程子剛

中煤天津設(shè)計工程有限責(zé)任公司 天津 300122

1 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)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(shè)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(xué)習(xí)、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(nèi)各大城市都陸續(xù)開始新建地下軌道交通設(shè)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(xiàn)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(dá)二千多公里，城市軌道交通建設(shè)正在各大城市如火如荼的建設(shè)中。由于是地下工程建設(shè)，地質(zhì)條件對地鐵的建設(shè)顯得尤為重要，地下工程建設(shè)的原則為避開不良地質(zhì)構(gòu)造或遠(yuǎn)離不良地質(zhì)環(huán)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(zhì)環(huán)境，如城市地下發(fā)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(huán)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(jié)構(gòu)設(shè)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(xiàn)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(nèi)外城市建設(shè)中實屬罕見，地裂縫所經(jīng)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(yán)重制約了城市建設(shè)發(fā)展[1-3]。

長期以來該斷裂帶一直在活動當(dāng)中，平均垂向活動速率為3.98mm/a，相應(yīng)的地裂縫也在運動發(fā)展，見圖1。西安地裂縫是在正斷層組的基礎(chǔ)上發(fā)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(tài)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(dá)到百米。地裂縫帶具有統(tǒng)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(shù)為3-30mm/a，個別地裂縫可達(dá)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(qū)間、延平門站-高新一中站區(qū)間以及高新一中站-科技六路站區(qū)間豎井及橫通道工程位于西安市西南方位，為區(qū)間左、右線分建的兩條單線隧道，三個區(qū)間分別由盾構(gòu)+暗挖組成，區(qū)間穿越地裂縫段采用淺埋暗挖法施工，區(qū)間其他部位采用盾構(gòu)法施工。

圖1 西安地裂縫構(gòu)造

1.1 新桃園站-延平門站區(qū)間

新桃園站-延平門站區(qū)間線路出新桃園站后沿唐延路下敷設(shè)，區(qū)間為盾構(gòu)+暗挖區(qū)間組成，其中盾構(gòu)區(qū)間右線區(qū)間長996.378m，左線區(qū)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(cè)為下盤，南側(cè)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(qū)間

延平門站-高新一中站區(qū)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(zhuǎn)向唐延路，區(qū)間為盾構(gòu)+暗挖區(qū)間組成，其中，盾構(gòu)右線區(qū)間長961.052m，左線區(qū)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(cè)為下盤，南側(cè)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(qū)間

高新一中站-科技六路站區(qū)間線路出高新一中站后沿唐延路下敷設(shè)，區(qū)間為盾構(gòu)+暗挖區(qū)間組成，盾構(gòu)右線區(qū)間長799.791m，左線區(qū)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(cè)為下盤，南側(cè)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(cè)為上盤，南側(cè)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(guān)系。

鉆探揭露的場地地下水屬潛水類型，根據(jù)2017年8月（初勘）及2019年8月（詳勘）勘察期間，鉆孔內(nèi)量測的穩(wěn)定水位埋深15-20m，相應(yīng)高程387.72-390.21m?？辈炱趯佥^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(tǒng)及中更新世沖積粉質(zhì)黏土及其砂夾層中，該地層構(gòu)成區(qū)間沿線場地含水層，其表現(xiàn)粉質(zhì)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(qiáng)，賦水性強(qiáng)，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(xiàn)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(zhì)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(fā)展變化規(guī)律。目前有三種關(guān)于地裂縫成因的學(xué)說，分別為構(gòu)造成因說、地下水成因說、活斷層成因說。構(gòu)造成因說認(rèn)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(yīng)力作用，上盤的下降誘發(fā)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(gòu)造時期以來受北西-南東拉伸應(yīng)力下誘導(dǎo)生成的一系列次級斷裂。地下水成因說認(rèn)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(bǔ)給量遠(yuǎn)小于開采量，城區(qū)承壓水位不斷下降，繼而引起大面積差異沉降，沉降兩側(cè)巖土體變形超過其極限應(yīng)變能力而導(dǎo)致地裂縫產(chǎn)生。據(jù)統(tǒng)計，西安地裂縫產(chǎn)生部位與承壓水位差異下降高幅度地區(qū)分布吻合，延伸方向也一致，側(cè)面印證了地下水成因說的可能性?；顢鄬映梢蛘f認(rèn)為通過對標(biāo)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(fā)現(xiàn)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(qiáng)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(xué)者認(rèn)為西安地裂縫是因為現(xiàn)今處于活斷層的活躍時期，加之過量開采承壓水進(jìn)一步使斷層活化，綜合致使地裂縫發(fā)生。

多數(shù)學(xué)者認(rèn)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(wěn)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(yīng)比現(xiàn)今周期內(nèi)的沉降量要小，綜合以上分析，結(jié)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(nèi)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(jìn)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(qū)域的二襯結(jié)構(gòu)三向位移計算

圖2 隧道結(jié)構(gòu)分段設(shè)變形縫結(jié)構(gòu)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(yīng)地裂縫沉降的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，目前比較流行的設(shè)計方案是分段設(shè)置變形縫并加柔性接頭的方式進(jìn)行處理，如圖2。地裂縫作用下分段隧道三維變形量，ab為結(jié)構(gòu)垂直位移量，ac為橫向位移量，ab’為軸向位移量，地鐵在設(shè)計使用期限100年內(nèi)地裂縫垂直位移設(shè)計值在450-500mm內(nèi)，一般選取500mm，這些變形量反應(yīng)到分段隧道結(jié)構(gòu)上會引起隧道在垂直、軸向、橫向的變形，進(jìn)而導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)凈空的減小，影響隧道內(nèi)地鐵行車安全。所以必須預(yù)先對結(jié)構(gòu)斷面或凈空進(jìn)行擴(kuò)大，給隧道結(jié)構(gòu)在地裂縫作用下的沉降變形預(yù)留一定空間。斷面擴(kuò)大的尺寸即是結(jié)構(gòu)預(yù)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(jié)構(gòu)軸向位移計算

當(dāng)隧道結(jié)構(gòu)正交穿過地裂縫時，一般在地裂縫處以及地裂縫的影響區(qū)段內(nèi)設(shè)置變形縫，如圖3。下盤位于左側(cè)，上盤位于右側(cè)，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(shè)縫，當(dāng)?shù)亓芽p垂直位移量為H時，暗挖隧道結(jié)構(gòu)垂直位移的預(yù)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(guān)系可得：

3.2 地鐵隧道與地裂縫斜交時的結(jié)構(gòu)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(shè)為β。其他代號同前。由于隧道在a 點分段設(shè)縫，當(dāng)?shù)亓芽p垂直位移量為H時，暗挖隧道結(jié)構(gòu)垂直位移的預(yù)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(dǎo)致地鐵隧道產(chǎn)生橫向位移α’b，由圖中空間幾何關(guān)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(qū)間穿越f6地裂縫為例，如圖6所示，θ=74°，β=80°H=450mm，隧道結(jié)構(gòu)在a點設(shè)置變形縫，由式（2）、（3）可得地裂縫處隧道結(jié)構(gòu)橫向位移和軸向位移分別為：

圖3 分段隧道結(jié)構(gòu)與地裂縫相交時位移模式圖

正在建設(shè)的地鐵8號線新桃園站-延平門站區(qū)間、延平門站-高新一中站區(qū)間、高新一中站-科技六路站區(qū)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(dāng)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(shè)計使用年限100年內(nèi)地裂縫與地鐵隧道交匯處結(jié)構(gòu)預(yù)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(jié)構(gòu)預(yù)留位移量（mm）

由表1可知，當(dāng)?shù)罔F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(jié)構(gòu)在空間上產(chǎn)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(jié)構(gòu)受力更為復(fù)雜，尤其是其中的軸向位移最大可達(dá)77mm，對地鐵的道床和軌道影響不可忽視，在設(shè)計階段必須采取可調(diào)的道床和軌道等措施來適應(yīng)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(kuò)大或凈空預(yù)留量需同時考慮橫向和垂直向兩個方向的抗裂位移預(yù)留量。

4 地裂縫部位淺埋暗挖法隧道結(jié)構(gòu)的處理方案

由于目前的盾構(gòu)隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)不適應(yīng)地裂縫部位以及地裂縫影響范圍內(nèi)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(nèi)使用盾構(gòu)法施工，可采用淺埋暗挖法擴(kuò)大馬蹄形隧道結(jié)構(gòu)處理，隧道截面或凈空需要擴(kuò)大，高度以及橫向?qū)挾葦U(kuò)大尺寸在原盾構(gòu)管片截面尺寸基礎(chǔ)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(shè)置變形縫，確保隧道結(jié)構(gòu)在地裂縫長期活動環(huán)境中能夠適應(yīng)地裂縫位移變形而不會破壞，如圖2所示。可調(diào)高框架式軌道結(jié)構(gòu)由分開式扣件、預(yù)應(yīng)力混凝土框架式軌道板、板下可調(diào)支座、側(cè)向限位膠墊、鋼筋混凝土擋臺、混凝土基礎(chǔ)等組成，水溝位于道床中心。該結(jié)構(gòu)特點有：采用的框架軌道板為輕型預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，安裝很方便，技術(shù)成熟；經(jīng)濟(jì)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(shè)置剛性支座，當(dāng)?shù)亓芽p變形導(dǎo)致軌道需要調(diào)整時，可采用充填式墊板進(jìn)行無級調(diào)整；在框架軌道板中檔部位設(shè)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(jié)構(gòu)變形縫處設(shè)置加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。應(yīng)滿足地裂縫變形后縫隙兩側(cè)結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生脫出，滿足擋土的要求。同時在加強(qiáng)結(jié)構(gòu)處還應(yīng)采取特殊的防水措施，以確保地裂縫在產(chǎn)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(guān)重要，正常情況地下結(jié)構(gòu)分為結(jié)構(gòu)自防水和防水材料止水，結(jié)構(gòu)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(jìn)行防水。在分段結(jié)構(gòu)的變形縫部位采取三道防水措施，第一道為設(shè)置適應(yīng)大變形的特殊止水帶，第二道為在變形縫處設(shè)置兩道預(yù)壓縮的GINA橡膠止水條，第三道為在變形縫的內(nèi)側(cè)設(shè)置w型接水槽，將土體滲透到內(nèi)側(cè)的水通過溝槽引流或集中引排。同時在變形縫處設(shè)置可以多次注漿的注漿管，在地鐵運營期發(fā)生滲漏水時可以通過該注漿管進(jìn)行注漿止水。

5 結(jié)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(shù)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(fā)展、穩(wěn)定等階段的變化規(guī)律和位移數(shù)據(jù)預(yù)測了地裂縫與區(qū)間隧道交匯處今后100年內(nèi)即地鐵設(shè)計使用年限內(nèi)地裂縫的最大可能垂直位移量。

建立了地裂縫活動環(huán)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(jù)預(yù)測的西安地裂縫與區(qū)間隧道交匯處今后100年的最大可能垂直位移量數(shù)據(jù)，利用三維空間幾何學(xué)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(qū)段內(nèi)的淺埋暗挖分段設(shè)縫隧道預(yù)留沉降變形量或斷面擴(kuò)大尺寸即可以根據(jù)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(qū)間隧道穿越地裂縫段的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考經(jīng)驗。