單雙層地鐵隧道結構抗錯斷性能對比分析

秦　昌, 代超龍， 孫　飛, 張志強

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

隨著我國經濟的發展，越來越多的城市開始發展軌道交通。大量地鐵隧道的修建，將無可避免的穿越活動斷層等復雜地質條件。大量資料表明，活動斷層錯動會對隧道產生拉壓彎剪扭等復雜的受力形態[1-3]。研究方法涉及理論分析、數值模擬和室內試驗，如熊煒等[4]采用數值模擬的手段，考慮了斷層錯動量、斷層傾角、隧道埋深以及隧道與斷層交角等4個主要因素，歸納總結了襯砌結構的破壞模式。朱小明等[5]基于有限差分軟件Flac3D分析了斷層角度對隧道縱向穩定性的影響。耿萍等[6]數值模擬和振動臺試驗研究了穿越活動斷層隧道縱向地震響應特性，邵潤萌[7]建立了圍巖-斷層-隧道體系模型和斷層-上覆土層-隧道模型，研究了活動斷層錯動下隧道結構的失效損傷和巖土失效擴展機理。

本文以烏魯木齊市軌道交通2號線為依托，對比研究了普通單層矩形結構隧道和雙層矩形結構隧道的抗錯斷性能，為穿越活斷層區明挖隧道斷面選擇方案提供思路，研究成果為軌道交通設計提供一定的參考。

1　工程概況

烏魯木齊市位于一級構造單元“博格達弧形隆起帶”中的二級構造單元“東天山隆起區”與“北天山強烈隆起區”的交匯部位，形成了一系列軸向北東—南西向的褶皺和斷裂。其中西山斷裂帶東段有北支(F4-1)斷層長度約6 km，未來百年內可能產生的最大垂直位錯量為0.65 m，該斷裂形成于中更新世中晚期，最新活動時間為晚更新世晚期，屬晚更新世活動斷裂。其基本的位移模式如圖1所示。

圖1　西山斷層垂直位移模式及基本參數示意

烏魯木齊軌道2號線的YCK17+812～YCK17+870穿越西山斷裂東段北支(F4-1)，斷層通過線路位置產狀N55°E/45°N，與線路夾角約為62°，該場地主要由洪積形成的第四系全新統粉土、圓礫、卵石和下伏的侏羅系泥巖、砂巖、礫巖構成。場地地表普遍分布厚度不均的人工填土。

2　數值模型建立及計算參數選取

2.1　計算斷面尺寸

明挖地鐵單層和雙層矩形結構的尺寸如圖2所示，頂板和底板厚度均為1.0 m，側墻厚度均為0.7 m，跨度均為14.86 m，單層矩形結構高度為8.15 m，雙層矩形結構高度為14.98 m，單層結構襯砌埋深為16.83 m，雙層結構襯砌埋深為10.0 m，即是中板到地表自由表面的距離和單層結構襯砌埋深一致。

2.2　有限元模型建立

建立單層和雙層矩形結構的三維分段式地層-結構模型。模型的整體尺寸為44.86 m×33.15 m×181.8 m，二者沿縱向劃分17個節段，單個節段10 m，從左往右依次編號-8～8號(圖3)，其中變形縫長度0.1 m。圍巖和襯砌結構采用Solid65單元，斷層面采用接觸單元模擬，襯砌結構外側與圍巖之間也建立接觸面。斷層上盤為22 m，下盤為22 m。邊界條件為左右邊界約束其x方向自由度，前后邊界約束其z方向的自由度，上邊界為自由面，下邊界的上盤約束其y方向的自由度，下盤施加y方向強制錯動位移0.65 m。其有限元模型如圖4、圖5所示。

(a) 單層矩形結構

(b) 雙層矩形結構圖2　明挖結構隧道斷面(單位：m)

圖3　計算模型編號

圖4　三維有限元模型

圖5　單層與雙層結構接觸模型

2.3　物理力學參數選取

根據地勘報告以及TB 10003-2005《鐵路隧道設計規范》確定模型結構和圍巖參數，隧道穿越西山斷層圍巖分級判定為V級，設為V級圍巖，圍巖-初支摩擦系數取0.5，斷層滑移面摩擦系數0.1。土體假設為理想彈塑性材料，采用相關聯流動的D-P屈服準則。不考慮水的作用。圍巖力學參數參考工程勘測資料，并結合規范要求，給出的圍巖物理力學參數如表1所示。

襯砌結構采用彈塑性本構模型，依據GB 50010-2010(2015年版)《混凝土結構設計規范》的4.1.4、4.1.5和4.1.8條規定，襯砌結構的混凝土相關參數指標如表1所示。考慮鋼拱架、鋼筋網共同作用，襯砌結構采用整體式配筋，把鋼筋等效為混凝土作用。

表1　襯砌結構物理力學參數

3　計算結果

3.1　變形規律對比

從圖6中可以看出，單層結構與雙層結構整體豎向變形規律基本一致，但雙層結構變形更加扭曲。二者的縱向變形主要發生在斷層面處。雙層結構的變形區域為-5～1號節段，最大豎向位移0.888 m。單層結構變形區域為-3～1號節段。最大豎向位移0.915 8 m，主要是雙層結構剛度太大，在相同錯距條件下，其變形量較小，變形范圍較大。

圖6　豎直位移云圖對比(單位：m)

3.2　應力規律對比

由圖7可知，單層結構與雙層結構受拉區域的分布位置大體相同，主要發生在斷層面附近下盤上頂板右側和上盤下底板左側(圖中未標出)上。雙層矩形結構上頂板受拉區域為-1～2號段，下底板受拉區域為-6～0號段，最大第一主應力發生在-1號段下底板左邊緣，峰值80.9 MPa。

單層矩形結構上頂板受拉區域為-1～1號段號段，下底板受拉區域為-5～0號段，最大第一主應力發生在0號段下底板左邊緣，峰值77.8 MPa。雙層矩形結構最大拉應力略大于單層矩形結構，受拉嚴重區域也比單層矩形結構大。

圖7　第一主應力云圖對比(單位：Pa)

由圖8可知，單層結構與雙層結構受壓區域主要發生在斷層面附近上盤上頂板和下盤下底板上，其中-1～1段下底板為受壓最嚴重區域。雙層矩形結構上頂板受壓區域為-8～0段，最大第三主應力發生在-1號段下底板內側左邊緣，峰值0.203 GPa。

圖8　第三主應力云圖對比(單位：Pa)

單層矩形結構上頂板受壓區域為-5～1段，最大第三主應力發生在0號段下底板內側左邊緣，峰值0.154 GPa，雙層矩形結構最大壓應力遠遠大于單層矩形結構，其上頂板受壓范圍也比單層矩形結構大。

由圖9可得，單層結構與雙層結構塑性應變區域基本一致，主要發生在斷層面附近襯砌結構的左右邊墻上。雙層結構塑性應變區最大塑性應變發生在-2號段右下邊墻外側，峰值0.889。

圖9　塑性應變云圖對比

單層結構最大第三主應力發生在-1號段下底板右下邊墻外側，峰值0.915，雙層結構最大塑性應變略小于單層結構。

4　結論

通過對比相同錯動條件下單層矩形隧道結構和雙層矩形隧道結構的抗錯斷能力，主要有以下結論：

(1)雙層矩形結構在最終錯動下的變形量比單層矩形結構變形量小，因為雙層結構縱向抗彎剛度較大；但雙層矩形結構縱向影響范圍比單層矩形結構大。

(2)雙層矩形結構的破壞程度和范圍要大于單層矩形結構。雙層結構受拉嚴重區域比單層結構大，最大壓應力遠遠大于單層結構，其上頂板受壓范圍也比單層結構大。

(3)雙層矩形結構塑性應變范圍大于單層矩形結構；單層結構的最大塑性應變產生區域更加接近斷層面處，因此單層結構主要是斷層面處發生破壞。

(4)對于明挖地鐵隧道穿越活動斷層區域時，設計時建議采用單層矩形隧道結構。