西安地鐵8號線暗挖隧道穿越地裂縫處結構三向位移計算及結構處理方案

程子剛

中煤天津設計工程有限責任公司 天津 300122

1 引言

隨著我國經濟的不斷增長以及人民生活水平的逐步提高，越來越多的人口流向城市，特別是我國的大城市人口逐年增多，各種城市資源的壓力越來越大，尤其是城市市政交通壓力明顯增大。城市道路、橋梁交通設施已難以滿足城市人口以及私家車的增長，給城市人民的上班、學習、出游帶來諸多不便。為了滿足人民的出行要求，不得不采用新的交通出行方式來解決該問題。目前，國內各大城市都陸續開始新建地下軌道交通設施以及地下空間場所來滿足人民的出行要求，我國第一條地鐵是北京地鐵，始建于1965年7月1日。截止現在，我國已有20多個城市在修建地鐵，其中以特大城市北京、上海、廣州、深圳居首的城市地鐵運營里程已達二千多公里，城市軌道交通建設正在各大城市如火如荼的建設中。由于是地下工程建設，地質條件對地鐵的建設顯得尤為重要，地下工程建設的原則為避開不良地質構造或遠離不良地質環境，但對于地鐵這樣的線性地下工程有時很難做到避開地下不良地質環境，如城市地下發育有地裂縫的情況，地鐵和地裂縫都是線性分布，要想避開地裂縫是不可能的。西安地鐵8號線是西安市的環線地鐵線路，與多條已建成運營的地鐵形成交叉換乘功能，同時地鐵線路也不可避免的與西安多條地裂縫相交，給工程施工以及結構設計帶來較大影響。目前，西安市已知的地裂縫已有14條，均分布于臨潼—長安斷裂的上盤，表現為基本平行的等間距分布。帶狀分布的地裂縫，其分布之廣泛，危害之巨大，在國內外城市建設中實屬罕見，地裂縫所經之處，地表建筑物開裂坍塌、地下洞室錯斷塌陷、道路扭曲變形，嚴重制約了城市建設發展[1-3]。

長期以來該斷裂帶一直在活動當中，平均垂向活動速率為3.98mm/a，相應的地裂縫也在運動發展，見圖1。西安地裂縫是在正斷層組的基礎上發育起來的，地裂縫南盤（上盤）下降，北盤（下盤）相對上升，為正斷層。走向為NE60°-80°，局部近EW走向，傾向SE，傾角70°-80°。

地裂縫的剖面形態一般為上寬下窄的楔形，向深處逐漸減小至消失，有的深度可達到百米。地裂縫帶具有統一的三維空間運動變形特征，即垂直位移、水平拉張和水平扭動，以垂直位移最大，南北拉張量次之，水平錯動量最小。垂直活動速率多數為3-30mm/a，個別地裂縫可達50mm/a，南北拉張速率為2-8mm/a，水平錯動速率為1-3mm/a。

西安地鐵8號線新桃園站-延平門站區間、延平門站-高新一中站區間以及高新一中站-科技六路站區間豎井及橫通道工程位于西安市西南方位，為區間左、右線分建的兩條單線隧道，三個區間分別由盾構+暗挖組成，區間穿越地裂縫段采用淺埋暗挖法施工，區間其他部位采用盾構法施工。

圖1 西安地裂縫構造

1.1 新桃園站-延平門站區間

新桃園站-延平門站區間線路出新桃園站后沿唐延路下敷設，區間為盾構+暗挖區間組成，其中盾構區間右線區間長996.378m，左線區間長1001.378m；暗挖段右線暗挖段長170.957m，左線暗挖段長165.957m。穿越f4地裂縫，地裂縫走向為NW70°，傾角80°，地裂縫北側為下盤，南側為上盤，正斷層，與地鐵隧道左右線軸線夾角分別為78°、78°。

1.2 延平門站-高新一中站區間

延平門站-高新一中站區間線路出延平門站后以一組500m半徑由灃惠南路下穿唐興路及唐城墻遺址公園后轉向唐延路，區間為盾構+暗挖區間組成，其中，盾構右線區間長961.052m，左線區間長961.052m；暗挖段右線暗挖段長206m，左線暗挖段長206m。穿越f5地裂縫，地裂縫走向為NE78°，傾角80°，地裂縫北側為下盤，南側為上盤，正斷層，與地鐵隧道左右線軸線夾角分別為87°、87°。

1.3 高新一中站-科技六路站區間

高新一中站-科技六路站區間線路出高新一中站后沿唐延路下敷設，區間為盾構+暗挖區間組成，盾構右線區間長799.791m，左線區間長800.791m；右線暗挖段長333m，左線暗挖段長332m。穿越f6及f6’地裂縫，f6地裂縫走向為NW74°，傾角80°，地裂縫北側為下盤，南側為上盤，正斷層，與地鐵隧道左右線軸線夾角分別為74°、74°；f6’地裂縫走向為NW78°，傾角80°，地裂縫北側為上盤，南側為下盤，正斷層，與地鐵隧道左右線軸線夾角分別為75°、75°，f6與f6’地裂縫為共軛地裂縫關系。

鉆探揭露的場地地下水屬潛水類型，根據2017年8月（初勘）及2019年8月（詳勘）勘察期間，鉆孔內量測的穩定水位埋深15-20m，相應高程387.72-390.21m。勘察期屬較底水位期，水位年變幅2m左右。

擬建場地地下水主要賦存于上更新統及中更新世沖積粉質黏土及其砂夾層中，該地層構成區間沿線場地含水層，其表現粉質黏土透水性一般，賦水性較差，厚度大，為主要含水層，其間夾的中砂透鏡體，透水性強，賦水性強，厚度較薄、分布不均，受中砂夾層的影響，各段含水層透水性及賦水性表現不均勻。豎井、橫通道開挖主要穿越雜填土、素填土、黃土狀土、古土壤、粉質黏土、局部中砂層。

2 地裂縫最大垂直位移量的估算

為估算地裂縫的垂直位移量，首先要了解地裂縫的成因及發展變化規律。目前有三種關于地裂縫成因的學說，分別為構造成因說、地下水成因說、活斷層成因說。構造成因說認為西安地處臨潼-長安斷裂帶，其為渭河盆地北東向的鏟狀正斷層，錯斷中心位于西安市東南郊，而如今14條主斷裂基本都處于斷層上盤（北西盤），受北西-南東向拉張應力作用，上盤的下降誘發一系列次級小斷裂，其走向與主斷裂相同，傾向與之相反，西安地裂縫就是臨潼-長安斷裂在新構造時期以來受北西-南東拉伸應力下誘導生成的一系列次級斷裂。地下水成因說認為西安市于1970年以后大量開采承壓水（150-300m），由于過量集中開采，地層補給量遠小于開采量，城區承壓水位不斷下降，繼而引起大面積差異沉降，沉降兩側巖土體變形超過其極限應變能力而導致地裂縫產生。據統計，西安地裂縫產生部位與承壓水位差異下降高幅度地區分布吻合，延伸方向也一致，側面印證了地下水成因說的可能性。活斷層成因說認為通過對標志層的古土壤層錯斷斷距研究以及淺層地震勘探資料分析，發現斷距隨著埋深而增加，并且西安地裂縫具有周期性活動的特征，在渭河盆地歷史中，地裂縫強烈活動期集中在漢、唐、明三個時期，并且地裂活動和地震活動在時間尺度上極為接近，故有學者認為西安地裂縫是因為現今處于活斷層的活躍時期，加之過量開采承壓水進一步使斷層活化，綜合致使地裂縫發生。

多數學者認可地下水成因說，而近些年由于西安市限制采取地下水，地裂縫的活動隨之減弱，處于相對穩定期。在未來較長一段時間，西安地裂縫再次快速沉降的可能性極小，假如，地裂縫再次快速活動未來的累計沉降量應比現今周期內的沉降量要小，綜合以上分析，結合各條地裂縫長期以來的活動特種以及以往的實際沉降測量值，對100年內地鐵8號線與各條地裂縫的交點處最大可能垂直位移量進行估算。f4垂直位移量100mm，f5垂直位移量400mm，f6/f’6垂直位移量450/200mm。

3 地鐵隧道在地裂縫影響區域的二襯結構三向位移計算

圖2 隧道結構分段設變形縫結構示意圖

由于西安地裂縫的百年沉降量較大，地鐵隧道必須采取順應地裂縫沉降的結構設計方案，目前比較流行的設計方案是分段設置變形縫并加柔性接頭的方式進行處理，如圖2。地裂縫作用下分段隧道三維變形量，ab為結構垂直位移量，ac為橫向位移量，ab’為軸向位移量，地鐵在設計使用期限100年內地裂縫垂直位移設計值在450-500mm內，一般選取500mm，這些變形量反應到分段隧道結構上會引起隧道在垂直、軸向、橫向的變形，進而導致隧道結構凈空的減小，影響隧道內地鐵行車安全。所以必須預先對結構斷面或凈空進行擴大，給隧道結構在地裂縫作用下的沉降變形預留一定空間。斷面擴大的尺寸即是結構預留位移量，包括垂直位移量、軸向位移量和橫向位移量。

3.1 地鐵隧道與地裂縫正交時的結構軸向位移計算

當隧道結構正交穿過地裂縫時，一般在地裂縫處以及地裂縫的影響區段內設置變形縫，如圖3。下盤位于左側，上盤位于右側，AD為地裂縫走向，MN表示隧道軸線與地裂縫正交于a點，由于隧道在a點分段設縫，當地裂縫垂直位移量為H時，暗挖隧道結構垂直位移的預留量即地裂縫的最大垂直位移量H，隧道軸向位移量為oα’，由空間幾何關系可得：

3.2 地鐵隧道與地裂縫斜交時的結構三向位移計算

如圖5所示，EF表示隧道軸線與地裂縫斜交于a點，夾角為θ，地裂縫傾角設為β。其他代號同前。由于隧道在a 點分段設縫，當地裂縫垂直位移量為H時，暗挖隧道結構垂直位移的預留量即地裂縫的最大垂直位移量H，暗挖隧道軸向拉伸位移為ob，由于地鐵隧道軸線EF與地裂縫斜交導致地鐵隧道產生橫向位移α’b，由圖中空間幾何關系可以得到隧道橫向位移α’b以及軸線拉伸位移ob分別為：

以高新一中站-科技六路站區間穿越f6地裂縫為例，如圖6所示，θ=74°，β=80°H=450mm，隧道結構在a點設置變形縫，由式（2）、（3）可得地裂縫處隧道結構橫向位移和軸向位移分別為：

圖3 分段隧道結構與地裂縫相交時位移模式圖

正在建設的地鐵8號線新桃園站-延平門站區間、延平門站-高新一中站區間、高新一中站-科技六路站區間位于西安市的西南方向，線路走向大致為南北向，與西安地裂縫f4、f5、f6及f6’斜交夾角在60°-90°之間，當各條地裂縫與地鐵隧道軸線斜交的夾角θ、地裂縫傾角β以及地裂縫的最大垂直位移量H已知時，可以通過以上（2）、（3）公式得到未來在地鐵設計使用年限100年內地裂縫與地鐵隧道交匯處結構預留的最大橫向位移量和軸向位移量，如表1所示。

表1 隧道結構預留位移量（mm）

由表1可知，當地鐵線路（隧道）與地裂縫斜交通過時，由于受地裂縫活動的影響隧道結構在空間上產生了三向位移變化，即垂直位移、橫向位移、軸向位移，使隧道結構受力更為復雜，尤其是其中的軸向位移最大可達77mm，對地鐵的道床和軌道影響不可忽視，在設計階段必須采取可調的道床和軌道等措施來適應地裂縫造成的位移變化影響。地鐵隧道斜穿地裂縫時，分段式地鐵隧道斷面擴大或凈空預留量需同時考慮橫向和垂直向兩個方向的抗裂位移預留量。

4 地裂縫部位淺埋暗挖法隧道結構的處理方案

由于目前的盾構隧道管片襯砌結構不適應地裂縫部位以及地裂縫影響范圍內的大變形要求，所以不適合在隧道穿越地裂縫的影響范圍內使用盾構法施工，可采用淺埋暗挖法擴大馬蹄形隧道結構處理，隧道截面或凈空需要擴大，高度以及橫向寬度擴大尺寸在原盾構管片截面尺寸基礎上考慮西安地裂縫的沉降變形影響。淺埋暗挖隧道需分段設置變形縫，確保隧道結構在地裂縫長期活動環境中能夠適應地裂縫位移變形而不會破壞，如圖2所示。可調高框架式軌道結構由分開式扣件、預應力混凝土框架式軌道板、板下可調支座、側向限位膠墊、鋼筋混凝土擋臺、混凝土基礎等組成，水溝位于道床中心。該結構特點有：采用的框架軌道板為輕型預應力結構，安裝很方便，技術成熟；經濟合理，造價僅為普通整體道床的1.4倍；框架軌道板下中間初期設置剛性支座，當地裂縫變形導致軌道需要調整時，可采用充填式墊板進行無級調整；在框架軌道板中檔部位設置擋臺板，能滿足地裂縫的垂直變形以及水平變形的要求。

在隧道分段結構變形縫處設置加強結構。應滿足地裂縫變形后縫隙兩側結構不產生脫出，滿足擋土的要求。同時在加強結構處還應采取特殊的防水措施，以確保地裂縫在產生變形后的防水效果。西安地下水埋深一般在7-17m之間，西安地鐵隧道的深度均在水位以下，所以變形縫處的防水措施對地鐵正常運營至關重要，正常情況地下結構分為結構自防水和防水材料止水，結構自防水是指混凝土材料中添加防水外加劑使得混凝土自身的孔隙率減小，無貫通的滲水通道，防水材料止水即是指采用高分子等防水卷材（防水板）或特殊形狀的防水材料進行防水。在分段結構的變形縫部位采取三道防水措施，第一道為設置適應大變形的特殊止水帶，第二道為在變形縫處設置兩道預壓縮的GINA橡膠止水條，第三道為在變形縫的內側設置w型接水槽，將土體滲透到內側的水通過溝槽引流或集中引排。同時在變形縫處設置可以多次注漿的注漿管，在地鐵運營期發生滲漏水時可以通過該注漿管進行注漿止水。

5 結語

論述了西安地裂縫的分布情況以及目前已知的西安地裂縫數量、走向、傾角。闡明了臨潼—長安斷裂的長期活動情況以及位于其上盤的西安地裂縫的剖面形狀、三維空間運動變形特征，即以垂直位移最大，南北拉張量次之，水平錯動量最小。

由西安地裂縫的成因以及長期以來地裂縫的活動、發展、穩定等階段的變化規律和位移數據預測了地裂縫與區間隧道交匯處今后100年內即地鐵設計使用年限內地裂縫的最大可能垂直位移量。

建立了地裂縫活動環境下地鐵隧道與地裂縫正交和斜交條件下的隧道三維位移模式，根據預測的西安地裂縫與區間隧道交匯處今后100年的最大可能垂直位移量數據，利用三維空間幾何學理論計算得到了隧道與地裂縫正交與斜交條件下隧道的三向位移量即垂直位移、軸向位移、橫向位移，在地裂縫影響區段內的淺埋暗挖分段設縫隧道預留沉降變形量或斷面擴大尺寸即可以根據計算的三向位移量來確定。其理論研究可以為以后西安地鐵區間隧道穿越地裂縫段的結構設計提供參考經驗。