活动正断层错动断裂带对地铁隧道的影响分析

李有兵，张 亮，余 浩，赵慧玲

（1.山西工程职业学院，山西 太原 030001；2.中铁十二局集团第二工程有限公司，山西 太原 030032；3.上海大学，上海 201900）

1 工程概况

太原市地铁1 号线一期工程为太原市轨道交通线网主骨架线路，全长28.575km，共设车站24 座，全部为地下站，线路自金阳路站～小井峪站区间先后穿越相距256m 的交城F1-1、F1-2两条活动断裂，下穿西中环街、侧穿西中环高架桥桥桩，上跨东晋隧道同时下穿阎家沟桥后接入小井峪站。区间范围地势西高东低，设防段顶覆土约8m，地下水位约7～10m，隧道主要穿过的地层为碎石土、砾砂、黏质粉土、粉质黏土层。

2 模型的建立

地震时，断层错动达到一定程度，对既有的隧道结构造成破坏。通过电测深剖面显示，线路通过交城断裂处新生界下伏基岩埋深在150m 以上，伏地层的剪切波速不小于500m／s。故以覆盖层厚度150m 进行数值模拟，探求并研究金小区间线路纵向影响长度和地铁隧道处的位错量。通过对交城活动断裂现场勘察，发现断裂是狭长的裂隙，缝隙中充填多种颗粒，具有一定张开量。类似地裂缝，当上盘下沉时，沿着断裂面错动，必然会对裂隙中的颗粒挤压和剪切，同时造成上下盘互相脱空或嵌入。引入接触面，采用FLAC3D 有限差分软件，模拟粘结界面、粘结滑移、库仑滑动，其模拟接触面的接触单元，有着很好的力学特性。

搭建3 种模型方式，分别是上盘整体下沉型、上盘基岩影响带宽度下沉型、基岩以45°角梯形体掏空型（图1），隧道顶埋深约8m，断面采用矩形断面，隧道衬砌采用结构单元，较容易实现隧道内力分析，符合弹性力学板弯曲理论，断层倾角68°，采用FLAC3D 中的结构单元模拟隧道衬砌进行数值计算。

图1 技术路线

岩土材料的本构关系依赖岩土的数值分析，本构模型的合理性和实用性决定岩土问题数值分析的精度。故本次数值模拟采用摩尔-库仑（M-C）弹塑性本构模型。通过地层分析，对模型简化，目的是分析断裂带在预测活动量值错动作用下的地铁隧道变形。

2.1 计算参数

金阳路站-小井峪站区间为西山山前倾斜波状冲洪积平原，地表多为第四纪人工填土（Q4ml），其下为第四纪全新统冲洪积（Q4al+pl）、第四系上更新统冲洪积层（Q3al+pl）、第四系中更新统冲洪积层（Q2al+pl）。在模型计算模拟过程中，参考区间岩土工程勘察报告，得出模拟时采用的计算参数，地基土设计参数参考值，砂土、碎石土颗粒组成见表1。

表1 计算参数

2.2 计算位错量工况

为探求纵向设防长度变化的趋势，交城断裂F1-1、F1-2 新生界下伏基岩的上盘位错量工况下，垂直位错量分别为16cm、21cm、41cm、53cm、58cm、75cm。

2.3 覆盖层厚度150m的数值模拟

通过搭建断层上盘整体下沉型、上盘基岩影响带宽度下沉型、基岩以45°角梯形体掏空型3种模型，覆盖层厚度按照150m 计算，数值模拟地铁隧道通过F1 断层后产生的影响。

2.3.1 上盘整体下沉型的数值模拟

上盘整体下沉型模型是指以断层为界，断层下盘不动，上盘整体下沉。断裂带和隧道分别采用FLAC3D 中Interface 和结构单元模拟。模型尺寸：240m×175m×40m（长×宽×高），即沿着X轴方向240m，Y轴方向175m。数值计算模型左右两侧和前后两端分别施加X方向和Y方向水平位错约束，断裂下盘底部施加竖直方向即Z方向位错约束，上盘底部为可控活动边界。模型中上盘下降，下盘稳定，在上盘底部施加强制位s 来控制和模拟断裂上盘的下降过程和垂直位错量。从断裂错动量10～50cm 变化时，随着错动量的增加，地层变形随之增大。但从图2 也可以看出，断层破坏具有上盘效应，断裂发生时，断层下盘几乎不受影响，差异沉降最大的地方是在断裂错动地段，当竖向沉降量分别在10cm、20cm、30cm、40cm、50cm 时，地面差异沉降区域分别在35m、50m、65m、77m、90m 左右，地面差异沉降影响范围集中在沉降盘上盘靠近断裂一侧（表2）。

表2 隧道埋深处地层竖向变形量表

图2 隧道埋深处的地层竖向变形曲线

从隧道埋深处的地层竖向变形曲线可以看出，在10～50cm 这几种工况下，沉降盘（断层上盘）都有相应沉降，而下盘影响带范围较小。沉降影响带主要集中在斜率变化处，强制位错量越小，差异沉降范围越小，按照斜率变化的范围，可以看出，上盘下沉10cm、20cm、30cm、40cm、50cm 时，隧道下盘影响宽度分别在20m、30m、40m、50m、60m 左右，隧道上盘影响宽度分别在4m、8m、13m、15m、18m 左右，地铁隧道处差异沉降影响范围基本集中在沉降盘（断层上盘）靠近断裂一侧（图3）。

图3 断裂错动下地铁隧道变形曲线

以上模型仅能大致了解上盘整体下沉幅度，不能精确确定影响带宽度，通过模型改进，模拟不同基岩位错量条件下影响带宽度与沉降量，从图4 地层竖向变形曲线，结合表3，可以得出在16cm、21cm、41cm、53cm、58cm、75cm 这几种工况下，断裂带在隧道处上盘影响带宽度分别为20m、30m、40m、50m、60m、100m，断裂带在隧道处下盘影响带宽度分别为5m、10m、15m、18m、20m、35m 左右，隧道处差异沉降影响范围基本集中在沉降盘上盘靠近断裂一侧，沉降量分别为0.01m、0.015m、0.12m、0.22m、0.25m、0.33m。断裂带在隧道处上盘影响带宽度分别为5m、10m、15m、18m、20m、35m 左右，隧道处差异沉降影响范围基本集中在沉降盘上盘靠近断裂一侧，沉降量分别为0.006m、0.01m、0.015m、0.018m、0.02m、0.03m。

表3 断裂错动下模型地表竖向变形量表

图4 断裂错动下地表竖向变形曲线

2.3.2 上盘基岩影响带宽度下沉型数值模拟

上盘基岩影响带宽度下沉型模型的数值模拟，按照下沉带宽度分别是25m、50m、75m 宽3 种工况模拟。计算模型：240m×175m×170m（长×宽×高）。

1）采用上盘基岩影响带宽度25m进行的数值模拟。数值模拟显示，断裂活动引起地表变形基岩断裂错动量从16～75cm 变化时，随着断裂错动量的增加，地层变形跟着增大。从图5 隧道埋深处的地层竖向变形曲线可以看出，由于断裂带的存在，差异沉降最大的地方是在断裂错动地段，差异沉降区域约在175～225m 范围内，也就是说地面差异沉降在断裂一侧影响范围约为25m。断裂基岩位错量越小，隧道处差异沉降范围越小。从断裂活动引起隧道埋深处地层变形特征来看，针对活动断裂基岩位错量的不同，断裂带上盘纵向设防长度也各异，具体见表4。根据野外对断层影响带宽度调查结果揭示的“断层上盘效应”，类比可知，正断层上盘影响带宽度应为下盘影响带宽度的5 倍；根据数值模拟结果，当基岩错断量在16cm 时，地铁隧道处断层上盘纵向设防长度为25m，断层下盘纵向设防长度为5m，地铁隧道处最大变形量仅为2cm；当基岩错断量在41cm 时，地铁隧道处断层上盘纵向设防长度为35m，断层下盘纵向设防长度为7m，地铁隧道处最大变形量仅为5.5cm。

表4 地层位错量与地表最大变形（单位：cm)

图5 基岩断裂错动下隧道埋深处的地层竖向变形曲线

2）采用上盘基岩影响带50m 宽度数值模拟。数值模拟结果显示，断裂活动引起地表变形断裂错动量从16～75cm 变化时，随着断裂错动量的增加，地层变形跟着增大。从图6 隧道埋深处的地层竖向变形曲线可以看出，由于断裂带的存在，差异沉降最大的地方是在断裂错动地段，当竖向沉降量达到2cm 时影响区域（差异沉降区域）约在170～230m 之间，地面差异沉降影响范围约为60m，分配到断层上盘处，纵向设防长度为30m。几种工况计算后，断裂带由于施加强制位错，产生相应沉降，可以明显看出，强制位错量越小，差异沉降范围越小。

图6 断裂错动下模型隧道埋深处的地层竖向变形曲线

3）采用上盘基岩影响带75m 宽度数值模拟。数值模拟结果显示，断裂活动引起地表变形断裂错动量从16～75cm 变化时，随着地裂缝错动量的增加，地层变形跟着增大。从图7 隧道埋深处的地层竖向变形曲线可以看出，几种工况计算后，断裂带由于施加强制位错，产生相应沉降，可以明显看出，强制位错量越小，差异沉降范围越小。从断裂活动引起隧道埋深处地层变形特征来看，地表竖向沉降量在0.05m 时，在断裂带175～230m 范围为主要设防地段。

图7 断裂错动下模型隧道埋深处的地层竖向变形曲线

2.3.3 上盘基岩以45°梯形体掏空型的数值模拟

断裂错动量最大为75cm 时，在此工况下，地表变形为零。

3 结论

通过不同工况、不同模型的数值模拟，得到交城断裂在100 年内发生不同位错量时，在地铁隧道埋深处上下盘影响带宽度和纵向沉降量变化见表5。

表5 隧道埋深处纵向沉降量与影响带宽度

在100 年设防期间内，依据取最大值原则，F1-1 断层上盘影响带宽度为20m，断层下盘影响带宽度为6m；F1-2 断层上盘影响带宽度为60m，断层下盘影响带宽度为20m；距断层越远，隧道处位错量越小。

通过以上综合分析，提出太原地铁1 号线穿越交城断裂100 年内纵向设防长度与位错量值如下。

1）F1-1 断层水平黏滑蠕滑位错量取值为0.05m，F1-1 断层垂直黏滑蠕滑速位错量取值为0.15m；F1-2 断层水平黏滑蠕滑位错量取值为0.13m，F1-2 断层垂直黏滑蠕滑位错量取值为0.47m。距断层越远，隧道处位错量越小。

2）F1-1 断裂两侧设防范围：上盘设防长度20m，下盘设防长度10m；F1-2 断裂两侧设防范围：上盘设防长度60m，下盘设防长度20m。

3）F1-1 断裂两侧重点设防范围：上盘设防长度20m，下盘设防长度10m；F1-2 断裂两侧重点设防范围：上盘设防长度40m，下盘设防长度10m。

为降低活动断裂带对运营安全的影响程度，太原地铁1 号线区间穿越交城活动断裂带采用全明挖法施工，设防段约380m结构采用分段设缝、扩大段面的矩形结构形式，矩形断面宽7.1m，高8m。分段设缝接头采取且形止水带和U 型止水带多道柔性防护的柔性接头。区间穿越交城断裂带的强影响区分段设缝间隔取10m，弱影响区分段设缝间隔取20m。这些有效的抗震抗裂防治对策在施工中取得良好效果，沉降满足设计要求。对完善城市轨道交通区间穿越活动断裂带提供了有益的借鉴。