骊山山前断裂对西安地铁临潼线隧道的影响研究

骊山山前断裂对西安地铁临潼线隧道的影响研究
GUO Rui;HUANG Qiangbing;ZHENG Bo;LIU Zhiqiang
【摘要】以西安地铁临潼线穿越骊山山前断裂为研究背景,采用数值模拟方法,通过建立地铁隧道-断裂-地层三维有限元模型,研究了骊山山前断裂错动作用下隧道结构的变形受力特征,以此揭示了骊山山前断裂错动作用对西安地铁临潼线的影响机制以及重点设防位置,确定了地铁临潼线的设防范围,提出了相应防治建议措施.研究结果表明:断裂错动作用造成地铁隧道沿纵向发生弯曲变形,大致可分为3个变形区域:下盘稳定区、剪切拉张区和整体沉降区.断裂附近地层竖向应力和隧道拱底接触压力均表现为上盘减小而下盘增大,而隧道拱顶接触压力在上盘增大下盘减小.同时,沿纵向隧道顶部结构在上盘受压而下盘受拉,底部结构受力刚好相反,在上盘受拉下盘受压;隧道受剪区范围随断裂位错量变化基本保持不变,且最大值均出现在与断裂相交位置处.最后,综合确定了西安地铁临潼线跨越骊山山前断裂的纵向设防长度至少为80 m,并给出了跨断裂西安地铁临潼线的防治措施.研究结果可为西安地铁临潼线跨越骊山山前断裂带设计及其病害防治提供科学参考.
【期刊名称】《工程地质学报》
【年(卷),期】2019(027)003
【总页数】9页(P682-690)
【关键词】活动断裂;地铁隧道;变形;内力;设防范围;防治措施
【作者】GUO Rui;HUANG Qiangbing;ZHENG Bo;LIU Zhiqiang
【作者单位】;;;
【正文语种】中文
【中图分类】P642.27
0 引言
众所周知，地铁工程作为重大生命线工程，场地工程地质条件的优劣对其影响是不言喻的。

在建的西安地铁临潼线连接西安市区和国家重点旅游区——临潼区，对带动西安市临潼区的经济发展尤其是旅游业的发展具有重要的推动作用。

然而，西安地铁临潼线建设将穿越一条活动断裂带——骊山山前断裂带，根据已有工程地质资料(卞菊梅等， 2014)，该断裂为全新世活动断裂，毫无疑问，该断裂的活动将严重威胁着西安地铁临潼线建设及其未来安全运行。

关于断裂错动作用对隧道等地下工程的影响，国内外开展了基础性研究，并取得了一些重要研究成果。

Kiani et al. (2016)通过正断层作用下位于浅埋冲洪积地层地铁隧道的模型试验，研究了断裂错动作用下管片与地表的破坏特征及变形范围。

Huang et al. (2017)采用数值模拟方法研究了斜入射P波作用下分别处于上、下盘隧道结构的非线性响应。

Kun et al. (2013)通过对土耳其某跨断裂浅埋地铁隧道采用现场调查和数值模拟，研究了隧道结构受力特征以及地表建(构)筑物变形破坏形式。

何川等(2014)通过开展振动台模型试验，分析了围岩与隧道结构的加速度响应特征以及衬砌结构内力分布规律。

王帅帅等(2015)，信春雷等(2014)研究了地震作用下跨断层隧道常规与新型抗减震结构的响应特性与破坏机理。

杨志华等(2013)通过数值仿真分析了强震和断裂共同作用下跨断层铁路隧道的动力响应过程。

张伟喜等(2017)采用理论分析和数值模拟，计算分析了正断层错动作用下整体式隧道衬砌结构的应力变形等分布规律。

张涛等(2005)探讨了断裂构造山区隧道不同的开挖和支护方法对山区公路隧道的影响。

李天斌等(2016)基于数值反演
分析，分析了龙门山地区发震断层地震前后上下盘构造应力的突变特征与变化规律。

黄强兵(2009)通过系列地铁隧道穿越地裂缝的大型物理模型试验，系统研究了类
似断裂错动下的西安地裂缝活动对地铁隧道的影响机制。

邵润萌(2011)分析了断
裂作用下隧道结构的损伤失效模式，研究了断层错动方式、断层倾角、隧道洞径大小等相关因素对隧道结构的反应规律。

孟振江等(2017)运用经验公式对骊山山前
断裂黏滑活动可能产生的最大垂直位错量进行了预测，分析了断裂错动对隧道结构变形的影响。

赵颖等(2014)采用有限元分析方法，对走滑断层位错作用下隧道衬
砌结构的破坏形式和响应过程进行了研究。

上述研究对隧道跨断裂病害防治提供了依据。

但是，对于城市地铁穿越活动断裂，如何确定跨断裂带地铁隧道的设防长度和重点设防位置，以及隧道结构在设防范围内结构内力大小、作用方式和分布特征等，仍有待深入研究。

本文以西安地铁临潼线穿越骊山山前断裂为研究背景，针对骊山山前断裂活动方式，建立了地铁隧道-断裂-地层三维有限元模型，研究了断裂错动作用下地铁隧道的变形和受力特征，分析了地层与隧道结构受断裂作用影响的主要范围以及围岩压力分布特征，研究成果可为西安地铁临潼线穿越骊山山前断裂带抗断设计提供重要指导和依据，也为目前我国大规模城市轨道交通建设中隧道穿越断裂带的工程设计提供参考和借鉴。

1 工程概况
西安地铁临潼线途经灞桥区、曲江临潼国家旅游休闲度假区和临潼区，连接西安市区与临潼区(图 1)，其建设承担着区域交通、构建西安市西南到东北向主要客流走廊，也是西安市目前重点建设的轨道交通线路之一。

该地铁线起点为地铁一号线的终点站纺织城，终点为临潼区内的秦汉大道，全线设站点15座，均为地下车站，线路全长25.14ikm。

图 1 西安地铁临潼线与断裂带交汇示意图Fig. 1 The sketch of Location map
of Xi’an metro Lintong line intersecting Lishan Mountain piedmont fault
根据临潼线工程场地地震安评资料(卞菊梅等， 2014)，西安地铁临潼线于芷阳广
场附近穿越骊山山前断裂(图 1)。

骊山山前断裂西起华清池、东至崇凝南，长约
40ikm，走向总体近东西，倾向北，倾角约75°，属于全新世活动正断层，活动方式以垂直位错为主，百年内最大累计位错量约为500imm(孟振江等， 2017)。

而
地铁工程作为百年大计工程，骊山山前断裂错动将对西安地铁临潼线产生严重威胁，断裂作用可能造成隧道结构产生剪切、拉压等变形破坏，影响西安地铁临潼线的安全运行。

2 计算模型及参数选取
本文选取西安地铁临潼线穿越芷阳五路和芷阳广场区间为研究对象。

该区间地铁隧道埋深18im，覆盖层厚度为77im，地层结构及岩性主要为：杂填土、新黄土、
古土壤、老黄土、粉质黏土、粗砂和强风化花岗岩。

严格按照勘察和设计提供资料，采用专业岩土有限元软件Midas/GTS，计算所用材料参数如表 1所示。

数值计算中土体选用实体单元，本构模型选取理想的弹塑性模型，遵循莫尔-库仑屈服准则，隧道衬砌选用混凝土材料，通过壳单元模拟隧道衬砌结构，选用弹性本构模型。

表 1 数值模型计算参数Table1 Calculation parameters of numerical model
地层名称重度/kN·m-3弹性模量/MPa泊松比μ黏聚力/kPa内摩擦角/(°)层底深
度/m①杂填土16.7100.3515171.5②新黄土17.0160.3302013.5③古土壤
17.0200.3332317.5④老黄土17.0230.3372341⑤粉质黏土19.1270.3372575⑥粗砂19.5500.2803577⑦花岗岩20.52000.252003580隧道衬砌25300000.2///断裂参数Kn=2000 kPa, Ks=100 kPa1015
考虑到数值模拟中边界影响和尺寸效应，模型的计算区域为长×宽×高
=240im×70im×80im，如图 2a所示。

断裂带左侧为稳定盘即下盘，右侧为沉降盘即上盘，断裂带倾角为75°，模型前后和左右两侧边界分别施加相应法向位移约
束，整个模型底部进行竖向位移约束，模型顶部为自由面，无任何约束。

图 2 有限元计算模型Fig. 2 Numerical calculation modela. 计算模型及边界条件；b. 强制位移
根据资料(卞菊梅等， 2014)可知，骊山山前断裂活动特征以垂直位错为主，且地
铁设计使用期内该断裂引起最大垂直位移量估算值为500imm，计算中在上盘底
部施加强制位移模拟断裂带的位错作用(图 2b)，通过施工阶段每步施加位错量
10icm，沉降5次到最终达到上盘底部沉降值50icm来实现基岩位错这一过程。

3 计算结果及分析
3.1 地层位移及隧道沉降变形规律
图为断裂错动作用下地表位移变化曲线，正值说明地层产生隆起，负值说明地层产生沉降。

从地表竖向位移曲线可知(图 3a)，随着位错量的增大，地表竖向位移逐
渐增大，曲线呈反“S”型特征。

同时可以看到，上下盘地层变形存在显著差异，距断裂一定距离时，上盘地层呈整体下降趋势，下盘地层基本保持稳定不动，可视为稳定区，而位于断裂附近地层呈不均匀变形，在地表则表现为倾斜变形。

工程实际中，地层的不均匀变形相比整体沉降变形往往对地表建(构)筑物造成的影响更为严重。

为此由地表竖向位移绘制出地表倾斜度变化曲线(图 3b)，曲线基本呈漏斗形，随着位错量不断增加，断裂附近地表倾斜度不断增大，在110im处地表倾斜
度最大，斜率曲线可以更好地反应地表倾斜变形的特征，即影响范围。

依据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2011)(中华人民共和国行业标准编写组，2012)，各类建筑物的地基变形允许倾斜值为安全起见取最严格标准2‰，来确定地表影
响范围，可以看出从基岩位错量S=20icm增加到50icm，地表影响范围从
34im(对应断裂在地表投影上盘10im、下盘24im)扩大到了110im(对应断裂在地表投影上盘50im、下盘60im)，说明随着断裂位错量的增加，地表影响范围不断扩大。

同时对地表影响范围与位错量之间进行了函数拟合(图 3c)，相关系数达到
0.98，说明地表影响范围随断裂位错量呈3次多项式形式进行扩大。

图 3 断裂错动下地表位移曲线Fig. 3 Displacement curves of model surface under fault dislocationa. 地表竖向位移； b. 地表倾斜度曲线； c. 地表影响范围拟合曲线
图 4 隧道拱顶沉降位移曲线Fig. 4 Displacement curves of tunnel top under fault dislocation
图 4给出了断裂错动下隧道拱顶竖向位移曲线。

由图4可知，断裂错动作用使隧
道衬砌产生弯曲变形，曲线同样近似呈反“S”型特点，在下盘区域衬砌结构有轻微翘曲变形，可视为稳定区，在断裂附近变形加剧，上盘衬砌距离断裂一定距离后，隧道结构呈现整体下沉，说明衬砌变形同样具有明显的分段特点，根据曲线特征可把衬砌变形分为3个区段：下盘稳定区、不均匀变形区和整体沉降区。

实际工程中，结构产生整体沉降变形对工程基本影响不大，而不均匀变形往往造成结构的剪切破坏，在此阶段竖向位移曲线几乎直线下降，斜率较陡，说明在此区域断裂错动作用对衬砌结构的危害最大，极易发生剪切破坏。

3.2 地层应力变化规律
断裂错动导致地层位移的不连续变形，同时也将改变地层应力分布情况。

因建模时坐标原点处于隧道拱顶地表，隧道埋深为负值，故竖向应力数值为负值，方向为竖直向下。

图 5为深度H=-40im处的地层竖向应力曲线，可以明显看到在断裂带附近，上盘竖向应力减小而下盘竖向应力增大，说明断裂错动下上盘地层发生向下沉降，在土体内部产生一定的拉应力，造成上盘地层应力减小，而下盘地层受到上盘地层活动时的倾覆压力，造成下盘地层压力增大。

这种应力变化区域首先出现在基岩底部，并且随着位错量增加逐渐向上部地层扩展，这种应力差恰恰是土体发生剪切破坏的条件。

图 5 土体竖向应力曲线(H=-40im)Fig. 5 Curves of soil vertical stress(H=-
40im)
图为隧道顶、底部在不同位错量(S)下围岩接触压力变化曲线。

从隧道顶部围岩接
触压力曲线可以看到(图 6a)，在上盘距断裂50im范围内，隧道结构接触压力增大，最大增大了55%，而下盘距断裂34im范围内，隧道接触压力减小，最大减小了35%。

从隧道底部接触压力曲线可以看到(图 6b)，拱底接触压力和拱顶受力模式
刚好相反，在上盘距断裂50im范围内，隧道结构接触压力减小，最大减小了60%，而下盘距断裂35im范围内，隧道接触压力增大，最大增大1.2倍。

同时从隧道结构接触压力变化范围来看，不论是拱顶还是拱底，压力变化范围主要集中于隧道纵向76～160im范围内，即从下盘到上盘隧道纵向长度约(1/3～2/3)L的区
间范围(其中L为隧道长度)，说明在此范围内隧道结构应采取相应加固，且处于上盘的隧道结构受断裂影响的范围更大。

图 6 隧道接触压力变化曲线Fig. 6 Variation curves of contact pressures of tunnela. 顶部; b.底部
图 7 隧道顶部与底部轴力云图(S=50icm)Fig. 7 Longitudinal force nephograms of tunnel top and bottoma. 拱顶; b.拱底
3.3 隧道结构内力变化特征
3.3.1 隧道纵向轴力
图 7给出了基岩错动量S=50icm时，隧道拱顶和拱底的轴力云图。

可以看出，断裂错动作用下隧道拱顶和拱底结构轴向受力特征刚好相反，同时拱顶底结构在断裂上下盘受力特征各不相同。

图 8给出了断裂错动下隧道顶、底部轴力变化曲线。

图中正值表示受拉状态，负
值表示受压状态。

由图8可知断裂错动作用下，隧道顶部轴力变化曲线整体呈现
反“S”型特点，在上盘顶部处于受压状态，最大值位于上盘40im处；而下盘处于受拉状态，最大值位于下盘30im处，在此范围即上盘40im和下盘30im区间
内拱顶轴力变化较为强烈，该范围内隧道结构处于明显拉压状态。

隧道底部轴力表现出和顶部大致相反的变化规律，隧道底部在上盘处于受拉状态，在下盘结构则处于受压状态，这种拉压状态在断裂两侧30im区间表现最为明显(图 8b)，从数值来看，拱底轴力值稍略小于拱顶轴力。

综合对比分析，断裂错动作用下，整个隧道结构处于拉压弯曲变形模式中，隧道拱顶纵向轴力大于拱底轴力，且均随断裂位错量的增大，隧道结构所受拉、压应力均在增大。

图 8 隧道顶底部轴力曲线Fig. 8 Curves of longitudinal force in tunnel top and bottom a. 拱顶; b.拱底
3.3.2 隧道结构剪力
断裂错动作用下，隧道结构周围土层产生向下的位移，而跨断裂地铁隧道结构具有阻止这种位移的趋势，这种相对位移对隧道结构产生了相应的剪切作用。

图 9给出了不同断裂位错作用，隧道结构左右两侧壁的剪力变化曲线。

由图9可知，左右两侧壁剪力曲线变化趋势刚好相反，在断裂两侧均近似呈对称分布，主要受剪区集中分布在断裂两侧上盘 48im 下盘30im范围内，最大剪应力出现在断裂处，并且随断裂位错量的增加，剪力大小逐步增大，但剪力的分布趋势及主要受剪区的范围不变。

图 9 断裂错动下隧道两侧壁剪力曲线Fig. 9 Distribution of shearing force at the sides of metro tunnel under fault dislocationa. 左拱腰侧壁；b. 右拱腰侧壁
3.3.3 隧道结构纵向应变
为得出断裂错动作用下，地铁隧道变形破坏的临界位错量，图 10给出了断裂位错作用下隧道拱顶、底纵向应变的变化曲线，正值表示受拉，负值表示受压。

由图10可知，曲线特征与之前轴力特征类似，同样说明隧道结构处于拉压弯曲变形模式。

而工程实际中混凝土结构设计主要为承受压应变，所以造成隧道开裂的主
要原因为拉应变。

根据《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)(中华人民共和
国行业标准编写组，2015)，极限压应变为εc=0.0033，极限拉应变εt=0.0001。

可以看到当位错量s=10icm时，已接近极限拉应变界限值，但还尚有一定的安全储备，而当位错量S≥20icm时，拉应变值均已超出了混凝土极限值，说明断裂位错量达到20icm时，结构产生了拉裂破坏。

同时，最大压应变和最大拉应变受力位置基本不变，隧道结构均在上盘50im和下盘30im处应力达到最大值，说明在此范围内，隧道结构受断裂错动影响较为强烈，故跨断裂地铁隧道在此区间设计时需考虑特殊设防如分段设缝的处治措施。

图 10 断裂错动下隧道结构应变曲线Fig. 10 Curves of tunnel structure strain under fault dislocationa. 拱顶; b.拱底
4 防治措施探讨
从上述数值计算结果及分析来看，骊山山前断裂错动引发地铁隧道沿结构纵向产生弯曲变形，根据变形及受力特点大致可以划分为3个区域(段)：下盘稳定区、断裂附近剪切拉张区和上盘整体沉降区(图 11)。

在剪切拉张区范围内隧道结构易发生
张拉开裂破坏，根据前述计算结果穿越断裂带地铁隧道纵向设防长度至少为80im，故跨断裂隧道结构在此范围应采取必要的结构设防措施。

图 11 跨断裂地铁隧道变形示意图Fig. 11 Deformation schematic of metro tunnel crossing the active fault
因断裂位错活动导致两侧隧道结构产生较大差异变形，为确保结构安全，消除和缓解断裂造成的剪切变形，借鉴西安地铁隧道对地裂缝防治措施的研究，类似地，西安地铁临潼线通过骊山山前断裂带时应采取“防”、“放”结合的原则，以结构适应断裂活动变形为主，在断裂影响范围内扩大隧道的结构断面，同时在断裂相交局部区域衬砌加强，在跨断裂带设防范围内的隧道，结构采用分段设变形缝(黄强兵等， 2009；彭建兵等， 2012)。

为使隧道结构适应一定的断裂位错效应，在断裂影响区域隧道结构分段设置变形缝，结构之间采用柔性对接，以消化断裂引起的结构变形，降低结构本身的受力。

为了防止隧道建筑限界入侵，保证隧道净空和行车安全，隧道穿越断裂带时必须扩大断面、预留净空且要预留注浆孔(黄强兵等， 2009；彭建兵等， 2012)，根据数值
模拟断面扩大应不少于 50icm，同时，采用双层衬砌或复合式衬砌局部(主要为接
头部位)加强以确保结构强度，在断裂带隧道必须预留足够的净空，确保断裂带的
蠕滑和黏滑引起地层错动位移后仍能通过线路调坡来保证行车。

5 结论
本文以西安地铁临潼线穿越骊山山前断裂带为研究背景，建立了地铁隧道-断裂带
相互作用数值模型，开展了断裂错动作用下地铁隧道变形破坏的响应机制研究，揭示了断裂错动作用下地层及隧道沉降变形、接触压力以及隧道结构内力等变化特征，得出如下结论：
(1)断裂错动引起地层产生了不均匀变形，竖向位移曲线呈反“S”型特征，地表影响范围与断裂位错量之间呈3次多项式函数关系。

(2)断裂错动导致上盘地层应力减小而下盘地层应力增大，剪切破坏首先产生于断
裂底部，且断裂附近拱底接触压力在上盘减小而在下盘显著增大，拱顶接触压力在上盘增大而在下盘减小，接触压力主要变化范围为上盘50im、下盘35im区间内。

(3)断裂错动作用下地铁隧道结构变形破坏模式为拉-压弯曲变形破坏，即沿隧道纵向顶部上盘受压，下盘受拉，而底部则上盘受拉下盘受压。

根据变形受力特点，断裂错动作用下隧道结构纵向弯曲变形大致可以分为3个区域(段)即下盘稳定区、剪切拉张区和整体沉降区，其中剪切拉张区位于上盘48im和下盘30im范围。

(4)当骊山山前断裂带位错量超过20icm时，地铁隧道结构将产生剪切-拉裂破坏，且西安地铁临潼线跨越骊山山前断裂结构纵向设防长度不少于80im，此建议采取分段设变形缝、结构之间采用柔性对接等隧道跨断裂抗剪断设防措施。

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