穿越活斷層地鐵區間隧道結構設計

張海龍

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司新疆分院，新疆烏魯木齊830011)

穿越活斷層地鐵區間隧道結構設計

張海龍

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司新疆分院，新疆烏魯木齊830011)

烏魯木齊軌道交通2號線一區間隧道穿越活斷層，在國內地鐵工程中尚屬首例。通過利用EERA軟件對地層位移和土層剪力的計算，考慮區間結構與地層的相互作用，采用該區域內的地震動參數，研究在立體交叉、同期施工且需要考慮活斷層影響的地鐵區間設計。計算結果表明，區間隧道在穿越活斷層時，結構部分區域需進行強度配筋計算。

明挖法;大跨度;EERA軟件;活斷層;反應位移;抗震設計

地鐵區間隧道穿越斷層，會給結構設計提出新的問題，而斷層的活動性質及錯位量是影響區間結構穩定及安全的重要因素，其對工程的影響主要表現為錯動破壞和地震破壞［1-3］。近年來國內外地下結構多次遭到地震破壞現象表明，強震對地下結構破壞尤其顯著。1994年美國Northridge地震、1995年日本Kobe地震、2007年云南省寧洱地震、2008年四川省汶川地震，距離震源較近的工程設施均受到不同程度的損壞。對地下結構的震害現象，近年來學者進行了研究，對近斷層強地震動下雙層豎向重疊地鐵隧道的地震反應，陳磊等［4］以ABAQUS為平臺，選取有代表性的斷層地震加速度記錄，得出區間結構相對水平位移及結構應力的影響規律。劉洋［5］對近斷層地鐵隧道地震作用下動力響應進行了數值模擬。本文針對九家灣Fj2北支活斷層的產狀、與線路交角、活動性質［6］，利用EERA軟件對地層位移和土層剪力進行計算，考慮區間結構與地層的相互作用，采用該區域內的地震動參數，完成了區間結構設計。

1　工程概述

烏魯木齊軌道交通2號線哈馬山車輛基地出入段線與正線路交叉，軌面高差6.7～8.1 m，斜交角度65°。受地形、埋深限制，無分期施工的條件，需同期施工。覆土厚度3.6 m，基坑開挖寬度約18 m，采用明挖法施工。

距離該交叉段落59 m處有九家灣斷層Fj2北支，與線路斜交角度50°。該斷層走向50°、傾向NW、傾角50°、斷層寬度50 m，為活斷層。地塹構造，垂直位錯量900 mm。平面位置見圖1。

圖1　平面位置

2　結構設計方案

結構設計時考慮以下3個因素:

1)受九家灣Fj2北支的影響，結構需考慮側向加寬、豎向加高，以滿足地震發生后，經修補，短期內應能恢復其正常使用功能。

2)出入段線區間與二期線路立體交叉，形成異形的立體交叉結構。設計時將立體交叉異形結構轉化為簡單的雙層結構，以利于設計、施工。

3)受斷層側向加寬影響而形成的大跨度結構形式，在設計時需考慮上部覆土、城市管線對結構的影響。

考慮以上因素，滿足限界要求的情況下設計了如圖2的結構方案。

3　反應位移法抗震計算

采用反應位移法［7-9］進行區間結構橫向地震反應計算［10］，將周圍土體作為支撐結構的地基彈簧，結構采用梁單元進行模擬建模［11-12］，見圖3。

圖2　結構方案(單位:mm)

圖3　抗震計算簡圖

3.1選擇地層參數

選取D10XZ-3鉆孔:結構頂板覆土3.6 m，不考慮抗浮水位。限于篇幅，本文僅對地震荷載及地震工況加以詳細計算。土層力學參數見表1。

表1　土層力學參數

3.2土層剪力、相對位移、結構慣性力計算

土層相對位移、結構慣性力和結構周圍剪力可由一維土層地震反應(EERA軟件)分析得到。根據《烏魯木齊軌道交通2號線一期工程場地地震安全性評價報告》選取土類動力特性參數，地表波選取P50=2%隨機波，水平向地震動峰值加速度取0.332g，見圖4。

3.2.1土層剪切力和位移計算結果

通過EERA軟件計算土層剪切力結果如下:結構頂板剪切力標準值τU=39.570 kN/m;結構底板剪切力標準值τB=125.197 kN/m;結構中板剪切力標準值τS=(τU+τB)/2=82.382 kN/m。

土層相對位移計算值均很小，最大值出現在土層深度3.6 m處，為1.91 mm。

3.2.2結構慣性力

據《城市軌道交通抗震設計規范》(GB 50909—2014)6.6.3-2公式計算。根據EERA計算出頂板、中板、底板最不利時刻的地震加速度值分別為0.488g，0.395g，0.352g，結構慣性力分別為104.25，65.63，83.79 kN。

圖4　加速度時程曲線

4　計算結果

采用SAP 2000有限元軟件，計算采用荷載結構模式，計算中將區間結構與圍護結構一起建模，圍護結構與側墻之間采用鉸接連桿模擬，共同承擔荷載［13］。計算模型參見圖3，計算結果見表2。

表2　結構受力計算

根據表2計算結果可知，靜力作用下以裂縫控制的配筋組合在結構的部分位置不滿足地震作用下以強度控制的配筋面積要求。造成這樣的結果主要因為在土層剪切力的作用下，在矩形結構的邊角產生較大的應力。在該區域以強度控制結構配筋。

5　結語

當前地鐵設計缺少完善的地下結構抗震分析方法和有效的抗震構造措施。常規的抗震計算采用地震系數法，未考慮結構與土體的相互作用的影響，有不合理的地方。

烏魯木齊地鐵2號線一區間穿越活斷層，本文結合該工程實例，根據計算得出:

1)根據Fj2北支活斷層的垂直錯位量對主體結構予以加高。根據斷層的走向、傾角、與線路的夾角對主體結構予以加寬。選取該地區的P50=2%地表波，根據EERA軟件的計算結果可知，在區間結構頂、底板發生最大位移的最不利時刻，層間相對位移能滿足規范要求。

2)在土層位移、地層剪切力的作用下，結構在邊角處產生集中應力，該區域需以強度控制結構配筋。

［1］王崢崢，高波，李斌，等．跨斷層隧道振動臺模型試驗研究［J］．現代隧道技術，2014，51(2):50-55．

［2］KIYOM IYA O．Earthquake-resistant Design Features of Immersed Tunnels in Japan［J］．Tunnelling and Underground Space Technology Incorporating Trenchless Technology Research，1995，10(4):463-475．

［3］鐘威，高劍鋒，陳建平．超深埋特長隧道穿越斷層破碎帶施工風險研究［J］．鐵道建筑，2015(5):72-77．

［4］陳磊，陳國興．近斷層強地震動下雙層豎向重疊地鐵隧道的地震反應［J］．防災減災工程學報，2008，28(4):399-408．

［5］劉洋．近斷層地鐵隧道地震作用下動力響應數值模擬研究［D］．北京:北京交通大學，2009:70-85．

［6］新疆防御自然災害研究所．烏魯木齊市軌道交通2號線一期工程(延安路—華山街)抗震設防專項論證報告［R］．新疆:新疆防御自然災害研究所，2015．

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［8］高濤，沈正春，王卿，等．反應位移法在地鐵車站抗震設計中的應用［J］．鐵道建筑，2016(4):80-83．

［9］劉晶波，王文暉，趙冬冬．地下結構橫截面地震反應擬靜力計算方法對比研究［J］．工程力學，2013，30(1):105-111．

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［11］中華人民共和國住房和城鄉建設部．GB 50909—2014城市軌道交通結構抗震設計規范［S］．北京:中國計劃出版社，2014．

［12］梁燕，姜磊，馮志平，等．基于GeoSMA-3D隧道建模及斷層的影響分析［J］．現代隧道技術，2013，50(1):92-97．

［13］宋儀．地鐵明挖車站有關配筋問題的探討［J］．隧道建設，2012，32(4):514-517．

(責任審編 趙其文)

Structure Design of Metro Running Tunnel Through Active Fault

ZHANG Hailong
(Xinjiang Branch，China Railway First Survey ＆ Design Institute Group Co．，Ltd．，Urumqi Xinjiang 830011，China)

A running tunnel of Urumqirail transit line No．2 passes through the active fault，which is the first case in the domestic metro pro ject．The stratum displacement and soil shear were calculated by using EERA softw are and themetro interval design was studied in the condition of grade separation，contem poraneous construction and the influence of active fault by considering the in teraction between interval structure and stratum and adopting the seismic dynamic parameters within this region．T he calculation results show that strength reinforcement calculation should be implemented in partial structure area when the interval is passing through the active fault．

Cut and cover method;Large span;EERA software;Active fault;Response displacement;Earthquake resistant design

U452．2+5

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．11．20

1003-1995(2016)11-0077-03

2016-06-20;

2016-08-31

張海龍(1981—)，男，工程師。