地鐵隧道穿越地裂縫的變形控制措施及其效果分析

鄭選榮

（西安科技大學建筑與土木工程學院，710054，西安∥博士，講師）

地鐵隧道穿越地裂縫的變形控制措施及其效果分析

鄭選榮

（西安科技大學建筑與土木工程學院，710054，西安∥博士，講師）

西安地鐵1號線朝陽門站至康復路站區(qū)間隧道穿越f4地裂縫。在分析了地裂縫危害性的基礎上，提出從隧道結構設計和地層加固設計兩方面控制隧道過地裂縫段的變形，并給出了具體的施工方案，確定了技術參數(shù)和質(zhì)量保證措施。選擇一個監(jiān)測斷面對該變形控制措施進行了效果評定。結果表明，采取淺埋暗挖法施工是合理的，建議的變形縫處柔性接頭技術方案和地層超前小導管加固措施有效地遏制了隧道變形；地表沉降、隧道拱頂沉降和隧道兩幫位移均處于安全范圍之內(nèi)。

地鐵隧道；穿越地裂縫；變形控制；地表沉降

Author’s addressSchool of Architecture and Civil Engineering，Xi’an University of Science and Technology，710054，Xi’an，China

地裂縫是指地表巖層、土體在自然因素（地殼活動、水的作用等）或人為因素（抽水、灌溉、開挖等）作用下產(chǎn)生開裂，并在地面形成一定長度和寬度的裂縫的一種宏觀地表破壞現(xiàn)象［1-2］。工程實踐表明，地鐵隧道施工在穿越地裂縫區(qū)段時，由于沿裂縫帶的滲水及基底不均勻沉降，有可能造成隧道局部沉降過大；地鐵投入運營時垂直差異沉降對地鐵線路結構的破壞可能會引起隧道破裂，從而產(chǎn)生地下水的滲入，造成循環(huán)破壞［3-8］。

西安地區(qū)不良地質(zhì)現(xiàn)象較多，而地裂縫是其中最為突出的問題之一。本文以西安地鐵朝陽門站至康復路站區(qū)間為研究對象，分析隧道過地裂縫時引起地表變形的因素，研究隧道過地裂縫段的變形規(guī)律，并給出了控制措施建議，供類似工程參考。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

西安市地鐵1號線朝陽門站—康復路站區(qū)間始于朝陽門車站，沿長樂西路向東，下穿中興路人行天橋，終于康復路車站，其左右線隧道分別長774.597 m、776.2 m，；左右線隧道線間距為15 m。區(qū)間范圍內(nèi)地表一般分布有厚薄不均的全新統(tǒng)人工填土；其下為上更新統(tǒng)風積新黃土（局部為飽和軟黃土）及殘積古土壤，再下為中更新統(tǒng)風積老黃土、沖積粉質(zhì)黏土、粉土、細砂、中砂及粗砂等。f4地裂縫在ZCK23+ 210.2、YCK23+196.4段通過。地裂縫分布見圖1。

圖1 地裂縫分布及研究區(qū)段示意圖

f4地裂縫帶走向為NE，傾向SE，傾角約80°，表現(xiàn)為上盤下降、下盤上升的正斷層特征。

1.2 水文概況

鉆探揭露的場地地下水屬潛水類型，主要賦存上更新統(tǒng)殘積古土壤、中更新世風積黃土及沖積粉質(zhì)黏土等黏性土層。主要含水層為中更新統(tǒng)沖積粉質(zhì)黏土中2~3層中砂透鏡體夾層，分布不均勻。該層透水層好，賦水性強。

1.3 工程難點分析及應對措施

一般來說，地鐵隧道穿越地裂縫時，由于地裂縫的活動影響使隧道發(fā)生變形可能發(fā)生的災害及其應對措施主要有：

（1）軌道變形。當襯砌結構由于地裂縫活動變形達到一定程度時，內(nèi)部的鐵軌路基也會隨之產(chǎn)生變形，導致路基下沉。當變形超出規(guī)范允許范圍時，就會嚴重影響地鐵的運營。本工程的應對措施為：在施工完初期支護結構之后，必須施作內(nèi)襯；內(nèi)襯采用鋼筋混凝土結構，對于結構兩端地基承載力明顯不足的情況，應通過地基處理來加強。同時，須在隧道底板上預留注漿孔，當隧道底部出現(xiàn)地層變形時，通過注漿孔向底部注漿，達到充填加固地基的目的。此外，每10~15 m需設置變形縫或采用柔性結構，以減小結構內(nèi)力，主動適應變形。

（2）防水失效。西安地鐵1號線隧道埋深在10 ~15 m左右，而西安地區(qū)地下水埋深一般在7.3~ 16.6 m之間，大部分地鐵隧道都處于地下水位以下。當隧道穿越地裂縫帶出現(xiàn)變形開裂時，地下水可能下滲而侵入隧道，出現(xiàn)隧道涌水災害。且隧道滲漏水后會進一步出現(xiàn)基底開裂、翻漿冒泥等災害。本工程的應對措施為：在其結構變形縫處附加外包防水層，另外設置3道止水線進行防水。

（3）行車限界受侵。地裂縫活動使隧道發(fā)生變形，導致隧道軸向和橫向凈空收斂，襯砌結構及設備管道侵入行車限界，從而影響地鐵正常行駛，威脅安全運營。本工程的應對措施為：依據(jù)工程經(jīng)驗，采用淺埋暗挖法施工，將地裂縫影響區(qū)域斷面加大，結構距離限界凈空預留至少能包含地鐵設計年限（100年）的裂縫最大垂直位移量（目前將地鐵線各條地裂縫的最大垂直位移量統(tǒng)一取為500 mm）。區(qū)間結構設計保證結構在相互錯動后，仍有部分可以搭接。

綜上所述，地裂縫的存在致使隧道施工斷面加寬、加高，給區(qū)間隧道施工的安全帶來很大困難，因此，保證施工安全，防止隧道涌水、坍塌，以及確保周邊建筑物的安全是本工程控制的難點。

目前，當?shù)罔F隧道工程遇到地裂縫時，一般多采取避讓的方式處理。但由于地鐵選線的特殊性，若區(qū)間地段實在難以避開地裂縫時，需采取合適的工藝方法進行施工。

2 施工方案及要點控制

2.1 施工工法

本區(qū)間縱向下穿長樂路和康復路兩條交通要道，對地表沉降控制尤為嚴格。而CRD（交叉中隔墻）法施工是一種適用于軟弱地層的隧道施工方法，特別對于控制地表沉陷有很好的效果。CRD法適用于開挖跨度較大，對圍巖沉降變形控制嚴格的工程，一般主要用于城市地鐵施工中。CRD法開挖的每一步都各自封閉成環(huán)，兼有臺階法和雙側壁導坑法的優(yōu)點，有利于圍巖穩(wěn)定，保證施工安全。因此，本區(qū)段隧道穿越地裂縫采用CRD法施工。

為增加掌子面的穩(wěn)定性和保證干作業(yè)條件，采用φ42 mm小導管注漿作為超前支護加固。注漿范圍為C型斷面拱部與邊墻輪廓線外2 m范圍及仰拱輪廓線外2 m范圍。開挖斷面形式見圖2。

圖2 斷面開挖分塊示意

2.2 施工要點控制

在施工中應著重控制好以下要點：

（1）在施工完初期支護結構后，必須及時施作內(nèi)襯，嚴格控制初期支護與二次襯砌（簡為“二襯”）之間的安全距離；內(nèi)襯采用鋼筋混凝土結構。

（2）過地裂縫段需設置變形縫，初支變形縫位置與二襯保持一致，采用初襯格柵的縱向連接筋斷開，使之協(xié)調(diào)變形，且每道變形縫接口處局部厚度要加大，以適應地裂縫較大變形，二襯變形縫采用特殊防水措施。

（3）地裂縫段防水采用設置特殊變形縫的方法，在地裂縫處的結構變形縫主要采用1道可伸縮的止水帶及2道預壓縮的GINA止水條防水。

3 變形控制措施

在控制地裂縫帶來的災害影響時，既要考慮隧道結構方面的改良措施，也要考慮如何將地裂縫的活動影響降至最低。本工程分別從結構設計和地層加固兩方面采取了相應措施。

3.1 隧道結構設計

為了保證穿越地裂縫段的地鐵區(qū)間隧道凈空不被侵入，必須局部擴大斷面。采用雙層襯砌加強結構強度，同時對隧道分段設縫，變形縫處采用柔性接頭處理，做到“防放結合”?！胺馈敝饕羌訌娝淼赖钟冃蔚哪芰?；“放”主要是柔性處理，增強隧道適應變形的能力。本工程中，根據(jù)行車限界受侵這一難點及其應對措施，擴大了該區(qū)間斷面，以適應后期的隧道變形。地裂縫段斷面開挖寬度為8 m（普通段為6.6 m），開挖高度為8.605 m（普通段為7.030 m），如圖3所示。其襯砌參數(shù)見表1。

圖3 隧道設計斷面圖

表1 隧道襯砌參數(shù)

為了更好地適應地裂縫的變形，采用騎縫模式設置變形縫來減小襯砌結構所受的彎矩和剪力（見圖4）。其中，L1為處于地裂縫主變形區(qū)內(nèi)的襯砌管段長度；L2為處于地裂縫微變形區(qū)內(nèi)的襯砌管段長度。騎縫式布置變形縫對于結構防水要求很高，選擇合理的防水措施時應遵循以防為主、剛柔結合、多道防線、因地制宜、綜合治理的原則［9-10］。

圖4 隧道變形縫示意圖

對于地裂縫帶的變形縫防水，應在其結構變形縫處附加外包防水層，另外設置3道止水線（見圖5）。3道止水線的設置為：①特殊變形縫外側設置且型止水帶，形成1道封閉的防水線；②特殊變形縫中部設置可滑移橡膠止水帶，形成1道封閉的防水線；③特殊變形縫內(nèi)部設置U型止水帶，將少量滲水有組織地引入?yún)^(qū)間排水溝并排入?yún)^(qū)間廢水泵房。

3.2 地層加固設計

地鐵隧道穿越地裂縫段時，為減弱地裂縫活動引起的涌水及隧道變形破壞，施工時先對地裂縫段隧道開挖輪廓外2 m范圍的地層進行注漿加固處理。超前小導管的長度、間距、打設角度及布設位置等見表2及圖3。然后在隧道仰拱部位外側預埋注漿管。注漿管沿隧道縱向每隔1.5 m布置1道，每道環(huán)向注漿管用接頭接鋼管并豎向引至二次襯砌內(nèi)側。運營時，根據(jù)地裂縫活動情況，適時向仰拱初支下土層注漿（見圖6）。

在較差土層開挖隧道時，超前小導管既可作為注漿導管，又可起到超前錨桿的作用，作為區(qū)間隧道開挖預加固措施。其施工流程如圖7所示。

3.3 開挖步驟

參照圖2，隧道斷面開挖步驟如下：

（1）施做1部超前小導管，注漿加固地層；開挖1部土體，施做初期支護。

圖5 隧道變形縫防水大樣圖

表2 超前小導管參數(shù)一覽表

圖6 仰拱預留注漿孔

（2）滯后1部約4~6 m開挖2部土體，施做初期支護，施做臨時仰拱。

（3）滯后2部約4~6 m開挖3部土體，施做初期支護。

（4）滯后3部約4~6 m做3部超前小導管，注漿加固地層；開挖4部土體，做初期支護。

（5）滯后4部約4~6 m開挖5部土體，施做初期支護，施做臨時仰拱。

圖7 超前小導管施工工藝流程圖

（6）滯后5部約4~6 m開挖6部土體，施做初期支護。

（7）縱向分段拆除底部中隔壁，施做7部仰拱防水及二襯。

（8）縱向分段拆除臨時仰拱及剩余中隔壁，施做剩余二襯，封閉成環(huán)。

4 控制措施效果評定

為了反映地鐵隧道穿越地裂縫施工過程中采取的控制措施效果，需對隧道斷面進行監(jiān)測（參見圖4）。在圖4中的2#監(jiān)測斷面上選取地表沉降位移、隧道拱頂沉降及兩幫收斂位移等3個監(jiān)測指標，綜合反映其穩(wěn)定性和變化規(guī)律。監(jiān)測點布置見圖8。1#和3#斷面的監(jiān)測同2#斷面。監(jiān)測結果如圖9、10所示。

圖8 隧道測點布置圖

圖9 施工期間及其后隧道內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)變化曲線

圖10 施工期間及其后地表沉降變化曲線

限于篇幅，本文僅對2#斷面的沉降情況進行分析。由圖9可知，拱頂下沉大致可分為3個階段：0 ~15 d時，拱頂下沉量明顯增大；15~30 d時，下沉量雖然由于土體釋放應力繼續(xù)增大，但其下沉速率已經(jīng)放緩；30 d之后趨于穩(wěn)定，最終拱頂最大下沉量為16.3 mm。水平收斂的變化規(guī)律和拱頂下沉基本相同，也分為3個階段，最大水平收斂量為7.1 mm。因此，拱頂沉降和兩幫收斂均處于安全范圍之內(nèi)。眾所周知，地裂縫對隧道的影響是一個長期的過程，需要長期進行監(jiān)測。僅從施工期間以及施工完成后短期內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結果來看，本工程采取的控制措施還是切實有效的。

一般來說，淺埋暗挖地鐵隧道的地表橫向沉降基本形成以隧道縱向中心線為對稱軸的沉降槽，但本段處于地裂縫影響范圍內(nèi)，必然有其特殊性。地裂縫與地鐵隧道的夾角為45°，本監(jiān)測斷面左側正好位于地裂縫與地鐵隧道的夾角處，所以累計沉降量大于隧道頂部的沉降值。由圖10可知，地表左側的4個監(jiān)測點累計沉降量及沉降速率明顯大于地表右側的4個監(jiān)測點，其最終沉降量為27 mm（小于安全限值30 mm），平均沉降速率達到0.48 mm/d，說明此監(jiān)測斷面的地表沉降在正確的施工方案指導下得到了控制。

5 結語

（1）地鐵區(qū)間隧道過地裂縫段存在較大的危險性，必須選擇合理的施工方法才能保證施工安全，降低風險。淺埋暗挖法施工具有靈活多變，對地面建筑物、道路和地下管線影響不大，對地層擾動小，不污染城市環(huán)境等優(yōu)點，對西安地鐵后續(xù)施工穿越地裂縫具有參考意義。

（2）在地鐵區(qū)間隧道過地裂縫段，應從隧道結構和地層加固兩方面進行綜合設計。在隧道結構設計上，較之普通段斷面應該加大，采用雙層襯砌加強結構強度，同時對隧道分段設縫，變形縫處采用柔性接頭處理，做到“防放結合”。設置騎縫模式變形縫來減小襯砌結構所受的彎矩和剪力。對地層要進行提前加固，減弱地裂縫活動引起涌水及隧道變形破壞。

（3）施工現(xiàn)場跟蹤監(jiān)測結果表明，本工程中地鐵區(qū)間隧道通過地裂縫時所采取的變形控制措施是有效的，地表變形、隧道拱頂沉降和隧道兩幫收斂都處于安全范圍之內(nèi)。

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［10］ GB 50157-2003地鐵設計規(guī)范［S］.

［11］ 高虎艷，李忠生.西安地裂縫對線狀工程設施的破壞及其防治措施［J］.城市軌道交通研究，2012（10）：86

Analysis of Deformation Control Measures for Metro Tunnel Crossing Ground Fissures

Zheng Xuanrong

The tunnel section from Chaoyang Gate Station to Kangfu Rd.Station of Xi’an metro Line 1 passed over f4 ground fissure.With an analysis of the fissure harms，a specific control plan of both the tunnel structure design and the ground reinforcement design is proposed，the technical parameters and quality control measures are adopted，and a section is selected to test the deformation control measures. The results show that the shallow-tunneling construction method is reasonable，the suggestion of using flexible joint technology at the deformation joints and the advance ductile to reinforce ground could effectively control the tunnel deformation.The ground surfacing subsidence，vault settlement and displacement of two sides of the tunnel are all controlled within the safe range.

metro tunnel；crossing ground fissures；deformation control；ground surface subsidence

U 456.3+3

2013-01-22）