西安地裂缝对地铁运营风险及管控措施研究

李诚钰，刘天宁，杜超，王华，贾兴豪

(西安市轨道交通集团有限公司，西安 710016）

1 引言

地裂缝是地表岩、土体在自然或人为因素作用下，产生开裂并在地面形成一定长度和宽度裂缝的一种地质现象。西安地裂缝根据地表出露形迹共发现14 条，出露总长度72 km，延伸长度约103 km，面积约为155 km2,单条地表出露最长14.5 km，是一种地区性的灾害地质现象。其活动对地铁安全运营构成严重威胁，因此，研究地裂缝对地铁营运风险及管控措施十分必要，能够为地铁安全运营提供更多保障。

2 f4、f4-1 地裂缝概况

鱼丈延区间采用盾构法施工，单渡线段及地裂缝段采用矿山法施工，线路由西向东，里程DK12+000～YDK15+631，穿越f4、f4-1这2 条地裂缝。其中，f4 为隐伏地裂缝，与线路右线夹角为5°～10°，监测区域94 m，设6 条变形缝，活动速率＜5 mm/a，对工程影响小；f4-1 为连续出露地裂缝，监测区域72 m，设7 条变形缝。2011 年以来地裂缝峰值活动速率约30 mm/a，对地铁工程有重大不良影响[1]。

3 地铁隧道穿越地裂缝结构形式及防水设计

地裂缝段隧道断面采用复合衬砌结构，由钢格栅+喷射混凝土初期支护与模筑混凝土二次衬砌构成，2 次衬砌间设柔性防水层，辅助措施采用超前小导管注浆、大管棚注浆。初期支护作为永久结构受力，根据限界及地裂缝设置其断面大小。

地裂缝段结构设防范围设置特殊变形缝，间距为10～15 m，宽度为100 mm。特殊变形缝处设置的楔形止水带外包加强防水层形成第一道封闭防水线，内侧在拱顶和边墙设置U 形止水带形成第二道封闭防水线[2]。

4 地裂缝对地铁运营的风险构成

4.1 隧道衬砌开裂

当地裂缝活动速率较低时对于地铁隧道的影响等效于隧道长期在上覆土层重量及其两侧土体向下摩擦阻力共同作用下的疲劳破坏。当地裂缝垂直错位超过某一定值时，位于地裂缝上盘的隧道底部出现脱空，衬砌顶部将产生拉应力，底部产生压应力[3]。当拉、压应力超出隧道衬砌抗拉和抗压强度后，位于下盘的隧道衬砌顶部在距离裂缝一定距离处出现开裂，隧道产生拉张-挤压破坏。随着地裂缝垂直错位量进一步增大，隧道衬砌顶部裂缝向两侧扩展而使衬砌产生环向开裂。进一步发展会导致轨道变形、道床起拱下沉、隧道结构裂损、定位装置松动等风险，甚至造成列车限速运行或中断行车。

4.2 隧道结构渗漏水及级别

地铁设计中地裂缝最大垂直位移按500 mm 设防，余丈延隧道与地裂缝交汇处地下水位埋深11.2～16 m，隧道埋深15～20 m，基本处于地下水位线以下[4]。地裂缝段原生地层破坏，形成地表及地下水沿地裂缝渗流通道下渗，致使隧道衬砌可能产生结构变形破坏及严重隧道涌水风险，造成列车限速，甚至中断行车。隧道结构渗漏水对设备影响程度按照由高至低原则分为4 级：I 级——区间隧道结构距接触网0.3 m 范围以内（包含0.3 m）线漏、滴漏；II 级——距接触网0.3 m 范围以外的线漏；III 级——区间隧道结构距接触网大于0.3 m 滴漏、任意连续100 m2出现大于3 处或单处湿渍超过0.2 m2；IV 级——区间隧道结构湿渍任意连续100 m2出现不大于3 处或单处湿渍未超过0.2 m2。

5 地裂缝风险级别评价

依据GB/T 27921—2011《风险管理风险评估技术》、交通运输部印发的《城市轨道交通运营安全风险分级管控和隐患排查治理管理办法》（交运规〔2019〕7 号）相关条款，采用“风险矩阵法”，按照西安地裂缝对隧道结构、轨道关键设备影响程度，对f4、f4-1 地裂缝风险进行研判评价。

5.1 风险级别

将地裂缝对地铁运营安全风险评价结果按照由低到高的原则分为蓝、黄、橙、红4 种，对应风险是较小、一般、较大和重大。

5.2 取值标准

风险研判主要由风险事件发生的可能性（L）、后果严重程度(C)决定。其中，L 取值：针对该事件风险描述“可能性级别”“发生的可能性”确定为中等，取值为3～6，结合日常风险管理经验L 取值为5。C 取值：针对该事件风险描述“后果严重程度”（特别严重、严重、较严重、不严重）发生的可能性取值及参考运营后果严重程度判定为严重，对照等级取值表C 取值为5。

5.3 评价结果

D 取值：风险等级大小(D)由风险事件发生的可能性(L)、后果严重程度(C)2 个指标决定，D=L×C=5×5=25，在20～55 风险等级判定为较大风险。综上所述，鱼丈延风险级别评价结果为橙色风险。

6 地裂缝风险管控措施

6.1 隧道结构渗漏水风险管控措施

每2 周对地裂缝区段隧道结构进行1 次专项步巡检查和2 次动态添乘检查。

6.1.1 结构表层裂缝注浆堵漏

对无补强要求的结构裂缝，裂缝两侧交叉布置注浆孔，钻孔斜穿裂缝，垂直深度为1/3～1/2 倍混凝土结构厚度，钻孔与裂缝水平距离为100～250 mm，孔间距为300～500 mm，孔径不宜大于20 mm，斜孔倾角为45°～60°，当需预先封缝时，封缝宽度宜为50 mm。对有补强要求的结构裂缝，宜先钻斜孔并注聚氨酯灌浆料止水，钻孔垂直深度不宜小于1/3 倍结构厚度；再二次钻斜孔，注入在潮湿环境下固化的环氧树脂灌浆料或水泥基灌浆料，钻孔垂直深度不宜小于1/2 结构厚度[5]。

6.1.2 结构大面积渗漏涂刷澎内传防水涂料

结构大面积渗漏而无明水时，表面清理干净，进行1mm厚、1.5 kg/m2PNC401 澎内传防水材料的整体涂刷。水压小或孔洞直径≤50 mm 时，沿裂缝深度方向开凿U 形槽，渗漏点剔凿成U 形洞，将PNC602 澎内传速凝堵漏剂搅拌成干料团压入。

6.2 f4、f4-1 地裂缝渗漏水风险管控措施

6.2.1 地裂缝段特殊变形缝注浆堵漏

钻斜孔穿结构至U 形止水带及楔形止水带中间缝隙，注入双组分高聚物聚氨酯灌浆料止水，钻孔环向间距宜为500～1 000 m；注浆由下至上依次进行，上部注浆孔作为下部注浆观测孔和泄水孔，待观测孔出现连续均匀化学浆液外溢时停止注浆，清理观测孔以防止堵塞。单环特殊变形缝注浆应连续注浆。注浆初始阶段因渗水量较大导致化学浆液顺水流出时，做好浆液收集，避免浆液在排水沟固结而影响正常排水。

6.2.2 变形缝加固引排

对变形缝切缝剔槽，剔除槽体内混凝土后填料，嵌缝用高压水冲洗干净后填充优质发泡高压聚乙烯闭孔型泡沫塑料条。槽体内安装注浆嘴，堵漏材料临时固结，每条变形缝上最少安装4 个注浆嘴注浆。注浆采用无溶剂弹性单组分聚氨酯树脂灌浆料，注浆无渗漏水后拆除注浆管，清理堵漏固结料。槽体内填充单组分聚氨酯建筑密封胶（高模量），两侧内刷双组分聚氨酯涂料，槽体底部采用改性环氧树脂聚合物水泥胶泥修补平顺，铺设2 mm 厚橡胶板，采用单组分聚氨酯建筑密封胶密贴。槽体填充改性环氧树脂聚合物水泥胶泥。结构顶部和墙体安装不锈钢排水槽，采用单组分聚氨酯建筑密封胶密贴封边后利用螺栓固定。

6.3 地裂缝风险监测管控措施

6.3.1 监测项目

f4、f4-1 地裂缝左右线道床沉降；f4、f4-1 地裂缝右线隧道收敛、拱顶沉降；f4 地裂缝左线隧道净空收敛、拱顶沉降；f4-1地裂缝左线道床自动化沉降、隧道变形缝及拱顶沉降、结构收敛、水平位移。

6.3.2 布设基准点

沉降监测基准点采用深坑水准点及后期在3 座车站外埋设的基准点，并在鱼化寨和延平门站台布设2 个工作基点。基准点与工作基点按闭合水准线路采用二等水准测量精度联测。

6.3.3 布设监测点

地裂缝段特殊变形缝1.0 m 处布设道床沉降监测点，特殊变形缝处拱顶沉降监测点布设于隧道接触网2 m。道床、拱顶沉降、结构净空收敛按左右线里程桩号为依据进行编号。f4 地裂缝段道床沉降监测点24 个，拱顶沉降监测点20 个，净空收敛监测点20 组（见图1）。f4-1 地裂缝段道床沉降监测点23个，拱顶沉降监测点10 个，净空收敛监测点14 组。同时在f4-1 地裂缝段左线位置采用自动化监测，道床沉降监测点28 个，隧道变形缝沉降监测点28 个，拱顶沉降监测点14 个，结构收敛监测点14 个，水平位移监测点28 个。

图1 f4 地裂缝监测点布设示意图

6.4 监测

道床沉降监测采用二等水准测量法，从鱼化寨站工作基点往返闭合测量，测取变形监测点高程值；拱顶沉降监测采用三角高程测量法测取高程；收敛监测采用极坐标法测取隧道拱腰两点间距。

按照地裂缝段监测点最大变化量、变化速率、累计变化量及与上周期监测数据进行比对分析，判明隧道及地裂缝段上升或下沉趋势，并出具报告。

6.5 地裂缝风险设备管控措施

隧道结构因外部环境变化引起隧道沉降、上浮存在运营风险，设备管理部门需采取常态化管控措施及应急处置管控措施。

6.5.1 常态化设备管控措施

专业人员进入区间按照规定穿戴劳动防护用品，电客车司机需加强瞭望。变形监测单位按照2 次/ 月持续做好鱼丈延区间隧道变形监测。隧道结构1 次/2 周进行专项检查，动态添乘检查2 次/周。轨道对地裂缝段1 次/周、普通段2 次/月几何尺寸及连接零件全面静态检查；2 次/周添乘检查，1 次/2 日步巡检查，发现问题及时处置上报；上级管理部门2 次/月监督检查。按照年、季、月开展较大风险特性、可能发生事件后果安全防范和应急演练、措施培训。

6.5.2 应急处置管控措施

司机发现线路异常及晃车现象需限速运行时，提出列车限速申请，在专业人员未给出限速建议前，行车调度应本着“就低不就高”原则发布限速命令，组织列车限速行驶（以运营时段橙色风险为例）。

地裂缝段碎石道床沉降需检查轨道几何尺寸和连接零件，对超限处所起道、拨道，更换坏损零部件。地裂缝段框架板道床沉降量x＜10 mm 时在扣件铁垫板下增加板下调高垫板进行调整；沉降量10≤x≤30 mm 时在扣件铁垫板下增加板下调高垫板、加长螺旋道钉进行调整；沉降量30＜x＜50 mm 时使用加厚铁垫板进行调整；沉降量x≥50 mm 时通过框架板下橡胶调高垫板进行调整；沉降量x≥100 mm 时通过框架板下混凝土调高块进行调整。

隧道贯通裂缝或裂缝宽度超过0.3 mm 时，运营结束后需对裂缝渗水点进行注浆施工，修补特殊变形缝止水带，紧固螺栓和钢板。隧道涌水、涌沙、塌陷和大面积掉块需封锁抢修，支撑加固并注浆。

7 结语

通过西安地铁勘察、设计、监理、施工及运营单位对西安地裂缝在地铁工程建设预防和设备运维风险管控等方面的深入理论研究及新技术的实践应用，形成了设备检修标准、监测预警机制、应急处置预案、风险研判评价等系列成果经验，对地铁运维具有极大的科技价值和实际意义。