單雙層地鐵隧道結(jié)構(gòu)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(jīng)濟的發(fā)展，越來越多的城市開始發(fā)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(fù)雜地質(zhì)條件。大量資料表明，活動斷層錯動會對隧道產(chǎn)生拉壓彎剪扭等復(fù)雜的受力形態(tài)[1-3]。研究方法涉及理論分析、數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗，如熊煒等[4]采用數(shù)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(jié)了襯砌結(jié)構(gòu)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(wěn)定性的影響。耿萍等[6]數(shù)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)隧道和雙層矩形結(jié)構(gòu)隧道的抗錯斷性能，為穿越活斷層區(qū)明挖隧道斷面選擇方案提供思路，研究成果為軌道交通設(shè)計提供一定的參考。

1　工程概況

烏魯木齊市位于一級構(gòu)造單元“博格達弧形隆起帶”中的二級構(gòu)造單元“東天山隆起區(qū)”與“北天山強烈隆起區(qū)”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(nèi)可能產(chǎn)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(shù)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(chǎn)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(tǒng)粉土、圓礫、卵石和下伏的侏羅系泥巖、砂巖、礫巖構(gòu)成。場地地表普遍分布厚度不均的人工填土。

2　數(shù)值模型建立及計算參數(shù)選取

2.1　計算斷面尺寸

明挖地鐵單層和雙層矩形結(jié)構(gòu)的尺寸如圖2所示，頂板和底板厚度均為1.0 m，側(cè)墻厚度均為0.7 m，跨度均為14.86 m，單層矩形結(jié)構(gòu)高度為8.15 m，雙層矩形結(jié)構(gòu)高度為14.98 m，單層結(jié)構(gòu)襯砌埋深為16.83 m，雙層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的三維分段式地層-結(jié)構(gòu)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(jié)段，單個節(jié)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(jié)構(gòu)采用Solid65單元，斷層面采用接觸單元模擬，襯砌結(jié)構(gòu)外側(cè)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(jié)構(gòu)

(b) 雙層矩形結(jié)構(gòu)圖2　明挖結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)接觸模型

2.3　物理力學參數(shù)選取

根據(jù)地勘報告以及TB 10003-2005《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》確定模型結(jié)構(gòu)和圍巖參數(shù)，隧道穿越西山斷層圍巖分級判定為V級，設(shè)為V級圍巖，圍巖-初支摩擦系數(shù)取0.5，斷層滑移面摩擦系數(shù)0.1。土體假設(shè)為理想彈塑性材料，采用相關(guān)聯(lián)流動的D-P屈服準則。不考慮水的作用。圍巖力學參數(shù)參考工程勘測資料，并結(jié)合規(guī)范要求，給出的圍巖物理力學參數(shù)如表1所示。

襯砌結(jié)構(gòu)采用彈塑性本構(gòu)模型，依據(jù)GB 50010-2010(2015年版)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的4.1.4、4.1.5和4.1.8條規(guī)定，襯砌結(jié)構(gòu)的混凝土相關(guān)參數(shù)指標如表1所示。考慮鋼拱架、鋼筋網(wǎng)共同作用，襯砌結(jié)構(gòu)采用整體式配筋，把鋼筋等效為混凝土作用。

表1　襯砌結(jié)構(gòu)物理力學參數(shù)

3　計算結(jié)果

3.1　變形規(guī)律對比

從圖6中可以看出，單層結(jié)構(gòu)與雙層結(jié)構(gòu)整體豎向變形規(guī)律基本一致，但雙層結(jié)構(gòu)變形更加扭曲。二者的縱向變形主要發(fā)生在斷層面處。雙層結(jié)構(gòu)的變形區(qū)域為-5～1號節(jié)段，最大豎向位移0.888 m。單層結(jié)構(gòu)變形區(qū)域為-3～1號節(jié)段。最大豎向位移0.915 8 m，主要是雙層結(jié)構(gòu)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(yīng)力規(guī)律對比

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

單層矩形結(jié)構(gòu)上頂板受拉區(qū)域為-1～1號段號段，下底板受拉區(qū)域為-5～0號段，最大第一主應(yīng)力發(fā)生在0號段下底板左邊緣，峰值77.8 MPa。雙層矩形結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力略大于單層矩形結(jié)構(gòu)，受拉嚴重區(qū)域也比單層矩形結(jié)構(gòu)大。

圖7　第一主應(yīng)力云圖對比(單位：Pa)

由圖8可知，單層結(jié)構(gòu)與雙層結(jié)構(gòu)受壓區(qū)域主要發(fā)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(qū)域。雙層矩形結(jié)構(gòu)上頂板受壓區(qū)域為-8～0段，最大第三主應(yīng)力發(fā)生在-1號段下底板內(nèi)側(cè)左邊緣，峰值0.203 GPa。

圖8　第三主應(yīng)力云圖對比(單位：Pa)

單層矩形結(jié)構(gòu)上頂板受壓區(qū)域為-5～1段，最大第三主應(yīng)力發(fā)生在0號段下底板內(nèi)側(cè)左邊緣，峰值0.154 GPa，雙層矩形結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力遠遠大于單層矩形結(jié)構(gòu)，其上頂板受壓范圍也比單層矩形結(jié)構(gòu)大。

由圖9可得，單層結(jié)構(gòu)與雙層結(jié)構(gòu)塑性應(yīng)變區(qū)域基本一致，主要發(fā)生在斷層面附近襯砌結(jié)構(gòu)的左右邊墻上。雙層結(jié)構(gòu)塑性應(yīng)變區(qū)最大塑性應(yīng)變發(fā)生在-2號段右下邊墻外側(cè)，峰值0.889。

圖9　塑性應(yīng)變云圖對比

單層結(jié)構(gòu)最大第三主應(yīng)力發(fā)生在-1號段下底板右下邊墻外側(cè)，峰值0.915，雙層結(jié)構(gòu)最大塑性應(yīng)變略小于單層結(jié)構(gòu)。

4　結(jié)論

通過對比相同錯動條件下單層矩形隧道結(jié)構(gòu)和雙層矩形隧道結(jié)構(gòu)的抗錯斷能力，主要有以下結(jié)論：

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

(2)雙層矩形結(jié)構(gòu)的破壞程度和范圍要大于單層矩形結(jié)構(gòu)。雙層結(jié)構(gòu)受拉嚴重區(qū)域比單層結(jié)構(gòu)大，最大壓應(yīng)力遠遠大于單層結(jié)構(gòu)，其上頂板受壓范圍也比單層結(jié)構(gòu)大。

(3)雙層矩形結(jié)構(gòu)塑性應(yīng)變范圍大于單層矩形結(jié)構(gòu)；單層結(jié)構(gòu)的最大塑性應(yīng)變產(chǎn)生區(qū)域更加接近斷層面處，因此單層結(jié)構(gòu)主要是斷層面處發(fā)生破壞。

(4)對于明挖地鐵隧道穿越活動斷層區(qū)域時，設(shè)計時建議采用單層矩形隧道結(jié)構(gòu)。