乌鲁木齐地铁1号线穿越活动地质断层的技术措施

张伟喜

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安710043)

乌鲁木齐地铁1号线穿越活动地质断层的技术措施

张伟喜

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安710043)

分析乌鲁木齐地铁1号线穿越3条活动地质断层的特征，表明断层的变形具有不可抗拒性和巨大的破坏性。当断层发生突发性黏滑错动后，上、下盘相对产生复杂的空间三维变形，结构同时具有拉、压、剪、扭、弯等共同受力特性，其作用对穿越的隧道产生巨大的影响，导致隧道严重变形、开裂甚至破坏。据此估算1号线沿线断层的最大位移量及百年变形量，阐述浅埋暗挖法的结构设防方案、结构受力计算模型、断层处理的接头方案，以及断层处的结构防水等技术措施，提出的静态强制位移法是对此工程难题的初步尝试。

乌鲁木齐地铁;地质断层;穿越;技术措施

1 乌鲁木齐地铁1号线概述

乌鲁木齐地铁1号线位于城市南北向主客流走廊，线路将南郊客运站、新疆大学、大巴扎、南门等大型客流集散点串联起来，为乌鲁木齐城市轨道交通的骨干线路，与2、5号线构成轨道交通网络的骨架。

规划轨道交通1号线南起南郊客运站东侧的三屯碑站，北至地窝堡国际机场，线路整体呈南北走向，全长约27.6 km［1］。根据乌鲁木齐城市轨道交通建设规划，1号线全线一次建成，共设车站21座。

2 断层对1号线的影响

2.1 断层概况

乌鲁木齐位于依连哈比尔尕山、博格达山和准噶尔盆地南缘的交汇处，地质构造复杂，乌鲁木齐城区及附近发育多条活动断层(见图1)。1号线跨越了4条地质断层［2］，其中，全新世活动断层1条，晚更新世活动断层3条。1号线由北向南依次为八钢—石化隐伏断层(f1)、九家湾断层(fj)、碗窑沟断层(f2)和雅玛里克断层(f4)。依据活动断裂带的活动特征研究报告［3］，雅玛里克断层为中更新世—晚更新世早期活动断层，活动性较弱，在未来百年内可不考虑断层对地铁的影响，其余3条均具有活动性，需要考虑其错断对地铁工程的影响。地铁穿越活动断层在国内外地铁工程中属首次遇到。

图1 乌鲁木齐断层分布Fig.1 Sketchmap of fault distribution in Urumqi

2.1.1 八钢—石化隐伏断层

八钢—石化隐伏断裂位于乌鲁木齐北部的准噶尔盆地南缘，为隐伏的逆断层－断褶构造，主断层为倾向S或SEE的逆断层(见图2)，逆断层－褶皱带的宽度达130～300 m。断层普遍错断了中更新统，上断点错断了乌鲁木齐黄土的下部，但在黄土层中、上部未见明显断错迹象，该断层在晚更新世早、中期有明显活动，属晚更新世活动断层，该断层未来百年内最大潜在震级为6.5～6.9级，可能产生的最大垂直位错量为0.5 m［4］，各断层的基本活动特征如表1所示。

图2 八钢—石化断层构造模型Fig.2 Bagang－Shihua geological faultmodel

表1 轨道交通1号线通过活动断层基本特征Tab.1 the basic characteristics of the active fault in Rail Transit Line 1

2.1.2 九家湾断层组

九家湾断层组分布在九家湾一带的中更新世洪积台地上，主要由4条走向为NE(45°～60°)，呈大至等间距平行排列的一组正断层构成，由北向南依次称为fj1、fj2、fj3、fj4。每条正断层表现为由倾向相对的正断层构成地堑构造，主断层面倾向NW，倾角为70°～85°。断层在地表形成北低南高的断层陡坎和宽数米至数十米、深1～2.5 m的断层沟槽地貌。该断层切错光释光年龄为距今(8.4±1.2)千年堆积物，为全新世活动断层(见图3)。该断层未来百年内最大潜在震级6.5级，可能产生的最大垂直位错量为0.65 m。

2.1.3 碗窑沟断层

碗窑沟断层属博格达弧形推覆构造西段内部的反冲断层，发育在侏罗系内。断裂走向为NE，断面倾向为N，倾角40°～80°，以逆断层性质为主(见图4)。

图3 九家湾断层组构造模型Fig.3 Jiujiawan geological faultmodel

图4 碗窑沟断层构造模型Fig.4 Wanyaogou geological faultmodel

该断裂东部段落地貌标志明显，两盘落差较大，上盘多处可见侏罗纪地层翘升至地表，下盘则为厚层的第四系堆积。碗窑沟断层为晚更新世活动断层，在乌鲁木齐主城区呈隐伏状态。该断层未来百年内最大潜在震级为6.5～6.9级，可能产生的最大垂直位错量为0.5 m。

2.2 活动断层引起的隧道结构破坏模式

活动断层错动是一种断裂构造特征的区域性地质灾害，是隧道结构穿越断层时的主要破坏因素。依据活动断裂带的活动特征研究报告，其错动形式为黏滑性断层，上、下盘黏在一起，平时几乎不发生错动，从而不断地累计能量，到达岩石的极限强度后，瞬间突发较大错动(地震)，且以垂直错动为主，水平错动很小。错动发生时上、下盘相对产生复杂的空间三维变形，其作用对穿越的隧道产生巨大的影响，使隧道结构同时具有拉、压、剪、扭、弯等共同受力特性，导致隧道严重变形、开裂甚至破坏。毫无疑问，如果在修建地铁时，对经过活动断层带的地段不采取特殊的结构措施或采取措施不当，地铁修建后断层的活动将对地铁的安全运营构成严重威胁，并且会引起其他的地铁病害问题。

根据地铁隧道的结构特征，现有正、逆断层黏滑错动活动特性以及以往工程致灾案例，结合断层与地铁隧道相互作用的有限元数值模拟计算结果、物理模型实验，以正断层为例，断层可能引起的隧道变形破坏大致为以下模式。

在正断层作用下，将衬砌分为图5所示3个区:

①区(受拉屈服区):主要分布在距断层面有一定距离的上盘隧道仰拱位置和下盘隧道拱顶位置。该区域在拉应力作用下产生大塑性变形，破坏最为严重。

②区(受压屈服区):主要分布在距断层面有一定距离的上盘隧道拱顶位置和下盘隧道仰拱位置。该区域由于受压作用产生较大塑性区，破坏较为严重。

③区(压剪屈服区):主要分布在X形塑性区的完全贯通区域，即断层面附近衬砌结构墙脚位置。该区域的隧道墙脚位置受到较大的剪切作用，剪应力最大值即出现在该区域隧道墙脚位置，使其在剪应力作用下达到屈服状态。

在正断层黏滑错动作用下，地铁隧道结构纵向产生S状弯曲形变，上盘仰拱及下盘拱顶靠近断层面处均出现一定范围的脱空区。隧道衬砌结构由于纵向受弯曲变形作用，在上、下盘的仰拱、拱顶距断层面一定距离处，分别形成一个拉、压应力的集中区，隧道拱脚在断层面处形成一个压应力集中区，在下盘的拱脚靠近断层面处形成剪应力的集中区，衬砌结构在这些应力集中区产生塑性破坏。正、逆断层具有明显的反对称现象。由此可知，隧道衬砌结构在正断层作用下，上盘仰拱及下盘拱顶将出现张拉破坏，上盘拱顶及下盘仰拱将出现挤压破坏，断层面处隧道拱脚将出现压剪破坏。

图5 衬砌塑性破坏分区Fig.5 Schematic diagram of plastic failure zone

综上，断层的错动一旦出现，会导致隧道衬砌变形破坏，道床及轨道变形超出允许值，从而严重影响运营安全。

3 断层处的隧道结构处理措施

断层的变形会给结构带来致命的危害，必须对穿过断层处的结构进行特殊设计［5］。国内地铁目前尚无穿越活动断层的工程实践经验，但西安地铁穿越地裂缝的工程措施对本工程具有较强参考价值。

西安地铁穿越地裂缝的技术措施包括:浅埋暗挖法隧道适当预留后期变形净空、结构分段设置变形缝、变形缝采用特殊防水措施以及设置可调式轨道结构等综合措施［6］。

根据1号线区间断层科研成果，西安地铁穿越地裂缝的措施，在本工程中具有一定的借鉴价值。但需要指出的是，西安地裂缝与断层活动是两种不完全相同的地质灾害，西安地裂缝是一个缓慢的蠕变发展过程，地裂缝带基本具有统一的三维空间运动变形特征，即南倾南降的垂直位移、水平引张和水平扭动，以垂直位移量为最大，南北拉张量次之，水平错动量则很小。地裂缝垂直活动速率以5～30 mm/a者居多，最大值超过50 mm/a。而断层活动与地裂缝活动不同，地层可能产生以竖向错动为主的突发变形，因而对结构产生的荷载也与地裂缝完全不同，需要另行确定。通过结构计算、数值模拟分析及物理模型实验的研究成果，可以得出以下结论。

1)西安地铁采取的地裂缝的预留变形净空、结构分段设缝、变形缝特殊防水以及采用可调式轨道结构等措施在本工程中可以借鉴。

2)根据断层错动量大小，在断层前后预留足够的线路调坡段长度，以防止断层处发生形变之后形成新的变坡点，为运营期间的灾后修复预留土建条件。

3)通过对断层活动特征的研究，明确隧道结构的受力模型，进而进行结构内力计算。

综上，针对断层的活动性，工程处理的主导思想是结构设计要适应断层的变形。除结构受力外的其他措施可以参考地裂缝措施，还要保证运营安全。

结合1号线工程实际情况及工程筹划，穿过断层处的区间结构均采用浅埋暗挖法。

3.1 浅埋暗挖法结构及纵向设防方案

浅埋暗挖法马蹄形隧道截面需扩大，隧道断面高度根据地铁建筑限界和预计断层错动量共同确定。1号线根据专家审查意见采用500、650mm两种净空预留标准。隧道结构均分段设置变形缝，保证变形缝两侧结构自由变形。根据研究结论:在靠近断层处变形缝设置6 m左右(主控区长度)，远离断层处变形缝设置9 m左右(影响区长度);如图6、7所示。碗窑沟断层设防段共111 m(主控区长度30 m，影响区长度81 m)、九家湾断层设防段共102 m(主控区长度38 m，影响区长度64 m)、八钢石化断层设防段共104 m(主控区长度34 m，影响区长度70 m)。

图6 断层处理段隧道结构纵向设防Fig.6 Schematic diagram of longitudinal protection of tunnel structure at fault

3.2 隧道整体结构设计方法

针对跨越活动断层地铁隧道结构设计问题，采用强制—响应位移法，它是将活动断层错动、地震动等外界荷载对衬砌结构综合作用简化为静力计算分析。地震发生时，断层错动引起的地层位移胁迫隧道支护结构发生S变形，初期支护与周围地层保持变形一致。基岩错动时断层破碎带在不同深度上反应位移不同，隧道结构处地层强制位移直接作用于初期支护，且通过防水板径向传递到二次衬砌结构上，在惯性力的叠加作用下与衬砌结构进行组合计算，由此得到隧道结构在断层错动作用下的结构力学响应。计算模型见图8，计算流程如下:

第一步:求解活断层地震响应(断层错动、地震动)下的位移场，计算初期支护处的位移场。

第二步:建立包含初期支护与二次衬砌相互作用弹簧的衬砌结构模型，对弹簧末端输入初期支护位移场，计算二次衬砌的力学响应。

图7 断层处理段结构横断面Fig.7 Cross section of fault structure

图8 计算模型Fig.8 Schematic diagram of calculation model

3.3 断层处轨道处理方案

采用可调高框架式轨道结构，由分开式扣件、预应力混凝土框架式轨道板、板下可调支座、侧向限位胶垫、钢筋混凝土挡台及混凝土基础等组成。该结构有以下特点:

1)框架轨道板为轻型预应力结构，方便现场安装和浇筑混凝土道床，其施工技术较成熟。

2)轨道板及部件全部实现国产化，造价经济，初步估算该结构造价仅为普通短枕式整体轨道的1.5倍。

3)框架轨道板中部空间大，板下初期设置高分子材料刚性支座，当发生变形需要调整时，维修人员采用充填式垫板可方便实现无级调整。

4)在框架轨道板中挡处设置挡台板，既可适应断层的垂直变形又可适应水平变形。3.4断层处的接头方案

用浅埋暗挖法处理断层时，采用特殊变形缝，在地层错动情况下该结构需要具有一定的刚度，如图9所示。该变形缝的构造设计，应满足断层处错动后两侧结构之间变形缝在预设范围内。另外，在特殊变形缝处还应采取特殊的防水措施，保证结构在断层变形后的防水要求。

图9 特殊变形缝构造及防水结构Fig.9 Deformation joint structure and waterproof sketch map

3.5 断层处的结构防水方案

按照设计规范要求，地铁区间隧道需要设置全包防水，防水等级为二级［7］。

断层处的防水分为结构整体防水和变形缝处的防水，断层处理段的结构整体防水采取和一般区间隧道相同的防水措施，不同之处是变形缝处的防水采取多种综合措施。首先，在变形缝处设置可适应大变形及耐久性要求的特殊止水带;其次，在变形缝处加强结构迎水侧设置1道Ω型止水带、1道W形止水带;再次，在变形缝处加强结构背水侧亦设置1道W形止水带;另外，在加强带内设置可多次注浆的注浆管，当发生渗漏水病害时，从多次注浆管中进行注浆止水。

4 结语

乌鲁木齐地铁工程建设中遇到断层处理的世界难题，有其特殊性和复杂性。为了保证地铁工程的安全，在乌鲁木齐地铁的建设申报和设计过程中开展了大量针对性的研究工作。

需要说明的是，这一工程难题如何科学地解决，国际上尚未取得共识，通常按照“允许破坏，但不发生倒塌，并可较快地进行永久性修复和加固”的原则开展相关工作［8］。文中提出的静态强制位移法等技术措施是对此工程难题的初步尝试，是否为最佳解决方案，尚需进一步加大投入、长期观测，可通过建立活动断层动态监测网，即时预报等方式开展深入研究，以便把断层难题解决得更好。

［1］中铁第一勘察设计院集团有限公司.乌鲁木齐轨道交通一号线初步设计平、纵断面设计图［A］.乌鲁木齐，2013.

［2］中铁第一勘察设计院集团有限公司，北京城建勘测设计研究院有限责任公司.乌鲁木齐轨道交通一号线详勘报告［R］.乌鲁木齐，2013.

［3］新疆防御自然灾害研究所.乌鲁木齐轨道交通一号线活动断裂带的几何学特征与运动学特征研究报告［R］.乌鲁木齐，2014.

［4］宋和平，沈军，向志勇，等.乌鲁木齐城市活断层探测与地震危险性评价［M］.北京:地震出版社，2009.

SONG Heping，SHEN Jun，XIANG Zhiyong，et al.Urumqi city active fault detection and seismic risk assessment［M］.Beijing:Earthquake Press，2009.

［5］铁路隧道设计规范:TB 10003—2016［S］.北京:中国铁道出版社，2016.

Code for railway tunnel design:TB 10003—2016［S］.Beijing:China Railway Publishing House，2016.

［6］樊红卫.西安地铁2号线穿越地裂缝的技术措施［J］.都市快轨交通，2008，21(4):19- 22.

FAN Hongwei.Technical measures for ground fissures in Xi＇an metro line 2［J］.Urban rapid rail transit，2008，21 (4):19- 22.

［7］地铁设计规范:GB 50157—2013［S］.北京:中国建筑工业出版社，2014.

Code for design ofmetro:GB 50157—2013［S］.Beijing: China Architecture＆Building Press，2014.

［8］小泉淳.盾构隧道的抗震研究及算例［M］.张稳军，袁大军，译.北京:中国建筑工业出版社，2009.

KOIZUM IChun.Study on seism ic behavior of shield tunnel and example［M］.ZHANGWenjun，YUAN Dajun，translation.Beijing:China Architecture＆Building Press，2009.

(编辑:郝京红)

TechnicalMeasures of Crossing Active Geological Fault Adopted for Line 1 of UrumqiMetro

ZHANG Weixi
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi’an 710043)

Analysis of the characteristics of Line 1 of UrumqiMetro passing through 3 active geological faults indicates that the fault deformation is irresistible and destructive.When the fault occursw ith sudden stick slip dislocation，the change of the upper and lower fault plate triggers complex three dimensional deformation of the structure，both tensile and compressive，shear and torsion，bending and other common characteristics of stress，which have great influence on the crossing tunnel，leading to serious deformation，cracking and even failure.Themaximum displacement along Line 1 faults and one hundred years of deformation are estimated，the structure design scheme of the shallow tunneling method，and the calculation model for the structure force，the joint scheme of fault handling and the corresponding waterproofmeasures are elaborated.The static forced displacementmethod presented is a prelim inary attempt to the engineering problem.

Urumqimetro;geological fault;crossing;technicalmeasures

U231.3

A

1672- 6073(2017)02- 0058- 05

10.3969/j.issn.1672 6073.2017.02.012

2016- 04 27

2017 01 06

张伟春，男，高级工程师，一级注册结构工程师，长期从事轨道交通勘察设计研究工作，123614775@qq.com