地鐵穿越地裂縫帶暗挖隧道施工關(guān)鍵技術(shù)研究

隋志斌

摘 要：在西安地鐵工程建設(shè)中經(jīng)常遇到地裂縫這一地質(zhì)現(xiàn)象，地裂縫無法避讓，必須通過暗挖隧道的方法進(jìn)行穿越施工。本文對西安地鐵臨潼線一期工程的地裂縫分布特征以及上盤隧道不同錯(cuò)位量、地裂縫環(huán)境下的應(yīng)力等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，并進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：穿越;地裂縫;暗挖;應(yīng)力

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

1 地裂縫分布特征

西安地鐵臨潼線（9號線）一期工程線路全長25.3km，共設(shè)15座車站，平均站間距1.74km;均采用地下線。沿線地震動(dòng)峰值加速度為0.20g，地震基本烈度八度，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35s。主要有濕陷性黃土、地裂縫、斷裂、人為坑洞、地面沉降、填土、膨脹巖土等，其中濕陷性黃土、地裂縫、斷裂對工程影響較大。沿線廣泛分布濕陷性黃土，其中線路兩端濕陷性一般在I ～I(xiàn)I級，濕陷深度在10m左右，對工程的影響相對較小。以自重性濕陷為主，濕陷等級III到IV級，濕陷深度最深達(dá)30m，對工程影響較大。

田王站～洪慶站區(qū)間集地裂縫、濕陷性黃土不良地質(zhì)于一體，且斷面跨度大、斷面轉(zhuǎn)換頻繁，施工難度大，工程風(fēng)險(xiǎn)高。其中區(qū)間單渡線、地裂縫及濕陷性黃土影響區(qū)段共約達(dá)930m。為保證地鐵隧道施工和運(yùn)營安全，需對該區(qū)域地裂縫活動(dòng)特點(diǎn)、地裂縫引起的隧道受力變形、濕陷性黃土特征及可能引起的工程災(zāi)害進(jìn)行深入研究。

2 對地裂縫上盤隧道不同錯(cuò)位量的分析

地鐵的設(shè)計(jì)使用周期為100年，因此要分析在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，地裂縫的錯(cuò)動(dòng)情況，以及錯(cuò)位量的大小是進(jìn)行分析的關(guān)鍵所在，地裂縫在其錯(cuò)動(dòng)過程中會經(jīng)歷加速發(fā)展的階段，最后逐漸趨于平緩、穩(wěn)定。但是由于西安地區(qū)地裂縫數(shù)量多，情況復(fù)雜，每條地裂縫的情況都不相同，因此準(zhǔn)確預(yù)測的難度比較大，眾多學(xué)者提出了多種方法對地裂縫的錯(cuò)位量進(jìn)行預(yù)測，但是沒有具體統(tǒng)一的結(jié)果，在此分析了地裂縫錯(cuò)動(dòng)3cm、5cm、7cm、9cm等四種工況，主要分析隨著地裂縫的錯(cuò)動(dòng)，地層及其隧道結(jié)構(gòu)變形、受力的變化規(guī)律[1]。

3 地裂縫環(huán)境下的應(yīng)力分析

如下圖所示，為隧道在前所擬定條件下的最大主應(yīng)力值隨位錯(cuò)量變化趨勢圖，隨著位錯(cuò)量的增加，最大主應(yīng)力值變化更為劇烈。最大主應(yīng)力位置對應(yīng)著結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫和受剪切破壞的區(qū)域。

給出了地裂縫不同垂直位錯(cuò)作用下隧道襯砌結(jié)構(gòu)頂?shù)卓v向應(yīng)力的變化曲線。由圖可知，隧道襯砌頂部縱向應(yīng)力隨著地裂縫垂直位錯(cuò)量的增大而增大，即在襯砌頂部縱向應(yīng)力上盤為受壓下盤受拉，而在襯砌底部縱向應(yīng)力則上盤受拉下盤受壓，并且隧道襯砌結(jié)構(gòu)在縱向上頂?shù)撞渴軌涸黾泳^受拉增加更快，但由于混凝土抗拉強(qiáng)度較小，在地裂縫下盤隧道襯砌結(jié)構(gòu)的頂部和上盤隧道襯砌結(jié)構(gòu)底部容易最先出現(xiàn)受拉破壞[2]。

部分下盤隧道沉降，因此改變襯砌厚度，對于下盤隧道沉降控制影響不大。加強(qiáng)后最大主應(yīng)力影響：受力最大的部位為地裂縫處隧道區(qū)域，通過改變襯砌厚度，當(dāng)襯砌厚度為50cm時(shí)最大壓應(yīng)力約為-6.38Mpa，而當(dāng)襯砌厚度為60cm時(shí)最大壓應(yīng)力約為-5.81Mpa，當(dāng)襯砌厚度為50cm時(shí)最大拉應(yīng)力約為15.01Mpa，而當(dāng)襯砌厚度為60cm時(shí)最大拉應(yīng)力約為14.32Mpa，因此提高襯砌厚度，對于襯砌結(jié)構(gòu)受力有較好的效果。另外可以看出，由于隧道襯砌結(jié)構(gòu)在地裂縫垂直位錯(cuò)作用下沿縱向發(fā)生彎曲變形，因而在襯砌結(jié)構(gòu)的上盤和下盤部分各形成一個(gè)拉、壓應(yīng)力的集中區(qū)，因而混凝土襯砌的拉、壓破壞是形成塑性破壞的主要原因，從圖中可以看出，拉壓應(yīng)力的集中區(qū)域主要出現(xiàn)在隧道頂部、底部，隧道兩側(cè)區(qū)域受力情況較小，因此主要控制部位為隧道頂部和底部區(qū)域。

4 總結(jié)

（1）在地裂縫兩側(cè)土體（上盤、下盤）相互錯(cuò)動(dòng)下，隧道襯砌發(fā)生了沿著縱向的差異化沉降和彎曲變形，主要表現(xiàn)為處于上盤的隧道由于地層約束沉降值基本與錯(cuò)動(dòng)值一致，下盤隧道沉降小于錯(cuò)動(dòng)值，并沿著隧道方向沉降遞減。

（2）隧道襯砌頂部以及底部的變形與上盤隧道錯(cuò)動(dòng)相一致即隨著地裂縫的垂直錯(cuò)位量增大而增大。變形主要集中在地裂縫附近30m范圍內(nèi)，在此區(qū)域由于沉降較大且出現(xiàn)差異化。

（3）隧道襯砌頂部及底部縱向應(yīng)力隨著地裂縫錯(cuò)位量的增大而增大，而且根據(jù)變化趨勢可知，隧道的頂?shù)撞拷Y(jié)構(gòu)縱向應(yīng)力呈現(xiàn)反對稱的情形，主要表現(xiàn)為處在上、下盤的隧道頂部結(jié)構(gòu)，在上盤受壓而下盤受拉，而隧道底部結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為處在上盤的受拉，而下盤受壓。結(jié)合混凝土受力特點(diǎn)，即抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度，因此可以推測，處于下盤的隧道結(jié)構(gòu)的頂部以及處于上盤的隧道的結(jié)構(gòu)底部易發(fā)生受拉破壞。

5 結(jié)語

地裂縫是西安地區(qū)特有的地質(zhì)災(zāi)害，地鐵建設(shè)施工過程中遇到地裂縫無法避讓，給地鐵建設(shè)帶來極大不便，對西安地鐵臨潼線一期工程的上盤隧道不同錯(cuò)位量、地裂縫環(huán)境下的應(yīng)力等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，并進(jìn)行了總結(jié)。為以后的地鐵穿越地裂縫帶暗挖隧道施工關(guān)鍵技術(shù)研究提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]慕煥東，鄧亞虹，彭建兵.西安地區(qū)地裂縫帶黃土動(dòng)力特性試驗(yàn)研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2014，22（05）：951-957.

[2]盧全中，李力，彭建兵，陳樹峰，胡鵬，吳輝龍.地裂縫帶路基

土不均勻軸向變形的鉸接組合元件模擬[J].中國鐵道科學(xué)，2015，36（01）

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