地铁穿越地裂缝带暗挖隧道施工关键技术研究

隋志斌

摘 要：在西安地铁工程建设中经常遇到地裂缝这一地质现象，地裂缝无法避让，必须通过暗挖隧道的方法进行穿越施工。本文对西安地铁临潼线一期工程的地裂缝分布特征以及上盘隧道不同错位量、地裂缝环境下的应力等关键技术进行了分析，并进行了总结。

关键词：穿越;地裂缝;暗挖;应力

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.112

1 地裂缝分布特征

西安地铁临潼线（9号线）一期工程线路全长25.3km，共设15座车站，平均站间距1.74km;均采用地下线。沿线地震动峰值加速度为0.20g，地震基本烈度八度，地震动反应谱特征周期为0.35s。主要有湿陷性黄土、地裂缝、断裂、人为坑洞、地面沉降、填土、膨胀岩土等，其中湿陷性黄土、地裂缝、断裂对工程影响较大。沿线广泛分布湿陷性黄土，其中线路两端湿陷性一般在I ～II级，湿陷深度在10m左右，对工程的影响相对较小。以自重性湿陷为主，湿陷等级III到IV级，湿陷深度最深达30m，对工程影响较大。

田王站～洪庆站区间集地裂缝、湿陷性黄土不良地质于一体，且断面跨度大、断面转换频繁，施工难度大，工程风险高。其中区间单渡线、地裂缝及湿陷性黄土影响区段共约达930m。为保证地铁隧道施工和运营安全，需对该区域地裂缝活动特点、地裂缝引起的隧道受力变形、湿陷性黄土特征及可能引起的工程灾害进行深入研究。

2 对地裂缝上盘隧道不同错位量的分析

地铁的设计使用周期为100年，因此要分析在设计使用年限内，地裂缝的错动情况，以及错位量的大小是进行分析的关键所在，地裂缝在其错动过程中会经历加速发展的阶段，最后逐渐趋于平缓、稳定。但是由于西安地区地裂缝数量多，情况复杂，每条地裂缝的情况都不相同，因此准确预测的难度比较大，众多学者提出了多种方法对地裂缝的错位量进行预测，但是没有具体统一的结果，在此分析了地裂缝错动3cm、5cm、7cm、9cm等四种工况，主要分析随着地裂缝的错动，地层及其隧道结构变形、受力的变化规律[1]。

3 地裂缝环境下的应力分析

如下图所示，为隧道在前所拟定条件下的最大主应力值随位错量变化趋势图，隨着位错量的增加，最大主应力值变化更为剧烈。最大主应力位置对应着结构出现裂缝和受剪切破坏的区域。

给出了地裂缝不同垂直位错作用下隧道衬砌结构顶底纵向应力的变化曲线。由图可知，隧道衬砌顶部纵向应力随着地裂缝垂直位错量的增大而增大，即在衬砌顶部纵向应力上盘为受压下盘受拉，而在衬砌底部纵向应力则上盘受拉下盘受压，并且隧道衬砌结构在纵向上顶底部受压增加均较受拉增加更快，但由于混凝土抗拉强度较小，在地裂缝下盘隧道衬砌结构的顶部和上盘隧道衬砌结构底部容易最先出现受拉破坏[2]。

部分下盘隧道沉降，因此改变衬砌厚度，对于下盘隧道沉降控制影响不大。加强后最大主应力影响：受力最大的部位为地裂缝处隧道区域，通过改变衬砌厚度，当衬砌厚度为50cm时最大压应力约为-6.38Mpa，而当衬砌厚度为60cm时最大压应力约为-5.81Mpa，当衬砌厚度为50cm时最大拉应力约为15.01Mpa，而当衬砌厚度为60cm时最大拉应力约为14.32Mpa，因此提高衬砌厚度，对于衬砌结构受力有较好的效果。另外可以看出，由于隧道衬砌结构在地裂缝垂直位错作用下沿纵向发生弯曲变形，因而在衬砌结构的上盘和下盘部分各形成一个拉、压应力的集中区，因而混凝土衬砌的拉、压破坏是形成塑性破坏的主要原因，从图中可以看出，拉压应力的集中区域主要出现在隧道顶部、底部，隧道两侧区域受力情况较小，因此主要控制部位为隧道顶部和底部区域。

4 总结

（1）在地裂缝两侧土体（上盘、下盘）相互错动下，隧道衬砌发生了沿着纵向的差异化沉降和弯曲变形，主要表现为处于上盘的隧道由于地层约束沉降值基本与错动值一致，下盘隧道沉降小于错动值，并沿着隧道方向沉降递减。

（2）隧道衬砌顶部以及底部的变形与上盘隧道错动相一致即随着地裂缝的垂直错位量增大而增大。变形主要集中在地裂缝附近30m范围内，在此区域由于沉降较大且出现差异化。

（3）隧道衬砌顶部及底部纵向应力随着地裂缝错位量的增大而增大，而且根据变化趋势可知，隧道的顶底部结构纵向应力呈现反对称的情形，主要表现为处在上、下盘的隧道顶部结构，在上盘受压而下盘受拉，而隧道底部结构表现为处在上盘的受拉，而下盘受压。结合混凝土受力特点，即抗拉强度远远低于抗压强度，因此可以推测，处于下盘的隧道结构的顶部以及处于上盘的隧道的结构底部易发生受拉破坏。

5 结语

地裂缝是西安地区特有的地质灾害，地铁建设施工过程中遇到地裂缝无法避让，给地铁建设带来极大不便，对西安地铁临潼线一期工程的上盘隧道不同错位量、地裂缝环境下的应力等关键技术进行了分析，并进行了总结。为以后的地铁穿越地裂缝带暗挖隧道施工关键技术研究提供参考。

参考文献：

[1]慕焕东，邓亚虹，彭建兵.西安地区地裂缝带黄土动力特性试验研究[J].工程地质学报，2014，22（05）：951-957.

[2]卢全中，李力，彭建兵，陈树峰，胡鹏，吴辉龙.地裂缝带路基

土不均匀轴向变形的铰接组合元件模拟[J].中国铁道科学，2015，36（01）

：11-17.