西安市城市轨道交通建设工程特点及措施
2012-09-01 19:34
西安市城市轨道交通建设工程特点及措施
【摘 要】介绍了西安市的城市概况和城市轨道交通线网规划、建设的基本情况，通过对城市轨道交通建设过程中工程特点的分析，总结西安市轨道交通建设过程中文物保护、地裂缝处理等技术应对措施，为轨道交通更好发展提供相关参考。
【关键词】轨道交通; 建设; 工程特点; 技术措施
1概况
1. 1 西安市城市概况
西安市现辖 9 区 4 县，总面积 10108km2，市域人口 837万人，建设用地 620km2，其中主城区人口 386 万人，建成区289km2。
根据西安市第四轮城市总体规划（2008～2020），西安市主城区以唐长安城为中心，以绕城高速为基本轮廓，形成东接临潼，西连咸阳，南拓长安，北跨渭河的格局，凸显“九宫格局，棋盘路网，轴线突出，一城多心”的总体布局特色。到 2020 年，市域人口1070万人，建设用地规模865km2，其中主城区人口528万人，建设用地规模490km2。
2009 年 6 月，国务院批复了国家发改委编制的《关中～天水经济区发展规划》，提出加快推进西咸一体化建设，着力打造西安国际化大都市，到 2020 年，主城区面积控制在800km2以内，都市区人口发展到 1 000 万人以上。
1. 2西安市轨道交通线网规划
《西安市城市快速轨道交通线网规划》于 2005 年 3 月通过中咨公司评审，并报经市政府批准，纳入西安市总体规划。西安市城市快速轨道交通线网规划结构为棋盘＋放射式网状结构，由6 条线路构成，规划线路总长度 251.8km，共设车站150座，如图1所示。其中，①、②、③号线为轨道交通骨干线，④、⑤、⑥号线为轨道交通辅助线。主城区内线网密度0.338km/km2，明城城墙区内线网密度1.146km/km2。
随着城市规模的不断扩大，6条线路已不能满足建设国际化大都市的需求，西安地铁正在酝酿新一轮的线网修编，一号至六号线将作为骨干线路加快建设。
1. 3西安地铁建设情况
2006 年 9 月，国务院正式批准了《西安市城市快速轨道交通建设规划（2006-2015 年）》，确定在近期 10 年内建设线网中的“十字”骨架一、二号线，总长 51km。2010 年初，国家发改委批复了《西安市城市快速轨道交通建设规划调整方案》，在原规划建设期内增加建设地铁三号线一期工程和一号线二期工程，增加线路长度 45.2km，建设里程达到 96.2km。该规划实施完成后，西安市地铁线网骨架将初步形成。
目前，西安地铁首条线路地铁二号线已于 2011 年 9 月16 日底通车试运营，西安成为我国第 10 个开始运营地铁的城市。一号线土建工程即将完工，预计 2013 年建成通车。三号线试验段已开工建设，预计 2015 年建成通车，四号线前期工作正在进行。
2轨道交通建设工程特点及技术措施
西安地铁建设过程中遇到的三大难题包括：（1）与文物的协调；（2）黄土地质条件下的地铁建设；（3）地裂缝段的处理。针对三大难题进行了大量的探索与试验，采取了相应的工程措施，具体的工作方法和取得的成果还有待于工程和时间的进一步检验。我们将结合西安地铁后续线路的建设，做进一步深入的研究。
2. 1 地铁建设与文物保护协调发展
西安有 3100 多年的建城史和 1100 多年的建都史，历史上 13 个朝代在西安建都，是我国六大古都中，最古老、建都王朝最多、历时最长的一座历史文化名城，其中周、秦、汉、唐四个朝代为中华民族鼎盛之期，并与雅典、罗马、开罗同被誉为世界四大著名古都。西安市区的文物古迹丰富，点多面广，目前登记在册的文物点有 2 944 处，其中国家重点文物保护单位34 处，省级重点文物保护单位 72 处，市县级 176 处。
西安市文物分布范围广，因此地铁线网中几乎每条地铁线路都不可避免的与文物发生关系。例如：地铁二号线两次穿越明城墙并经过钟楼，一号线也两次穿越明城墙，四号线经过大雁塔、唐城墙遗址和大明宫遗址等。
城市轨道交通作为国内外大中城市的骨干交通方式，由于地铁具有完善城市功能、拉大城市骨架、发展外围新区、降低城市中心密度等方面的独特功能，建设地铁本身就是对历史古城的有效保护。
2.1.1地铁建设与文物保护协调发展的思路
在地铁线网规划时，首先考虑尽量避开重要遗址和古建筑，同时兼顾客流与文物保护的协调。做到不破坏遗址的完整性，不影响历史文化名城的风貌；穿越古遗迹的深度要适宜，做到不伤及遗址主体，同时在工程设计和施工中确保古建筑和古遗址的安全。
在线位设计时，专门委托文物部门，对地铁沿线进行文物调研和普探，了解线路沿线文物分布情况，同时在线路平纵断面设计以及施工工法选择等方面进行了深入研究，从技术角度保证文物的安全。比如，线路有条件时采用绕避、深埋的敷设方式，区间通过文物地段优先采用盾构工法。
对于具体线位所涉及的重点文物的保护进行重点研究，制定相关施工沉降及运营震动的控制标准，编制专门的保护方案，采取综合的保护措施，确保文物的长期安全。
2.1.2 重点文物保护的具体措施
对于重点文物的保护，开展专题研究，制定针对性的保护方案，采取综合的保护措施。完成了钟楼和明城墙现状研究、施工对钟楼和明城墙影响研究、运营对钟楼和明城墙影响研究以及钟楼和明城墙系统研究 7 个专题。在上述专题研究报告基础上，编制了文物保护设计、施工方案。
根据专题研究的结果，建立了钟楼和城墙保护的控制标准为：
施工沉降控制标准：钟楼台基地表及其顶面产生的最大沉降量不超过 -5mm，局部倾斜不超过 0.0005 的沉降变形；盾构施工沉降在城墙范围可以采用地表最大沉降量为 +5mm～-15mm，局部倾斜不超过 0.001 的沉降变形。
地铁运营振动控制标准：因地铁振动引起的钟楼、城墙（地面） 的垂直振动速度允许最大值建议控制在 0.15mm/s～0.20mm/s。
根据上述控制标准的要求，设计、施工时从工法选择和施工技术方面采取如下措施：
1）地铁线路设计上尽量远离钟楼基座及城墙的变形敏感区。线路在经过钟楼时采取了双绕的线路方案以降低对钟楼的影响，线路尽量加大埋深以避让地下8m“文化层”和降低振动对文物的影响。
2）通过文物保护区隧道工法选择对环境影响最小、沉降控制最有效的盾构法施工。
3）预先对钟楼及城墙采取隔离桩与化学注浆法复合地基加固处理，以减少施工及运营过程中对钟楼及城墙的影响。
4）轨道采取无缝线路，道床采用减振效果最好、国际最先进的钢弹簧浮置板减振道床，减少地铁运营期间对文物的影响。
目前已实施完成的地铁二号线监测数据表明，沉降指标远低于审批指标。未发现对钟楼和城墙等重要古迹的影响。钟楼、城墙周边交通流量在二号线通车试运营后明显减少。
地铁一、二号线的建设针对文物保护问题，从审批程序、专题研究到技术方案等方面都进行积极的探索和尝试，为后续线路的建设积累了一定的经验。建设过程中通过科学的研究论证，在与文物部门的协作下，制定完善的保护方案，将地铁工程对文物的影响减少到最小，对文物的保护起到了积极的作用。
2. 2地铁建设有效规避地裂缝问题
西安地裂缝是一种地区性的地质灾害现象，是一种在空间上具有三维变形特征的地表线状裂缝，包括已出露地表的地裂缝和未在地表出露的隐伏地裂缝。西安市区共发现有 14条地裂缝，自北向南编号依次为 f1～f14，全部分布在黄土梁洼地貌范围内，呈带状分布，主体走向为 NE70°～80°，地裂缝带一般带宽 3m～8m，局部可达 20m～30m，地裂缝带大体呈等间距近似平行排列，间距为0.4km～2.1km，平均间距约 1km，如图 2 所示。
西安地裂缝是构造作用和抽取深层地下水共同作用的结果。其对工程建筑造成的危害主要是由于地裂缝的活动，使建筑物基底产生不均匀沉降，以致使地基失效，从而造成建筑物变形或破坏。
目前，工业与民用建筑物设计时对地裂缝的防治一般采取以避让为主的综合措施，根据《西安地裂缝场地勘察与工程设计规程》的规定，按照拟建建筑物的重要性、结构类别等方面，对地裂缝上盘避让距离为 6m～40m，下盘避让距离为4m～24m。但是地铁工程不同于工业与民用建筑，由于自身位置和功能等特点，线路必须穿越这些地裂缝，西安地铁二号线穿越了11 条地裂缝和 2 条次级裂缝，地铁一号线穿越了 5 条地裂缝。
2.2.1解决地裂缝问题的思路
西安地裂缝成为闻名世界的特殊城市地质灾害，在地裂缝地段进行轨道交通建设，国内外尚无先例，没有规范、规程可循，为此开展了地铁沿线地裂缝的专题研究，提出解决地裂缝问题思路。
1）建立地裂缝段 1∶5 的大型结构模型，进一步加深对地裂缝的成因、活动特点、危害模式、影响范围以及地裂缝与地下水的关系等方面的专题研究，以专家为依托，建立地铁穿越地裂缝带的理论依据。
2）在既有研究的基础上，根据地铁线位布设，对沿线的地裂缝进行了多手段、全方位，系统、全面的勘探和普查，查清线位处地裂缝的位置、分布特征以及地裂缝带的力学性质和水文特征，对每条、每段地裂缝做出科学、客观的分析评估工作。
3）通过研究和专家论证，准确预测出每条、每段地裂缝的百年最大垂直位移预测量，为地铁设计、施工及安全运营提供科学的设计依据。
4）在详细勘察和科研的基础上，科学地确定出地裂缝地段设防长度和隧道结构分段长度，对地裂缝段结构及防水提出应对措施。
2.2.2地铁线路通过地裂缝段的处理措施
对于地铁线路通过地裂缝段采取的处理措施原则是：“防”与“放”相结合，以结构适应地裂缝的变形为主，采取了“局部加强、预留净空、分段处理、柔性接头、先结构后防水”的综合防治措施。
1）首先地铁车站等重要节点应采取避让的原则，区间尽可能采用正交或大角度通过地裂缝。
2） 在地裂缝处理段结构扩大断面、预留净空。根据预测的地裂缝百年变形量预留必要的变形空间，预留净空500mm，以便在地铁使用期内，地裂缝错动后仍能通过线路调坡来保证行车安全。
3）在地裂缝影响段必须对采用分段结构进行设计，采用柔性接头进行处理，预留变形缝适应地裂缝的变形。取地裂缝地段65m 为设防长度，进行分段来设置特殊变形缝，释放错动产生的变形；并预埋可多次注浆的注浆管，预备紧急情况时进行应急堵漏处理。
4）采取特殊的防水措施。对地裂缝段变形缝的防水，采取特殊的处理方式使其能够适应在达到最大变形量时能够起到防水作用。
5）采用可调节道床。对于地裂缝段轨道结构设计方案，为了使轨道能满足地裂缝变形调整的要求，采用了可调式框架板轨道。
6）在施工和运营期间，加强地裂缝段的变形监控量测。
随着地铁建设的推进，对地裂缝研究认识也逐步发展，通过对施工、运营过程中地裂缝段的监控量测，并对可能引起的沉降进行更深的研究探索，做到前期方案预防，中间手段预防，后期监测预防，以确保地铁通过地裂缝段设计、施工、运营的长期安全。
2. 3 黄土地质条件下的地铁建设
西安位于典型的黄土地貌区，广泛分布有厚度大、湿陷性强、危害大的新黄土。黄土是第四纪干旱、半干旱气候条件下形成的一种特殊土，一般具有多孔性，垂直节理发育，直立性强，透水性较强。通常将早期和中期形成的 Q1和Q2黄土统称为老黄土，将其后形成的Q3和Q4黄土称为新黄土。老黄土一般不具湿陷性，工程性质较好，新黄土广泛覆盖于老黄土之上，具肉眼能看到的大孔隙，结构疏松，含水量低，具有湿陷性，厚度30m～50m。老黄土地质条件相对较好，新黄土由于其具有湿陷性特点，工程性质变化明显，对地铁工程影响较大，其主要影响表现为：导致暗挖隧道坍塌，使车站及区间施工风险增大，引起地基承载力降低及建筑物的不均匀沉降等。
针对黄土地质特性以及对地铁工程的风险，有针对性地进行了黄土地区浅埋暗挖隧道、降水试验等专题研究，在研究成果的基础上，综合制定了黄土地区地铁建设应对措施：
1）在线路规划设计阶段充分考虑黄土的分布及其地质特性，把规避湿陷性黄土及饱和黄土地层作为线路布置的重要因素。通过线路调坡保证结构基底避开湿陷性黄土地层，同时调整线路埋深保证暗挖隧道上方存在性质较好的稳定地层，降低施工风险。例如：地铁一号线万寿路车站及万寿路 ~ 长乐坡区间，分布有厚度约20m 多的Ⅳ级自重湿陷性黄土，经过多次论证，最终万寿路站采用四层深埋车站和加大万寿路－长乐坡区间埋深的技术方案，有效解决了长距离严重湿陷性地层对地铁的影响。
2）黄土地区暗挖隧道的施工。从利用黄土自稳特性到降水提高地层工程性质，从高强度的超前支护体系到施工中加强水的管理等多方面措施，以保证暗挖隧道的施工安全。例如：在大跨、复杂结构局部位置系统锚杆的设置；设置具有足够的刚度和强度超前预支护体系，采用速凝干性浆液，有效抑制黄土湿陷引发地层的过大变形。
3）湿陷性黄土的应对措施。由于地铁线路多分布在地下15m～30m 深度范围内，地铁主体结构基底多位于老黄土层，基本消除了湿陷性的影响，仅在部分车站出入口、明挖区间和车辆段、停车场房建受湿陷性的影响。针对湿陷性黄土的特点，处理措施从结构、地基处理和防水三方面入手，以地基处理为主，结构和防水措施加以配合。
4）针对黄土的特性，采取降水措施以提高黄土的工程性质。在科研试验的的基础上，充分考虑周边环境，制定科学合理的降水方案，并做相应的风险评估，确保降水效果与环境保护的协调统一。
5）对各种管线的应对措施，设计过程中作为重要的边界条件予以考虑。对施工影响大的重要管线，结合市政改造进行永久改迁，以彻底消除风险源，无法改迁有影响的管线制定综合保护措施予以解决。同时加强地面管线的监测和巡查，制定有针对性的应急预案，防止管线破裂造成安全事故。
通过研究以及地铁工程的实践，目前已基本解决了黄土地质条件下盾构快速掘进、饱和黄土下暗挖施工安全、湿陷性黄土地基处理、黄土地区复杂环境降水措施等诸多技术问题，并积累了一些实践经验，为黄土地质条件下修建地铁奠定了一定的基础。
3结语
本文针对西安地铁规划设计及建设过程中的若干问题进行了论述，希望对西安地铁后续工程提供参考和借鉴，并希望国内外业内人士更多关注西安地铁发展，有力推广西安地铁的成功经验。
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