单双层地铁隧道结构抗错断性能对比分析

秦　昌, 代超龙， 孙　飞, 张志强

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

随着我国经济的发展，越来越多的城市开始发展轨道交通。大量地铁隧道的修建，将无可避免的穿越活动断层等复杂地质条件。大量资料表明，活动断层错动会对隧道产生拉压弯剪扭等复杂的受力形态[1-3]。研究方法涉及理论分析、数值模拟和室内试验，如熊炜等[4]采用数值模拟的手段，考虑了断层错动量、断层倾角、隧道埋深以及隧道与断层交角等4个主要因素，归纳总结了衬砌结构的破坏模式。朱小明等[5]基于有限差分软件Flac3D分析了断层角度对隧道纵向稳定性的影响。耿萍等[6]数值模拟和振动台试验研究了穿越活动断层隧道纵向地震响应特性，邵润萌[7]建立了围岩-断层-隧道体系模型和断层-上覆土层-隧道模型，研究了活动断层错动下隧道结构的失效损伤和岩土失效扩展机理。

本文以乌鲁木齐市轨道交通2号线为依托，对比研究了普通单层矩形结构隧道和双层矩形结构隧道的抗错断性能，为穿越活断层区明挖隧道断面选择方案提供思路，研究成果为轨道交通设计提供一定的参考。

1　工程概况

乌鲁木齐市位于一级构造单元“博格达弧形隆起带”中的二级构造单元“东天山隆起区”与“北天山强烈隆起区”的交汇部位，形成了一系列轴向北东—南西向的褶皱和断裂。其中西山断裂带东段有北支(F4-1)断层长度约6 km，未来百年内可能产生的最大垂直位错量为0.65 m，该断裂形成于中更新世中晚期，最新活动时间为晚更新世晚期，属晚更新世活动断裂。其基本的位移模式如图1所示。

图1　西山断层垂直位移模式及基本参数示意

乌鲁木齐轨道2号线的YCK17+812～YCK17+870穿越西山断裂东段北支(F4-1)，断层通过线路位置产状N55°E/45°N，与线路夹角约为62°，该场地主要由洪积形成的第四系全新统粉土、圆砾、卵石和下伏的侏罗系泥岩、砂岩、砾岩构成。场地地表普遍分布厚度不均的人工填土。

2　数值模型建立及计算参数选取

2.1　计算断面尺寸

明挖地铁单层和双层矩形结构的尺寸如图2所示，顶板和底板厚度均为1.0 m，侧墙厚度均为0.7 m，跨度均为14.86 m，单层矩形结构高度为8.15 m，双层矩形结构高度为14.98 m，单层结构衬砌埋深为16.83 m，双层结构衬砌埋深为10.0 m，即是中板到地表自由表面的距离和单层结构衬砌埋深一致。

2.2　有限元模型建立

建立单层和双层矩形结构的三维分段式地层-结构模型。模型的整体尺寸为44.86 m×33.15 m×181.8 m，二者沿纵向划分17个节段，单个节段10 m，从左往右依次编号-8～8号(图3)，其中变形缝长度0.1 m。围岩和衬砌结构采用Solid65单元，断层面采用接触单元模拟，衬砌结构外侧与围岩之间也建立接触面。断层上盘为22 m，下盘为22 m。边界条件为左右边界约束其x方向自由度，前后边界约束其z方向的自由度，上边界为自由面，下边界的上盘约束其y方向的自由度，下盘施加y方向强制错动位移0.65 m。其有限元模型如图4、图5所示。

(a) 单层矩形结构

(b) 双层矩形结构图2　明挖结构隧道断面(单位：m)

图3　计算模型编号

图4　三维有限元模型

图5　单层与双层结构接触模型

2.3　物理力学参数选取

根据地勘报告以及TB 10003-2005《铁路隧道设计规范》确定模型结构和围岩参数，隧道穿越西山断层围岩分级判定为V级，设为V级围岩，围岩-初支摩擦系数取0.5，断层滑移面摩擦系数0.1。土体假设为理想弹塑性材料，采用相关联流动的D-P屈服准则。不考虑水的作用。围岩力学参数参考工程勘测资料，并结合规范要求，给出的围岩物理力学参数如表1所示。

衬砌结构采用弹塑性本构模型，依据GB 50010-2010(2015年版)《混凝土结构设计规范》的4.1.4、4.1.5和4.1.8条规定，衬砌结构的混凝土相关参数指标如表1所示。考虑钢拱架、钢筋网共同作用，衬砌结构采用整体式配筋，把钢筋等效为混凝土作用。

表1　衬砌结构物理力学参数

3　计算结果

3.1　变形规律对比

从图6中可以看出，单层结构与双层结构整体竖向变形规律基本一致，但双层结构变形更加扭曲。二者的纵向变形主要发生在断层面处。双层结构的变形区域为-5～1号节段，最大竖向位移0.888 m。单层结构变形区域为-3～1号节段。最大竖向位移0.915 8 m，主要是双层结构刚度太大，在相同错距条件下，其变形量较小，变形范围较大。

图6　竖直位移云图对比(单位：m)

3.2　应力规律对比

由图7可知，单层结构与双层结构受拉区域的分布位置大体相同，主要发生在断层面附近下盘上顶板右侧和上盘下底板左侧(图中未标出)上。双层矩形结构上顶板受拉区域为-1～2号段，下底板受拉区域为-6～0号段，最大第一主应力发生在-1号段下底板左边缘，峰值80.9 MPa。

单层矩形结构上顶板受拉区域为-1～1号段号段，下底板受拉区域为-5～0号段，最大第一主应力发生在0号段下底板左边缘，峰值77.8 MPa。双层矩形结构最大拉应力略大于单层矩形结构，受拉严重区域也比单层矩形结构大。

图7　第一主应力云图对比(单位：Pa)

由图8可知，单层结构与双层结构受压区域主要发生在断层面附近上盘上顶板和下盘下底板上，其中-1～1段下底板为受压最严重区域。双层矩形结构上顶板受压区域为-8～0段，最大第三主应力发生在-1号段下底板内侧左边缘，峰值0.203 GPa。

图8　第三主应力云图对比(单位：Pa)

单层矩形结构上顶板受压区域为-5～1段，最大第三主应力发生在0号段下底板内侧左边缘，峰值0.154 GPa，双层矩形结构最大压应力远远大于单层矩形结构，其上顶板受压范围也比单层矩形结构大。

由图9可得，单层结构与双层结构塑性应变区域基本一致，主要发生在断层面附近衬砌结构的左右边墙上。双层结构塑性应变区最大塑性应变发生在-2号段右下边墙外侧，峰值0.889。

图9　塑性应变云图对比

单层结构最大第三主应力发生在-1号段下底板右下边墙外侧，峰值0.915，双层结构最大塑性应变略小于单层结构。

4　结论

通过对比相同错动条件下单层矩形隧道结构和双层矩形隧道结构的抗错断能力，主要有以下结论：

(1)双层矩形结构在最终错动下的变形量比单层矩形结构变形量小，因为双层结构纵向抗弯刚度较大；但双层矩形结构纵向影响范围比单层矩形结构大。

(2)双层矩形结构的破坏程度和范围要大于单层矩形结构。双层结构受拉严重区域比单层结构大，最大压应力远远大于单层结构，其上顶板受压范围也比单层结构大。

(3)双层矩形结构塑性应变范围大于单层矩形结构；单层结构的最大塑性应变产生区域更加接近断层面处，因此单层结构主要是断层面处发生破坏。

(4)对于明挖地铁隧道穿越活动断层区域时，设计时建议采用单层矩形隧道结构。