穿越活断层地铁区间隧道结构设计

张海龙

(中铁第一勘察设计院集团有限公司新疆分院，新疆乌鲁木齐830011)

穿越活断层地铁区间隧道结构设计

张海龙

(中铁第一勘察设计院集团有限公司新疆分院，新疆乌鲁木齐830011)

乌鲁木齐轨道交通2号线一区间隧道穿越活断层，在国内地铁工程中尚属首例。通过利用EERA软件对地层位移和土层剪力的计算，考虑区间结构与地层的相互作用，采用该区域内的地震动参数，研究在立体交叉、同期施工且需要考虑活断层影响的地铁区间设计。计算结果表明，区间隧道在穿越活断层时，结构部分区域需进行强度配筋计算。

明挖法;大跨度;EERA软件;活断层;反应位移;抗震设计

地铁区间隧道穿越断层，会给结构设计提出新的问题，而断层的活动性质及错位量是影响区间结构稳定及安全的重要因素，其对工程的影响主要表现为错动破坏和地震破坏［1-3］。近年来国内外地下结构多次遭到地震破坏现象表明，强震对地下结构破坏尤其显著。1994年美国Northridge地震、1995年日本Kobe地震、2007年云南省宁洱地震、2008年四川省汶川地震，距离震源较近的工程设施均受到不同程度的损坏。对地下结构的震害现象，近年来学者进行了研究，对近断层强地震动下双层竖向重叠地铁隧道的地震反应，陈磊等［4］以ABAQUS为平台，选取有代表性的断层地震加速度记录，得出区间结构相对水平位移及结构应力的影响规律。刘洋［5］对近断层地铁隧道地震作用下动力响应进行了数值模拟。本文针对九家湾Fj2北支活断层的产状、与线路交角、活动性质［6］，利用EERA软件对地层位移和土层剪力进行计算，考虑区间结构与地层的相互作用，采用该区域内的地震动参数，完成了区间结构设计。

1　工程概述

乌鲁木齐轨道交通2号线哈马山车辆基地出入段线与正线路交叉，轨面高差6.7～8.1 m，斜交角度65°。受地形、埋深限制，无分期施工的条件，需同期施工。覆土厚度3.6 m，基坑开挖宽度约18 m，采用明挖法施工。

距离该交叉段落59 m处有九家湾断层Fj2北支，与线路斜交角度50°。该断层走向50°、倾向NW、倾角50°、断层宽度50 m，为活断层。地堑构造，垂直位错量900 mm。平面位置见图1。

图1　平面位置

2　结构设计方案

结构设计时考虑以下3个因素:

1)受九家湾Fj2北支的影响，结构需考虑侧向加宽、竖向加高，以满足地震发生后，经修补，短期内应能恢复其正常使用功能。

2)出入段线区间与二期线路立体交叉，形成异形的立体交叉结构。设计时将立体交叉异形结构转化为简单的双层结构，以利于设计、施工。

3)受断层侧向加宽影响而形成的大跨度结构形式，在设计时需考虑上部覆土、城市管线对结构的影响。

考虑以上因素，满足限界要求的情况下设计了如图2的结构方案。

3　反应位移法抗震计算

采用反应位移法［7-9］进行区间结构横向地震反应计算［10］，将周围土体作为支撑结构的地基弹簧，结构采用梁单元进行模拟建模［11-12］，见图3。

图2　结构方案(单位:mm)

图3　抗震计算简图

3.1选择地层参数

选取D10XZ-3钻孔:结构顶板覆土3.6 m，不考虑抗浮水位。限于篇幅，本文仅对地震荷载及地震工况加以详细计算。土层力学参数见表1。

表1　土层力学参数

3.2土层剪力、相对位移、结构惯性力计算

土层相对位移、结构惯性力和结构周围剪力可由一维土层地震反应(EERA软件)分析得到。根据《乌鲁木齐轨道交通2号线一期工程场地地震安全性评价报告》选取土类动力特性参数，地表波选取P50=2%随机波，水平向地震动峰值加速度取0.332g，见图4。

3.2.1土层剪切力和位移计算结果

通过EERA软件计算土层剪切力结果如下:结构顶板剪切力标准值τU=39.570 kN/m;结构底板剪切力标准值τB=125.197 kN/m;结构中板剪切力标准值τS=(τU+τB)/2=82.382 kN/m。

土层相对位移计算值均很小，最大值出现在土层深度3.6 m处，为1.91 mm。

3.2.2结构惯性力

据《城市轨道交通抗震设计规范》(GB 50909—2014)6.6.3-2公式计算。根据EERA计算出顶板、中板、底板最不利时刻的地震加速度值分别为0.488g，0.395g，0.352g，结构惯性力分别为104.25，65.63，83.79 kN。

图4　加速度时程曲线

4　计算结果

采用SAP 2000有限元软件，计算采用荷载结构模式，计算中将区间结构与围护结构一起建模，围护结构与侧墙之间采用铰接连杆模拟，共同承担荷载［13］。计算模型参见图3，计算结果见表2。

表2　结构受力计算

根据表2计算结果可知，静力作用下以裂缝控制的配筋组合在结构的部分位置不满足地震作用下以强度控制的配筋面积要求。造成这样的结果主要因为在土层剪切力的作用下，在矩形结构的边角产生较大的应力。在该区域以强度控制结构配筋。

5　结语

当前地铁设计缺少完善的地下结构抗震分析方法和有效的抗震构造措施。常规的抗震计算采用地震系数法，未考虑结构与土体的相互作用的影响，有不合理的地方。

乌鲁木齐地铁2号线一区间穿越活断层，本文结合该工程实例，根据计算得出:

1)根据Fj2北支活断层的垂直错位量对主体结构予以加高。根据断层的走向、倾角、与线路的夹角对主体结构予以加宽。选取该地区的P50=2%地表波，根据EERA软件的计算结果可知，在区间结构顶、底板发生最大位移的最不利时刻，层间相对位移能满足规范要求。

2)在土层位移、地层剪切力的作用下，结构在边角处产生集中应力，该区域需以强度控制结构配筋。

［1］王峥峥，高波，李斌，等．跨断层隧道振动台模型试验研究［J］．现代隧道技术，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］钟威，高剑锋，陈建平．超深埋特长隧道穿越断层破碎带施工风险研究［J］．铁道建筑，2015(5):72-77．

［4］陈磊，陈国兴．近断层强地震动下双层竖向重叠地铁隧道的地震反应［J］．防灾减灾工程学报，2008，28(4):399-408．

［5］刘洋．近断层地铁隧道地震作用下动力响应数值模拟研究［D］．北京:北京交通大学，2009:70-85．

［6］新疆防御自然灾害研究所．乌鲁木齐市轨道交通2号线一期工程(延安路—华山街)抗震设防专项论证报告［R］．新疆:新疆防御自然灾害研究所，2015．

［7］刘学增，谷雪影，代志萍，等．活断层错动位移下衬砌断面型式对隧道结构的影响［J］．现代隧道技术，2014，51(5): 71-77．

［8］高涛，沈正春，王卿，等．反应位移法在地铁车站抗震设计中的应用［J］．铁道建筑，2016(4):80-83．

［9］刘晶波，王文晖，赵冬冬．地下结构横截面地震反应拟静力计算方法对比研究［J］．工程力学，2013，30(1):105-111．

［10］边金，陶连金，张印涛，等．地下结构抗震设计方法的比较与分析［J］．现代隧道技术，2008，45(6):50-55．

［11］中华人民共和国住房和城乡建设部．GB 50909—2014城市轨道交通结构抗震设计规范［S］．北京:中国计划出版社，2014．

［12］梁燕，姜磊，冯志平，等．基于GeoSMA-3D隧道建模及断层的影响分析［J］．现代隧道技术，2013，50(1):92-97．

［13］宋仪．地铁明挖车站有关配筋问题的探讨［J］．隧道建设，2012，32(4):514-517．

(责任审编 赵其文)

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

张海龙(1981—)，男，工程师。