穿越活斷層地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張海龍

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司新疆分院，新疆烏魯木齊830011)

穿越活斷層地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張海龍

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)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(hào)線一區(qū)間隧道穿越活斷層，在國(guó)內(nèi)地鐵工程中尚屬首例。通過(guò)利用EERA軟件對(duì)地層位移和土層剪力的計(jì)算，考慮區(qū)間結(jié)構(gòu)與地層的相互作用，采用該區(qū)域內(nèi)的地震動(dòng)參數(shù)，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(qū)間設(shè)計(jì)。計(jì)算結(jié)果表明，區(qū)間隧道在穿越活斷層時(shí)，結(jié)構(gòu)部分區(qū)域需進(jìn)行強(qiáng)度配筋計(jì)算。

明挖法;大跨度;EERA軟件;活斷層;反應(yīng)位移;抗震設(shè)計(jì)

地鐵區(qū)間隧道穿越斷層，會(huì)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出新的問(wèn)題，而斷層的活動(dòng)性質(zhì)及錯(cuò)位量是影響區(qū)間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及安全的重要因素，其對(duì)工程的影響主要表現(xiàn)為錯(cuò)動(dòng)破壞和地震破壞［1-3］。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外地下結(jié)構(gòu)多次遭到地震破壞現(xiàn)象表明，強(qiáng)震對(duì)地下結(jié)構(gòu)破壞尤其顯著。1994年美國(guó)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(shè)施均受到不同程度的損壞。對(duì)地下結(jié)構(gòu)的震害現(xiàn)象，近年來(lái)學(xué)者進(jìn)行了研究，對(duì)近斷層強(qiáng)地震動(dòng)下雙層豎向重疊地鐵隧道的地震反應(yīng)，陳磊等［4］以ABAQUS為平臺(tái)，選取有代表性的斷層地震加速度記錄，得出區(qū)間結(jié)構(gòu)相對(duì)水平位移及結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響規(guī)律。劉洋［5］對(duì)近斷層地鐵隧道地震作用下動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。本文針對(duì)九家灣Fj2北支活斷層的產(chǎn)狀、與線路交角、活動(dòng)性質(zhì)［6］，利用EERA軟件對(duì)地層位移和土層剪力進(jìn)行計(jì)算，考慮區(qū)間結(jié)構(gòu)與地層的相互作用，采用該區(qū)域內(nèi)的地震動(dòng)參數(shù)，完成了區(qū)間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1　工程概述

烏魯木齊軌道交通2號(hào)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(wú)分期施工的條件，需同期施工。覆土厚度3.6 m，基坑開(kāi)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(gòu)造，垂直位錯(cuò)量900 mm。平面位置見(jiàn)圖1。

圖1　平面位置

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮以下3個(gè)因素:

1)受九家灣Fj2北支的影響，結(jié)構(gòu)需考慮側(cè)向加寬、豎向加高，以滿足地震發(fā)生后，經(jīng)修補(bǔ)，短期內(nèi)應(yīng)能恢復(fù)其正常使用功能。

2)出入段線區(qū)間與二期線路立體交叉，形成異形的立體交叉結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)時(shí)將立體交叉異形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的雙層結(jié)構(gòu)，以利于設(shè)計(jì)、施工。

3)受斷層側(cè)向加寬影響而形成的大跨度結(jié)構(gòu)形式，在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮上部覆土、城市管線對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

考慮以上因素，滿足限界要求的情況下設(shè)計(jì)了如圖2的結(jié)構(gòu)方案。

3　反應(yīng)位移法抗震計(jì)算

采用反應(yīng)位移法［7-9］進(jìn)行區(qū)間結(jié)構(gòu)橫向地震反應(yīng)計(jì)算［10］，將周圍土體作為支撐結(jié)構(gòu)的地基彈簧，結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬建模［11-12］，見(jiàn)圖3。

圖2　結(jié)構(gòu)方案(單位:mm)

圖3　抗震計(jì)算簡(jiǎn)圖

3.1選擇地層參數(shù)

選取D10XZ-3鉆孔:結(jié)構(gòu)頂板覆土3.6 m，不考慮抗浮水位。限于篇幅，本文僅對(duì)地震荷載及地震工況加以詳細(xì)計(jì)算。土層力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　土層力學(xué)參數(shù)

3.2土層剪力、相對(duì)位移、結(jié)構(gòu)慣性力計(jì)算

土層相對(duì)位移、結(jié)構(gòu)慣性力和結(jié)構(gòu)周圍剪力可由一維土層地震反應(yīng)(EERA軟件)分析得到。根據(jù)《烏魯木齊軌道交通2號(hào)線一期工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》選取土類動(dòng)力特性參數(shù)，地表波選取P50=2%隨機(jī)波，水平向地震動(dòng)峰值加速度取0.332g，見(jiàn)圖4。

3.2.1土層剪切力和位移計(jì)算結(jié)果

通過(guò)EERA軟件計(jì)算土層剪切力結(jié)果如下:結(jié)構(gòu)頂板剪切力標(biāo)準(zhǔn)值τU=39.570 kN/m;結(jié)構(gòu)底板剪切力標(biāo)準(zhǔn)值τB=125.197 kN/m;結(jié)構(gòu)中板剪切力標(biāo)準(zhǔn)值τS=(τU+τB)/2=82.382 kN/m。

土層相對(duì)位移計(jì)算值均很小，最大值出現(xiàn)在土層深度3.6 m處，為1.91 mm。

3.2.2結(jié)構(gòu)慣性力

據(jù)《城市軌道交通抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50909—2014)6.6.3-2公式計(jì)算。根據(jù)EERA計(jì)算出頂板、中板、底板最不利時(shí)刻的地震加速度值分別為0.488g，0.395g，0.352g，結(jié)構(gòu)慣性力分別為104.25，65.63，83.79 kN。

圖4　加速度時(shí)程曲線

4　計(jì)算結(jié)果

采用SAP 2000有限元軟件，計(jì)算采用荷載結(jié)構(gòu)模式，計(jì)算中將區(qū)間結(jié)構(gòu)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)一起建模，圍護(hù)結(jié)構(gòu)與側(cè)墻之間采用鉸接連桿模擬，共同承擔(dān)荷載［13］。計(jì)算模型參見(jiàn)圖3，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　結(jié)構(gòu)受力計(jì)算

根據(jù)表2計(jì)算結(jié)果可知，靜力作用下以裂縫控制的配筋組合在結(jié)構(gòu)的部分位置不滿足地震作用下以強(qiáng)度控制的配筋面積要求。造成這樣的結(jié)果主要因?yàn)樵谕翆蛹羟辛Φ淖饔孟?，在矩形結(jié)構(gòu)的邊角產(chǎn)生較大的應(yīng)力。在該區(qū)域以強(qiáng)度控制結(jié)構(gòu)配筋。

5　結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前地鐵設(shè)計(jì)缺少完善的地下結(jié)構(gòu)抗震分析方法和有效的抗震構(gòu)造措施。常規(guī)的抗震計(jì)算采用地震系數(shù)法，未考慮結(jié)構(gòu)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(hào)線一區(qū)間穿越活斷層，本文結(jié)合該工程實(shí)例，根據(jù)計(jì)算得出:

1)根據(jù)Fj2北支活斷層的垂直錯(cuò)位量對(duì)主體結(jié)構(gòu)予以加高。根據(jù)斷層的走向、傾角、與線路的夾角對(duì)主體結(jié)構(gòu)予以加寬。選取該地區(qū)的P50=2%地表波，根據(jù)EERA軟件的計(jì)算結(jié)果可知，在區(qū)間結(jié)構(gòu)頂、底板發(fā)生最大位移的最不利時(shí)刻，層間相對(duì)位移能滿足規(guī)范要求。

2)在土層位移、地層剪切力的作用下，結(jié)構(gòu)在邊角處產(chǎn)生集中應(yīng)力，該區(qū)域需以強(qiáng)度控制結(jié)構(gòu)配筋。

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(責(zé)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。