西安地铁隧道穿越地裂缝施工安全风险及控制

西安地铁隧道穿越地裂缝施工安全风险及控制

吴超

广州轨道交通建设监理有限公司广东广州510000

摘要：地裂缝地质灾害是地下隧道工程建设的重大难题之一，本文根据地裂缝的工程特性与施工工程的实际情况，分析潜在的风险，并提出相应的风险控制措施。

关键词：地铁隧道；地裂缝；风险控制

1、地裂缝工程特性

1.1地裂缝定义

地裂缝是一种独特的城市地质灾害，地裂缝是地表岩、土体在自然或人为因素作用下，产生开裂，并在地面形成一定长度和宽度的裂缝的一种地质现象。

1.2西安地裂缝

西安市是国内地裂缝灾害严重的典型城市，西安市区根据地表出露形迹和多种勘察手段确定的地裂缝带有14条，面积约155km2，其活动时间之长和规模之大，在国内外尚属罕见。这些地裂缝所到之处，致使不少地面建（构）筑物和地下设施遭到变形破坏，给西安古城的市政建设带来了严重破坏。

1.3变形范围及受力分析

地裂缝活动是导致隧道破坏的主要原因，由于地裂缝的不断活动,使得地裂缝周围的地质体发生位移,产生局部应力场和形变场,从而造成地下隧道、路基、管道弯曲变形或剪断。

当地裂缝活动时，隧道周围土体将会上下移动，产生位移，而地裂缝带的隧道结构要阻止此处的土体位移，因此对隧道结构产生剪切作用，且随着地表沉降量的增大，剪应力随之增大。其次，裂缝带两侧的纵向应力剧增，上盘范围内隧道是顶部受压、底部受拉，下盘反之。最大拉、压应力基本出现在距裂缝15.0~20.0m的隧道两侧。

据监测资料，西安地裂缝有垂向位移、水平拉张和水平扭动共3个方向的活动。其中以垂向位移最为强烈，活动速率5～30mm／a，最大为56mm／a；水平拉张居中，为2～10mm／a；水平扭动最小，为1～2mm／a。

2、工程概况

2.1项目概况

西安市地铁五号线太乙路站~兴庆路站区间通过F6地裂缝设防段采用矿山法隧道施工，矿山法隧道左、右线隧道设计长度215.000m（兼长链18.968m）、230.000m，埋深约16.8m～20.5m，左右线间距为15m。

2.2工程地质

区间暗挖主要穿越<4-1-2>老黄土、<4-2-2>古土壤，部分拱顶涉及到<3-1-3>饱和软黄土。太～兴区间地下水属潜水类型，水位埋深4.7~9.9m，暗挖区间水位埋深4m，该区间隧道断面均在水位以下。

2.3F6地裂缝

本区间穿越F6地裂缝，该段地裂缝走向NE70°，长度约4km。F6地裂缝总体走向NE65~75°倾向SE，倾角75~80°，发育带宽度达35~70m，总长度17.3km。上世纪80年代中期以来，该地裂缝持续强烈活动，最大活动速率达20mm/a。

3、地裂缝地段施工风险分析

本标段的F6地裂缝变形带的土体裂隙多、工程地质差，由于地层错位，并且断层的上盘下降，下盘上升，致使地层从稳定向不稳定过渡，在隧道开挖时，拱顶及边墙易出现塌方现象。同时，施工中还可能会出现沿裂缝带的集中渗水现象，造成隧道涌水涌砂坍塌等险情，安全风险较大。

降水井点的布设及抽水量的控制直接影响地裂缝的活动及地表、管线、周边建（构）筑物的沉降。降水效果不佳及隧道开挖对地裂缝带土体产生扰动,会造成集中渗水及地表沉降，影响管线及地面建筑沉降变形、开裂甚至涌水、涌砂甚至隧道坍塌等。

4、地裂缝施工风险控制

4.1地裂缝处理原则

西安地铁工程防治地裂缝的基本原则是：分段处理，柔性接头，预留净空，局部加强，以结构适应地裂缝变形为主。

（1）无论采取何种结构都不能仅采取通过加强结构刚度的措施来抵抗地裂缝活动导致的结构错位，而是需要结构能够一定程度适应地裂缝的活动导致的变形；

（2）当地裂缝活动导致结构变形时，防水不至于破坏或者破坏后能够采取措施予以补救；

（3）当地裂缝活动导致结构发生错位后仍能保证地铁正常运营所需要的最小限界要求；

（4）道床设置需要能够灵活的适应地裂缝活动导致的结构偶然或长期累积的错位，而不至于影响列车正常运营；

（5）必须采取切实有效的监控量测措施，以根据监测情况及时采取针对性措施防治可能出现的地裂缝活动导致的不良地质灾害。

4.2设计控制措施

（1）采用大断面，预留变形空间

太～兴区间F6地裂缝采用矿山法施工时，通过地裂缝地段的隧道高度根据地铁建筑限界和地裂缝错位百年预计量确定主变形区结构空间，将地裂缝最大垂直位移量统一取为300mm。

（2）采用复合式衬砌结构

过地裂缝初支断面形式单一跨度相对较大，采用C25喷混凝土，拱顶150o设置超前小导管；全断面设双层φ8×钢筋网，网格间距150×150mm，格栅钢架间距0.5m。二衬采用300mmC35P10模筑混凝土。

（3）采用特殊变形缝，加强防水控制

地裂缝段结构采用特殊变形缝，特殊变形缝问距为10～15m，特殊变形缝宽度为125mm。特殊变形缝处除附加外包加强防水层外设置二道止水线，特殊变形缝外侧设置且形止水带，形成一道封闭的防水线，特殊变形缝内侧设置“U”型止水带，形成第二道封闭的防水线。

4.3施工控制措施

（1）降水施工风险控制

本标段的暗挖隧道均位于地下水位以下且周边重要建构筑物较多，采用地面降水与WSS洞内注浆相结合的方式。F6地裂缝暗挖段区间隧道侧穿交大教师公寓，最小净距4.1m、左线下穿交大南门人行天桥桩基础，局部采用WSS全断面注浆进行止水并加固地层，有效降低地面沉降及开挖风险。

（2）暗挖遵循“十八字”方针

隧道为减少开挖对围岩的扰动及地裂缝沉降，设防段采用CRD法施工及马蹄形断面设计，净空为9×9.22m（宽×高），结构形式采用复合式衬砌，即初期支护采用喷混凝土、钢筋网、格栅钢架、二衬为防水混凝土。开挖前采用超前小导管注浆加固地层，并作超前支护辅助工作，严格按照“管超前，严注浆，短开挖，强支护，快封闭，勤量测”的原则组织施工。

（3）CRD分部开挖控制

为了减小隧道开挖对地裂缝土体的扰动，本区间导坑土方开挖全部采取人工开挖,开挖前先使用洛阳铲进行超前地质探测，确认掌子面背后地质状况无异常后方可进行开挖。①、③导坑：按照环形开挖掌子面，预留长1.5m、高2m、宽1.5m核心土，核心土正面开挖面3:1修坡，开挖的土方直接通过卸土孔倒入下部导坑，由小挖机、三轮自卸车到运至竖井井窝，提升架系统垂直吊运至渣土场。上部导坑每步开挖进尺为0.5m。③导坑在①导坑支护封闭成环15m后方可进行开挖。②、④导坑：上部导坑支护封闭成环3～5m后开挖下部台阶，下部导坑每榀开挖进尺为0.5m。

（4）加强周边环境施工监测

地裂缝地段由于地质状况差，地表建构筑物多，施工前应进行详细调查，施工中严格进行施工监测。本区间监测项目：①受施工影响的周边建筑物沉降及倾斜；②受施工影响的地表沉降；③结构的沉降和收敛变形；④周围地下管线变形。

隧道施工中出现下列情况之一时，应立即停工，采取应对措施进行处理：

（1）周边及开挖塌方、滑坡及破裂；

（2）量测数据有不断增大的趋势；

（3）支护结构变化过大或出现明显的受力裂缝且不断发展；

（4）时态曲线长时间没有变缓的趋势。

5、工程经验总结

本工程经过对隧道穿越地裂缝施工过程中风险分析及采取有效控制措施，较好地控制了地铁隧道穿越地裂缝施工过程中存在的风险，为地铁建设穿越地裂缝施工积累了经验。

参考文献

[1]张家明.西安地裂缝研究[M]：西北大学出版社，1990.

[2]李新生，王万平，王静，等.地裂缝两盘地层岩土力学性质研究[J].水文地质工程地质，2008（2）:58-61.

[3]邓胜龙，范文，闫芙蓉，等.地裂缝活动对跨越裂缝带地铁隧道的影响分析[J].岩土工程学报，2010（3）:481-487.

[4]黄强兵，彭建兵，高虎艳，等.地铁隧道斜交穿越地裂缝带的纵向设防长度[J].铁道学报，2010（2）:73-78.