地鐵區(qū)間穿越斷裂帶設(shè)計方案

陶書煜

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京102600）

1 引言

我國西北地區(qū)深居內(nèi)陸，地形條件、地層巖性復(fù)雜，斷裂構(gòu)造廣泛發(fā)育。當(dāng)隧道不可避免地穿越活動斷層時，由地震作用及活動性斷層持續(xù)蠕滑造成的累積剪切錯斷都會對隧道襯砌安全、軸線穩(wěn)定等產(chǎn)生嚴重的破壞。因此，對于建造在活動斷裂帶的隧道工程，完善其隧道結(jié)構(gòu)抗斷層錯動設(shè)計、確定合理的施工方法，十分必要。

2 工程概況

烏魯木齊軌道交通2號線馬料地站～平川路站區(qū)間自馬料地站起，沿馬料地街路下向西南敷設(shè)，后向北轉(zhuǎn)至平川路路下，轉(zhuǎn)彎過程中下穿九家灣村部分民宅等建筑物，之后進入平川路站止。區(qū)間起點里程為YCK17+410.596，區(qū)間隧道大部分位于現(xiàn)狀九家灣村落下方，道路兩側(cè)為商鋪及村內(nèi)建筑。沿線建筑物主要有市公交總公司九家灣停車場、馬料地小學(xué)、二宮鄉(xiāng)九家灣三隊、市七十一小學(xué)和一些村內(nèi)民宅等。區(qū)間終點里程為YCK18+289.294。本區(qū)間大部分埋深較深，上方管線稀疏，僅在馬料地街與平川路路面下有少量管線（區(qū)間始末兩端）。此外，區(qū)間穿越西山斷裂帶北支，呈單面坡，全長878.698m，區(qū)間正線線間距約15.7m～24.1m，區(qū)間隧道埋深約在10.4-20.8m。

3 工程特點與難點

馬料地站-平川路站區(qū)間的YAK12+670～YAK12+760之間大角度通過西山斷裂東段南支（F4-2），產(chǎn)狀 N65°E/65°N。參考《烏魯木齊市軌道交通1號線工程場地地震安全性評價活斷層鑒定補充報告》，該斷層預(yù)測未來100年的突發(fā)最大位錯量為0.65m。因此，如何選定合理的施工方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計方案成為確保本工程結(jié)構(gòu)可靠性的關(guān)鍵。

4 區(qū)間隧道施工方案比選

4.1 區(qū)間開挖方式比選

區(qū)間隧道上方現(xiàn)狀為九家灣村部分民宅等建筑物，基礎(chǔ)形式多為片石基礎(chǔ)，深度均在5m以內(nèi)，區(qū)間結(jié)構(gòu)與建筑物基礎(chǔ)底豎向最小凈距均在12.0m以上。另外，區(qū)間穿越西山斷裂帶北支。本段區(qū)間隧道所處地層主要為2-4粉土、2-4-1含礫粉土、2-9圓礫、5-1-2強風(fēng)化泥巖及5-1-3中風(fēng)化泥巖。根據(jù)上述區(qū)間結(jié)構(gòu)施工控制條件，區(qū)間穿越西山斷裂帶采用礦山法施工，并在斷裂帶前后設(shè)置設(shè)防段，設(shè)防段長度為200m；在暗挖段前后兩段采用盾構(gòu)法施工，以控制施工期間地面建筑物沉降。綜上所述，本段區(qū)間盾構(gòu)從平川路站小里程始發(fā)，至暗挖段處進行空推，駛過暗挖段后繼續(xù)采用盾構(gòu)推進，在馬料地站大里程端接收。

4.2 穿越斷裂帶暗挖段施工措施比選

為減小斷層錯動對產(chǎn)生的破壞程度，根據(jù)工程經(jīng)驗，本項目擬采用加強隧道襯砌強度、增大隧道襯砌厚度、擴大隧道斷面、設(shè)置變形縫等措施，并分別進行了研究論證。

①加強隧道襯砌強度。加強隧道襯砌強度的方法有很多，如提高混凝土標號、混凝土中添加鋼纖維等。但根據(jù)模型分析及類似工程經(jīng)驗，提高隧道襯砌混凝土強度，雖然可以顯著地增加隧道的截面剛度，使局部等效塑性應(yīng)變值明顯減小，但軸向應(yīng)力表現(xiàn)出隨強度增大而增大的趨勢，并且隧道垂直位移分布始終沒有減小。提高混凝土強度在一定程度上增大了結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，但不能充分有效地改善隧道的受力情況，在斷層錯動時抑制隧道的垂直位移也無明顯效果，因此不是一種理想的抗錯斷措施。②增大隧道襯砌厚度。單從力學(xué)角度來看，相對于加強襯砌混凝土強度來說，增大隧道襯砌厚度能夠提供更高的剛度儲備，并使軸向應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變明顯地降低，為一種很好的抗錯方式。但是隧道的變形是受圍巖控制的，在錯動過程中圍巖主要表現(xiàn)為剪切變形，當(dāng)剛度提高時，達到相同的應(yīng)力狀態(tài)必然會使隧道承受更大的載荷，一旦發(fā)生破壞危險性很大。綜合考慮，不適合作為隧道抗錯斷的技術(shù)手段和措施。③擴大隧道斷面。在斷層錯動過程中，隧道破壞的根本原因是由于圍巖的約束，變形只能在與斷層相交處有限區(qū)域內(nèi)發(fā)生，應(yīng)力、應(yīng)變集中，很容易使材料達到屈服破壞，如果能使隧道在更大范圍內(nèi)變形，可在一定程度上將斷層錯動的能量耗散在更廣的空間，同時可避免破壞侵入隧道限界，進而減小結(jié)構(gòu)的破壞程度。④設(shè)置變形縫。當(dāng)斷層發(fā)生錯動時，斷層破碎帶及破碎帶與普通圍巖交界處一定范圍內(nèi)的隧道結(jié)構(gòu)剛度連續(xù)、分布均勻，不能吸收局部圍巖變形而易發(fā)生較大的剪切破壞。沿隧道軸向設(shè)置一系列的剪切變形縫，將襯砌結(jié)構(gòu)分成一定數(shù)量相互獨立的小節(jié)段，使連續(xù)的結(jié)構(gòu)變?yōu)槿嵝缘墓?jié)段，將連續(xù)的變形變?yōu)榉植嫉奈诲e，阻隔了受力的傳遞，極大程度地減小了應(yīng)力集中對結(jié)構(gòu)帶來的損傷破壞。避免了隧道結(jié)構(gòu)局部變形過大而造成破壞，是一種非常有效的抗錯手段。

綜上所述，本項目暗挖段施工擬采取擴大開挖斷面、設(shè)置變形縫等主要措施。

4.3 結(jié)構(gòu)形式

礦山法隧道采用馬蹄形斷面復(fù)合式鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)法隧道采用錯縫拼裝的裝配式圓形斷面鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)。

5 區(qū)間特殊點設(shè)計

5.1 盾構(gòu)通過暗挖段的方式

盾構(gòu)通過暗挖段主要考慮兩種方式，一種是在暗挖段內(nèi)繼續(xù)拼裝管片通過。后期為滿足暗挖斷面地層斷裂帶錯動量0.65m的要求，將管片拆除。這種方式的優(yōu)點是盾構(gòu)通過相對較快，缺點是工程造價相對較高；第二種方式是靠外力牽引通過。優(yōu)點是工程造價相對較低，不浪費盾構(gòu)管片，缺點是推進速度較慢，影響工期。綜合考慮，本區(qū)間初步設(shè)計階段盾構(gòu)通過暗挖段推薦采用外力牽引的施工方式。

5.2 區(qū)間結(jié)構(gòu)下方的承壓水處理措施

本區(qū)間盾構(gòu)段在里程YCK17+502.719至YCK17+638.000，礦山法暗挖段在YCK17+638.000～YCK17+865.892范圍內(nèi)區(qū)間下方有承壓水分布。針對此問題，推薦采用降低承壓水水頭的方式，在地面布置減壓降水井。根據(jù)區(qū)間地形情況，該段區(qū)間上方房屋分布極其密集，因此，在實際中考慮在房屋中間找間隙布置。推薦方案中布置約30口減壓井，減壓井伸入含有承壓水的圓礫層中8m。[1]

5.3 針對礦山法暗挖段地下水處理措施

根據(jù)前述水文地質(zhì)情況，本段區(qū)間中潛水、基巖裂隙水等，地下水位相對較高。在暗挖施工過程中潛水要采取降水措施或者封水措施，裂隙水可考慮洞內(nèi)明排的方式。

考慮到該段地層固結(jié)程度、地層應(yīng)力歷史、降水沉降影響范圍等參數(shù)都未知，且周邊房屋較密集，上部管線較多，結(jié)合地質(zhì)情況綜合考慮，推薦方案中考慮暗挖段全斷面注漿止水，注漿范圍僅限于土層，且在隧道外輪廓線外3m范圍內(nèi)。注漿液采用水泥漿液，漿液配合比應(yīng)在實際施工中根據(jù)注漿效果調(diào)整，注漿壓力為0.5～1.5MPa。比較方案為暗挖段左右線隧道外邊線外3m，原則上每隔15m布置一口潛水降水井。由于區(qū)間上方房屋分布極其密集，因此，在實際中考慮在房屋中間找間隙布置。比較方案中共布置20口降水井，暗挖斷面在巖層或半巖半土層中，潛水降水井深入中風(fēng)化巖層內(nèi)2m；在土層中時，井深入結(jié)構(gòu)底下5m。比較方案需要根據(jù)地下水抽水試驗及詳勘報告進一步?jīng)Q定。另外，如果根據(jù)地下水試驗發(fā)現(xiàn)降水時對地面沉降影響小時，可將比較方案作為推薦方案。

5.4 礦山法暗挖段施工針對中風(fēng)化巖的處理方式

區(qū)間暗挖段地層會遇到中風(fēng)化巖層，巖層強度較大，特別是中風(fēng)化礫巖。結(jié)合烏魯木齊地鐵1號線施工經(jīng)驗，施工中優(yōu)先考慮采取鉆爆法施工，考慮到爆破會對沿線建筑物產(chǎn)生較大影響，影響周邊居民的正常生活起居，提出以下兩種比較措施：其一，考慮在暗挖施工過程中將沿線居民暫時騰遷，再進行鉆爆施工；其二，如果騰遷較為困難，考慮采用化學(xué)爆破的方式，其缺點是施工周期長，優(yōu)點是對周邊建筑物影響較小。

6 存在問題及下階段注意事項

①區(qū)間承壓水層資料尚不足夠詳細，需進一步調(diào)查。補充承壓水抽水試驗。②對建筑物的評估、盾構(gòu)施工階段允許的沉降值確定等工作應(yīng)盡快完成。③靠近馬料地站出盾構(gòu)下穿規(guī)劃地塊，該地塊擬建商業(yè)樓，需與商業(yè)樓設(shè)計單位進行進一步結(jié)合，以明確樓地下室外輪廓與盾構(gòu)外皮的凈距。