唐曉嵐

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

1 概述

由于自然和人為等因素的作用和影響,自20世紀(jì)70年代后期以來(lái),西安市區(qū)先后出現(xiàn)了13條地裂縫帶,自北向南依次編為f0～f12,同時(shí)還有明顯活動(dòng)的次級(jí)地裂縫f6′、f9′。其中有10條地裂縫與西安地鐵2號(hào)線相交,有5條地裂縫與西安地鐵1號(hào)線相交8次,8條共15次穿越西安地鐵3號(hào)線,其活動(dòng)時(shí)間之長(zhǎng)和規(guī)模之大,尚屬罕見(jiàn)。

地裂縫是西安地鐵獨(dú)特的地質(zhì)現(xiàn)象,因其不定期活動(dòng),將導(dǎo)致地裂縫處結(jié)構(gòu)下沉,這是西安地鐵建設(shè)的技術(shù)難點(diǎn)問(wèn)題,也是國(guó)內(nèi)外地鐵建設(shè)史上極為罕見(jiàn)的技術(shù)難題,在國(guó)內(nèi)外城市軌道交通工程中,目前還沒(méi)有可借鑒的資料。為滿足西安地鐵2號(hào)線2011年9月開(kāi)通運(yùn)營(yíng)的要求,如何盡快解決架空剛性接觸網(wǎng)安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理地通過(guò)地裂縫帶,以及架空剛性接觸網(wǎng)在地裂縫活動(dòng)過(guò)程中的安裝及調(diào)整,對(duì)于保證工程建設(shè)是非常迫切的。

為此，結(jié)合地裂縫處結(jié)構(gòu)及軌道的研究處理措施,對(duì)地裂縫地段架空剛性接觸網(wǎng)技術(shù)方案進(jìn)行了深入的分析和研究。

2 地裂縫分布及結(jié)構(gòu)、軌道處理措施

根據(jù)鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院、長(zhǎng)安大學(xué)等單位針對(duì)西安地鐵2號(hào)線所做的《西安市軌道交通2號(hào)線穿過(guò)地裂縫帶的結(jié)構(gòu)措施專(zhuān)題研究》結(jié)論,地裂縫的基本活動(dòng)方式是上盤(pán)下降、下盤(pán)相對(duì)上升,同時(shí)還產(chǎn)生近南北向的拉張和微量的扭動(dòng)共3方面的活動(dòng)特征。因此地裂縫的活動(dòng)一般具有三維變形特征：即垂直位移、水平引張位移和水平扭動(dòng)位移。而地裂縫水平引張位移、扭動(dòng)總量很小,可以忽略不計(jì)。

地裂縫地段的結(jié)構(gòu)措施應(yīng)保證百年安全運(yùn)行,必須準(zhǔn)確估算各地裂縫在未來(lái)百年的最大垂直位移量,在此基礎(chǔ)上確定地裂縫地段設(shè)計(jì)垂直位移量,各地裂縫百年預(yù)估垂直位移極限值如表1所示。

表1 各地裂縫百年預(yù)估垂直位移極限值 mm

注：Amax為地鐵使用期內(nèi)各條地裂縫與地鐵2號(hào)線交匯點(diǎn)的最大垂直位移量估算值。

西安地鐵2號(hào)線經(jīng)過(guò)地裂縫地段隧道結(jié)構(gòu)主要采用淺埋暗挖法施工的擴(kuò)大馬蹄形襯砌斷面,針對(duì)不同地裂縫結(jié)構(gòu)預(yù)留高度為400～600 mm,地裂縫結(jié)構(gòu)設(shè)防段長(zhǎng)度分別為75～200 m。具體針對(duì)西安地鐵2號(hào)線工程在不同地裂縫區(qū)段的結(jié)構(gòu)預(yù)留高度及設(shè)防段長(zhǎng)度見(jiàn)表2。

結(jié)合西安地鐵2號(hào)線沿線各條地裂縫未來(lái)最大垂直位移量和地裂縫帶的設(shè)防長(zhǎng)度等資料,提出結(jié)構(gòu)處理措施如下。

(1)地鐵2號(hào)線經(jīng)過(guò)地裂縫地段隧道結(jié)構(gòu)主要采用淺埋暗挖法施工,結(jié)構(gòu)斷面的類(lèi)型主要為擴(kuò)大高度的馬蹄形斷面和極少部分矩形斷面。

(2)對(duì)地裂縫的運(yùn)動(dòng)變化只考慮垂直地面向下運(yùn)動(dòng)一種方式,在其他方向的運(yùn)動(dòng)變化均可忽略不計(jì)。

(3)隧道向下運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)處理按照不少于100年地裂縫下沉量預(yù)留高度。

2號(hào)線地裂縫分布及結(jié)構(gòu)斷面處理情況見(jiàn)表2。

表2 2號(hào)線地裂縫分布及結(jié)構(gòu)斷面處理情況

根據(jù)《西安市地鐵2號(hào)線地裂縫地段軌道綜合技術(shù)研究》結(jié)論,地裂縫設(shè)防處軌道采用可調(diào)式框架板整體道床,框架板下所設(shè)厚50 mm的調(diào)高墊板及厚100 mm的調(diào)高墊塊可與扣件調(diào)高量組合設(shè)置,從而實(shí)現(xiàn)從1～500 mm之間的連續(xù)調(diào)高,根據(jù)地裂縫的變形量,通過(guò)扣件鐵墊板下加設(shè)調(diào)高墊板實(shí)現(xiàn)調(diào)整,從而保證軌面高程不變。

綜上所述,西安地裂縫的主要活動(dòng)方式是垂直錯(cuò)動(dòng),它具有隨時(shí)間累積的特征,因此地裂縫帶接觸網(wǎng)應(yīng)主動(dòng)適應(yīng)變形,在土建結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)防,在軌道高程不變的情況下,僅只考慮地裂縫的豎向垂直位移量,橫向調(diào)整量很小僅考慮調(diào)整誤差量。因此，在確定架空剛性接觸網(wǎng)通過(guò)地裂縫帶的技術(shù)方案時(shí),首先應(yīng)結(jié)合各條地裂縫結(jié)構(gòu)處理措施、結(jié)構(gòu)斷面類(lèi)型、結(jié)構(gòu)設(shè)防段長(zhǎng)度及結(jié)構(gòu)斷面預(yù)留高度進(jìn)行分析研究。

3 地裂縫帶接觸網(wǎng)主要技術(shù)方案

3.1 地裂縫帶接觸網(wǎng)設(shè)置原則

通過(guò)以上對(duì)地裂縫的分布情況和地裂縫活動(dòng)規(guī)律、地裂縫帶結(jié)構(gòu)、軌道專(zhuān)業(yè)的各種處理措施詳細(xì)分析后,認(rèn)為在地裂縫設(shè)防段架設(shè)架空剛性接觸網(wǎng),需要處理好地裂縫設(shè)防段與正常隧道斷面區(qū)段的銜接過(guò)渡問(wèn)題，以及設(shè)防段接觸網(wǎng)的特殊結(jié)構(gòu)形式、零部件結(jié)構(gòu)問(wèn)題等,并確定了以下設(shè)計(jì)原則。

(1)根據(jù)f0～f12各條地裂縫的不同活動(dòng)規(guī)律、結(jié)構(gòu)的設(shè)防長(zhǎng)度,設(shè)置與之相適應(yīng)的剛性接觸網(wǎng)獨(dú)立的小錨段,利用剛性錨段關(guān)節(jié)將正常區(qū)段接觸網(wǎng)與地裂縫設(shè)防段接觸網(wǎng)從機(jī)械上安全隔離。

(2)為了適應(yīng)地裂縫設(shè)防段結(jié)構(gòu)垂直方向的變化,采用沿垂直方向可調(diào)整吊柱結(jié)構(gòu),以滿足地裂縫設(shè)防段隧道整體下沉變化后將接觸網(wǎng)導(dǎo)高向上調(diào)整的需要。

(3)根據(jù)地裂縫設(shè)防段結(jié)構(gòu)斷面預(yù)留高度,接觸網(wǎng)懸掛支持結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮一定的調(diào)整量。

3.2 地裂縫設(shè)防段接觸網(wǎng)錨段長(zhǎng)度方案

地裂縫設(shè)防段接觸網(wǎng)隨著地裂縫的3種活動(dòng)方式同樣存在著相同的運(yùn)動(dòng),如果直接與非設(shè)防段接觸網(wǎng)采用直接連接的方式,在地裂縫劇烈活動(dòng)時(shí)或者未及時(shí)調(diào)整設(shè)防段接觸網(wǎng)安裝時(shí),容易造成對(duì)正常段接觸網(wǎng)的損傷及破壞,擴(kuò)大接觸網(wǎng)事故范圍。根據(jù)地裂縫地段接觸網(wǎng)設(shè)置原則,為了防止以上問(wèn)題的發(fā)生,將地裂縫設(shè)防段與正常段的接觸網(wǎng)相對(duì)獨(dú)立,使得地裂縫設(shè)防段接觸網(wǎng)可以隨著地裂縫的各種活動(dòng)自由地適應(yīng)地裂縫活動(dòng)變化。由于兩段接觸網(wǎng)相互獨(dú)立、互不影響,因此避免了在地裂縫劇烈活動(dòng)時(shí),接觸網(wǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)力突變而造成結(jié)構(gòu)破壞。

結(jié)合各地裂縫結(jié)構(gòu)設(shè)防長(zhǎng)度,地裂縫設(shè)防段接觸網(wǎng)錨段長(zhǎng)度設(shè)置有以下2個(gè)方案。

方案一：采用正常段剛性接觸網(wǎng)錨段長(zhǎng)度250 m。

方案二：采用針對(duì)地裂縫帶結(jié)構(gòu)設(shè)防長(zhǎng)度的不同,剛性接觸網(wǎng)設(shè)置不同錨段長(zhǎng)度獨(dú)立小錨段,該錨段與兩邊相鄰的錨段通過(guò)錨段關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)非設(shè)防段與設(shè)防段之間過(guò)渡連接,在錨段關(guān)節(jié)內(nèi)通過(guò)設(shè)置的軟銅絞線實(shí)現(xiàn)兩者之間的電氣連接,詳見(jiàn)圖1。

圖1 接觸網(wǎng)獨(dú)立小錨段跨越地裂縫設(shè)防段布置方案(單位：m)

根據(jù)表2中可知,各地裂縫設(shè)防段結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)度為75～200 m,若采用方案一,對(duì)于地裂縫設(shè)防段結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)度較小的地裂縫,接觸網(wǎng)錨段中有大部分懸掛點(diǎn)需設(shè)在正常段上,存在當(dāng)?shù)亓芽p劇烈活動(dòng)時(shí)或者未及時(shí)調(diào)整設(shè)防段接觸網(wǎng)安裝時(shí),造成對(duì)正常段接觸網(wǎng)的損傷及破壞,擴(kuò)大接觸網(wǎng)事故范圍。

采用方案二可以縮小地裂縫活動(dòng)后對(duì)架空剛性接觸網(wǎng)的影響范圍及運(yùn)營(yíng)維護(hù)調(diào)整工作量,獨(dú)立小錨段的具體長(zhǎng)度根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)的具體設(shè)防長(zhǎng)度,同時(shí)需考慮剛性接觸網(wǎng)布置技術(shù)要求及地裂縫活動(dòng)時(shí)對(duì)正常錨段產(chǎn)生的影響最小等因素,最終確定的獨(dú)立小錨段長(zhǎng)度的計(jì)算一般按如下公式計(jì)算

式中LWS——地裂縫帶接觸網(wǎng)獨(dú)立小錨段長(zhǎng)度,m;

LJS——地裂縫帶隧道結(jié)構(gòu)設(shè)防長(zhǎng)度,m。

兩方案優(yōu)缺點(diǎn)比較見(jiàn)表3。

表3 方案優(yōu)缺點(diǎn)比較

經(jīng)以上分析比選,地裂縫設(shè)防段接觸網(wǎng)錨段長(zhǎng)度最終采用方案二,接觸網(wǎng)獨(dú)立小錨段跨越地裂縫設(shè)防段的方案如圖1所示,各地裂縫設(shè)防段剛性接觸網(wǎng)錨段長(zhǎng)度見(jiàn)表4。

3.3 地裂縫設(shè)防段剛性接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)方案

目前地鐵地下段接觸網(wǎng)懸掛形式一般采用架空剛性懸掛,架空剛性懸掛從結(jié)構(gòu)安裝形式上主要分2類(lèi),一類(lèi)是在國(guó)內(nèi)地鐵如廣州地鐵，上海地鐵，成都地鐵，西安地鐵1、2號(hào)線等采用的垂直懸掛方式,還有一類(lèi)是瑞士FurrerFrey公司使用的水平腕臂方式。結(jié)合各地裂縫結(jié)構(gòu)預(yù)留高度,對(duì)以下2個(gè)方案進(jìn)行分析比選。

表4 地裂縫設(shè)防段剛性接觸網(wǎng)錨段長(zhǎng)度

方案一：可調(diào)吊柱垂直懸掛方式

該安裝方式為隧道安裝凈空>4 800 mm時(shí)采用,而地裂縫設(shè)防段隧道凈空均為高凈空,可調(diào)吊柱垂直懸掛方式如圖2所示。

圖2 可調(diào)吊柱垂直懸掛方式

方案二：水平腕臂方式

該安裝方式根據(jù)隧道斷面安裝凈空的不同,采用隧道斷面高度相匹配的吊柱,水平腕臂安裝方式如圖3所示。

圖3 水平腕臂方式

兩方案優(yōu)缺點(diǎn)比較見(jiàn)表5。

表5 方案優(yōu)缺點(diǎn)比較

對(duì)于地裂縫區(qū)段,為了維護(hù)管理的方便簡(jiǎn)單以及接觸網(wǎng)安裝的整體美觀協(xié)調(diào),在確保地裂縫設(shè)防段特殊要求的前提下,對(duì)跨越地裂縫設(shè)防段的小錨段內(nèi)的剛性接觸網(wǎng)應(yīng)盡量采用與正常段結(jié)構(gòu)類(lèi)型相似的安裝方式。根據(jù)對(duì)地裂縫設(shè)防處隧道斷面的歸納整理,地裂縫設(shè)防段在地鐵運(yùn)行初期的隧道斷面接觸網(wǎng)安裝凈空均為大于4 800 mm的斷面類(lèi)型,同時(shí)如表2所示,地裂縫處結(jié)構(gòu)斷面預(yù)留最大高度為600 mm,方案一能更好的適應(yīng)地裂縫活動(dòng)后凈空的變化。方案一采用上、下可調(diào)整安裝高度的可調(diào)吊柱,可調(diào)吊柱的調(diào)整范圍為0～600 mm,以滿足地裂縫設(shè)防段隧道整體下沉變化后將接觸網(wǎng)導(dǎo)高向上調(diào)整的需要。

綜上所述,地裂縫設(shè)防段剛性接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)方案采用方案一,該方案繼承了傳統(tǒng)垂直懸掛剛性接觸網(wǎng)的所有優(yōu)點(diǎn)功能,克服了調(diào)整范圍小不能滿足地裂縫設(shè)防段調(diào)整需求的缺點(diǎn),在功能上完全滿足地裂縫帶接觸網(wǎng)調(diào)整量的需求?？烧{(diào)吊柱在調(diào)整前后對(duì)照安裝示意如圖4、圖5所示。

圖4 初期階段接觸網(wǎng)安裝示意

圖5 考慮地裂縫變形后接觸網(wǎng)安裝示意

4 運(yùn)營(yíng)、維護(hù)管理的方便性

由于架空剛性掛接觸網(wǎng)在地裂縫設(shè)防段設(shè)置獨(dú)立小錨段,與相鄰錨段通過(guò)錨段關(guān)節(jié)采用電纜連接,該方案錨段長(zhǎng)度短,影響范圍小,從而避免由于地裂縫沉降引起對(duì)正常區(qū)段懸掛點(diǎn)的影響,大大減小了運(yùn)營(yíng)維護(hù)中因地裂縫變形而引起的接觸網(wǎng)大面積調(diào)整的工作量。

同時(shí)在地裂縫設(shè)防段接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)采用可調(diào)吊柱安裝形式,可調(diào)吊柱底座在吊柱上較大范圍內(nèi)上、下移動(dòng)粗略調(diào)整導(dǎo)高,通過(guò)“T”形螺栓對(duì)導(dǎo)高做細(xì)微調(diào)整以滿足導(dǎo)高變化時(shí)調(diào)整需要,靈活地處理了地裂縫處接觸網(wǎng)因地裂縫變形量引起所需調(diào)整的相關(guān)項(xiàng)目。

總之,本設(shè)計(jì)方案適應(yīng)地裂縫帶活動(dòng)規(guī)律及現(xiàn)狀,滿足結(jié)構(gòu)垂直位移百年沉降量,同時(shí)具有活動(dòng)元件少,且支持結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可調(diào)吊柱具有水平和垂直雙向調(diào)節(jié)的功能,零部件較少、各零部件連接牢靠、數(shù)據(jù)變化小的優(yōu)點(diǎn),滿足因地裂縫處結(jié)構(gòu)變化而引起的剛性懸掛拉出值和導(dǎo)高的調(diào)節(jié),因此，無(wú)論是日常維護(hù)、事故搶修、更換接觸導(dǎo)線等,本方案的維護(hù)工作量要少得多,其維護(hù)成本也相應(yīng)較低,且運(yùn)行方便靈活,維護(hù)簡(jiǎn)單且范圍小,為可行的處理方案。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究成果已在西安地鐵2號(hào)線成功應(yīng)用,西安地鐵2號(hào)線已于2010年9月開(kāi)通運(yùn)營(yíng),從現(xiàn)場(chǎng)施工安裝情況及運(yùn)營(yíng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看,研究成果符合工程實(shí)際情況,施工安裝方便、調(diào)整靈活,同時(shí)運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作量小,減少了運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用。

實(shí)踐證明,研究成果有效地解決了西安地鐵工程剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及接觸網(wǎng)跨越地裂縫帶設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)的難題,同時(shí),也為西安地鐵后續(xù)工程及今后類(lèi)似工程設(shè)計(jì)提供借鑒。

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[3] 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.西安市軌道交通2號(hào)線穿過(guò)地裂縫帶的結(jié)構(gòu)措施專(zhuān)題研究報(bào)告[R].北京：中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,2008．

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