西安地裂縫對地鐵運營風險及管控措施研究

李誠鈺，劉天寧，杜超，王華，賈興豪

(西安市軌道交通集團有限公司，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，產生開裂并在地面形成一定長度和寬度裂縫的一種地質現象。西安地裂縫根據地表出露形跡共發現14 條，出露總長度72 km，延伸長度約103 km，面積約為155 km2,單條地表出露最長14.5 km，是一種地區性的災害地質現象。其活動對地鐵安全運營構成嚴重威脅，因此，研究地裂縫對地鐵營運風險及管控措施十分必要，能夠為地鐵安全運營提供更多保障。

2 f4、f4-1 地裂縫概況

魚丈延區間采用盾構法施工，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°，監測區域94 m，設6 條變形縫，活動速率＜5 mm/a，對工程影響?。籪4-1 為連續出露地裂縫，監測區域72 m，設7 條變形縫。2011 年以來地裂縫峰值活動速率約30 mm/a，對地鐵工程有重大不良影響[1]。

3 地鐵隧道穿越地裂縫結構形式及防水設計

地裂縫段隧道斷面采用復合襯砌結構，由鋼格柵+噴射混凝土初期支護與模筑混凝土二次襯砌構成，2 次襯砌間設柔性防水層，輔助措施采用超前小導管注漿、大管棚注漿。初期支護作為永久結構受力，根據限界及地裂縫設置其斷面大小。

地裂縫段結構設防范圍設置特殊變形縫，間距為10～15 m，寬度為100 mm。特殊變形縫處設置的楔形止水帶外包加強防水層形成第一道封閉防水線，內側在拱頂和邊墻設置U 形止水帶形成第二道封閉防水線[2]。

4 地裂縫對地鐵運營的風險構成

4.1 隧道襯砌開裂

當地裂縫活動速率較低時對于地鐵隧道的影響等效于隧道長期在上覆土層重量及其兩側土體向下摩擦阻力共同作用下的疲勞破壞。當地裂縫垂直錯位超過某一定值時，位于地裂縫上盤的隧道底部出現脫空，襯砌頂部將產生拉應力，底部產生壓應力[3]。當拉、壓應力超出隧道襯砌抗拉和抗壓強度后，位于下盤的隧道襯砌頂部在距離裂縫一定距離處出現開裂，隧道產生拉張-擠壓破壞。隨著地裂縫垂直錯位量進一步增大，隧道襯砌頂部裂縫向兩側擴展而使襯砌產生環向開裂。進一步發展會導致軌道變形、道床起拱下沉、隧道結構裂損、定位裝置松動等風險，甚至造成列車限速運行或中斷行車。

4.2 隧道結構滲漏水及級別

地鐵設計中地裂縫最大垂直位移按500 mm 設防，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生結構變形破壞及嚴重隧道涌水風險，造成列車限速，甚至中斷行車。隧道結構滲漏水對設備影響程度按照由高至低原則分為4 級：I 級——區間隧道結構距接觸網0.3 m 范圍以內（包含0.3 m）線漏、滴漏；II 級——距接觸網0.3 m 范圍以外的線漏；III 級——區間隧道結構距接觸網大于0.3 m 滴漏、任意連續100 m2出現大于3 處或單處濕漬超過0.2 m2；IV 級——區間隧道結構濕漬任意連續100 m2出現不大于3 處或單處濕漬未超過0.2 m2。

5 地裂縫風險級別評價

依據GB/T 27921—2011《風險管理風險評估技術》、交通運輸部印發的《城市軌道交通運營安全風險分級管控和隱患排查治理管理辦法》（交運規〔2019〕7 號）相關條款，采用“風險矩陣法”，按照西安地裂縫對隧道結構、軌道關鍵設備影響程度，對f4、f4-1 地裂縫風險進行研判評價。

5.1 風險級別

將地裂縫對地鐵運營安全風險評價結果按照由低到高的原則分為藍、黃、橙、紅4 種，對應風險是較小、一般、較大和重大。

5.2 取值標準

風險研判主要由風險事件發生的可能性（L）、后果嚴重程度(C)決定。其中，L 取值：針對該事件風險描述“可能性級別”“發生的可能性”確定為中等，取值為3～6，結合日常風險管理經驗L 取值為5。C 取值：針對該事件風險描述“后果嚴重程度”（特別嚴重、嚴重、較嚴重、不嚴重）發生的可能性取值及參考運營后果嚴重程度判定為嚴重，對照等級取值表C 取值為5。

5.3 評價結果

D 取值：風險等級大小(D)由風險事件發生的可能性(L)、后果嚴重程度(C)2 個指標決定，D=L×C=5×5=25，在20～55 風險等級判定為較大風險。綜上所述，魚丈延風險級別評價結果為橙色風險。

6 地裂縫風險管控措施

6.1 隧道結構滲漏水風險管控措施

每2 周對地裂縫區段隧道結構進行1 次專項步巡檢查和2 次動態添乘檢查。

6.1.1 結構表層裂縫注漿堵漏

對無補強要求的結構裂縫，裂縫兩側交叉布置注漿孔，鉆孔斜穿裂縫，垂直深度為1/3～1/2 倍混凝土結構厚度，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°，當需預先封縫時，封縫寬度宜為50 mm。對有補強要求的結構裂縫，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 倍結構厚度；再二次鉆斜孔，注入在潮濕環境下固化的環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 結構厚度[5]。

6.1.2 結構大面積滲漏涂刷澎內傳防水涂料

結構大面積滲漏而無明水時，表面清理干凈，進行1mm厚、1.5 kg/m2PNC401 澎內傳防水材料的整體涂刷。水壓小或孔洞直徑≤50 mm 時，沿裂縫深度方向開鑿U 形槽，滲漏點剔鑿成U 形洞，將PNC602 澎內傳速凝堵漏劑攪拌成干料團壓入。

6.2 f4、f4-1 地裂縫滲漏水風險管控措施

6.2.1 地裂縫段特殊變形縫注漿堵漏

鉆斜孔穿結構至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，鉆孔環向間距宜為500～1 000 m；注漿由下至上依次進行，上部注漿孔作為下部注漿觀測孔和泄水孔，待觀測孔出現連續均勻化學漿液外溢時停止注漿，清理觀測孔以防止堵塞。單環特殊變形縫注漿應連續注漿。注漿初始階段因滲水量較大導致化學漿液順水流出時，做好漿液收集，避免漿液在排水溝固結而影響正常排水。

6.2.2 變形縫加固引排

對變形縫切縫剔槽，剔除槽體內混凝土后填料，嵌縫用高壓水沖洗干凈后填充優質發泡高壓聚乙烯閉孔型泡沫塑料條。槽體內安裝注漿嘴，堵漏材料臨時固結，每條變形縫上最少安裝4 個注漿嘴注漿。注漿采用無溶劑彈性單組分聚氨酯樹脂灌漿料，注漿無滲漏水后拆除注漿管，清理堵漏固結料。槽體內填充單組分聚氨酯建筑密封膠（高模量），兩側內刷雙組分聚氨酯涂料，槽體底部采用改性環氧樹脂聚合物水泥膠泥修補平順，鋪設2 mm 厚橡膠板，采用單組分聚氨酯建筑密封膠密貼。槽體填充改性環氧樹脂聚合物水泥膠泥。結構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 地裂縫風險監測管控措施

6.3.1 監測項目

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化沉降、隧道變形縫及拱頂沉降、結構收斂、水平位移。

6.3.2 布設基準點

沉降監測基準點采用深坑水準點及后期在3 座車站外埋設的基準點，并在魚化寨和延平門站臺布設2 個工作基點?；鶞庶c與工作基點按閉合水準線路采用二等水準測量精度聯測。

6.3.3 布設監測點

地裂縫段特殊變形縫1.0 m 處布設道床沉降監測點，特殊變形縫處拱頂沉降監測點布設于隧道接觸網2 m。道床、拱頂沉降、結構凈空收斂按左右線里程樁號為依據進行編號。f4 地裂縫段道床沉降監測點24 個，拱頂沉降監測點20 個，凈空收斂監測點20 組（見圖1）。f4-1 地裂縫段道床沉降監測點23個，拱頂沉降監測點10 個，凈空收斂監測點14 組。同時在f4-1 地裂縫段左線位置采用自動化監測，道床沉降監測點28 個，隧道變形縫沉降監測點28 個，拱頂沉降監測點14 個，結構收斂監測點14 個，水平位移監測點28 個。

圖1 f4 地裂縫監測點布設示意圖

6.4 監測

道床沉降監測采用二等水準測量法，從魚化寨站工作基點往返閉合測量，測取變形監測點高程值；拱頂沉降監測采用三角高程測量法測取高程；收斂監測采用極坐標法測取隧道拱腰兩點間距。

按照地裂縫段監測點最大變化量、變化速率、累計變化量及與上周期監測數據進行比對分析，判明隧道及地裂縫段上升或下沉趨勢，并出具報告。

6.5 地裂縫風險設備管控措施

隧道結構因外部環境變化引起隧道沉降、上浮存在運營風險，設備管理部門需采取常態化管控措施及應急處置管控措施。

6.5.1 常態化設備管控措施

專業人員進入區間按照規定穿戴勞動防護用品，電客車司機需加強瞭望。變形監測單位按照2 次/ 月持續做好魚丈延區間隧道變形監測。隧道結構1 次/2 周進行專項檢查，動態添乘檢查2 次/周。軌道對地裂縫段1 次/周、普通段2 次/月幾何尺寸及連接零件全面靜態檢查；2 次/周添乘檢查，1 次/2 日步巡檢查，發現問題及時處置上報；上級管理部門2 次/月監督檢查。按照年、季、月開展較大風險特性、可能發生事件后果安全防范和應急演練、措施培訓。

6.5.2 應急處置管控措施

司機發現線路異常及晃車現象需限速運行時，提出列車限速申請，在專業人員未給出限速建議前，行車調度應本著“就低不就高”原則發布限速命令，組織列車限速行駛（以運營時段橙色風險為例）。

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 時在扣件鐵墊板下增加板下調高墊板進行調整；沉降量10≤x≤30 mm 時在扣件鐵墊板下增加板下調高墊板、加長螺旋道釘進行調整；沉降量30＜x＜50 mm 時使用加厚鐵墊板進行調整；沉降量x≥50 mm 時通過框架板下橡膠調高墊板進行調整；沉降量x≥100 mm 時通過框架板下混凝土調高塊進行調整。

隧道貫通裂縫或裂縫寬度超過0.3 mm 時，運營結束后需對裂縫滲水點進行注漿施工，修補特殊變形縫止水帶，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 結語

通過西安地鐵勘察、設計、監理、施工及運營單位對西安地裂縫在地鐵工程建設預防和設備運維風險管控等方面的深入理論研究及新技術的實踐應用，形成了設備檢修標準、監測預警機制、應急處置預案、風險研判評價等系列成果經驗，對地鐵運維具有極大的科技價值和實際意義。