活動正斷層錯動斷裂帶對地鐵隧道的影響分析

李有兵，張 亮，余 浩，趙慧玲

（1.山西工程職業學院，山西 太原 030001；2.中鐵十二局集團第二工程有限公司，山西 太原 030032；3.上海大學，上海 201900）

1 工程概況

太原市地鐵1 號線一期工程為太原市軌道交通線網主骨架線路，全長28.575km，共設車站24 座，全部為地下站，線路自金陽路站～小井峪站區間先后穿越相距256m 的交城F1-1、F1-2兩條活動斷裂，下穿西中環街、側穿西中環高架橋橋樁，上跨東晉隧道同時下穿閻家溝橋后接入小井峪站。區間范圍地勢西高東低，設防段頂覆土約8m，地下水位約7～10m，隧道主要穿過的地層為碎石土、礫砂、黏質粉土、粉質黏土層。

2 模型的建立

地震時，斷層錯動達到一定程度，對既有的隧道結構造成破壞。通過電測深剖面顯示，線路通過交城斷裂處新生界下伏基巖埋深在150m 以上，伏地層的剪切波速不小于500m／s。故以覆蓋層厚度150m 進行數值模擬，探求并研究金小區間線路縱向影響長度和地鐵隧道處的位錯量。通過對交城活動斷裂現場勘察，發現斷裂是狹長的裂隙，縫隙中充填多種顆粒，具有一定張開量。類似地裂縫，當上盤下沉時，沿著斷裂面錯動，必然會對裂隙中的顆粒擠壓和剪切，同時造成上下盤互相脫空或嵌入。引入接觸面，采用FLAC3D 有限差分軟件，模擬粘結界面、粘結滑移、庫侖滑動，其模擬接觸面的接觸單元，有著很好的力學特性。

搭建3 種模型方式，分別是上盤整體下沉型、上盤基巖影響帶寬度下沉型、基巖以45°角梯形體掏空型（圖1），隧道頂埋深約8m，斷面采用矩形斷面，隧道襯砌采用結構單元，較容易實現隧道內力分析，符合彈性力學板彎曲理論，斷層傾角68°，采用FLAC3D 中的結構單元模擬隧道襯砌進行數值計算。

圖1 技術路線

巖土材料的本構關系依賴巖土的數值分析，本構模型的合理性和實用性決定巖土問題數值分析的精度。故本次數值模擬采用摩爾-庫侖（M-C）彈塑性本構模型。通過地層分析，對模型簡化，目的是分析斷裂帶在預測活動量值錯動作用下的地鐵隧道變形。

2.1 計算參數

金陽路站-小井峪站區間為西山山前傾斜波狀沖洪積平原，地表多為第四紀人工填土（Q4ml），其下為第四紀全新統沖洪積（Q4al+pl）、第四系上更新統沖洪積層（Q3al+pl）、第四系中更新統沖洪積層（Q2al+pl）。在模型計算模擬過程中，參考區間巖土工程勘察報告，得出模擬時采用的計算參數，地基土設計參數參考值，砂土、碎石土顆粒組成見表1。

表1 計算參數

2.2 計算位錯量工況

為探求縱向設防長度變化的趨勢，交城斷裂F1-1、F1-2 新生界下伏基巖的上盤位錯量工況下，垂直位錯量分別為16cm、21cm、41cm、53cm、58cm、75cm。

2.3 覆蓋層厚度150m的數值模擬

通過搭建斷層上盤整體下沉型、上盤基巖影響帶寬度下沉型、基巖以45°角梯形體掏空型3種模型，覆蓋層厚度按照150m 計算，數值模擬地鐵隧道通過F1 斷層后產生的影響。

2.3.1 上盤整體下沉型的數值模擬

上盤整體下沉型模型是指以斷層為界，斷層下盤不動，上盤整體下沉。斷裂帶和隧道分別采用FLAC3D 中Interface 和結構單元模擬。模型尺寸：240m×175m×40m（長×寬×高），即沿著X軸方向240m，Y軸方向175m。數值計算模型左右兩側和前后兩端分別施加X方向和Y方向水平位錯約束，斷裂下盤底部施加豎直方向即Z方向位錯約束，上盤底部為可控活動邊界。模型中上盤下降，下盤穩定，在上盤底部施加強制位s 來控制和模擬斷裂上盤的下降過程和垂直位錯量。從斷裂錯動量10～50cm 變化時，隨著錯動量的增加，地層變形隨之增大。但從圖2 也可以看出，斷層破壞具有上盤效應，斷裂發生時，斷層下盤幾乎不受影響，差異沉降最大的地方是在斷裂錯動地段，當豎向沉降量分別在10cm、20cm、30cm、40cm、50cm 時，地面差異沉降區域分別在35m、50m、65m、77m、90m 左右，地面差異沉降影響范圍集中在沉降盤上盤靠近斷裂一側（表2）。

表2 隧道埋深處地層豎向變形量表

圖2 隧道埋深處的地層豎向變形曲線

從隧道埋深處的地層豎向變形曲線可以看出，在10～50cm 這幾種工況下，沉降盤（斷層上盤）都有相應沉降，而下盤影響帶范圍較小。沉降影響帶主要集中在斜率變化處，強制位錯量越小，差異沉降范圍越小，按照斜率變化的范圍，可以看出，上盤下沉10cm、20cm、30cm、40cm、50cm 時，隧道下盤影響寬度分別在20m、30m、40m、50m、60m 左右，隧道上盤影響寬度分別在4m、8m、13m、15m、18m 左右，地鐵隧道處差異沉降影響范圍基本集中在沉降盤（斷層上盤）靠近斷裂一側（圖3）。

圖3 斷裂錯動下地鐵隧道變形曲線

以上模型僅能大致了解上盤整體下沉幅度，不能精確確定影響帶寬度，通過模型改進，模擬不同基巖位錯量條件下影響帶寬度與沉降量，從圖4 地層豎向變形曲線，結合表3，可以得出在16cm、21cm、41cm、53cm、58cm、75cm 這幾種工況下，斷裂帶在隧道處上盤影響帶寬度分別為20m、30m、40m、50m、60m、100m，斷裂帶在隧道處下盤影響帶寬度分別為5m、10m、15m、18m、20m、35m 左右，隧道處差異沉降影響范圍基本集中在沉降盤上盤靠近斷裂一側，沉降量分別為0.01m、0.015m、0.12m、0.22m、0.25m、0.33m。斷裂帶在隧道處上盤影響帶寬度分別為5m、10m、15m、18m、20m、35m 左右，隧道處差異沉降影響范圍基本集中在沉降盤上盤靠近斷裂一側，沉降量分別為0.006m、0.01m、0.015m、0.018m、0.02m、0.03m。

表3 斷裂錯動下模型地表豎向變形量表

圖4 斷裂錯動下地表豎向變形曲線

2.3.2 上盤基巖影響帶寬度下沉型數值模擬

上盤基巖影響帶寬度下沉型模型的數值模擬，按照下沉帶寬度分別是25m、50m、75m 寬3 種工況模擬。計算模型：240m×175m×170m（長×寬×高）。

1）采用上盤基巖影響帶寬度25m進行的數值模擬。數值模擬顯示，斷裂活動引起地表變形基巖斷裂錯動量從16～75cm 變化時，隨著斷裂錯動量的增加，地層變形跟著增大。從圖5 隧道埋深處的地層豎向變形曲線可以看出，由于斷裂帶的存在，差異沉降最大的地方是在斷裂錯動地段，差異沉降區域約在175～225m 范圍內，也就是說地面差異沉降在斷裂一側影響范圍約為25m。斷裂基巖位錯量越小，隧道處差異沉降范圍越小。從斷裂活動引起隧道埋深處地層變形特征來看，針對活動斷裂基巖位錯量的不同，斷裂帶上盤縱向設防長度也各異，具體見表4。根據野外對斷層影響帶寬度調查結果揭示的“斷層上盤效應”，類比可知，正斷層上盤影響帶寬度應為下盤影響帶寬度的5 倍；根據數值模擬結果，當基巖錯斷量在16cm 時，地鐵隧道處斷層上盤縱向設防長度為25m，斷層下盤縱向設防長度為5m，地鐵隧道處最大變形量僅為2cm；當基巖錯斷量在41cm 時，地鐵隧道處斷層上盤縱向設防長度為35m，斷層下盤縱向設防長度為7m，地鐵隧道處最大變形量僅為5.5cm。

表4 地層位錯量與地表最大變形（單位：cm)

圖5 基巖斷裂錯動下隧道埋深處的地層豎向變形曲線

2）采用上盤基巖影響帶50m 寬度數值模擬。數值模擬結果顯示，斷裂活動引起地表變形斷裂錯動量從16～75cm 變化時，隨著斷裂錯動量的增加，地層變形跟著增大。從圖6 隧道埋深處的地層豎向變形曲線可以看出，由于斷裂帶的存在，差異沉降最大的地方是在斷裂錯動地段，當豎向沉降量達到2cm 時影響區域（差異沉降區域）約在170～230m 之間，地面差異沉降影響范圍約為60m，分配到斷層上盤處，縱向設防長度為30m。幾種工況計算后，斷裂帶由于施加強制位錯，產生相應沉降，可以明顯看出，強制位錯量越小，差異沉降范圍越小。

圖6 斷裂錯動下模型隧道埋深處的地層豎向變形曲線

3）采用上盤基巖影響帶75m 寬度數值模擬。數值模擬結果顯示，斷裂活動引起地表變形斷裂錯動量從16～75cm 變化時，隨著地裂縫錯動量的增加，地層變形跟著增大。從圖7 隧道埋深處的地層豎向變形曲線可以看出，幾種工況計算后，斷裂帶由于施加強制位錯，產生相應沉降，可以明顯看出，強制位錯量越小，差異沉降范圍越小。從斷裂活動引起隧道埋深處地層變形特征來看，地表豎向沉降量在0.05m 時，在斷裂帶175～230m 范圍為主要設防地段。

圖7 斷裂錯動下模型隧道埋深處的地層豎向變形曲線

2.3.3 上盤基巖以45°梯形體掏空型的數值模擬

斷裂錯動量最大為75cm 時，在此工況下，地表變形為零。

3 結論

通過不同工況、不同模型的數值模擬，得到交城斷裂在100 年內發生不同位錯量時，在地鐵隧道埋深處上下盤影響帶寬度和縱向沉降量變化見表5。

表5 隧道埋深處縱向沉降量與影響帶寬度

在100 年設防期間內，依據取最大值原則，F1-1 斷層上盤影響帶寬度為20m，斷層下盤影響帶寬度為6m；F1-2 斷層上盤影響帶寬度為60m，斷層下盤影響帶寬度為20m；距斷層越遠，隧道處位錯量越小。

通過以上綜合分析，提出太原地鐵1 號線穿越交城斷裂100 年內縱向設防長度與位錯量值如下。

1）F1-1 斷層水平黏滑蠕滑位錯量取值為0.05m，F1-1 斷層垂直黏滑蠕滑速位錯量取值為0.15m；F1-2 斷層水平黏滑蠕滑位錯量取值為0.13m，F1-2 斷層垂直黏滑蠕滑位錯量取值為0.47m。距斷層越遠，隧道處位錯量越小。

2）F1-1 斷裂兩側設防范圍：上盤設防長度20m，下盤設防長度10m；F1-2 斷裂兩側設防范圍：上盤設防長度60m，下盤設防長度20m。

3）F1-1 斷裂兩側重點設防范圍：上盤設防長度20m，下盤設防長度10m；F1-2 斷裂兩側重點設防范圍：上盤設防長度40m，下盤設防長度10m。

為降低活動斷裂帶對運營安全的影響程度，太原地鐵1 號線區間穿越交城活動斷裂帶采用全明挖法施工，設防段約380m結構采用分段設縫、擴大段面的矩形結構形式，矩形斷面寬7.1m，高8m。分段設縫接頭采取且形止水帶和U 型止水帶多道柔性防護的柔性接頭。區間穿越交城斷裂帶的強影響區分段設縫間隔取10m，弱影響區分段設縫間隔取20m。這些有效的抗震抗裂防治對策在施工中取得良好效果，沉降滿足設計要求。對完善城市軌道交通區間穿越活動斷裂帶提供了有益的借鑒。