地铁浅埋暗挖段穿越地裂缝施工技术及措施探析

赵晓娟

摘要： 西安地铁四号线含元路站—大明宫站区间穿越f2地裂缝，为了确保地铁建设时的施工安全，及避免运营期间因地裂缝不均匀沉降、变形等活动造成地铁结构变形超限及衬砌破坏渗水等病害，采取了超前管棚和小导管注浆防护、CRD法开挖、断面扩挖预留变形值、设置特殊变形缝及加强变形监测等技术措施确保地铁施工及运营安全。

Abstract： In order to ensure the construction safety of the subway construction and avoid the subway structure deformation overrun and lining damage water seepage and other diseases caused by uneven settlement and deformation of the ground during the operation， in the construction of Xi'an subway No.4 Line Hanyuanlu station to Daminggong station passing through f2 ground crack， this paper takes the technical measures of lead tube and small pipe grouting protection， CRD excavation， section expansion deformation value， setting up special deformation joints and strengthening the deformation monitoring to ensure the construction and operation of subway safety.

关键词： 西安地铁；f2地裂缝；预留变形值；特殊变形缝

Key words： Xi'an subway；f2 ground crack；reserved deformation value；special deformation seam

中图分类号：U456.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）18-0137-03

0 引言

西安地裂缝异常发育，在西安市市域范围内发育有14条主裂缝，由于受地面人为活动的影响，地裂缝还在不断加速发展。地裂缝为一种渐进式的城市地质灾害，无疑对地铁等地下结构的施工安全及运营期的行车安全造成严重影响。所以穿越地裂缝的地铁建设的关键难题是如何确保施工时的安全及解决运营期间地裂缝沉降活动对地铁结构造成的灾害影响。

本文在以往地铁穿越地裂缝所采取的防治对策及措施的基础上，结合了f2地裂缝所呈现的工程地质特征及未来活动趋势预测，采取了CRD法開挖、超前管棚和小导管注浆及加强变形监测等措施确保施工质量及安全。采取扩挖预留变形值、设置特殊变形缝等技术措施确保地铁在运营期间避免地裂缝造成灾害损失。

1 工程概况

西安地铁四号线含元路站—大明宫站区间穿越f2地裂缝段及右线单渡线段采用浅埋暗挖法施工。右线单渡线段起讫里程YCK19+154.606～+255.603，长100.997m，右线f2地裂缝处理段起讫里程YCK19+255.603～+423.445，长167.842m，右线暗挖段全长268.839m；右线单渡线南接含元路站，北端与f2地裂缝段相接，f2地裂缝北接盾构区间。左线f2地裂缝处理段起讫里程ZCK19+249.433～+417.275，左线全长167.842m。左线隧道南北与盾构区间相接。

2 地裂缝特征分析

f2地裂缝总体走向为70～85°左右，倾向SE，倾角80°，发育带宽40～60m。含元路站—大明宫站区间与f2地裂缝夹角约66°。f2地裂缝在地铁四号线附近曾有过造成地表破坏的活动，但近期未见破坏迹象，为中等活动强度的地裂缝。

地裂缝的运动呈三维状态，活动态势非常复杂，通常是以上下两盘的相对错动为主，同时还伴随着左右扭曲及张裂变形等活动。相关工作人员常年对地裂缝的研究成果及以往施工所获的经验表明，地裂缝以上下盘错动的垂直运动为主，特别地面以下超过10m处地裂缝的上下两盘滑动面基本是紧贴的，说明其张裂作用不强。其扭动总量也很小，大部分地裂缝不会超过1cm，因此，地裂缝对地铁等地下建筑产生的灾害影响基本上来源于上下盘的垂直错动，其具有时间上的积累性。

3 确保穿越地裂缝施工安全所采取的技术措施

地裂缝处围岩破碎，开挖后不能形成平衡的自然拱，易发生围岩坍塌事故，且地裂缝处地下水丰富，地基承载力不足，开挖及初支施工的安全风险极大，因此本项目采取管棚及小导管超前支护、CRD法进行分片分段开挖及加强初支等措施。

3.1 超前支护及初支设计

地裂缝段采用？准42小导管双层超前支护，拱部150°范围布设。外层？准42小导管长3.5m/根，纵向间距2.0m，环向间距0.3m，每环41根，外插夹角30°。内层？准42小导管长3.5m/根，纵向间距3.0m，环向间距0.3m，每环40根，外插夹角10°。

初支预埋注浆管？准42，L=800mm（初支厚度+500），环、纵向间距3.0m，，拱部120°范围梅花形布置。设置间距为50cm的格栅钢架加强支护，全断面设？准6.5mm钢筋的双层15×15cm钢筋网，锚喷25cm厚C25砼。

3.2 CRD法开挖

地铁穿越地裂缝段暗挖采用“CRD”工法（如图1所示），按“小分块、短台阶、早成环、环套环”的原则施工。

施工要点及技术措施：

①各工序工况采用有限元法进行承载分析，确定各部分支撑所需达到的强度和刚度，以此指导施工支撑方案的制定。

②加强监控量测，量测的信息及时反馈、分析，并根据分析结果进行支护参数及施工工法的调整，以保证施工安全。

③初支要严格按对地层扰动小的“小分块，多循环，快封闭，早支撑，步步成环”的原则组织施工，确保每道步序的施工安全与结构稳定。

④CRD法施工的相邻导洞掌子面间隔按10～15m。各导洞每循环进尺控制为一个钢架间距，严禁采用大进尺。在各导洞内组织长度2～3m的正台阶法掘进。

⑤以防止围岩坍塌作为掘进的控制重点，注重超前支护注浆和背后回填注浆加固的施工质量。

⑥CRD法步序较多，步序转换时支撑承载复杂，为确保初支和临时支撑系统结构安全，要保证各部分钢架间及临时钢支撑间的连接质量。

4 确保运营期间地铁结构安全及防渗漏的技术措施

地裂缝上下盘相对的垂直滑移、水平张拉及扭动等变形活动常常导致运营中的地铁衬砌结构产生破坏，因此地铁衬砌等结构能够顺应地裂缝变形而不被破坏是解决难题的目的。

同时，穿越地裂缝时洞身防渗漏也是地铁建设的重难点。本项目采取了如下综合处理措施，确保了穿越地裂缝的地铁洞身在运营期间的结构安全及防渗漏效果。

4.1 防水板铺设采用超声波焊接技术

塑料防水板材采用1.5mm厚EVA塑料防水板。

防水板铺设采用新型技术—超声波焊接技术进行焊接（如图2所示）。超声波焊接不需要加溶剂、粘接剂和外部加热，具有对防水板的破坏小、焊点无破损、残余变形少、焊接强度高等优点。质量容易控制，确保了防水板的铺设质量，增强了地铁的防渗漏能力。

4.2 扩大洞身断面，局部衬砌加强

为了防止在运营期间因地裂缝变形累加使地铁洞身偏位过大而导致建筑侵限，以确保地铁洞身净空和运营安全。穿越f2地裂缝段的地铁洞身采取扩大断面的方法预留地裂缝变形量。

以往对地裂缝的研究成果表明，地裂缝变形主要为上盘的下移，下盘变形基本可以忽略不计，故扩大断面预留值全部设在拱顶。

西安地铁四号线穿越的f2地裂缝具有其独特性，经对f2地裂缝进行变形评估及预测，地铁洞身考虑未来100年的预留量为60cm。同时对复合式衬砌局部进行加强，以确保洞身的结构稳定。

4.3 衬砌采用高性能收缩补偿砼

为提高衬砌本身密实度以达到更好的防渗漏效果，本项目衬砌采用高性能UEA补偿收缩砼。即在衬砌砼中添加UEA膨胀剂，膨胀剂水化反应生成钙矾石（C3A·3CaSO4·32H2O），其有微膨胀性。

本项目UEA代替水泥用量为9%。经试验，9%的掺量使砼产生的线膨胀率为2.9×10-4，在衬砌砼中施加了一定的预压应力。当衬砌砼凝固收缩时，预压应力可以抵抗收缩的拉应力。故能有效防止及减少衬砌砼凝固收缩产生的裂缝，从而使衬砌具有更强的抗裂防渗性能。

另外，水灰比是对衬砌的抗渗性起决定作用的因素，严格控制砼配合比，最大限度减少水泥用量，采用双掺技术（优质粉煤灰+高效减水剂），并按设计强度、抗渗标号通过实验确定最佳配合比，提高衬砌的抗渗漏性能。

4.4 地裂缝段地铁洞身采用特殊变形缝

地裂缝附近地质、地下水渗流等情况复杂多变，一般为地裂缝的上盘侧（f2地裂缝的南侧）地质条件较差，岩体破碎。同时，破碎的岩土条件更利于地下水的渗流，使得地裂缝两侧的地下水发育情况存在较大差异。故两盘间存在不均匀沉降，且两盘间还有相对的垂直剪切变形。为了确保地铁结构安全，在地裂缝处设置变形缝将地铁结构分节段断开。因变形缝要承受大幅度的变形而不破坏，且要具有優良的防水性能，所以地裂缝段洞身变形缝采用特殊的施工形式和材料，如图3所示。

特殊变形缝防水设计间距为10～20m，特殊变形缝左右1～2m范围二衬可采用后浇。特殊变形缝设置有两道封闭的防水线。外侧采用“且”型止水带，内侧采用“U”型止水带。

本项目采用的特殊变形缝防水装置具有以下优点：

①当地裂缝活动变形时，地铁洞身结构可沿预设的变形缝处产生相对滑移及扭转变形，设置的两道柔性止水带能够顺应较大幅度的拉伸、扭转等变形而不破坏，继续正常保持止水功能。

②特殊变形缝还预埋有可多次注浆的注浆管，当地裂缝下沉引起地铁洞身衬砌外侧局部脱空时，可通过注浆管及时对空隙进行注浆补强加固。

③当洞身结构下沉变形损坏止水带的防水功能时，可沿变形缝采用遇水膨胀止水膏密封止水，或是将密封脂通过预埋注浆管注入两条止水带间缝隙内。

④止水带采用螺栓固定在衬砌结构上，通过施加螺栓拧力使止水带与接触面压密紧贴，止水效果非常好。

⑤螺栓不从止水带主体结构中穿过，即止水带无中间开孔，不存在有开孔时的渗水缺陷。

⑥外侧的“U”型止水带能够方便地装卸更换、修复。

4.5 加强监测，确保安全

地铁穿越地裂缝地段施工时加强监控量测，对于地表沉降、地下水位及洞身初支拱顶下沉等项目要特别加密监测断面和加大监测频率，在掘进卸载急剧阶段或出现异常现象时也加大监测频率。

及时把监测的数据绘制成S-T曲线，进行回归分析，揭示变化规律、进行趋势预测以指导现场施工。

按“分区、分级、分阶段”原则制定监测项目的监控量测控制标准，预警反馈按危险程度分黄、橙、红等3种不同级别进行。当监测的数据达到任一级别预警控制标准时，组织相关单位和部门进行围岩及初支系统的状态分析，进而采取针对性的处理措施确保施工及结构安全。

5 经验总结及探析

①地裂缝为缓变性的地质灾害，且有不可抗拒的特点，仅通过增加结构的刚度来抗抵变形是不可行的，采取的方案措施应以地铁结构顺应地裂缝的变形为主，方能取得良好的处理效果。

②相关的研究表明，地下水的过度开采是促使地裂缝活动加剧的主要诱因，因此在地铁一定范围内严格禁抽取地下水，避免地裂缝变形加剧，超过地铁预留量。

③地裂缝处围岩破碎，为地下水的良好通道，而地裂缝常使衬砌结构变形开裂，大幅增加了结构防水难度。针对地裂缝的防水特点，地铁修建要重点做好结构自防水和变形缝防水。并在防水方面采取“以防为主，刚柔结合，多层屏障，能拆易修，综合治理”原则。

④因地裂缝的强渗流性，可在的两侧设置垂直于地地裂缝的隔水墙，降低地裂缝的导水性，减轻地铁本身的防水压力。

6 结束语

本项目按照地铁洞身结构主动适应地裂缝活动变形的处治思路，采取了综合处理措施，一定程度上确保了地铁四号线穿越f2地裂缝时施工安全及长期运营的行车安全。西安地裂缝是非常复杂的，目前的研究尚未真正揭示成因及发展趋势，故对于地铁穿越地裂缝所采取的工程技术处治措施的探索是复杂而漫长的过程，需在工程实践中不断探索、总结及进步，最大程度地避免或减少地裂缝对地铁安全运营的影响。

参考文献：

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