地铁区间穿越断裂带设计方案

陶书煜

【摘 要】地震断裂带活动是造成地下工程严重破坏的主要原因。近年来，随着我国地铁建设规模的持续扩大，越来越多的地铁线路穿越地震断裂带。论文结合乌鲁木齐轨道交通2号线马料地站至平川路站区间工程的实际设计经验，总结了相关经验做法，为今后的工程提供实际参考。

【Abstract】Seismic fault zone activity is the main cause of serious damage to underground engineering. In recent years， with the continuous expansion of subway construction in China， more and more subway lines have been crossing the seismic fault zone. Combined with the practical design experience of the project between the Maliaodi station and Pingchuan Road station of Urumqi rail transit line 2， this paper summarizes the relevant experience and practice， and provides practical reference for the future project.

【关键词】断裂带；矿山法施工；盾构区间；施工工法比选

【Keywords】 fault zone； mining method construction； shield interval； construction method selection

【中图分类号】U455.4 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）04-0181-02

1 引言

我國西北地区深居内陆，地形条件、地层岩性复杂，断裂构造广泛发育。当隧道不可避免地穿越活动断层时，由地震作用及活动性断层持续蠕滑造成的累积剪切错断都会对隧道衬砌安全、轴线稳定等产生严重的破坏。因此，对于建造在活动断裂带的隧道工程，完善其隧道结构抗断层错动设计、确定合理的施工方法，十分必要。

2工程概况

乌鲁木齐轨道交通2号线马料地站～平川路站区间自马料地站起，沿马料地街路下向西南敷设，后向北转至平川路路下，转弯过程中下穿九家湾村部分民宅等建筑物，之后进入平川路站止。区间起点里程为YCK17+410.596，区间隧道大部分位于现状九家湾村落下方，道路两侧为商铺及村内建筑。沿线建筑物主要有市公交总公司九家湾停车场、马料地小学、二宫乡九家湾三队、市七十一小学和一些村内民宅等。区间终点里程为YCK18+289.294。本区间大部分埋深较深，上方管线稀疏，仅在马料地街与平川路路面下有少量管线（区间始末两端）。此外，区间穿越西山断裂带北支，呈单面坡，全长878.698m，区间正线线间距约15.7m～24.1m，区间隧道埋深约在10.4-20.8m。

3 工程特点与难点

马料地站-平川路站区间的YAK12+670～YAK12+760之间大角度通过西山断裂东段南支（F4-2），产状N65°E/65°N。参考《乌鲁木齐市轨道交通1号线工程场地地震安全性评价活断层鉴定补充报告》，该断层预测未来100年的突发最大位错量为0.65m。因此，如何选定合理的施工方案及结构设计方案成为确保本工程结构可靠性的关键。

4 区间隧道施工方案比选

4.1 区间开挖方式比选

区间隧道上方现状为九家湾村部分民宅等建筑物，基础形式多为片石基础，深度均在5m以内，区间结构与建筑物基础底竖向最小净距均在12.0m以上。另外，区间穿越西山断裂带北支。本段区间隧道所处地层主要为2-4粉土、2-4-1含砾粉土、2-9圆砾、5-1-2强风化泥岩及5-1-3中风化泥岩。根据上述区间结构施工控制条件，区间穿越西山断裂带采用矿山法施工，并在断裂带前后设置设防段，设防段长度为200m；在暗挖段前后两段采用盾构法施工，以控制施工期间地面建筑物沉降。综上所述，本段区间盾构从平川路站小里程始发，至暗挖段处进行空推，驶过暗挖段后继续采用盾构推进，在马料地站大里程端接收。

4.2 穿越断裂带暗挖段施工措施比选

为减小断层错动对产生的破坏程度，根据工程经验，本项目拟采用加强隧道衬砌强度、增大隧道衬砌厚度、扩大隧道断面、设置变形缝等措施，并分别进行了研究论证。

①加强隧道衬砌强度。加强隧道衬砌强度的方法有很多，如提高混凝土标号、混凝土中添加钢纤维等。但根据模型分析及类似工程经验，提高隧道衬砌混凝土强度，虽然可以显著地增加隧道的截面刚度，使局部等效塑性应变值明显减小，但轴向应力表现出随强度增大而增大的趋势，并且隧道垂直位移分布始终没有减小。提高混凝土强度在一定程度上增大了结构的内力，但不能充分有效地改善隧道的受力情况，在断层错动时抑制隧道的垂直位移也无明显效果，因此不是一种理想的抗错断措施。②增大隧道衬砌厚度。单从力学角度来看，相对于加强衬砌混凝土强度来说，增大隧道衬砌厚度能够提供更高的刚度储备，并使轴向应力和等效塑性应变明显地降低，为一种很好的抗错方式。但是隧道的变形是受围岩控制的，在错动过程中围岩主要表现为剪切变形，当刚度提高时，达到相同的应力状态必然会使隧道承受更大的载荷，一旦发生破坏危险性很大。综合考虑，不适合作为隧道抗错断的技术手段和措施。③扩大隧道断面。在断层错动过程中，隧道破坏的根本原因是由于围岩的约束，变形只能在与断层相交处有限区域内发生，应力、应变集中，很容易使材料达到屈服破坏，如果能使隧道在更大范围内变形，可在一定程度上将断层错动的能量耗散在更广的空间，同时可避免破坏侵入隧道限界，进而减小结构的破坏程度。④设置变形缝。当断层发生错动时，断层破碎带及破碎带与普通围岩交界处一定范围内的隧道结构刚度连续、分布均匀，不能吸收局部围岩变形而易发生较大的剪切破坏。沿隧道轴向设置一系列的剪切变形缝，将衬砌结构分成一定数量相互独立的小节段，使连续的结构变为柔性的节段，将连续的变形变为分布的位错，阻隔了受力的传递，极大程度地减小了应力集中对结构带来的损伤破坏。避免了隧道结构局部变形过大而造成破坏，是一种非常有效的抗错手段。

综上所述，本项目暗挖段施工拟采取扩大开挖断面、设置变形缝等主要措施。

4.3 结构形式

矿山法隧道采用马蹄形断面复合式钢筋混凝土衬砌结构，盾构法隧道采用错缝拼装的装配式圆形断面钢筋混凝土衬砌结构。

5 区间特殊点设计

5.1 盾构通过暗挖段的方式

盾构通过暗挖段主要考虑两种方式，一种是在暗挖段内继续拼装管片通过。后期为满足暗挖断面地层断裂带错动量0.65m的要求，將管片拆除。这种方式的优点是盾构通过相对较快，缺点是工程造价相对较高；第二种方式是靠外力牵引通过。优点是工程造价相对较低，不浪费盾构管片，缺点是推进速度较慢，影响工期。综合考虑，本区间初步设计阶段盾构通过暗挖段推荐采用外力牵引的施工方式。

5.2 区间结构下方的承压水处理措施

本区间盾构段在里程YCK17+502.719至YCK17+638.000，矿山法暗挖段在YCK17+638.000～YCK17+865.892范围内区间下方有承压水分布。针对此问题，推荐采用降低承压水水头的方式，在地面布置减压降水井。根据区间地形情况，该段区间上方房屋分布极其密集，因此，在实际中考虑在房屋中间找间隙布置。推荐方案中布置约30口减压井，减压井伸入含有承压水的圆砾层中8m。[1]

5.3 针对矿山法暗挖段地下水处理措施

根据前述水文地质情况，本段区间中潜水、基岩裂隙水等，地下水位相对较高。在暗挖施工过程中潜水要采取降水措施或者封水措施，裂隙水可考虑洞内明排的方式。

考虑到该段地层固结程度、地层应力历史、降水沉降影响范围等参数都未知，且周边房屋较密集，上部管线较多，结合地质情况综合考虑，推荐方案中考虑暗挖段全断面注浆止水，注浆范围仅限于土层，且在隧道外轮廓线外3m范围内。注浆液采用水泥浆液，浆液配合比应在实际施工中根据注浆效果调整，注浆压力为0.5～1.5MPa。比较方案为暗挖段左右线隧道外边线外3m，原则上每隔15m布置一口潜水降水井。由于区间上方房屋分布极其密集，因此，在实际中考虑在房屋中间找间隙布置。比较方案中共布置20口降水井，暗挖断面在岩层或半岩半土层中，潜水降水井深入中风化岩层内2m；在土层中时，井深入结构底下5m。比较方案需要根据地下水抽水试验及详勘报告进一步决定。另外，如果根据地下水试验发现降水时对地面沉降影响小时，可将比较方案作为推荐方案。

5.4 矿山法暗挖段施工针对中风化岩的处理方式

区间暗挖段地层会遇到中风化岩层，岩层强度较大，特别是中风化砾岩。结合乌鲁木齐地铁1号线施工经验，施工中优先考虑采取钻爆法施工，考虑到爆破会对沿线建筑物产生较大影响，影响周边居民的正常生活起居，提出以下两种比较措施：其一，考虑在暗挖施工过程中将沿线居民暂时腾迁，再进行钻爆施工；其二，如果腾迁较为困难，考虑采用化学爆破的方式，其缺点是施工周期长，优点是对周边建筑物影响较小。

6 存在问题及下阶段注意事项

①区间承压水层资料尚不足够详细，需进一步调查。补充承压水抽水试验。②对建筑物的评估、盾构施工阶段允许的沉降值确定等工作应尽快完成。③靠近马料地站出盾构下穿规划地块，该地块拟建商业楼，需与商业楼设计单位进行进一步结合，以明确楼地下室外轮廓与盾构外皮的净距。

【参考文献】

【1】曾伟华. 盾构穿越断裂带掘进施工技术[J]. 隧道建设，2006（z2）：44-46.