西安地裂縫對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)及管控措施研究

李誠(chéng)鈺，劉天寧，杜超，王華，賈興豪

(西安市軌道交通集團(tuán)有限公司，西安 710016）

1 引言

地裂縫是地表巖、土體在自然或人為因素作用下，產(chǎn)生開裂并在地面形成一定長(zhǎng)度和寬度裂縫的一種地質(zhì)現(xiàn)象。西安地裂縫根據(jù)地表出露形跡共發(fā)現(xiàn)14 條，出露總長(zhǎng)度72 km，延伸長(zhǎng)度約103 km，面積約為155 km2,單條地表出露最長(zhǎng)14.5 km，是一種地區(qū)性的災(zāi)害地質(zhì)現(xiàn)象。其活動(dòng)對(duì)地鐵安全運(yùn)營(yíng)構(gòu)成嚴(yán)重威脅，因此，研究地裂縫對(duì)地鐵營(yíng)運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)及管控措施十分必要，能夠?yàn)榈罔F安全運(yùn)營(yíng)提供更多保障。

2 f4、f4-1 地裂縫概況

魚丈延區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，單渡線段及地裂縫段采用礦山法施工，線路由西向東，里程DK12+000～YDK15+631，穿越f4、f4-1這2 條地裂縫。其中，f4 為隱伏地裂縫，與線路右線夾角為5°～10°，監(jiān)測(cè)區(qū)域94 m，設(shè)6 條變形縫，活動(dòng)速率＜5 mm/a，對(duì)工程影響?。籪4-1 為連續(xù)出露地裂縫，監(jiān)測(cè)區(qū)域72 m，設(shè)7 條變形縫。2011 年以來(lái)地裂縫峰值活動(dòng)速率約30 mm/a，對(duì)地鐵工程有重大不良影響[1]。

3 地鐵隧道穿越地裂縫結(jié)構(gòu)形式及防水設(shè)計(jì)

地裂縫段隧道斷面采用復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)，由鋼格柵+噴射混凝土初期支護(hù)與模筑混凝土二次襯砌構(gòu)成，2 次襯砌間設(shè)柔性防水層，輔助措施采用超前小導(dǎo)管注漿、大管棚注漿。初期支護(hù)作為永久結(jié)構(gòu)受力，根據(jù)限界及地裂縫設(shè)置其斷面大小。

地裂縫段結(jié)構(gòu)設(shè)防范圍設(shè)置特殊變形縫，間距為10～15 m，寬度為100 mm。特殊變形縫處設(shè)置的楔形止水帶外包加強(qiáng)防水層形成第一道封閉防水線，內(nèi)側(cè)在拱頂和邊墻設(shè)置U 形止水帶形成第二道封閉防水線[2]。

4 地裂縫對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)的風(fēng)險(xiǎn)構(gòu)成

4.1 隧道襯砌開裂

當(dāng)?shù)亓芽p活動(dòng)速率較低時(shí)對(duì)于地鐵隧道的影響等效于隧道長(zhǎng)期在上覆土層重量及其兩側(cè)土體向下摩擦阻力共同作用下的疲勞破壞。當(dāng)?shù)亓芽p垂直錯(cuò)位超過(guò)某一定值時(shí)，位于地裂縫上盤的隧道底部出現(xiàn)脫空，襯砌頂部將產(chǎn)生拉應(yīng)力，底部產(chǎn)生壓應(yīng)力[3]。當(dāng)拉、壓應(yīng)力超出隧道襯砌抗拉和抗壓強(qiáng)度后，位于下盤的隧道襯砌頂部在距離裂縫一定距離處出現(xiàn)開裂，隧道產(chǎn)生拉張-擠壓破壞。隨著地裂縫垂直錯(cuò)位量進(jìn)一步增大，隧道襯砌頂部裂縫向兩側(cè)擴(kuò)展而使襯砌產(chǎn)生環(huán)向開裂。進(jìn)一步發(fā)展會(huì)導(dǎo)致軌道變形、道床起拱下沉、隧道結(jié)構(gòu)裂損、定位裝置松動(dòng)等風(fēng)險(xiǎn)，甚至造成列車限速運(yùn)行或中斷行車。

4.2 隧道結(jié)構(gòu)滲漏水及級(jí)別

地鐵設(shè)計(jì)中地裂縫最大垂直位移按500 mm 設(shè)防，余丈延隧道與地裂縫交匯處地下水位埋深11.2～16 m，隧道埋深15～20 m，基本處于地下水位線以下[4]。地裂縫段原生地層破壞，形成地表及地下水沿地裂縫滲流通道下滲，致使隧道襯砌可能產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形破壞及嚴(yán)重隧道涌水風(fēng)險(xiǎn)，造成列車限速，甚至中斷行車。隧道結(jié)構(gòu)滲漏水對(duì)設(shè)備影響程度按照由高至低原則分為4 級(jí)：I 級(jí)——區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)距接觸網(wǎng)0.3 m 范圍以內(nèi)（包含0.3 m）線漏、滴漏；II 級(jí)——距接觸網(wǎng)0.3 m 范圍以外的線漏；III 級(jí)——區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)距接觸網(wǎng)大于0.3 m 滴漏、任意連續(xù)100 m2出現(xiàn)大于3 處或單處濕漬超過(guò)0.2 m2；IV 級(jí)——區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)濕漬任意連續(xù)100 m2出現(xiàn)不大于3 處或單處濕漬未超過(guò)0.2 m2。

5 地裂縫風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別評(píng)價(jià)

依據(jù)GB/T 27921—2011《風(fēng)險(xiǎn)管理風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)》、交通運(yùn)輸部印發(fā)的《城市軌道交通運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管控和隱患排查治理管理辦法》（交運(yùn)規(guī)〔2019〕7 號(hào)）相關(guān)條款，采用“風(fēng)險(xiǎn)矩陣法”，按照西安地裂縫對(duì)隧道結(jié)構(gòu)、軌道關(guān)鍵設(shè)備影響程度，對(duì)f4、f4-1 地裂縫風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研判評(píng)價(jià)。

5.1 風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別

將地裂縫對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果按照由低到高的原則分為藍(lán)、黃、橙、紅4 種，對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)是較小、一般、較大和重大。

5.2 取值標(biāo)準(zhǔn)

風(fēng)險(xiǎn)研判主要由風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的可能性（L）、后果嚴(yán)重程度(C)決定。其中，L 取值：針對(duì)該事件風(fēng)險(xiǎn)描述“可能性級(jí)別”“發(fā)生的可能性”確定為中等，取值為3～6，結(jié)合日常風(fēng)險(xiǎn)管理經(jīng)驗(yàn)L 取值為5。C 取值：針對(duì)該事件風(fēng)險(xiǎn)描述“后果嚴(yán)重程度”（特別嚴(yán)重、嚴(yán)重、較嚴(yán)重、不嚴(yán)重）發(fā)生的可能性取值及參考運(yùn)營(yíng)后果嚴(yán)重程度判定為嚴(yán)重，對(duì)照等級(jí)取值表C 取值為5。

5.3 評(píng)價(jià)結(jié)果

D 取值：風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)大小(D)由風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的可能性(L)、后果嚴(yán)重程度(C)2 個(gè)指標(biāo)決定，D=L×C=5×5=25，在20～55 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判定為較大風(fēng)險(xiǎn)。綜上所述，魚丈延風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別評(píng)價(jià)結(jié)果為橙色風(fēng)險(xiǎn)。

6 地裂縫風(fēng)險(xiǎn)管控措施

6.1 隧道結(jié)構(gòu)滲漏水風(fēng)險(xiǎn)管控措施

每2 周對(duì)地裂縫區(qū)段隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行1 次專項(xiàng)步巡檢查和2 次動(dòng)態(tài)添乘檢查。

6.1.1 結(jié)構(gòu)表層裂縫注漿堵漏

對(duì)無(wú)補(bǔ)強(qiáng)要求的結(jié)構(gòu)裂縫，裂縫兩側(cè)交叉布置注漿孔，鉆孔斜穿裂縫，垂直深度為1/3～1/2 倍混凝土結(jié)構(gòu)厚度，鉆孔與裂縫水平距離為100～250 mm，孔間距為300～500 mm，孔徑不宜大于20 mm，斜孔傾角為45°～60°，當(dāng)需預(yù)先封縫時(shí)，封縫寬度宜為50 mm。對(duì)有補(bǔ)強(qiáng)要求的結(jié)構(gòu)裂縫，宜先鉆斜孔并注聚氨酯灌漿料止水，鉆孔垂直深度不宜小于1/3 倍結(jié)構(gòu)厚度；再二次鉆斜孔，注入在潮濕環(huán)境下固化的環(huán)氧樹脂灌漿料或水泥基灌漿料，鉆孔垂直深度不宜小于1/2 結(jié)構(gòu)厚度[5]。

6.1.2 結(jié)構(gòu)大面積滲漏涂刷澎內(nèi)傳防水涂料

結(jié)構(gòu)大面積滲漏而無(wú)明水時(shí)，表面清理干凈，進(jìn)行1mm厚、1.5 kg/m2PNC401 澎內(nèi)傳防水材料的整體涂刷。水壓小或孔洞直徑≤50 mm 時(shí)，沿裂縫深度方向開鑿U 形槽，滲漏點(diǎn)剔鑿成U 形洞，將PNC602 澎內(nèi)傳速凝堵漏劑攪拌成干料團(tuán)壓入。

6.2 f4、f4-1 地裂縫滲漏水風(fēng)險(xiǎn)管控措施

6.2.1 地裂縫段特殊變形縫注漿堵漏

鉆斜孔穿結(jié)構(gòu)至U 形止水帶及楔形止水帶中間縫隙，注入雙組分高聚物聚氨酯灌漿料止水，鉆孔環(huán)向間距宜為500～1 000 m；注漿由下至上依次進(jìn)行，上部注漿孔作為下部注漿觀測(cè)孔和泄水孔，待觀測(cè)孔出現(xiàn)連續(xù)均勻化學(xué)漿液外溢時(shí)停止注漿，清理觀測(cè)孔以防止堵塞。單環(huán)特殊變形縫注漿應(yīng)連續(xù)注漿。注漿初始階段因滲水量較大導(dǎo)致化學(xué)漿液順?biāo)鞒鰰r(shí)，做好漿液收集，避免漿液在排水溝固結(jié)而影響正常排水。

6.2.2 變形縫加固引排

對(duì)變形縫切縫剔槽，剔除槽體內(nèi)混凝土后填料，嵌縫用高壓水沖洗干凈后填充優(yōu)質(zhì)發(fā)泡高壓聚乙烯閉孔型泡沫塑料條。槽體內(nèi)安裝注漿嘴，堵漏材料臨時(shí)固結(jié)，每條變形縫上最少安裝4 個(gè)注漿嘴注漿。注漿采用無(wú)溶劑彈性單組分聚氨酯樹脂灌漿料，注漿無(wú)滲漏水后拆除注漿管，清理堵漏固結(jié)料。槽體內(nèi)填充單組分聚氨酯建筑密封膠（高模量），兩側(cè)內(nèi)刷雙組分聚氨酯涂料，槽體底部采用改性環(huán)氧樹脂聚合物水泥膠泥修補(bǔ)平順，鋪設(shè)2 mm 厚橡膠板，采用單組分聚氨酯建筑密封膠密貼。槽體填充改性環(huán)氧樹脂聚合物水泥膠泥。結(jié)構(gòu)頂部和墻體安裝不銹鋼排水槽，采用單組分聚氨酯建筑密封膠密貼封邊后利用螺栓固定。

6.3 地裂縫風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)管控措施

6.3.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

f4、f4-1 地裂縫左右線道床沉降；f4、f4-1 地裂縫右線隧道收斂、拱頂沉降；f4 地裂縫左線隧道凈空收斂、拱頂沉降；f4-1地裂縫左線道床自動(dòng)化沉降、隧道變形縫及拱頂沉降、結(jié)構(gòu)收斂、水平位移。

6.3.2 布設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)

沉降監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)采用深坑水準(zhǔn)點(diǎn)及后期在3 座車站外埋設(shè)的基準(zhǔn)點(diǎn)，并在魚化寨和延平門站臺(tái)布設(shè)2 個(gè)工作基點(diǎn)?；鶞?zhǔn)點(diǎn)與工作基點(diǎn)按閉合水準(zhǔn)線路采用二等水準(zhǔn)測(cè)量精度聯(lián)測(cè)。

6.3.3 布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)

地裂縫段特殊變形縫1.0 m 處布設(shè)道床沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，特殊變形縫處拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)于隧道接觸網(wǎng)2 m。道床、拱頂沉降、結(jié)構(gòu)凈空收斂按左右線里程樁號(hào)為依據(jù)進(jìn)行編號(hào)。f4 地裂縫段道床沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)24 個(gè)，拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)20 個(gè)，凈空收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)20 組（見圖1）。f4-1 地裂縫段道床沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)23個(gè)，拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)10 個(gè)，凈空收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)14 組。同時(shí)在f4-1 地裂縫段左線位置采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，道床沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)28 個(gè)，隧道變形縫沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)28 個(gè)，拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)14 個(gè)，結(jié)構(gòu)收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)14 個(gè)，水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)28 個(gè)。

圖1 f4 地裂縫監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖

6.4 監(jiān)測(cè)

道床沉降監(jiān)測(cè)采用二等水準(zhǔn)測(cè)量法，從魚化寨站工作基點(diǎn)往返閉合測(cè)量，測(cè)取變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程值；拱頂沉降監(jiān)測(cè)采用三角高程測(cè)量法測(cè)取高程；收斂監(jiān)測(cè)采用極坐標(biāo)法測(cè)取隧道拱腰兩點(diǎn)間距。

按照地裂縫段監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大變化量、變化速率、累計(jì)變化量及與上周期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，判明隧道及地裂縫段上升或下沉趨勢(shì)，并出具報(bào)告。

6.5 地裂縫風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備管控措施

隧道結(jié)構(gòu)因外部環(huán)境變化引起隧道沉降、上浮存在運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)備管理部門需采取常態(tài)化管控措施及應(yīng)急處置管控措施。

6.5.1 常態(tài)化設(shè)備管控措施

專業(yè)人員進(jìn)入?yún)^(qū)間按照規(guī)定穿戴勞動(dòng)防護(hù)用品，電客車司機(jī)需加強(qiáng)瞭望。變形監(jiān)測(cè)單位按照2 次/ 月持續(xù)做好魚丈延區(qū)間隧道變形監(jiān)測(cè)。隧道結(jié)構(gòu)1 次/2 周進(jìn)行專項(xiàng)檢查，動(dòng)態(tài)添乘檢查2 次/周。軌道對(duì)地裂縫段1 次/周、普通段2 次/月幾何尺寸及連接零件全面靜態(tài)檢查；2 次/周添乘檢查，1 次/2 日步巡檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處置上報(bào)；上級(jí)管理部門2 次/月監(jiān)督檢查。按照年、季、月開展較大風(fēng)險(xiǎn)特性、可能發(fā)生事件后果安全防范和應(yīng)急演練、措施培訓(xùn)。

6.5.2 應(yīng)急處置管控措施

司機(jī)發(fā)現(xiàn)線路異常及晃車現(xiàn)象需限速運(yùn)行時(shí)，提出列車限速申請(qǐng)，在專業(yè)人員未給出限速建議前，行車調(diào)度應(yīng)本著“就低不就高”原則發(fā)布限速命令，組織列車限速行駛（以運(yùn)營(yíng)時(shí)段橙色風(fēng)險(xiǎn)為例）。

地裂縫段碎石道床沉降需檢查軌道幾何尺寸和連接零件，對(duì)超限處所起道、撥道，更換壞損零部件。地裂縫段框架板道床沉降量x＜10 mm 時(shí)在扣件鐵墊板下增加板下調(diào)高墊板進(jìn)行調(diào)整；沉降量10≤x≤30 mm 時(shí)在扣件鐵墊板下增加板下調(diào)高墊板、加長(zhǎng)螺旋道釘進(jìn)行調(diào)整；沉降量30＜x＜50 mm 時(shí)使用加厚鐵墊板進(jìn)行調(diào)整；沉降量x≥50 mm 時(shí)通過(guò)框架板下橡膠調(diào)高墊板進(jìn)行調(diào)整；沉降量x≥100 mm 時(shí)通過(guò)框架板下混凝土調(diào)高塊進(jìn)行調(diào)整。

隧道貫通裂縫或裂縫寬度超過(guò)0.3 mm 時(shí)，運(yùn)營(yíng)結(jié)束后需對(duì)裂縫滲水點(diǎn)進(jìn)行注漿施工，修補(bǔ)特殊變形縫止水帶，緊固螺栓和鋼板。隧道涌水、涌沙、塌陷和大面積掉塊需封鎖搶修，支撐加固并注漿。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)西安地鐵勘察、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工及運(yùn)營(yíng)單位對(duì)西安地裂縫在地鐵工程建設(shè)預(yù)防和設(shè)備運(yùn)維風(fēng)險(xiǎn)管控等方面的深入理論研究及新技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用，形成了設(shè)備檢修標(biāo)準(zhǔn)、監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制、應(yīng)急處置預(yù)案、風(fēng)險(xiǎn)研判評(píng)價(jià)等系列成果經(jīng)驗(yàn)，對(duì)地鐵運(yùn)維具有極大的科技價(jià)值和實(shí)際意義。