地铁隧道穿越地裂缝的变形控制措施及其效果分析

郑选荣

（西安科技大学建筑与土木工程学院，710054，西安∥博士，讲师）

地铁隧道穿越地裂缝的变形控制措施及其效果分析

郑选荣

（西安科技大学建筑与土木工程学院，710054，西安∥博士，讲师）

西安地铁1号线朝阳门站至康复路站区间隧道穿越f4地裂缝。在分析了地裂缝危害性的基础上，提出从隧道结构设计和地层加固设计两方面控制隧道过地裂缝段的变形，并给出了具体的施工方案，确定了技术参数和质量保证措施。选择一个监测断面对该变形控制措施进行了效果评定。结果表明，采取浅埋暗挖法施工是合理的，建议的变形缝处柔性接头技术方案和地层超前小导管加固措施有效地遏制了隧道变形；地表沉降、隧道拱顶沉降和隧道两帮位移均处于安全范围之内。

地铁隧道；穿越地裂缝；变形控制；地表沉降

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

地裂缝是指地表岩层、土体在自然因素（地壳活动、水的作用等）或人为因素（抽水、灌溉、开挖等）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宏观地表破坏现象［1-2］。工程实践表明，地铁隧道施工在穿越地裂缝区段时，由于沿裂缝带的渗水及基底不均匀沉降，有可能造成隧道局部沉降过大；地铁投入运营时垂直差异沉降对地铁线路结构的破坏可能会引起隧道破裂，从而产生地下水的渗入，造成循环破坏［3-8］。

西安地区不良地质现象较多，而地裂缝是其中最为突出的问题之一。本文以西安地铁朝阳门站至康复路站区间为研究对象，分析隧道过地裂缝时引起地表变形的因素，研究隧道过地裂缝段的变形规律，并给出了控制措施建议，供类似工程参考。

1 工程概况

1.1 地质概况

西安市地铁1号线朝阳门站—康复路站区间始于朝阳门车站，沿长乐西路向东，下穿中兴路人行天桥，终于康复路车站，其左右线隧道分别长774.597 m、776.2 m，；左右线隧道线间距为15 m。区间范围内地表一般分布有厚薄不均的全新统人工填土；其下为上更新统风积新黄土（局部为饱和软黄土）及残积古土壤，再下为中更新统风积老黄土、冲积粉质黏土、粉土、细砂、中砂及粗砂等。f4地裂缝在ZCK23+ 210.2、YCK23+196.4段通过。地裂缝分布见图1。

图1 地裂缝分布及研究区段示意图

f4地裂缝带走向为NE，倾向SE，倾角约80°，表现为上盘下降、下盘上升的正断层特征。

1.2 水文概况

钻探揭露的场地地下水属潜水类型，主要赋存上更新统残积古土壤、中更新世风积黄土及冲积粉质黏土等黏性土层。主要含水层为中更新统冲积粉质黏土中2~3层中砂透镜体夹层，分布不均匀。该层透水层好，赋水性强。

1.3 工程难点分析及应对措施

一般来说，地铁隧道穿越地裂缝时，由于地裂缝的活动影响使隧道发生变形可能发生的灾害及其应对措施主要有：

（1）轨道变形。当衬砌结构由于地裂缝活动变形达到一定程度时，内部的铁轨路基也会随之产生变形，导致路基下沉。当变形超出规范允许范围时，就会严重影响地铁的运营。本工程的应对措施为：在施工完初期支护结构之后，必须施作内衬；内衬采用钢筋混凝土结构，对于结构两端地基承载力明显不足的情况，应通过地基处理来加强。同时，须在隧道底板上预留注浆孔，当隧道底部出现地层变形时，通过注浆孔向底部注浆，达到充填加固地基的目的。此外，每10~15 m需设置变形缝或采用柔性结构，以减小结构内力，主动适应变形。

（2）防水失效。西安地铁1号线隧道埋深在10 ~15 m左右，而西安地区地下水埋深一般在7.3~ 16.6 m之间，大部分地铁隧道都处于地下水位以下。当隧道穿越地裂缝带出现变形开裂时，地下水可能下渗而侵入隧道，出现隧道涌水灾害。且隧道渗漏水后会进一步出现基底开裂、翻浆冒泥等灾害。本工程的应对措施为：在其结构变形缝处附加外包防水层，另外设置3道止水线进行防水。

（3）行车限界受侵。地裂缝活动使隧道发生变形，导致隧道轴向和横向净空收敛，衬砌结构及设备管道侵入行车限界，从而影响地铁正常行驶，威胁安全运营。本工程的应对措施为：依据工程经验，采用浅埋暗挖法施工，将地裂缝影响区域断面加大，结构距离限界净空预留至少能包含地铁设计年限（100年）的裂缝最大垂直位移量（目前将地铁线各条地裂缝的最大垂直位移量统一取为500 mm）。区间结构设计保证结构在相互错动后，仍有部分可以搭接。

综上所述，地裂缝的存在致使隧道施工断面加宽、加高，给区间隧道施工的安全带来很大困难，因此，保证施工安全，防止隧道涌水、坍塌，以及确保周边建筑物的安全是本工程控制的难点。

目前，当地铁隧道工程遇到地裂缝时，一般多采取避让的方式处理。但由于地铁选线的特殊性，若区间地段实在难以避开地裂缝时，需采取合适的工艺方法进行施工。

2 施工方案及要点控制

2.1 施工工法

本区间纵向下穿长乐路和康复路两条交通要道，对地表沉降控制尤为严格。而CRD（交叉中隔墙）法施工是一种适用于软弱地层的隧道施工方法，特别对于控制地表沉陷有很好的效果。CRD法适用于开挖跨度较大，对围岩沉降变形控制严格的工程，一般主要用于城市地铁施工中。CRD法开挖的每一步都各自封闭成环，兼有台阶法和双侧壁导坑法的优点，有利于围岩稳定，保证施工安全。因此，本区段隧道穿越地裂缝采用CRD法施工。

为增加掌子面的稳定性和保证干作业条件，采用φ42 mm小导管注浆作为超前支护加固。注浆范围为C型断面拱部与边墙轮廓线外2 m范围及仰拱轮廓线外2 m范围。开挖断面形式见图2。

图2 断面开挖分块示意

2.2 施工要点控制

在施工中应着重控制好以下要点：

（1）在施工完初期支护结构后，必须及时施作内衬，严格控制初期支护与二次衬砌（简为“二衬”）之间的安全距离；内衬采用钢筋混凝土结构。

（2）过地裂缝段需设置变形缝，初支变形缝位置与二衬保持一致，采用初衬格栅的纵向连接筋断开，使之协调变形，且每道变形缝接口处局部厚度要加大，以适应地裂缝较大变形，二衬变形缝采用特殊防水措施。

（3）地裂缝段防水采用设置特殊变形缝的方法，在地裂缝处的结构变形缝主要采用1道可伸缩的止水带及2道预压缩的GINA止水条防水。

3 变形控制措施

在控制地裂缝带来的灾害影响时，既要考虑隧道结构方面的改良措施，也要考虑如何将地裂缝的活动影响降至最低。本工程分别从结构设计和地层加固两方面采取了相应措施。

3.1 隧道结构设计

为了保证穿越地裂缝段的地铁区间隧道净空不被侵入，必须局部扩大断面。采用双层衬砌加强结构强度，同时对隧道分段设缝，变形缝处采用柔性接头处理，做到“防放结合”。“防”主要是加强隧道抵御变形的能力；“放”主要是柔性处理，增强隧道适应变形的能力。本工程中，根据行车限界受侵这一难点及其应对措施，扩大了该区间断面，以适应后期的隧道变形。地裂缝段断面开挖宽度为8 m（普通段为6.6 m），开挖高度为8.605 m（普通段为7.030 m），如图3所示。其衬砌参数见表1。

图3 隧道设计断面图

表1 隧道衬砌参数

为了更好地适应地裂缝的变形，采用骑缝模式设置变形缝来减小衬砌结构所受的弯矩和剪力（见图4）。其中，L1为处于地裂缝主变形区内的衬砌管段长度；L2为处于地裂缝微变形区内的衬砌管段长度。骑缝式布置变形缝对于结构防水要求很高，选择合理的防水措施时应遵循以防为主、刚柔结合、多道防线、因地制宜、综合治理的原则［9-10］。

图4 隧道变形缝示意图

对于地裂缝带的变形缝防水，应在其结构变形缝处附加外包防水层，另外设置3道止水线（见图5）。3道止水线的设置为：①特殊变形缝外侧设置且型止水带，形成1道封闭的防水线；②特殊变形缝中部设置可滑移橡胶止水带，形成1道封闭的防水线；③特殊变形缝内部设置U型止水带，将少量渗水有组织地引入区间排水沟并排入区间废水泵房。

3.2 地层加固设计

地铁隧道穿越地裂缝段时，为减弱地裂缝活动引起的涌水及隧道变形破坏，施工时先对地裂缝段隧道开挖轮廓外2 m范围的地层进行注浆加固处理。超前小导管的长度、间距、打设角度及布设位置等见表2及图3。然后在隧道仰拱部位外侧预埋注浆管。注浆管沿隧道纵向每隔1.5 m布置1道，每道环向注浆管用接头接钢管并竖向引至二次衬砌内侧。运营时，根据地裂缝活动情况，适时向仰拱初支下土层注浆（见图6）。

在较差土层开挖隧道时，超前小导管既可作为注浆导管，又可起到超前锚杆的作用，作为区间隧道开挖预加固措施。其施工流程如图7所示。

3.3 开挖步骤

参照图2，隧道断面开挖步骤如下：

（1）施做1部超前小导管，注浆加固地层；开挖1部土体，施做初期支护。

图5 隧道变形缝防水大样图

表2 超前小导管参数一览表

图6 仰拱预留注浆孔

（2）滞后1部约4~6 m开挖2部土体，施做初期支护，施做临时仰拱。

（3）滞后2部约4~6 m开挖3部土体，施做初期支护。

（4）滞后3部约4~6 m做3部超前小导管，注浆加固地层；开挖4部土体，做初期支护。

（5）滞后4部约4~6 m开挖5部土体，施做初期支护，施做临时仰拱。

图7 超前小导管施工工艺流程图

（6）滞后5部约4~6 m开挖6部土体，施做初期支护。

（7）纵向分段拆除底部中隔壁，施做7部仰拱防水及二衬。

（8）纵向分段拆除临时仰拱及剩余中隔壁，施做剩余二衬，封闭成环。

4 控制措施效果评定

为了反映地铁隧道穿越地裂缝施工过程中采取的控制措施效果，需对隧道断面进行监测（参见图4）。在图4中的2#监测断面上选取地表沉降位移、隧道拱顶沉降及两帮收敛位移等3个监测指标，综合反映其稳定性和变化规律。监测点布置见图8。1#和3#断面的监测同2#断面。监测结果如图9、10所示。

图8 隧道测点布置图

图9 施工期间及其后隧道内监测数据变化曲线

图10 施工期间及其后地表沉降变化曲线

限于篇幅，本文仅对2#断面的沉降情况进行分析。由图9可知，拱顶下沉大致可分为3个阶段：0 ~15 d时，拱顶下沉量明显增大；15~30 d时，下沉量虽然由于土体释放应力继续增大，但其下沉速率已经放缓；30 d之后趋于稳定，最终拱顶最大下沉量为16.3 mm。水平收敛的变化规律和拱顶下沉基本相同，也分为3个阶段，最大水平收敛量为7.1 mm。因此，拱顶沉降和两帮收敛均处于安全范围之内。众所周知，地裂缝对隧道的影响是一个长期的过程，需要长期进行监测。仅从施工期间以及施工完成后短期内的监测数据分析结果来看，本工程采取的控制措施还是切实有效的。

一般来说，浅埋暗挖地铁隧道的地表横向沉降基本形成以隧道纵向中心线为对称轴的沉降槽，但本段处于地裂缝影响范围内，必然有其特殊性。地裂缝与地铁隧道的夹角为45°，本监测断面左侧正好位于地裂缝与地铁隧道的夹角处，所以累计沉降量大于隧道顶部的沉降值。由图10可知，地表左侧的4个监测点累计沉降量及沉降速率明显大于地表右侧的4个监测点，其最终沉降量为27 mm（小于安全限值30 mm），平均沉降速率达到0.48 mm/d，说明此监测断面的地表沉降在正确的施工方案指导下得到了控制。

5 结语

（1）地铁区间隧道过地裂缝段存在较大的危险性，必须选择合理的施工方法才能保证施工安全，降低风险。浅埋暗挖法施工具有灵活多变，对地面建筑物、道路和地下管线影响不大，对地层扰动小，不污染城市环境等优点，对西安地铁后续施工穿越地裂缝具有参考意义。

（2）在地铁区间隧道过地裂缝段，应从隧道结构和地层加固两方面进行综合设计。在隧道结构设计上，较之普通段断面应该加大，采用双层衬砌加强结构强度，同时对隧道分段设缝，变形缝处采用柔性接头处理，做到“防放结合”。设置骑缝模式变形缝来减小衬砌结构所受的弯矩和剪力。对地层要进行提前加固，减弱地裂缝活动引起涌水及隧道变形破坏。

（3）施工现场跟踪监测结果表明，本工程中地铁区间隧道通过地裂缝时所采取的变形控制措施是有效的，地表变形、隧道拱顶沉降和隧道两帮收敛都处于安全范围之内。

［1］ 张保圆，任建喜，王博.二重管水平注浆加固技术在地铁隧道穿越地裂缝处治中的应用［J］.现代隧道技术，2009，46（4）：94.

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［3］ 梁永恒，邵生俊，王桃桃.西安地裂缝活动现状及地铁隧道建设应对措施［J］.岩土力学，2009，30（2）：399.

［4］ 李建军，邵生俊，熊田芳.隧道斜交穿越地裂缝的模型试验研究［J］.岩土力学，2010，31（1）：115.

［5］ 黄强兵，彭建兵，邓亚虹，等.西安地铁2号线隧道穿越地裂缝带的设防参数［J］.岩土学报，2010，31（9）：2882.

［6］ 黄强兵，彭建兵，范文.西安地铁二号线地裂缝未来位错量估算及工程分级［J］.工程地质学报，2007，15（4）：470.

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［8］ 李新生，王静，王万平.西安地铁二号线沿线地裂缝特征、危害及对策［J］.工程地质学报，2007，15（4）：463.

［9］ GB 50010-2002混凝土结构设计规范［S］.

［10］ GB 50157-2003地铁设计规范［S］.

［11］ 高虎艳，李忠生.西安地裂缝对线状工程设施的破坏及其防治措施［J］.城市轨道交通研究，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）