西安地铁8号线暗挖隧道穿越地裂缝处结构三向位移计算及结构处理方案

程子刚

中煤天津设计工程有限责任公司 天津 300122

1 引言

随着我国经济的不断增长以及人民生活水平的逐步提高，越来越多的人口流向城市，特别是我国的大城市人口逐年增多，各种城市资源的压力越来越大，尤其是城市市政交通压力明显增大。城市道路、桥梁交通设施已难以满足城市人口以及私家车的增长，给城市人民的上班、学习、出游带来诸多不便。为了满足人民的出行要求，不得不采用新的交通出行方式来解决该问题。目前，国内各大城市都陆续开始新建地下轨道交通设施以及地下空间场所来满足人民的出行要求，我国第一条地铁是北京地铁，始建于1965年7月1日。截止现在，我国已有20多个城市在修建地铁，其中以特大城市北京、上海、广州、深圳居首的城市地铁运营里程已达二千多公里，城市轨道交通建设正在各大城市如火如荼的建设中。由于是地下工程建设，地质条件对地铁的建设显得尤为重要，地下工程建设的原则为避开不良地质构造或远离不良地质环境，但对于地铁这样的线性地下工程有时很难做到避开地下不良地质环境，如城市地下发育有地裂缝的情况，地铁和地裂缝都是线性分布，要想避开地裂缝是不可能的。西安地铁8号线是西安市的环线地铁线路，与多条已建成运营的地铁形成交叉换乘功能，同时地铁线路也不可避免的与西安多条地裂缝相交，给工程施工以及结构设计带来较大影响。目前，西安市已知的地裂缝已有14条，均分布于临潼—长安断裂的上盘，表现为基本平行的等间距分布。带状分布的地裂缝，其分布之广泛，危害之巨大，在国内外城市建设中实属罕见，地裂缝所经之处，地表建筑物开裂坍塌、地下洞室错断塌陷、道路扭曲变形，严重制约了城市建设发展[1-3]。

长期以来该断裂带一直在活动当中，平均垂向活动速率为3.98mm/a，相应的地裂缝也在运动发展，见图1。西安地裂缝是在正断层组的基础上发育起来的，地裂缝南盘（上盘）下降，北盘（下盘）相对上升，为正断层。走向为NE60°-80°，局部近EW走向，倾向SE，倾角70°-80°。

地裂缝的剖面形态一般为上宽下窄的楔形，向深处逐渐减小至消失，有的深度可达到百米。地裂缝带具有统一的三维空间运动变形特征，即垂直位移、水平拉张和水平扭动，以垂直位移最大，南北拉张量次之，水平错动量最小。垂直活动速率多数为3-30mm/a，个别地裂缝可达50mm/a，南北拉张速率为2-8mm/a，水平错动速率为1-3mm/a。

西安地铁8号线新桃园站-延平门站区间、延平门站-高新一中站区间以及高新一中站-科技六路站区间竖井及横通道工程位于西安市西南方位，为区间左、右线分建的两条单线隧道，三个区间分别由盾构+暗挖组成，区间穿越地裂缝段采用浅埋暗挖法施工，区间其他部位采用盾构法施工。

图1 西安地裂缝构造

1.1 新桃园站-延平门站区间

新桃园站-延平门站区间线路出新桃园站后沿唐延路下敷设，区间为盾构+暗挖区间组成，其中盾构区间右线区间长996.378m，左线区间长1001.378m；暗挖段右线暗挖段长170.957m，左线暗挖段长165.957m。穿越f4地裂缝，地裂缝走向为NW70°，倾角80°，地裂缝北侧为下盘，南侧为上盘，正断层，与地铁隧道左右线轴线夹角分别为78°、78°。

1.2 延平门站-高新一中站区间

延平门站-高新一中站区间线路出延平门站后以一组500m半径由沣惠南路下穿唐兴路及唐城墙遗址公园后转向唐延路，区间为盾构+暗挖区间组成，其中，盾构右线区间长961.052m，左线区间长961.052m；暗挖段右线暗挖段长206m，左线暗挖段长206m。穿越f5地裂缝，地裂缝走向为NE78°，倾角80°，地裂缝北侧为下盘，南侧为上盘，正断层，与地铁隧道左右线轴线夹角分别为87°、87°。

1.3 高新一中站-科技六路站区间

高新一中站-科技六路站区间线路出高新一中站后沿唐延路下敷设，区间为盾构+暗挖区间组成，盾构右线区间长799.791m，左线区间长800.791m；右线暗挖段长333m，左线暗挖段长332m。穿越f6及f6’地裂缝，f6地裂缝走向为NW74°，倾角80°，地裂缝北侧为下盘，南侧为上盘，正断层，与地铁隧道左右线轴线夹角分别为74°、74°；f6’地裂缝走向为NW78°，倾角80°，地裂缝北侧为上盘，南侧为下盘，正断层，与地铁隧道左右线轴线夹角分别为75°、75°，f6与f6’地裂缝为共轭地裂缝关系。

钻探揭露的场地地下水属潜水类型，根据2017年8月（初勘）及2019年8月（详勘）勘察期间，钻孔内量测的稳定水位埋深15-20m，相应高程387.72-390.21m。勘察期属较底水位期，水位年变幅2m左右。

拟建场地地下水主要赋存于上更新统及中更新世冲积粉质黏土及其砂夹层中，该地层构成区间沿线场地含水层，其表现粉质黏土透水性一般，赋水性较差，厚度大，为主要含水层，其间夹的中砂透镜体，透水性强，赋水性强，厚度较薄、分布不均，受中砂夹层的影响，各段含水层透水性及赋水性表现不均匀。竖井、横通道开挖主要穿越杂填土、素填土、黄土状土、古土壤、粉质黏土、局部中砂层。

2 地裂缝最大垂直位移量的估算

为估算地裂缝的垂直位移量，首先要了解地裂缝的成因及发展变化规律。目前有三种关于地裂缝成因的学说，分别为构造成因说、地下水成因说、活断层成因说。构造成因说认为西安地处临潼-长安断裂带，其为渭河盆地北东向的铲状正断层，错断中心位于西安市东南郊，而如今14条主断裂基本都处于断层上盘（北西盘），受北西-南东向拉张应力作用，上盘的下降诱发一系列次级小断裂，其走向与主断裂相同，倾向与之相反，西安地裂缝就是临潼-长安断裂在新构造时期以来受北西-南东拉伸应力下诱导生成的一系列次级断裂。地下水成因说认为西安市于1970年以后大量开采承压水（150-300m），由于过量集中开采，地层补给量远小于开采量，城区承压水位不断下降，继而引起大面积差异沉降，沉降两侧岩土体变形超过其极限应变能力而导致地裂缝产生。据统计，西安地裂缝产生部位与承压水位差异下降高幅度地区分布吻合，延伸方向也一致，侧面印证了地下水成因说的可能性。活断层成因说认为通过对标志层的古土壤层错断断距研究以及浅层地震勘探资料分析，发现断距随着埋深而增加，并且西安地裂缝具有周期性活动的特征，在渭河盆地历史中，地裂缝强烈活动期集中在汉、唐、明三个时期，并且地裂活动和地震活动在时间尺度上极为接近，故有学者认为西安地裂缝是因为现今处于活断层的活跃时期，加之过量开采承压水进一步使断层活化，综合致使地裂缝发生。

多数学者认可地下水成因说，而近些年由于西安市限制采取地下水，地裂缝的活动随之减弱，处于相对稳定期。在未来较长一段时间，西安地裂缝再次快速沉降的可能性极小，假如，地裂缝再次快速活动未来的累计沉降量应比现今周期内的沉降量要小，综合以上分析，结合各条地裂缝长期以来的活动特种以及以往的实际沉降测量值，对100年内地铁8号线与各条地裂缝的交点处最大可能垂直位移量进行估算。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 地铁隧道在地裂缝影响区域的二衬结构三向位移计算

图2 隧道结构分段设变形缝结构示意图

由于西安地裂缝的百年沉降量较大，地铁隧道必须采取顺应地裂缝沉降的结构设计方案，目前比较流行的设计方案是分段设置变形缝并加柔性接头的方式进行处理，如图2。地裂缝作用下分段隧道三维变形量，ab为结构垂直位移量，ac为横向位移量，ab’为轴向位移量，地铁在设计使用期限100年内地裂缝垂直位移设计值在450-500mm内，一般选取500mm，这些变形量反应到分段隧道结构上会引起隧道在垂直、轴向、横向的变形，进而导致隧道结构净空的减小，影响隧道内地铁行车安全。所以必须预先对结构断面或净空进行扩大，给隧道结构在地裂缝作用下的沉降变形预留一定空间。断面扩大的尺寸即是结构预留位移量，包括垂直位移量、轴向位移量和横向位移量。

3.1 地铁隧道与地裂缝正交时的结构轴向位移计算

当隧道结构正交穿过地裂缝时，一般在地裂缝处以及地裂缝的影响区段内设置变形缝，如图3。下盘位于左侧，上盘位于右侧，AD为地裂缝走向，MN表示隧道轴线与地裂缝正交于a点，由于隧道在a点分段设缝，当地裂缝垂直位移量为H时，暗挖隧道结构垂直位移的预留量即地裂缝的最大垂直位移量H，隧道轴向位移量为oα’，由空间几何关系可得：

3.2 地铁隧道与地裂缝斜交时的结构三向位移计算

如图5所示，EF表示隧道轴线与地裂缝斜交于a点，夹角为θ，地裂缝倾角设为β。其他代号同前。由于隧道在a 点分段设缝，当地裂缝垂直位移量为H时，暗挖隧道结构垂直位移的预留量即地裂缝的最大垂直位移量H，暗挖隧道轴向拉伸位移为ob，由于地铁隧道轴线EF与地裂缝斜交导致地铁隧道产生横向位移α’b，由图中空间几何关系可以得到隧道横向位移α’b以及轴线拉伸位移ob分别为：

以高新一中站-科技六路站区间穿越f6地裂缝为例，如图6所示，θ=74°，β=80°H=450mm，隧道结构在a点设置变形缝，由式（2）、（3）可得地裂缝处隧道结构横向位移和轴向位移分别为：

图3 分段隧道结构与地裂缝相交时位移模式图

正在建设的地铁8号线新桃园站-延平门站区间、延平门站-高新一中站区间、高新一中站-科技六路站区间位于西安市的西南方向，线路走向大致为南北向，与西安地裂缝f4、f5、f6及f6’斜交夹角在60°-90°之间，当各条地裂缝与地铁隧道轴线斜交的夹角θ、地裂缝倾角β以及地裂缝的最大垂直位移量H已知时，可以通过以上（2）、（3）公式得到未来在地铁设计使用年限100年内地裂缝与地铁隧道交汇处结构预留的最大横向位移量和轴向位移量，如表1所示。

表1 隧道结构预留位移量（mm）

由表1可知，当地铁线路（隧道）与地裂缝斜交通过时，由于受地裂缝活动的影响隧道结构在空间上产生了三向位移变化，即垂直位移、横向位移、轴向位移，使隧道结构受力更为复杂，尤其是其中的轴向位移最大可达77mm，对地铁的道床和轨道影响不可忽视，在设计阶段必须采取可调的道床和轨道等措施来适应地裂缝造成的位移变化影响。地铁隧道斜穿地裂缝时，分段式地铁隧道断面扩大或净空预留量需同时考虑横向和垂直向两个方向的抗裂位移预留量。

4 地裂缝部位浅埋暗挖法隧道结构的处理方案

由于目前的盾构隧道管片衬砌结构不适应地裂缝部位以及地裂缝影响范围内的大变形要求，所以不适合在隧道穿越地裂缝的影响范围内使用盾构法施工，可采用浅埋暗挖法扩大马蹄形隧道结构处理，隧道截面或净空需要扩大，高度以及横向宽度扩大尺寸在原盾构管片截面尺寸基础上考虑西安地裂缝的沉降变形影响。浅埋暗挖隧道需分段设置变形缝，确保隧道结构在地裂缝长期活动环境中能够适应地裂缝位移变形而不会破坏，如图2所示。可调高框架式轨道结构由分开式扣件、预应力混凝土框架式轨道板、板下可调支座、侧向限位胶垫、钢筋混凝土挡台、混凝土基础等组成，水沟位于道床中心。该结构特点有：采用的框架轨道板为轻型预应力结构，安装很方便，技术成熟；经济合理，造价仅为普通整体道床的1.4倍；框架轨道板下中间初期设置刚性支座，当地裂缝变形导致轨道需要调整时，可采用充填式垫板进行无级调整；在框架轨道板中档部位设置挡台板，能满足地裂缝的垂直变形以及水平变形的要求。

在隧道分段结构变形缝处设置加强结构。应满足地裂缝变形后缝隙两侧结构不产生脱出，满足挡土的要求。同时在加强结构处还应采取特殊的防水措施，以确保地裂缝在产生变形后的防水效果。西安地下水埋深一般在7-17m之间，西安地铁隧道的深度均在水位以下，所以变形缝处的防水措施对地铁正常运营至关重要，正常情况地下结构分为结构自防水和防水材料止水，结构自防水是指混凝土材料中添加防水外加剂使得混凝土自身的孔隙率减小，无贯通的渗水通道，防水材料止水即是指采用高分子等防水卷材（防水板）或特殊形状的防水材料进行防水。在分段结构的变形缝部位采取三道防水措施，第一道为设置适应大变形的特殊止水带，第二道为在变形缝处设置两道预压缩的GINA橡胶止水条，第三道为在变形缝的内侧设置w型接水槽，将土体渗透到内侧的水通过沟槽引流或集中引排。同时在变形缝处设置可以多次注浆的注浆管，在地铁运营期发生渗漏水时可以通过该注浆管进行注浆止水。

5 结语

论述了西安地裂缝的分布情况以及目前已知的西安地裂缝数量、走向、倾角。阐明了临潼—长安断裂的长期活动情况以及位于其上盘的西安地裂缝的剖面形状、三维空间运动变形特征，即以垂直位移最大，南北拉张量次之，水平错动量最小。

由西安地裂缝的成因以及长期以来地裂缝的活动、发展、稳定等阶段的变化规律和位移数据预测了地裂缝与区间隧道交汇处今后100年内即地铁设计使用年限内地裂缝的最大可能垂直位移量。

建立了地裂缝活动环境下地铁隧道与地裂缝正交和斜交条件下的隧道三维位移模式，根据预测的西安地裂缝与区间隧道交汇处今后100年的最大可能垂直位移量数据，利用三维空间几何学理论计算得到了隧道与地裂缝正交与斜交条件下隧道的三向位移量即垂直位移、轴向位移、横向位移，在地裂缝影响区段内的浅埋暗挖分段设缝隧道预留沉降变形量或断面扩大尺寸即可以根据计算的三向位移量来确定。其理论研究可以为以后西安地铁区间隧道穿越地裂缝段的结构设计提供参考经验。