阳广场站区间近正交穿越地铁线路(图 1)。断裂整体走向NW50°,倾向NE,倾角为75°,北东盘相对下降,为正断层;钻孔剖面资料显示该区域中更新世古土壤地层有明显的错断现象,与浅层地震勘探的异常位置吻合,古土壤底界位错相对高差达到了3.5m;全新世底部黑垆土地层可见破裂面,存在变形错断迹象,断距达1.5m,反映了全新世以来断层两侧存在差异活动。

    图 1 地铁线路穿越断裂带平面示意图 Fig. 1 Schematic diagram of subway line crossing fracture zone

    1.2 地表最大垂直位错量预测

    断裂黏滑活动通常以地震方式释放能量,引起周围岩土体的振动,往往产生较大的近地表破裂。在地铁设计使用期内(100a),未来断裂黏滑作用可能产生的地表最大垂直位错量的预测可根据中国西部地区地震的经验关系式估算:

    M=6.3696+0.4879lgL+0.4697lgD

    其中,M为震级;L为断裂带长度;D为位错量(邓起东等, 1992a, 1992b叶文华等,1996)。

    西安地铁9号线近场区地震安全性评价结果认为未来100a内该地区主要以中小震为主,但具备发生7级地震的构造条件。骊山山前断裂带长度为45km,计算得到地铁设计使用期内骊山山前断裂带黏滑发震引起的地表最大可能垂直位错量为0.422m,考虑到地铁工程为重要生命线工程,按照最大危险性原则,在隧道结构抗裂设计中预测位移量小于0.5m时按0.5m取值,故西安地铁9号线穿越骊山山前断裂带的地表最大预测垂直位错量按0.5m考虑(王景明,1985黄强兵,2009彭建兵等,2012)。

    2 数值模拟计算
    2.1 依托工点的地层岩性

    计算选取位于地铁线路芷阳五路站—芷阳广场的区间隧道为依托工点,地层岩性(表 1),模拟计算时将土层模型简化为单一均质土体。

    表 1 地层岩性 Table 1 Lithology of stratums

    2.2 建立模型
    2.2.1 模型尺寸

    数值计算模型的长、宽、高为240m×100m×50m,即沿y轴方向240m,x轴方向100m,z轴方向50m,断裂倾角取75°(图 2)。

    图 2 数值计算模型 Fig. 2 Model of numerical calculation

    2.2.2 断裂活动与隧道衬砌模型

    设置隧道拱顶埋深19m,断面采用马蹄形断面,隧道计算模型横断面(图 3),断裂和隧道的空间关系(图 4)。为保证在较大错动量下,结构本身不会出现较大的应力集中,特布设特殊变形缝,采用分段式隧道柔性连接穿越断裂带区域,设置与断裂带相交的3个分段隧道长度均为15m,两侧为整体式隧道。现场勘察结果表明该断裂带表现为内部填充有多种岩土颗粒的狭长裂隙,由于断裂活动时,上盘沿断裂面的沉降滑动会引起裂隙中的颗粒产生剪切、挤压作用,造成上、下盘互相嵌入或者脱空,故引入有限元模拟软件GTS中的Interface接触面模拟,该接触单元有很好的力学特性,可模拟黏结滑移;隧道衬砌采用GTS中的结构单元模拟,易实现隧道的内力分析。

    图 3 隧道计算模型横断面图 Fig. 3 Cross section of tunnel calculation model

    图 4 断裂带和隧道的空间关系图 Fig. 4 Spatial relationship of fracture zone and tunnel

    2.3 计算参数

    数值模拟采用莫尔-库仑弹塑性本构模型,根据实地岩土工程勘察报告,计算参数(表 2表 3)。

    表 2 地层计算参数 Table 2 Calculation parameters of stratums

    表 3 隧道单元计算参数 Table 3 Calculation parameters of tunnel unit

    2.4 边界条件与计算工况

    由于该断裂的活动方式是上盘下降而下盘相对稳定,数值计算时,模型前后两端和左右两侧分别施加水平方向的位移约束,断裂下盘的底部施加竖直向位移约束,而其上盘底部为可控活动边界,在上盘底部施加强制位移来控制和模拟断裂上盘的沉降过程及垂直位移量。根据前面的计算结果,数值模拟时地铁区间隧道的结构抗裂预留位移量按50cm来设置,为得到更多的验证及全面分析断裂位错引起的地铁隧道的变形破坏响应情况,计算工况选取断裂上盘依次沉降5cm、10cm、20cm、50cm、80cm、100cm。

    3 试验结果分析
    3.1 地层变形响应分析

    不同断裂错动量作用下的地层变形云图(图 5),可以看到:随着断裂错动量的增大,上盘地层整体的沉降变形量随之增大,断裂带的存在使得稳定盘下盘所受的影响较小;当断裂错动5cm时,上盘地层的沉降量随其与断裂带距离的增大而增大,且深部地层的沉降量比浅部地层大;当断裂位错量超过10cm后,上盘整体地层的沉降变形响应表现得尤为明显;当上盘沉降量超过50cm后,上下盘地层底部在断裂带两侧呈明显的“台阶状”位错;随着上盘地层沉降量的不断增加,上下盘地层差异沉降明显的区域集中在断裂带附近,且呈“倒三角”形状逐渐向两侧扩展,造成在地表的影响范围持续增大。

    图 5 不同沉降量下的地层变形云图 Fig. 5 Strata deformations under different settlements a.上盘沉降5cm;b.上盘沉降10cm;c.上盘沉降20cm;d.上盘沉降50cm;e.上盘沉降80cm;f.上盘沉降100cm

    3.2 地铁隧道变形响应分析

    断裂错动引起的地铁隧道变形云图(图 6),可以看到:受断裂错动产生的挤压、拉张、脱空等作用,即使在上盘沉降量很小的情况下分段隧道依然发生明显的位移变化,沉降变形响应强烈,两侧远离断裂带的整体式地铁隧道由于自身的刚性约束作用,差异沉降量较小,保持整体稳定沉降;随着断裂错动量的增加,上下盘隧道整体的差异沉降量越来越大,下盘隧道左边界逐渐出现了向上翘曲的现象;当上盘沉降20cm时,两侧整体隧道的差异沉降表现得较为突出;当位错量超过50cm时,由于差异沉降量过大,导致相邻分段隧道结构出现了明显的拉张、位错现象,同时引起整体式隧道结构受损。

    图 6 地铁隧道变形云图 Fig. 6 Deformations cloud figure of subway tunnel a.上盘沉降5cm;b.上盘沉降10cm;c.上盘沉降20cm;d.上盘沉降50cm;e.上盘沉降80cm;f.上盘沉降100cm

    3.3 隧道纵向位移分析

    地铁隧道的纵向位移变化曲线(图 7),可见:随着上盘沉降量的增大,在断裂带附近的分段隧道的沉降位移变化相对较大,两侧远离断裂带区域的整体隧道的差异沉降较小;当垂直位错量大于20cm后,上下盘远离断裂带区域差异沉降表现突出;当断裂位错量达到50cm时,分段隧道及上盘整体式隧道的沉降位移超过了50cm,说明该工况已超过了结构抗裂预留的最大垂直位移量,必然造成柔性接头断裂,导致分段隧道及两侧整体式隧道结构严重受损;随着上盘沉降量的继续增大,分段隧道与上盘整体隧道的纵向位移也不断加大。可知在地铁与断裂带交汇区域,布设3段分段隧道设置特殊变形缝进行设防的情况下,当断裂位错量达到50cm时,穿越断裂带的隧道结构仍不安全。

    图 7 隧道纵向位移变化曲线 Fig. 7 Changing curves of vertical displacement of tunnel

    3.4 隧道穿越断裂的纵向设防长度

    断裂活动引起地铁隧道拱顶埋深处地层的竖向位移变化曲线(图 8),可以看出,在上盘持续沉降5~100cm后,断裂下盘的地层基本稳定,上盘由于施加了向下的位移,地层产生了相应沉降,且位移量越大,上下盘的差异沉降范围越大;隧道拱顶埋深处地层的竖向位移变化量随断裂错动量的增加而增大,差异沉降最大的区域在断裂带附近,主要集中在上盘靠近断裂的一侧,远离断裂的区域基本呈现均匀沉降,当上盘沉降量达到50cm时,地层位移变化增量突然增大。

    图 8 隧道埋深处的地层竖向位移变化曲线 Fig. 8 Changing curves of stratum vertical displacement at tunnel depth

    通过计算分析得到,上盘差异沉降突出的区域为沿隧道拱顶埋深处地层的轴向方向上120~160m的范围,尤其是最大地震7级对应的地层位错50cm时地层的差异沉降较明显,即上盘40m范围内地层的沉降变形较大,而上盘远离断裂处基本呈现均匀沉降,故地铁隧道穿越断裂带时上盘的纵向设防长度不应小于40m;下盘位移变化主要在沿轴向105~120m的范围,即下盘地层变形较大的影响区域范围为15m,该结果与地铁隧道穿越西安3类勘察场地地裂缝的下盘影响带宽度为15m一致(孟振江等,2017)。另外,自20世纪70年代早期,美国加利福尼亚州、新泽西州等地区都出台了相关措施,要求所有拟建的建筑物须距离断裂带至少15m(约50英尺),即断裂上下盘最小安全避让距离为15m;西安地裂缝场地地脉动响应特征表明,地裂缝上下盘的放大效应影响范围为15m(张磊刚等,2017);加上沿线的地震安全性评价也验证了上述结果,野外调查发现骊山山前断裂在上、下盘地表的主要影响带宽度分别为40m和15m,与数值计算结果较吻合。综合分析认为,在与断裂走向垂直的方向,断裂带上盘40m、下盘15m的范围应为主要设防区域,即西安地铁9号线穿越骊山山前断裂西延伸段的纵向最小设防长度为:上盘40m,下盘15m。

    4 隧道结构应对措施

    按照《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)要求,拟建线路穿越断层时必须考虑断层错动的影响,须进行必要的避让或采用柔化结构进行跨越。在地铁设计使用期内,隧道通过断裂带时以结构适应断裂活动变形为主,采取“防”、“放”结合的原则,其中“防”即扩大隧道的结构断面和局部衬砌加强,“放”即在跨断裂带区段的隧道结构采用分段设变形缝与柔性接头结构进行处理(黄强兵等, 2010a, 2010b)。根据数值模拟结果,穿越骊山山前断裂的地铁分段区间隧道应增加特殊变形缝的设置数量以消耗断裂位错引起的大变形,同时在断裂上、下盘要适当增大纵向设防长度,在设防范围内可参照地铁工程穿越地裂缝带的结构措施进行类似的抗裂设计(黄强兵等, 2010a, 2010b孟振江等,2016)。

    建议采取在地铁线路穿越断裂的分段隧道内预留足够净空的设防方案,以保证断裂活动引起地层错动后仍能通过线路的调坡来确保行车安全,同时须扩大隧道衬砌断面并预留注浆孔,另外过断裂带时地铁隧道采取分段设缝、柔性接头连接,可采用双层衬砌,在双层防水层中间增设钢板,或复合式衬砌局部加强的措施以确保结构强度。此结构设防方案的优点是可加强结构整体刚度,能较好地承受外力,对二衬结构可起到缓冲保护作用;缺点是钢板易受水的腐蚀,受力变形后,钢板有发生错动戳穿防水层的可能;也可采取另一种结构方案,即设计隧道衬砌结构扩大断面尺寸不少于50cm,然后在断裂带设防范围内的结构二衬内侧加设厚钢板,钢板的变形缝与二衬变形缝须对应布设。此结构设防方案的优点是在加强结构的整体刚度的同时可减少纵向裂缝,且方便后期再做内衬;缺点是施工相对麻烦,在变形缝节点处要预留孔洞,另外受力变形后,钢板在变形缝处易发生错动。

    5 结语

    (1) 基于骊山山前断裂带活动特点和近场区地震危险性分析,通过经验公式计算得到,在地铁设计使用期内该断裂黏滑发震引起的地表最大垂直位错量为0.422m。

    (2) 数值模拟计算结果表明,随着上盘地层沉降量的不断增加,上下盘地层差异沉降明显的区域集中在断裂带附近,且呈“倒三角”形状逐渐向两侧扩展,造成在地表的影响范围持续增大。

    (3) 在断裂错动量很小的情况下,地铁分段隧道依然出现明显的变形现象,且上下盘隧道的差异沉降量随断裂错动量的增加而增大;当断裂位错量超过50cm时,相邻分段地铁隧道出现拉张、位错现象,试验结果表明在仅设分段隧道但不采取其他结构措施的情况下,断裂位错量达到50cm时,穿越断裂带的分段隧道结构仍不安全。

    (4) 基于断裂错动引起隧道拱顶埋深处的地层竖向位移的变化特征,并结合其他手段获取的结果,综合分析得到西安地铁9号线穿越骊山山前断裂带的最小纵向设防长度为上盘40m、下盘15m。

    (5) 建议在穿越断裂带区域的地铁分段隧道须增加特殊变形缝及柔性连接进行结构处理,同时应扩大隧道的结构断面与预留净空等结构防治措施,以适应断裂错动引起的大变形。

    参考文献
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