地鐵淺埋暗挖段穿越地裂縫施工技術及措施探析

趙曉娟

摘要： 西安地鐵四號線含元路站—大明宮站區(qū)間穿越f2地裂縫，為了確保地鐵建設時的施工安全，及避免運營期間因地裂縫不均勻沉降、變形等活動造成地鐵結構變形超限及襯砌破壞滲水等病害，采取了超前管棚和小導管注漿防護、CRD法開挖、斷面擴挖預留變形值、設置特殊變形縫及加強變形監(jiān)測等技術措施確保地鐵施工及運營安全。

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.

關鍵詞： 西安地鐵；f2地裂縫；預留變形值；特殊變形縫

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

中圖分類號：U456.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）18-0137-03

0 引言

西安地裂縫異常發(fā)育，在西安市市域范圍內發(fā)育有14條主裂縫，由于受地面人為活動的影響，地裂縫還在不斷加速發(fā)展。地裂縫為一種漸進式的城市地質災害，無疑對地鐵等地下結構的施工安全及運營期的行車安全造成嚴重影響。所以穿越地裂縫的地鐵建設的關鍵難題是如何確保施工時的安全及解決運營期間地裂縫沉降活動對地鐵結構造成的災害影響。

本文在以往地鐵穿越地裂縫所采取的防治對策及措施的基礎上，結合了f2地裂縫所呈現(xiàn)的工程地質特征及未來活動趨勢預測，采取了CRD法開挖、超前管棚和小導管注漿及加強變形監(jiān)測等措施確保施工質量及安全。采取擴挖預留變形值、設置特殊變形縫等技術措施確保地鐵在運營期間避免地裂縫造成災害損失。

1 工程概況

西安地鐵四號線含元路站—大明宮站區(qū)間穿越f2地裂縫段及右線單渡線段采用淺埋暗挖法施工。右線單渡線段起訖里程YCK19+154.606～+255.603，長100.997m，右線f2地裂縫處理段起訖里程YCK19+255.603～+423.445，長167.842m，右線暗挖段全長268.839m；右線單渡線南接含元路站，北端與f2地裂縫段相接，f2地裂縫北接盾構區(qū)間。左線f2地裂縫處理段起訖里程ZCK19+249.433～+417.275，左線全長167.842m。左線隧道南北與盾構區(qū)間相接。

2 地裂縫特征分析

f2地裂縫總體走向為70～85°左右，傾向SE，傾角80°，發(fā)育帶寬40～60m。含元路站—大明宮站區(qū)間與f2地裂縫夾角約66°。f2地裂縫在地鐵四號線附近曾有過造成地表破壞的活動，但近期未見破壞跡象，為中等活動強度的地裂縫。

地裂縫的運動呈三維狀態(tài)，活動態(tài)勢非常復雜，通常是以上下兩盤的相對錯動為主，同時還伴隨著左右扭曲及張裂變形等活動。相關工作人員常年對地裂縫的研究成果及以往施工所獲的經(jīng)驗表明，地裂縫以上下盤錯動的垂直運動為主，特別地面以下超過10m處地裂縫的上下兩盤滑動面基本是緊貼的，說明其張裂作用不強。其扭動總量也很小，大部分地裂縫不會超過1cm，因此，地裂縫對地鐵等地下建筑產生的災害影響基本上來源于上下盤的垂直錯動，其具有時間上的積累性。

3 確保穿越地裂縫施工安全所采取的技術措施

地裂縫處圍巖破碎，開挖后不能形成平衡的自然拱，易發(fā)生圍巖坍塌事故，且地裂縫處地下水豐富，地基承載力不足，開挖及初支施工的安全風險極大，因此本項目采取管棚及小導管超前支護、CRD法進行分片分段開挖及加強初支等措施。

3.1 超前支護及初支設計

地裂縫段采用？準42小導管雙層超前支護，拱部150°范圍布設。外層？準42小導管長3.5m/根，縱向間距2.0m，環(huán)向間距0.3m，每環(huán)41根，外插夾角30°。內層？準42小導管長3.5m/根，縱向間距3.0m，環(huán)向間距0.3m，每環(huán)40根，外插夾角10°。

初支預埋注漿管？準42，L=800mm（初支厚度+500），環(huán)、縱向間距3.0m，，拱部120°范圍梅花形布置。設置間距為50cm的格柵鋼架加強支護，全斷面設？準6.5mm鋼筋的雙層15×15cm鋼筋網(wǎng)，錨噴25cm厚C25砼。

3.2 CRD法開挖

地鐵穿越地裂縫段暗挖采用“CRD”工法（如圖1所示），按“小分塊、短臺階、早成環(huán)、環(huán)套環(huán)”的原則施工。

施工要點及技術措施：

①各工序工況采用有限元法進行承載分析，確定各部分支撐所需達到的強度和剛度，以此指導施工支撐方案的制定。

②加強監(jiān)控量測，量測的信息及時反饋、分析，并根據(jù)分析結果進行支護參數(shù)及施工工法的調整，以保證施工安全。

③初支要嚴格按對地層擾動小的“小分塊，多循環(huán)，快封閉，早支撐，步步成環(huán)”的原則組織施工，確保每道步序的施工安全與結構穩(wěn)定。

④CRD法施工的相鄰導洞掌子面間隔按10～15m。各導洞每循環(huán)進尺控制為一個鋼架間距，嚴禁采用大進尺。在各導洞內組織長度2～3m的正臺階法掘進。

⑤以防止圍巖坍塌作為掘進的控制重點，注重超前支護注漿和背后回填注漿加固的施工質量。

⑥CRD法步序較多，步序轉換時支撐承載復雜，為確保初支和臨時支撐系統(tǒng)結構安全，要保證各部分鋼架間及臨時鋼支撐間的連接質量。

4 確保運營期間地鐵結構安全及防滲漏的技術措施

地裂縫上下盤相對的垂直滑移、水平張拉及扭動等變形活動常常導致運營中的地鐵襯砌結構產生破壞，因此地鐵襯砌等結構能夠順應地裂縫變形而不被破壞是解決難題的目的。

同時，穿越地裂縫時洞身防滲漏也是地鐵建設的重難點。本項目采取了如下綜合處理措施，確保了穿越地裂縫的地鐵洞身在運營期間的結構安全及防滲漏效果。

4.1 防水板鋪設采用超聲波焊接技術

塑料防水板材采用1.5mm厚EVA塑料防水板。

防水板鋪設采用新型技術—超聲波焊接技術進行焊接（如圖2所示）。超聲波焊接不需要加溶劑、粘接劑和外部加熱，具有對防水板的破壞小、焊點無破損、殘余變形少、焊接強度高等優(yōu)點。質量容易控制，確保了防水板的鋪設質量，增強了地鐵的防滲漏能力。

4.2 擴大洞身斷面，局部襯砌加強

為了防止在運營期間因地裂縫變形累加使地鐵洞身偏位過大而導致建筑侵限，以確保地鐵洞身凈空和運營安全。穿越f2地裂縫段的地鐵洞身采取擴大斷面的方法預留地裂縫變形量。

以往對地裂縫的研究成果表明，地裂縫變形主要為上盤的下移，下盤變形基本可以忽略不計，故擴大斷面預留值全部設在拱頂。

西安地鐵四號線穿越的f2地裂縫具有其獨特性，經(jīng)對f2地裂縫進行變形評估及預測，地鐵洞身考慮未來100年的預留量為60cm。同時對復合式襯砌局部進行加強，以確保洞身的結構穩(wěn)定。

4.3 襯砌采用高性能收縮補償砼

為提高襯砌本身密實度以達到更好的防滲漏效果，本項目襯砌采用高性能UEA補償收縮砼。即在襯砌砼中添加UEA膨脹劑，膨脹劑水化反應生成鈣礬石（C3A·3CaSO4·32H2O），其有微膨脹性。

本項目UEA代替水泥用量為9%。經(jīng)試驗，9%的摻量使砼產生的線膨脹率為2.9×10-4，在襯砌砼中施加了一定的預壓應力。當襯砌砼凝固收縮時，預壓應力可以抵抗收縮的拉應力。故能有效防止及減少襯砌砼凝固收縮產生的裂縫，從而使襯砌具有更強的抗裂防滲性能。

另外，水灰比是對襯砌的抗?jié)B性起決定作用的因素，嚴格控制砼配合比，最大限度減少水泥用量，采用雙摻技術（優(yōu)質粉煤灰+高效減水劑），并按設計強度、抗?jié)B標號通過實驗確定最佳配合比，提高襯砌的抗?jié)B漏性能。

4.4 地裂縫段地鐵洞身采用特殊變形縫

地裂縫附近地質、地下水滲流等情況復雜多變，一般為地裂縫的上盤側（f2地裂縫的南側）地質條件較差，巖體破碎。同時，破碎的巖土條件更利于地下水的滲流，使得地裂縫兩側的地下水發(fā)育情況存在較大差異。故兩盤間存在不均勻沉降，且兩盤間還有相對的垂直剪切變形。為了確保地鐵結構安全，在地裂縫處設置變形縫將地鐵結構分節(jié)段斷開。因變形縫要承受大幅度的變形而不破壞，且要具有優(yōu)良的防水性能，所以地裂縫段洞身變形縫采用特殊的施工形式和材料，如圖3所示。

特殊變形縫防水設計間距為10～20m，特殊變形縫左右1～2m范圍二襯可采用后澆。特殊變形縫設置有兩道封閉的防水線。外側采用“且”型止水帶，內側采用“U”型止水帶。

本項目采用的特殊變形縫防水裝置具有以下優(yōu)點：

①當?shù)亓芽p活動變形時，地鐵洞身結構可沿預設的變形縫處產生相對滑移及扭轉變形，設置的兩道柔性止水帶能夠順應較大幅度的拉伸、扭轉等變形而不破壞，繼續(xù)正常保持止水功能。

②特殊變形縫還預埋有可多次注漿的注漿管，當?shù)亓芽p下沉引起地鐵洞身襯砌外側局部脫空時，可通過注漿管及時對空隙進行注漿補強加固。

③當洞身結構下沉變形損壞止水帶的防水功能時，可沿變形縫采用遇水膨脹止水膏密封止水，或是將密封脂通過預埋注漿管注入兩條止水帶間縫隙內。

④止水帶采用螺栓固定在襯砌結構上，通過施加螺栓擰力使止水帶與接觸面壓密緊貼，止水效果非常好。

⑤螺栓不從止水帶主體結構中穿過，即止水帶無中間開孔，不存在有開孔時的滲水缺陷。

⑥外側的“U”型止水帶能夠方便地裝卸更換、修復。

4.5 加強監(jiān)測，確保安全

地鐵穿越地裂縫地段施工時加強監(jiān)控量測，對于地表沉降、地下水位及洞身初支拱頂下沉等項目要特別加密監(jiān)測斷面和加大監(jiān)測頻率，在掘進卸載急劇階段或出現(xiàn)異?，F(xiàn)象時也加大監(jiān)測頻率。

及時把監(jiān)測的數(shù)據(jù)繪制成S-T曲線，進行回歸分析，揭示變化規(guī)律、進行趨勢預測以指導現(xiàn)場施工。

按“分區(qū)、分級、分階段”原則制定監(jiān)測項目的監(jiān)控量測控制標準，預警反饋按危險程度分黃、橙、紅等3種不同級別進行。當監(jiān)測的數(shù)據(jù)達到任一級別預警控制標準時，組織相關單位和部門進行圍巖及初支系統(tǒng)的狀態(tài)分析，進而采取針對性的處理措施確保施工及結構安全。

5 經(jīng)驗總結及探析

①地裂縫為緩變性的地質災害，且有不可抗拒的特點，僅通過增加結構的剛度來抗抵變形是不可行的，采取的方案措施應以地鐵結構順應地裂縫的變形為主，方能取得良好的處理效果。

②相關的研究表明，地下水的過度開采是促使地裂縫活動加劇的主要誘因，因此在地鐵一定范圍內嚴格禁抽取地下水，避免地裂縫變形加劇，超過地鐵預留量。

③地裂縫處圍巖破碎，為地下水的良好通道，而地裂縫常使襯砌結構變形開裂，大幅增加了結構防水難度。針對地裂縫的防水特點，地鐵修建要重點做好結構自防水和變形縫防水。并在防水方面采取“以防為主，剛柔結合，多層屏障，能拆易修，綜合治理”原則。

④因地裂縫的強滲流性，可在的兩側設置垂直于地地裂縫的隔水墻，降低地裂縫的導水性，減輕地鐵本身的防水壓力。

6 結束語

本項目按照地鐵洞身結構主動適應地裂縫活動變形的處治思路，采取了綜合處理措施，一定程度上確保了地鐵四號線穿越f2地裂縫時施工安全及長期運營的行車安全。西安地裂縫是非常復雜的，目前的研究尚未真正揭示成因及發(fā)展趨勢，故對于地鐵穿越地裂縫所采取的工程技術處治措施的探索是復雜而漫長的過程，需在工程實踐中不斷探索、總結及進步，最大程度地避免或減少地裂縫對地鐵安全運營的影響。

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