軌道交通工程穿越地裂縫斷層及沉降區(qū)處置設(shè)計(jì)技術(shù)
2020-08-14 01:08:38藺云宏
河南城建學(xué)院學(xué)報(bào) 2020年3期
藺云宏
(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010)
隨著國(guó)內(nèi)軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展，軌道交通建設(shè)遇到的工程地質(zhì)情況越來(lái)越復(fù)雜，地裂縫就是一種比較常見的地質(zhì)災(zāi)害[1-5]。由于軌道交通隧道連續(xù)性特點(diǎn)，無(wú)法采取避讓措施防止地裂縫的破壞[4]。當(dāng)?shù)罔F隧道垂直或小角度穿越地裂縫時(shí)，地裂縫沉降區(qū)域會(huì)引起地鐵隧道結(jié)構(gòu)不均勻沉降，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂，軌道變形，影響地鐵的運(yùn)營(yíng)安全。
地裂縫泛指所有地表和土層中的裂縫，是一種巖土介質(zhì)的不連續(xù)和錯(cuò)斷現(xiàn)象，是內(nèi)外力和人類活動(dòng)等因素引起的地表破裂行為[6-8]。國(guó)內(nèi)目前尚未涉及地裂縫區(qū)域隧道建設(shè)的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，僅部分城市及地區(qū)根據(jù)當(dāng)?shù)氐亓芽p分布狀態(tài)和力學(xué)特性，制定了隧道穿越地裂縫段技術(shù)規(guī)范，但仍處于概述性描述階段，對(duì)于地裂縫的影響范圍、沉降深度及工程處理方案均未給出明確的解釋。當(dāng)前隧道遇到地裂縫比較常規(guī)的處理方案有以下幾種：(1)調(diào)整隧道線路走向與地裂縫一致，使線路平面置于相對(duì)穩(wěn)定的下盤，線路位于地裂縫上盤時(shí)，隧道應(yīng)避開地裂縫一定的安全距離，該方案能較好地避免地裂縫對(duì)隧道的影響，但是對(duì)于軌道交通工程，會(huì)損失部分功能，不能較好地實(shí)現(xiàn)地鐵交通的輻射功能；(2)對(duì)于線路走向與地裂縫走向相交時(shí)，隧道縱斷面設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮地裂縫上盤的垂直沉降變形工況，對(duì)于縱斷面如何，如何設(shè)計(jì)地裂縫上盤沉降值，適用范圍如何，目前均無(wú)明確解釋。
本文針對(duì)地裂縫產(chǎn)生的地層沉降范圍、沉降深度，結(jié)合線路調(diào)線調(diào)坡能力，將地裂縫變形情況分為3類，研究軌道交通穿越地裂縫變形區(qū)時(shí)的處理方案，并有針對(duì)性地提出相應(yīng)措施，為后續(xù)軌道交通建設(shè)提供指導(dǎo)。
1 地裂縫變形規(guī)律
地裂縫上下盤相對(duì)垂直錯(cuò)動(dòng)規(guī)律如圖1所示。下盤基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，沉降量可取為0,上盤較為活躍，沉降量較大。
圖1 地裂縫上下盤沉降狀態(tài)
軌道交通隧道縱斷面設(shè)計(jì)階段，應(yīng)充分考慮地裂縫沉降變形后的工況，根據(jù)地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[9]要求，線路調(diào)坡長(zhǎng)度L不宜小于遠(yuǎn)期一列車長(zhǎng)度(A型車長(zhǎng)140 m，B型車長(zhǎng)120 m)，并應(yīng)滿足“相鄰豎曲線的夾直線長(zhǎng)度不小于50 m”的要求。如圖2所示，調(diào)坡段最小長(zhǎng)度[10-13]為：
圖2 線路調(diào)坡最小長(zhǎng)度示意
Lmin=S緩1+T圓1+S緩1+L夾直+S緩2+T圓2+S緩2+L夾直+S緩3+T圓3+S緩3
(1)
其中，緩和曲線在設(shè)計(jì)過程中通常取0。
由于地裂縫成因不同，導(dǎo)致地層沉降變形范圍ΔB及垂直位移ΔS不同。通過對(duì)比地層變形范圍ΔB、垂直位移ΔS與線路調(diào)坡段長(zhǎng)度Lmin、線路調(diào)坡允許最大垂直位移Amax之間的關(guān)系，將地層變形形式分為以下3種：
(1)地裂縫上下盤垂直錯(cuò)動(dòng)影響范圍較小，地層沉降范圍小于線路調(diào)坡最小長(zhǎng)度情況，即ΔB (2)地裂縫上下盤垂直錯(cuò)動(dòng)影響范圍較大，地層沉降范圍遠(yuǎn)大于線路調(diào)坡長(zhǎng)度情況，可假定位于上盤的隧道均發(fā)生沉降，即ΔB>>Lmin，如圖4所示。 (3)地裂縫上下盤垂直錯(cuò)動(dòng)引起的地層沉降范圍不滿足線路調(diào)坡長(zhǎng)度，且遠(yuǎn)小于隧道長(zhǎng)度，即ΔB≥Lmin，如圖5所示。 該工況下，地層沉降過程中，隧道結(jié)構(gòu)隨沉降地層一起變形，隧道軌面上方凈空不滿足使用要求，且地層沉降范圍較大，超出專業(yè)處理范圍，同時(shí)又不滿足線路調(diào)坡最小距離要求，如圖6所示。針對(duì)該情況，設(shè)計(jì)前應(yīng)提前預(yù)測(cè)隧道使用期間地層最大沉降值，根據(jù)預(yù)測(cè)地層最大沉降值確定隧道斷面尺寸，以便在地鐵使用期內(nèi)，地裂縫錯(cuò)動(dòng)后仍能保證行車，如圖7所示。同時(shí)在地裂縫兩側(cè)每隔10～15 m設(shè)置特殊變形縫，釋放錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生的變形，變形縫處結(jié)構(gòu)加厚，滿足錯(cuò)動(dòng)變形后的結(jié)構(gòu)安全及使用要求，并在底板預(yù)設(shè)注漿、填料孔，以便充填基底的掏空，如圖8所示。在地裂縫周圍一定范圍內(nèi)禁止開采地下水，并防止地表水灌入地裂縫。 圖6 ΔB 圖7 ΔB 圖8 ΔB 當(dāng)?shù)貙映两捣秶>>Lmin時(shí)，地層沉降過程中，隧道結(jié)構(gòu)隨地層一起變形，隧道軌面上方凈空不滿足使用要求?？紤]地層沉降范圍大于線路調(diào)坡最小距離，隧道結(jié)構(gòu)變形后，在結(jié)構(gòu)斷面不加大情況下，通過線路調(diào)坡，滿足隧道軌面上方凈空要求，保證在地面沉降后仍保證行車。同時(shí)，在地裂縫兩側(cè)每隔10～15 m設(shè)置特殊變形縫，釋放錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生的變形，變形縫處結(jié)構(gòu)加厚，滿足錯(cuò)動(dòng)變形后的結(jié)構(gòu)安全及使用要求，并在底板預(yù)設(shè)注漿、填料孔，以便充填基底的掏空，如圖9所示。在地裂縫周圍一定范圍內(nèi)禁止開采地下水，并防止地表水灌入地裂縫。 圖9 ΔB>>Lmin工況隧道處理方案 當(dāng)?shù)貙映两捣秶>Lmin時(shí)，地層沉降過程中，隧道結(jié)構(gòu)隨地層沉降一起變形，假定地裂縫上盤發(fā)生垂直位移為ΔS，線路調(diào)坡運(yùn)行最大垂直位移Amax。若ΔS 通過對(duì)地裂縫錯(cuò)動(dòng)規(guī)律及沉降區(qū)范圍、深度進(jìn)行分析，針對(duì)不同情況提出了相應(yīng)的處理方案，研究結(jié)論為后續(xù)相關(guān)工程設(shè)計(jì)及施工提供借鑒和參考，具體結(jié)論如下： (1)本文所分析3種情況基本已涵蓋軌道交通穿越地裂縫斷層及沉降區(qū)的各種情況，研究結(jié)果可指導(dǎo)后續(xù)軌道交通穿越地裂縫斷層及沉降區(qū)的設(shè)計(jì)方案。 (2)后續(xù)地鐵線路在設(shè)計(jì)階段，通過提前預(yù)測(cè)隧道使用期間地層最大沉降值，在設(shè)計(jì)階段預(yù)留沉降變形值，并結(jié)合本文研究結(jié)果采用合適措施，保證軌道交通在地層變形后仍可正常運(yùn)營(yíng)。
2 軌道交通穿越地裂縫沉降區(qū)處理方案
2.1 工況一：ΔB
2.2 工況二：ΔB>>Lmin
2.3 工況三：ΔB≥Lmin
3 結(jié)論
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