地鐵區間穿越斷裂帶設計方案

陶書煜

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京102600）

1 引言

我國西北地區深居內陸，地形條件、地層巖性復雜，斷裂構造廣泛發育。當隧道不可避免地穿越活動斷層時，由地震作用及活動性斷層持續蠕滑造成的累積剪切錯斷都會對隧道襯砌安全、軸線穩定等產生嚴重的破壞。因此，對于建造在活動斷裂帶的隧道工程，完善其隧道結構抗斷層錯動設計、確定合理的施工方法，十分必要。

2 工程概況

烏魯木齊軌道交通2號線馬料地站～平川路站區間自馬料地站起，沿馬料地街路下向西南敷設，后向北轉至平川路路下，轉彎過程中下穿九家灣村部分民宅等建筑物，之后進入平川路站止。區間起點里程為YCK17+410.596，區間隧道大部分位于現狀九家灣村落下方，道路兩側為商鋪及村內建筑。沿線建筑物主要有市公交總公司九家灣停車場、馬料地小學、二宮鄉九家灣三隊、市七十一小學和一些村內民宅等。區間終點里程為YCK18+289.294。本區間大部分埋深較深，上方管線稀疏，僅在馬料地街與平川路路面下有少量管線（區間始末兩端）。此外，區間穿越西山斷裂帶北支，呈單面坡，全長878.698m，區間正線線間距約15.7m～24.1m，區間隧道埋深約在10.4-20.8m。

3 工程特點與難點

馬料地站-平川路站區間的YAK12+670～YAK12+760之間大角度通過西山斷裂東段南支（F4-2），產狀 N65°E/65°N。參考《烏魯木齊市軌道交通1號線工程場地地震安全性評價活斷層鑒定補充報告》，該斷層預測未來100年的突發最大位錯量為0.65m。因此，如何選定合理的施工方案及結構設計方案成為確保本工程結構可靠性的關鍵。

4 區間隧道施工方案比選

4.1 區間開挖方式比選

區間隧道上方現狀為九家灣村部分民宅等建筑物，基礎形式多為片石基礎，深度均在5m以內，區間結構與建筑物基礎底豎向最小凈距均在12.0m以上。另外，區間穿越西山斷裂帶北支。本段區間隧道所處地層主要為2-4粉土、2-4-1含礫粉土、2-9圓礫、5-1-2強風化泥巖及5-1-3中風化泥巖。根據上述區間結構施工控制條件，區間穿越西山斷裂帶采用礦山法施工，并在斷裂帶前后設置設防段，設防段長度為200m；在暗挖段前后兩段采用盾構法施工，以控制施工期間地面建筑物沉降。綜上所述，本段區間盾構從平川路站小里程始發，至暗挖段處進行空推，駛過暗挖段后繼續采用盾構推進，在馬料地站大里程端接收。

4.2 穿越斷裂帶暗挖段施工措施比選

為減小斷層錯動對產生的破壞程度，根據工程經驗，本項目擬采用加強隧道襯砌強度、增大隧道襯砌厚度、擴大隧道斷面、設置變形縫等措施，并分別進行了研究論證。

①加強隧道襯砌強度。加強隧道襯砌強度的方法有很多，如提高混凝土標號、混凝土中添加鋼纖維等。但根據模型分析及類似工程經驗，提高隧道襯砌混凝土強度，雖然可以顯著地增加隧道的截面剛度，使局部等效塑性應變值明顯減小，但軸向應力表現出隨強度增大而增大的趨勢，并且隧道垂直位移分布始終沒有減小。提高混凝土強度在一定程度上增大了結構的內力，但不能充分有效地改善隧道的受力情況，在斷層錯動時抑制隧道的垂直位移也無明顯效果，因此不是一種理想的抗錯斷措施。②增大隧道襯砌厚度。單從力學角度來看，相對于加強襯砌混凝土強度來說，增大隧道襯砌厚度能夠提供更高的剛度儲備，并使軸向應力和等效塑性應變明顯地降低，為一種很好的抗錯方式。但是隧道的變形是受圍巖控制的，在錯動過程中圍巖主要表現為剪切變形，當剛度提高時，達到相同的應力狀態必然會使隧道承受更大的載荷，一旦發生破壞危險性很大。綜合考慮，不適合作為隧道抗錯斷的技術手段和措施。③擴大隧道斷面。在斷層錯動過程中，隧道破壞的根本原因是由于圍巖的約束，變形只能在與斷層相交處有限區域內發生，應力、應變集中，很容易使材料達到屈服破壞，如果能使隧道在更大范圍內變形，可在一定程度上將斷層錯動的能量耗散在更廣的空間，同時可避免破壞侵入隧道限界，進而減小結構的破壞程度。④設置變形縫。當斷層發生錯動時，斷層破碎帶及破碎帶與普通圍巖交界處一定范圍內的隧道結構剛度連續、分布均勻，不能吸收局部圍巖變形而易發生較大的剪切破壞。沿隧道軸向設置一系列的剪切變形縫，將襯砌結構分成一定數量相互獨立的小節段，使連續的結構變為柔性的節段，將連續的變形變為分布的位錯，阻隔了受力的傳遞，極大程度地減小了應力集中對結構帶來的損傷破壞。避免了隧道結構局部變形過大而造成破壞，是一種非常有效的抗錯手段。

綜上所述，本項目暗挖段施工擬采取擴大開挖斷面、設置變形縫等主要措施。

4.3 結構形式

礦山法隧道采用馬蹄形斷面復合式鋼筋混凝土襯砌結構，盾構法隧道采用錯縫拼裝的裝配式圓形斷面鋼筋混凝土襯砌結構。

5 區間特殊點設計

5.1 盾構通過暗挖段的方式

盾構通過暗挖段主要考慮兩種方式，一種是在暗挖段內繼續拼裝管片通過。后期為滿足暗挖斷面地層斷裂帶錯動量0.65m的要求，將管片拆除。這種方式的優點是盾構通過相對較快，缺點是工程造價相對較高；第二種方式是靠外力牽引通過。優點是工程造價相對較低，不浪費盾構管片，缺點是推進速度較慢，影響工期。綜合考慮，本區間初步設計階段盾構通過暗挖段推薦采用外力牽引的施工方式。

5.2 區間結構下方的承壓水處理措施

本區間盾構段在里程YCK17+502.719至YCK17+638.000，礦山法暗挖段在YCK17+638.000～YCK17+865.892范圍內區間下方有承壓水分布。針對此問題，推薦采用降低承壓水水頭的方式，在地面布置減壓降水井。根據區間地形情況，該段區間上方房屋分布極其密集，因此，在實際中考慮在房屋中間找間隙布置。推薦方案中布置約30口減壓井，減壓井伸入含有承壓水的圓礫層中8m。[1]

5.3 針對礦山法暗挖段地下水處理措施

根據前述水文地質情況，本段區間中潛水、基巖裂隙水等，地下水位相對較高。在暗挖施工過程中潛水要采取降水措施或者封水措施，裂隙水可考慮洞內明排的方式。

考慮到該段地層固結程度、地層應力歷史、降水沉降影響范圍等參數都未知，且周邊房屋較密集，上部管線較多，結合地質情況綜合考慮，推薦方案中考慮暗挖段全斷面注漿止水，注漿范圍僅限于土層，且在隧道外輪廓線外3m范圍內。注漿液采用水泥漿液，漿液配合比應在實際施工中根據注漿效果調整，注漿壓力為0.5～1.5MPa。比較方案為暗挖段左右線隧道外邊線外3m，原則上每隔15m布置一口潛水降水井。由于區間上方房屋分布極其密集，因此，在實際中考慮在房屋中間找間隙布置。比較方案中共布置20口降水井，暗挖斷面在巖層或半巖半土層中，潛水降水井深入中風化巖層內2m；在土層中時，井深入結構底下5m。比較方案需要根據地下水抽水試驗及詳勘報告進一步決定。另外，如果根據地下水試驗發現降水時對地面沉降影響小時，可將比較方案作為推薦方案。

5.4 礦山法暗挖段施工針對中風化巖的處理方式

區間暗挖段地層會遇到中風化巖層，巖層強度較大，特別是中風化礫巖。結合烏魯木齊地鐵1號線施工經驗，施工中優先考慮采取鉆爆法施工，考慮到爆破會對沿線建筑物產生較大影響，影響周邊居民的正常生活起居，提出以下兩種比較措施：其一，考慮在暗挖施工過程中將沿線居民暫時騰遷，再進行鉆爆施工；其二，如果騰遷較為困難，考慮采用化學爆破的方式，其缺點是施工周期長，優點是對周邊建筑物影響較小。

6 存在問題及下階段注意事項

①區間承壓水層資料尚不足夠詳細，需進一步調查。補充承壓水抽水試驗。②對建筑物的評估、盾構施工階段允許的沉降值確定等工作應盡快完成。③靠近馬料地站出盾構下穿規劃地塊，該地塊擬建商業樓，需與商業樓設計單位進行進一步結合，以明確樓地下室外輪廓與盾構外皮的凈距。