兰州地质断裂带对地铁隧道的危害及防治措施研究

【摘 要】：兰州地质断裂带是一种独特的城市地质灾害，其活动对地铁建设造成严重威胁，兰州地铁建设的关键是如何解决地铁隧道穿越地质断裂带的问题。以兰州地铁穿越地质断裂带带为研究对象，分析了地质断裂带活动对地铁隧道的危害模式，从结构、防水、地基基础与变形监测等方面提出了相应的防治措施。研究成果可为兰州地铁隧道穿越地质断裂带带的施工、结构和防水设计以及隧道病害监测与防治提供重要参考。

【关键词】：隧道工程 兰州地铁 地质断裂带 隧道病害 防治措施

兰州市位于陇西黄土高原西北部的黄河河谷平原区，黄河自西向东流经市区中部。地面高程1500～1560m，河谷南北两侧为黄土丘陵、梁峁及基岩中低山区。拟建设的兰州地铁线路主要走行于黄河一、二级阶地及漫滩区，地势南北高，中间低，沿线分布地层主要有第四系全新统、下更新统地层。全新统地层主要分布在黄河河流阶地及较大沟谷堆积的河漫滩、一、二级阶地上。河漫滩一带上部为粉细砂及粉土，下部为砂卵砾石层；一、二级阶地上部为黄土状粉土，下部为砂卵砾石层。下更新地层分布在七里河断陷盆地的下部，主要为砂卵砾石层。基底为第三系地层，岩性以泥岩、砂岩、砾岩为主。地下水主要为松散岩类孔隙潜水，主要分布在黄河河谷地区及七里河断陷盆地内，含水层主要为砂卵砾石，粒径粗大，含水量较大。地下水位5～15m，但七里河断陷盆地由于大量开采地下水，已经形成大面积的降落漏斗，地下水位埋深大于20m。底部的基岩中的孔隙裂隙水水量较小。地下水主要以河水的侧向补给及大气降水补给为主。地下水水质良好，地下水对混凝土结构具微腐蚀性，但在东岗镇和西固区局部地下水对混凝土结构具中等腐蚀性。目前地铁隧道穿越活动地质断裂带带的防治措施领域的研究是一个空白，兰州地铁穿越地质断裂带带的问题可以说是世界地铁建设史上的重大难点问题。规范明确指出地下铁道穿越地质断裂带是一个全新的工程难题。因此，研究地质断裂带活动对地铁工程的危害以及如何有效地防治因地质断裂带活动而引起的地铁隧道病害问题，具有十分重要的现实意义。本文在兰州轨道交通一号线穿越地质断裂带带的结构措施专题研究的基础上，对地质断裂带引发的地铁隧道病害进行了深入分析，从多个角度较系统地提出了地铁隧道穿越活动地质断裂带带的防治措施。

一、兰州地区地质断裂带的地质特性分析

根据地质勘察报告，兰州地区富水地质断裂带具有如下特性：

1、岩土特征：岩屑粒径大小不一，物质成分杂，分选性差，磨圆度差，存在大小不一的空隙或空洞，连通性好，容易形成动水流径。

2、地质成因：地质构造活动、次生成岩作用形成。

3、工程危害：易造成水压无常的突水事故

二、地质断裂带对地铁隧道的危害

兰州地质断裂带活动产生的垂直位移具有时间单向累计特征，是造成其两侧地层破坏的主要运动形式。通过对以往兰州地质断裂带造成地面建筑物、市政构筑物如道路、桥梁和地下管道等破坏特征分析，认为地质断裂带对地铁隧道的致灾机理是地质断裂带上盘下降导致位于上盘的地铁隧道底部脱空，在上覆土层重量和隧道两侧土体向下的摩擦阻力共同作用下，隧道衬砌结构产生的开裂破坏。兰州地铁穿越地质断裂带带时如果不采取特殊有效的防治措施，将很有可能出现隧道衬砌变形破坏及防水失效两类地铁隧道病害。

据地质断裂带勘察资料，兰州地铁与地质断裂带交汇处地下水位埋深8～19 m，而地铁隧道埋深大部分为10～15 m，基本处于地下水位线以下或附近，加之地质断裂带地段原生地层破坏，地下水连通性好，是较好的渗流通道，地表水亦可沿地质断裂带带下渗。若不采取有效的防治措施，隧道衬砌结构变形破坏是不可避免的。一旦衬砌开裂，极有可能发生严重的隧道水害——隧道涌水现象。

三、地铁隧道穿越地质断裂带的防治措施

当地质断裂带活动量达到200 mm 时，地铁隧道衬砌结构就出现开裂破坏，因此地铁隧道衬砌结构必须设变形缝以适应地质断裂带的大变形，而且单从结构上设变形缝，也无法保证地铁隧道穿越地质断裂带时防水满足要求。因此，防治措施应当是多方面的，包括结构、防水、地基基础处理和变形监测及预警等方面，其中结构和防水措施尤为重要。

（一）结构措施

穿越地质断裂带带的地铁隧道应当采取“防”与“放”相结合，以结构适应变形为主，先结构后防水的指导原则。“防”就是扩大断面和局部衬砌加强，采用双层衬砌或复合式衬砌局部（主要为接头部位）加强以确保结构强度。 “放”就是分段设缝加柔性接头，消除因地质断裂带活动在衬砌结构内部产生的弯矩和剪应力，可以适应地质断裂带变形。

（二）防水措施

兰州地铁防水有其特殊性：其一，兰州地铁穿越数条地质断裂带带，地质断裂带的活动不可避免地会使隧道衬砌结构变形开裂，这给隧道衬砌结构防水带来很大压力，隧道防水能否满足要求存在很大问题；其二，地质断裂带活动地段地层被错断，地下水连通性好，地表水亦可沿地质断裂带带下渗，黄土的大孔隙性和地质断裂带带的强导水性使得地铁隧道通过地质断裂带带的防水压力大；其三，地铁隧道在大部分地段均处于地下水位附近或以下，尽管水压力不大，但一旦地下水和地表水入渗，防水失控，却不能采用抽排水的办法进行处理，因为抽排水会加剧地质断裂带的活动，从而导致结构变形增大，造成不可挽回的损失。

（三）地基与基础处理措施

随着地质断裂带活动量不断增大，位于地质断裂带上盘的隧道在一定范围内将出现底部脱空现象，此时，隧道在上覆地层自重和两侧地层的向下的摩擦剪应力的双重作用下，结构将出现变形破坏。为了减弱地质断裂带活动引起的地铁隧道变形破坏，结构应预留注浆孔适时进行必要的注浆处理。隧道修建时也应先对地质断裂带影响区地基进行注浆加固处理，强化地基整体刚度。该方法可缓解或抑制地铁隧道衬砌结构变形的进一步发展。

（四）变形监测及预警措施

地质断裂带活动引起的地层变形是一个长期而缓慢的过程，建立专门针对跨地质断裂带地段地铁隧道的变形监测和预警系统，可以全面掌握地质断裂带活动及其引起的隧道变形，有利于适时采取或调整必要的预防措施，确保修建后地铁的安全运营。

（五）其他措施

在地铁穿越地质断裂带附近适当调整线路走向尽量使地铁隧道与地质断裂带正交或大角度相交，避免小角度相交。因为地铁隧道与地质断裂带正交或大角度相交时，穿越地质断裂带变形区长度较小，结构受力基本受剪切作用，而小角度相交时，隧道穿越地质断裂带变形区长度较大，且受力较复杂，不利于结构适应地质断裂带的变形，增加结构防水的难度。建议兰州市政府出台相应措施严格禁止在地一号线沿线一定范围内开采地下水，从而从根本上有效抑制地质断裂带的活动。

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科研项目名称：《兰州市区自然地理条件与工程地质对地铁工程建设的影响及对策研究》项目编号：z2012-07。