西安地铁2号线穿越地裂缝的技术措施_樊红卫

来源：小侦探旅游网

都市快轨交通・第21卷第4期2008年8月

快轨论坛<<

　　编者按　地裂缝是西安地区的特殊地质现象,20世纪70—90年代,由于过量开采地下承压水,西安地裂缝曾经活动强烈,位移量相对较大。现今虽然由于限采地下承压水后,地裂缝的活动强度减弱,但对地铁建设仍然有一定的影响。西安市地铁2号线穿越其中的10条地裂缝,如果此问题不解决,地铁的100年使用寿命无法保证,下文提出的技术措施正是西安市准备采用的办法,是否有效,还有待实践检验。刊登此文的目的是为了引起对此问题的重视和普遍讨论,本刊秉承“百化齐放、百家争鸣”方针,希望收到广大读者的更多保贵意见和技术措施,以便把地裂缝问题解决得更好。如果读者有什么看法和建议,请不吝赐教,随时与作者或编辑部联系。

西安地铁2号线穿越地裂缝的技术措施

樊红卫

(西安地下铁道有限责任公司　西安　710016)

摘　要　西安地铁2号线是西安的第一条地铁线路,它穿过了13条地裂缝中的10条,西安地裂缝是在西安正断层组的基础上发育起来的,地裂缝的变形具有不可抗拒性和巨大的破坏性,会给隧道结构带来致命的危害,地裂缝引起的隧道结构破坏模式有两种:拉张2挤压破坏型和直接剪断破坏型。通过分析地裂缝的活动特征,估算出2号线沿线地裂缝的最大垂直位移量及百年变形量,分别阐述明挖法、浅埋暗挖法的结构处理方案,地裂缝处理的接头方案,地裂缝处的结构防水等技术措施。

关键词　西安地铁　地裂缝　穿越　技术措施

2　地裂缝对2号线的影响2.1　地裂缝概况地裂缝是西安地区的特殊地质现象,自20世纪50年代以来,西安市发现地裂缝13条,大的地面沉降凹槽7个。西安市轨道交通2号线穿过10条地裂缝,1个地面沉降凹槽(小寨沉降槽)。地裂缝在西安市的分布如图1所示。

西安地裂缝是在西安正断层组的基础上发育起来的,在黄土梁洼之间有规律地排列,呈带状分布,各条地裂缝带大体呈等间距近似平行排列,间距为0.4～

2.1km,平均约1km。走向为NE60°～80°,局部近EW,

1　西安地铁2号线概述

西安地铁2号线位于西安市南北向主客流走廊,线路将郑州至西安客运专线西安北站、市新行政中心、南北大街及钟楼、省体育场、小寨商业文化中心、西安国际展览中心、长安区等大型客流集散点串联起来,为西安市城市快速轨道交通的骨干线路,与1号线构成轨道交通网络中的十字骨架。

规划轨道交通2号线北起草滩镇陈家堡,南至长安区韦曲镇,线路整体呈南北走向,全长32.402km。根据西安市城市快速轨道交通建设规划,2号线近期建设铁路北客站2韦曲段,线路全长26.240km,共设车站21座。

收稿日期:2008203207　修回日期:2008204230

作者简介:樊红卫,男,高级工程师,副总工程师,长期从事铁路、公

路、地铁的勘察设计工作,ffanhongwei@163.com

倾向SE,倾角70°～80°。活动规律为南盘相对下降,具有左旋扭转性,垂直位移量大。它们一般都由主裂缝及其下降一侧的次级裂缝组成地裂缝带,带宽3～

8m,局部可达20～30m。地裂缝和地面沉降调查结果

表明,西安地面沉降区与承压水位下降区的分布位置相吻合,而地裂缝则出现在地面沉降槽边缘的陡变地带上,组成地裂带的次级裂缝均靠近地面沉降槽中心的一侧。

西安地裂缝在剖面上的形态一般为上宽下窄的楔形,向下逐渐消失,最深达百余米。地裂缝主体倾向南,倾角较陡,一般在70°以上。

地裂缝带基本具有统一的三维空间运动变形特征,即南倾南降的垂直位移、水平引张和水平扭动。其中以垂直位移量为最大,南北拉张量次之,而水平错动量则很小。地裂缝垂直活动速率以5～30mm/a者居

URBANRAPIDRAILTRANSIT　　19

都市快轨交通・第21卷第4期2008年8月

图1　西安地裂缝分布图

多,最大者愈50mm/a;水平引张位移中等,引张速率为

2～10mm/a;扭动量最小,速率为1～3mm/a。表1　轨道交通2号线与地裂缝交点的地铁设计垂直位移量编号位移量

A(预估

f10

f11

f12

2.2　2号线沿线地裂缝的最大垂直位移量估算为了合理地估算地铁使用期(100年)内轨道交通2号线沿线地裂缝的最大可能垂直位移量,首先必须了

f2f3f5f6f7f8

解地裂缝过去活动的规律。20世纪70—90年代,由于过量开采地下承压水,西安地裂缝活动强烈,位移量相对较大,而现今由于限采地下承压水后,地裂缝的活动强度减弱,处于相对稳定期。在地裂缝快速活动到现在的相对稳定期内,西安市地裂缝已有的研究成果表明,轨道交通2号线与各条地裂缝的交点不在该条地裂缝活动最强烈的地段。在未来30—50年内,因西安市供水由抽取地下水改为从周边河流取水,所以西安地裂缝重新快速活动的可能性极小。而且,如果西安市地裂缝发生再一次的快速活动,各条地裂缝未来的累计活动量应比现今周期内的地裂缝活动量要小。基于上述考虑,再结合西安各条地裂缝的活动特征及以往地裂缝垂直位移量的实测结果,对使用期内轨道交通2号线与各条地裂缝的交点的最大可能垂直位移量进行估算,同时,考虑到地铁工程属于永久性的重要生命线工程,必须保证其安全可靠,所以估算值再乘以一个安全系数(1.5)就得到轨道交通2号线与各条地裂缝交点的地铁设计垂直位移量,如表1所示。

西安地裂缝在时间上具有时强时弱、时断时续的突跳、间歇性和准周期性,而且,不同地裂缝带或同一　　20URBAN

RAPIDRAILTRANSIT

极限值)

1.5A(设计值)

200150300

300300

300100150300100

(200)(250)450450

450150225450150

(300)(375)

300225450

　注:括号内的数值为该条地裂缝的次级地裂缝的最大垂直位移量

地裂缝带的不同地段其活动速率也有较大差异,因此,在结构措施的选择上,必须考虑每一条地裂缝带的活动情况和平面展布特征,结合地铁全线的施工方法,分别进行研究,做到既经济合理,又安全适用。

针对各条地裂缝不同的变形量,经过充分的论证,考虑到各条地裂缝的变形可能先后不一致,在地裂缝处理中对各条地裂缝的百年变形量统一按预留500mm考虑。

2.3　地裂缝引起的隧道结构破坏模式

通过对西安地裂缝造成现有地面建筑物、市政构筑物(如道路、桥梁和地下管道等)破坏的特征分析,可以看出地裂缝的致灾机理是地裂缝的活动导致地裂缝上盘下降,带内土体结构破坏,地基发生不均匀沉降而引起地表建(构)筑物的破坏;同时,地裂缝活动导致地面开裂后,地表水沿地裂缝带入渗和潜蚀,引起黄土湿陷变形和不均匀沉降,从而进一步加剧地表建(构)筑

西安地铁2号线穿越地裂缝的技术措施

物的破坏。毫无疑问,如果在修建西安地铁时,对经过地裂缝带的地段不采取特殊的结构措施或采取措施不当,地铁修建后地裂缝的活动将对地铁的安全运营构成严重威胁,并且会引起其他的地铁病害问题。

根据地铁的结构特征、现有地裂缝的活动特性以及以往工程致灾案例,结合地裂缝与地铁隧道相互作用的有限元和离散元数值模拟计算结果,将地裂缝带可能引起的地铁隧道变形破坏大致分为两种模式。

2.3.1　拉张2挤压破坏型

要的变形量,通过适当的设置变形缝可以适应地裂缝未来百年的变形。

(2)盾构管片结构因为断面固定,适应变形的能

力很小,所以不适应地裂缝处理。

(3)在跨越地裂缝的前后应尽量加大纵向坡度,

以防止在地裂缝发生变形后形成积水坑。在裂缝前后预留足够的坡段长度,以防止断缝处发生沉降之后形成新的变坡点。

(4)对地裂缝段的变形缝采取特殊的处理方式,

地裂缝对工程破坏的实例及数值模拟分析结果表明,在地裂缝的垂直位移作用下,当地裂缝垂直位移超过隧道衬砌变形容许值时,由于地裂缝上盘下降、下盘基本稳定,地铁隧道衬砌底部将产生拉应力、顶部产生压应力。当拉、压应力超出了隧道衬砌的抗拉和抗压强度后,地铁隧道就产生拉张2挤压型破坏,随着地裂缝垂直位移量的进一步增大,隧道衬砌可能产生环向开裂,导致隧道衬砌表面出现裂缝或顶部混凝土剥落

(见图2)。

使其在达到最大变形量时能够起到防水作用。

(5)对于轨道的变形,必须采用可调结构处理。

针对地裂缝的活动性,处理地裂缝的主导思想是结构设计要适应地裂缝的变形:在地裂缝处设置变形缝,并在靠近地裂缝处变形缝设置为10m左右,远离地裂缝处变形缝按30m左右设置;在处理段内的衬砌结构时预留必要的空间,以便在地裂缝发生变形后地铁能够正常运营;在结构的防水上采取特殊方法,防水材料能够适应在大变形的情况下的防水要求。同时,在地裂缝处理段要采取可调高度的轨道结构类型来适应地裂缝处产生的变形,保证运营安全。

结合全线的工程筹划,穿过地裂缝处的区间结构有的段落采用的是浅埋暗挖法,有的段落采用的是盾构法,有的段落采用的是明挖法。但通过有限元计算,结合地裂缝100年的变形量,盾构法隧道因为适应大变形的能力有限,所以地铁区间隧道在穿过地裂缝影响带时采用浅埋暗挖法和明挖法。在盾构法施工段采用浅埋暗挖法先行处理地裂缝,然后采用盾构机直接通过的方法。

图2　地裂缝活动引起地铁隧道变形破坏情况

2.3.2　直接剪断破坏型

当地裂缝活动量突然变大、远远超过了地铁隧道衬砌的允许变形量时,地裂缝的垂直错动将导致隧道发生直接剪断破坏;另一方面,在上盘由于隧道两侧土体向下运动,势必在隧道上引起较大的剪力,当上覆土层较厚、地裂缝活动较强时,可能产生剪断破坏。因某种特殊原因发生时,会在短期内产生较大幅度的位错,活动最活跃时年活动速率为56mm/a。但这种破坏模式一般较少发生,因为以往的监测和收集的资料表明,地裂缝的活动基本上是一个缓慢的过程。

地裂缝的错动可能导致隧道衬砌变形破坏、道床及轨道变形超出允许值、地铁隧道结构渗漏水。

3.1　明挖法的结构处理方案

明挖法结构适应性强,可以根据场地条件和使用要求灵活布置隧道的平面及纵断面,且适应变形能力强,同时还具有施工作业面多、速度快、易于控制施工质量、对于适应地裂缝的结构措施易于实施等优点。单层整体式闭合框架结构的优点是截面简单,缺点是上部的回填土方量大,结构设计内力较大,不合理。而双层或三层整体闭合框架结构(见图3)刚度大,回填土方小,地层压力小,上层还

可利用(明挖结构处　图3　地裂缝段双层明挖结构

URBANRAPIDRAILTRANSIT　　21

3　地裂缝处的结构处理措施

因为地裂缝的变形会给结构带来致命的危害,因此有必要对穿过地裂缝处的结构进行特殊的设计,通过结构计算和数值模拟分析,可以得出以下结论。

(1)采用明挖法或浅埋暗挖法扩大断面,预留必

都市快轨交通・第21卷第4期2008年8月

理地裂缝的纵断面变形缝的设计和处理方法与暗挖法相同)。但明挖结构在城市繁华地段,因为地面建筑物密集、交通繁忙,其施工往往受到限制。

扩大马蹄形隧道结构处理,隧道截面需扩大,隧道断面高度应根据地铁建筑限界和预计地裂缝错动量共同确定,2号线根据专家审查意见统一采用500mm。明挖法和浅埋暗挖法结构,均需分段设置变形缝,保证变形缝两侧结构自由变形,如图4、图5所示。

3.2　浅埋暗挖法的结构处理方案

在不适合明挖法施工的地段,可采用浅埋暗挖法

图4　地裂缝处理段纵断面结构布置图

缝处设加强结构,如图6所示。加强结构处的结构设计,应满足地裂缝处变形后结构之间不能产生脱出,满足挡土的要求。另外,在加强结构处还应采取特殊的防水措施,保证结构在地裂缝变形后的防水要求。3.4　地裂缝处的结构防水西安地下水位埋深一般在7.3～16.6m之间,按照设计,地铁区间隧道大部分地段均位于地下水位以下。

地裂缝处的防水分为结构整体防水和变形缝处的防水,地裂缝处理段的结构整体防水采取和一般区间隧道相同的防水措施,不同之处是在地裂缝段65m范围内的二衬结构中添加钢钎维,以加强结构的强度。

　图5　地裂缝处理段横断面结构图

变形缝处的防水采取三道措施,首先,在变形缝处设置特种变形止水带;其次,在变形缝处加强结构中设置两道预压缩的GINA止水带;最后,在变形缝加强结构的内侧设置Ω型止水带,将渗水集中引排。另外,在加强带内设置可多次注浆的注浆管,当发生渗漏水病害时,从多次注浆管中进行注浆止水。防水措施的设置详见图6。

　　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、钢筋混凝土挡台及混凝土基础等组成,道床仍为中心水沟式。该结构有以下特点:

(1)框架轨道板为轻型预应力结构,方便现场安

装和浇注混凝土道床,施工技术成熟。

(2)轨道板及部件全部实现国产化,造价经济,初

4　结语

西安地裂缝的产生和发展有其特殊性和复杂性,为了保证地铁工程的安全,在西安地铁的建设申报和设计过程中进行了大量针对性的研究工作,基本掌握了地裂缝的变形规律和对地铁工程的影响,在地铁工程穿越地裂缝的设计中,已经按研究成果对相关的结构进行特殊设计,并采取针对性的措施,保证运营过程中的结构安全和地铁运营的正常进行。

(下转第30页)

步估算该结构造价仅为普通短枕式整体轨道的1.5倍。

(3)框架轨道板中部空间大,板下初期设置高分

子材料刚性支座,当变形发生需要调整时,维修人员可方便进入水沟,采用充填式垫板可方便实现无级调整,调整及维修性好。

(4)在框架轨道板中挡处设置挡台板,既可适应

地裂缝的垂直变形又可适应水平变形。

3.3　地裂缝处理的接头方案

采用浅埋暗挖法和明挖法处理地裂缝时,在变形　　22URBAN

RAPIDRAILTRANSIT

都市快轨交通・第21卷第4期2008年8月

4　结语

北京地铁10号线工程知春路站、花园东路站目前正在施工过程中,在后续的设计施工过程中还有诸多如附属建筑、装修等细节需要推敲,藉此与各位专家同仁探讨,希望为我国的轨道交通建设谱写新篇章。

参考文献

[1]GB50157—2003地铁设计规范[S].北京:中国计划出

[2]施仲衡,张弥,王新杰.地下铁道设计与施工[M].西安:

陕西科学技术出版社,1997.

[3]张喜正,漆文年.新型地铁车站形式的探讨[J].都市快

轨交通,2005,18(4).

[4]漆宏.因地制宜确定地铁车站形式及站位[J].地铁与轻

轨,2002(2).

[5]肖广智,关于明.暗挖结合地铁车站建筑结构型式的思考

[J].现代城市轨道交通,2004(5).

[6]丁德云,刘维宁,王珂.北京地铁地面建筑的现状与建议

[J].都市快轨交通,2004,17(2).

版社,2003.

OntheHarmonyofSubwayStationArchitecturewithEnvironment

JiangLinbo

(ChinaRailway4SurveyandDesignGroupCo.,Ltd.,Wuhan430063)

Abstract:TakingtheselectionofthearchitecturalformsofZhichungluStationandHuayuandongStationonBeijingSubwayLine10asexamples,thepaperstudiesthecombinationofvariousformsofstationsbasedontheanalysisofcontrollingconditions,andemphaticallydiscussestheinfluenceofsurroundingterrainonthechoiceofsubwaystationforms.Inordertomeettherequirementsofthestationfunctionandoperationorganization,theselectionofsubwaystationarchitectureshouldbeconsistentwiththesurroundingterrain.

Keywords:subwaystation;surroundingenvironment;stationarchitecturalforms;externalcondition;optiondesign

(上接第22页)

参考文献[1]TB10003—2005J449—2005铁路隧道设计规范.北京:中

国铁道出版社,2005.

[2]GB50157—2003地铁设计规范.北京:中国计划出版社,2003.[3]长安大学工程设计研究院.西安市城市快速轨道交通二号

线详细勘察阶段沿线地裂缝勘察报告[R].西安,2007.

[4]铁道第一勘察设计院.西安市城市快速轨道交通二号线

初步设计平纵断面设计图[G].西安,2007.

[5]DBJ61—6—2006西安地裂缝场地勘察与工程设计规程

[S].西安:陕西省建筑标准设计办公室,2006.

[6]机械工业勘察设计研究院,西北综合勘察设计研究院,等.

西安市城市快速轨道交通二号线详勘报告[R].西安,2007.

FanHongwei

(Xi’anSubwayCorporation,Xi’an710016)

Abstract:Xi’ansubwayLine2isthefirstsubwaylineinXi’an

whichpassesthroughtenofthethirteengroundfissuresinthecity.ThispaperintroducesthecausesoftheformationofgroundfissuresandtheireffectonsubwayLine2.Therearetwomodesofdamagetotunnelstructurescausedbyfissures:tension2squeezemodeanddirectshearmode.Maximumverticaldisplacementsandonehundredyears’deformationsofthegroundfissuresalongLine2areestimatedbyanalyzingtheactivitiesofgroundfissures.Optionsofstructuraltreatmentforopen2cutandboredexcavation,optionsforjointtreatmentatgroundfissures,technicalmeasuresofstructuralwaterproofingatgroundfissuresareputforward.Keywords:Xi’ansubway;groundfissure;traverse;technicalmeasure

TechnicalMeasuresforXi’anSubwayLine2toTraverseGroundFissures

图6　变形缝处加强结构

　　30URBAN

RAPIDRAILTRANSIT

因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容

查看全文