西安地鐵工程涉及的地裂縫災(zāi)害與隧道設(shè)防

孟振江　程國明　黃強(qiáng)兵

摘要：以西安地鐵6號線隧道工程穿越地裂縫為研究背景，通過現(xiàn)場調(diào)查與資料收集，具體分析地裂縫在與地鐵線路交匯處的發(fā)育和災(zāi)害特征及其年活動速率；利用空間幾何關(guān)系，提出相鄰分段隧道之間在空間上會產(chǎn)生三向位移，從而引起其內(nèi)部凈空減小；運(yùn)用數(shù)學(xué)公式定量計(jì)算得到地鐵6號線穿越地裂縫的縱向影響長度參數(shù)。建議在設(shè)計(jì)地鐵線路走向時(shí)，應(yīng)盡量與地裂縫呈大角度相交。

關(guān)鍵詞：隧道工程；地裂縫；災(zāi)害特征；設(shè)防長度

中圖分類號：U452.27文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： Based on the field investigation and data collection， the development and disaster characteristics of the ground fissure at the intersection with the metro line and its annual activity rate were analyzed in detail by studying the tunnel of Xian Metro Line 6 crossing ground fissure. Using the spatial geometrical relationship， it was proposed that the threeway displacement between the adjacent segmental tunnels will be generated， which will cause the decrease in internal clearance. And the mathematical formula was used to calculate the longitudinal influence length of the Xian Metro Line 6 crossing ground fissure. It is suggested that the metro line should be designed to intersect the ground fissure at a large angle.

Key words： tunnel engineering； ground fissure； disaster characteristic； fortification length

0引言

地裂縫作為現(xiàn)代城市地質(zhì)災(zāi)害的重要類型之一，它的活動與強(qiáng)度加劇是內(nèi)外地質(zhì)營力及人類工程活動等因素共同作用的結(jié)果，可造成各類建筑工程（如基礎(chǔ)建設(shè)、生命線工程、交通及水利設(shè)施等）的直接破壞，一般表現(xiàn)為道路拉張錯(cuò)位、地下設(shè)施變形以及建筑物的基礎(chǔ)或墻體開裂，尤其對地鐵的建設(shè)構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅，也引起一系列的地質(zhì)環(huán)境問題。西安地裂縫在中國城市地裂縫災(zāi)害中尤為嚴(yán)重和典型，彭建兵等提出了在盆地伸展背景下斷層構(gòu)成西安地裂縫原型，以及水的作用加劇其活動發(fā)展的耦合成因模式[1]。西安繼地鐵1～5號線建設(shè)后，6號線現(xiàn)已全線開工建設(shè)。由于地鐵線路多為線性分布，不可能完全避讓地裂縫，因此地裂縫對地鐵的影響不可忽視，加上國內(nèi)外無相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)可借鑒，西安地鐵面臨的地裂縫問題可謂是世界性工程技術(shù)難題。

以往的相關(guān)研究大多集中在西安地裂縫的整體分布及成因機(jī)制等方面，且主要為活動特征描述與災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)，而在地裂縫對地鐵隧道的影響機(jī)制方面的研究稍顯不足，同時(shí)對隧道結(jié)構(gòu)防護(hù)措施的研究相對較少，這種現(xiàn)象不利于地鐵隧道的施工、運(yùn)營[25]。

綜上所述，從西安地鐵隧道適應(yīng)地裂縫活動變形的結(jié)構(gòu)防治研究程度來看：目前開展的系統(tǒng)分析及防治對策研究仍處于逐步完善階段，同時(shí)現(xiàn)有的地鐵隧道穿越地裂縫的結(jié)構(gòu)措施仍需要時(shí)間的驗(yàn)證，有必要開展進(jìn)一步研究；針對地鐵6號線沿線涉及的地裂縫的具體分布及發(fā)育特征、活動趨勢、結(jié)構(gòu)設(shè)防還沒有開展專門的研究；此外在地鐵隧道與地裂縫交匯區(qū)域，對地裂縫上下盤隧道需設(shè)防的長度也成為必須解決的技術(shù)問題?；诖耍疚囊晕靼驳罔F6號線涉及到的地裂縫災(zāi)害為例，在對沿線主要屬于二類勘察場地的地裂縫進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，就其發(fā)育特征及災(zāi)害特點(diǎn)進(jìn)行分析，并定量計(jì)算地鐵隧道穿越地裂縫的縱向設(shè)防長度。

1研究背景

1.1沿線工程地質(zhì)概況

西安市區(qū)地貌受基底臨潼—長安斷裂的控制，從南往北變現(xiàn)為黃土臺塬、沖洪積平原及河流階地，在黃土臺塬前的沖洪積臺地區(qū)域，依次間隔分布了數(shù)十條狹長的黃土梁和槽形洼地。地鐵6號線位于西安市西南至東北方向的主要通道上，線路先后通過了長安區(qū)、雁塔區(qū)、碑林區(qū)、蓮湖區(qū)、新城區(qū)以及灞橋區(qū)等6個(gè)行政區(qū)，長約39.82 km，分兩期建

設(shè)。根據(jù)野外調(diào)查，并結(jié)合鉆孔及其他資料得出，沿線出露的地層從新到老依次有：全新統(tǒng)人工堆積層（Qml4），主要由雜填土和素填土組成，厚2～4 m；全新統(tǒng)沖洪積層（Qal+pl4），分布在皂河一級階地和古河道上，上部為黃土狀土，下部為粉質(zhì)黏土與砂土互層，砂層多呈透鏡狀，為細(xì)、中、粗砂，層厚15～30 m；上更新統(tǒng)風(fēng)積層（Qeol3），上部為馬蘭黃土，厚8～17 m，底部為紅褐色古土壤，該層廣泛分布在二、三級階地等地貌單元上。

1.2西安地裂縫基本特征

自20世紀(jì)50年代以來，西安市先后出現(xiàn)了10余條定向性強(qiáng)、連續(xù)性好、破壞性大的地裂縫，總體呈北東走向，與臨潼-長安斷裂近似平行，由南而北有規(guī)律地在黃土梁洼間發(fā)育（圖1）。實(shí)地勘察發(fā)現(xiàn)：地裂縫在地表出露的總長度逾70 km，一般以主裂縫及其次級裂縫組成的地裂縫帶的形式出現(xiàn)，帶寬3～8 m，局部達(dá)20～30 m。地裂縫的活動特點(diǎn)為：在剖面上，南 （上）盤相對北 （下）盤下降錯(cuò)動；平面上兩盤表現(xiàn)為背向拉伸運(yùn)動；空間上伴有相對扭動[614]。

2沿線地裂縫發(fā)育與災(zāi)害特征

根據(jù)地鐵6號線線路分布，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查與實(shí)際勘探成果，查明與線路相交的地裂縫有f4、f5、f6、f7、f8。

2.1f4地裂縫

f4地裂縫呈NE70°走向，與地鐵線路相交于勞動南路大唐西市廣場東側(cè)（圖2），地裂縫活動造成路面變形隆起，新鋪地磚開裂等，表現(xiàn)為帶狀破裂，影響帶寬度約2.2 m，裂縫水平張開量為0.5 cm（圖3）。

2.2f5地裂縫

f5地裂縫的西段走向?yàn)镹E70°，與地鐵線路交于高新路楓葉高層小區(qū)門口，附近沒有明顯的變形跡象，為隱伏狀態(tài)，該段地裂縫活動性弱；f5地裂縫東段走向?yàn)镹E60°，與地鐵線路交于興慶公園北門，造成墻面開裂，裂縫貫穿整個(gè)墻體（圖4）。

2.3f6地裂縫

f6地裂縫西段走向?yàn)镹E80°，與地鐵路線交于高新路與科技四路路口，該處路面有多處開裂現(xiàn)象，影響帶寬約18 m，該段地裂縫活動性強(qiáng)（圖5）；f6地裂縫中段走向?yàn)镹E56°，與地鐵路線交于咸寧中路與復(fù)聰路路口東28.6m處，造成路面地形起伏明顯，最大錯(cuò)距達(dá)17 cm；f6地裂縫東北段走向?yàn)镹E45°，與地鐵路線交于紡北路，路面有裂縫，且交匯處西側(cè)的圍墻及住宅樓墻面開裂，裂縫一直貫通至樓頂。

2.4f7地裂縫

f7地裂縫西段走向?yàn)镹E70°，與地鐵路線交于唐延路陜西婦女兒童活動中心西門以北216 m處，裂縫延伸長度為6 m；f7地裂縫東段走向?yàn)镹E59°，與地鐵路線交于咸寧東路，在交匯區(qū)域附近未見裂縫出露跡象，判斷f7地裂縫在該段的活動性弱。

2.5f8地裂縫

f8地裂縫西段偏西的區(qū)段走向?yàn)镹E76°，與地鐵路線交于亞迪路與錦業(yè)二路路口，路面發(fā)現(xiàn)多條裂紋，該段裂縫活動性相對較強(qiáng)；f8西段偏東段走向?yàn)镹E75°，與地鐵路線交于唐延路，路面發(fā)育有1條長4 m、寬1 cm的裂紋，另外在省體育訓(xùn)練中心院內(nèi)還發(fā)現(xiàn)多條走向一致的地裂縫，地表多處開裂。

2.6地裂縫年活動速率

根據(jù)相關(guān)監(jiān)測資料，得到與地鐵6號線相交的主要地裂縫的年平均活動速率變化情況（圖6）。由圖6可知，在現(xiàn)有的地質(zhì)環(huán)境條件下，與線路相交的大部分地裂縫均處于穩(wěn)定階段，活動速率一般均小于5 mm·a-1，整體活動趨緩，相比而言f6地裂縫較為活躍，應(yīng)加以關(guān)注[15]。

3地鐵隧道設(shè)防

3.1分段隧道結(jié)構(gòu)的變形破壞

在地鐵隧道與地裂縫相交的情況下，地裂縫活動會導(dǎo)致土體發(fā)生位移和變形，從而引起地鐵分段隧道結(jié)構(gòu)之間的凈空發(fā)生變化。由于受地裂縫傾角和線路夾角的影響，相鄰分段隧道結(jié)構(gòu)之間的預(yù)留空間將隨地裂縫的活動產(chǎn)生三維位移，即在豎向、軸向和橫向上發(fā)生錯(cuò)位、拉伸與扭動等變形破壞，也就是說，斜交條件下分段隧道結(jié)構(gòu)之間將產(chǎn)生明顯的三向位移，從而引起其內(nèi)部凈空減小，嚴(yán)重影響列車行車安全。地裂縫活動作用下相鄰分段隧道變形位錯(cuò)的橫斷面投影見圖7，設(shè)o'為o的軸向投影，b'為b的軸向投影，則ab（即Δz）為相鄰分段隧道的垂直位錯(cuò)量，ac（即Δx）為橫向位移量，ab'為平面上的軸向拉伸位移量。由于地鐵整體式襯砌隧道和盾構(gòu)隧道均無法適應(yīng)地裂縫的大變形，地鐵隧道穿越地裂縫帶時(shí)必須采取分段設(shè)變形縫加柔性接頭進(jìn)行處理，才能保證工程安全。

3.2隧道縱向設(shè)防長度

課題組通過大型物理模擬試驗(yàn)和數(shù)值分析等，得出地鐵隧道設(shè)計(jì)時(shí)地裂縫的影響范圍為60 m，其中上盤35 m，下盤25 m。在地鐵隧道分段設(shè)特殊變形縫，而分段隧道設(shè)防區(qū)域長度，即在隧道縱向上需要進(jìn)行設(shè)防的總長度（L），將隨隧道軸線與地裂縫之間的夾角θ的變化而變化，分段隧道與地裂縫斜交平面如圖8所示。

假定地裂縫呈理想線性延伸，根據(jù)幾何關(guān)系可確定在縱向上地鐵隧道受地裂縫影響的長度，即隧道沿縱向需設(shè)防的長度，計(jì)算公式為

L=L1+L2=D1sin θ+D2sin θ=D/sin θ（1）

式中：L為隧道縱向設(shè)防總長度；L1為上盤設(shè)防長度； L2為下盤設(shè)防長度；D為地裂縫影響區(qū)域范圍；D1為上盤影響區(qū)寬度；D2為下盤影響區(qū)寬度；θ為地鐵隧道與地裂縫的夾角。

將相交夾角和地裂縫上下盤的影響區(qū)寬度代入式（1），可得到地鐵6號線隧道在與各地裂縫相交位置的縱向設(shè)防長度的理論計(jì)算值（表1）。

并且地鐵隧道與地裂縫相交的夾角越小，隧道縱向設(shè)防的長度就越大，所以在設(shè)計(jì)線路走向時(shí)應(yīng)盡量與地裂縫正交或呈大角度相交，避免與之小角度相交。

4結(jié)語

（1）分析了與西安地鐵6號線相交的地裂縫的災(zāi)害特征，以及其年活動速率，認(rèn)為沿線地裂縫活動總體處于穩(wěn)定階段。

（2）根據(jù)幾何關(guān)系得出，分段隧道將隨地裂縫的活動產(chǎn)生三維空間位移，從而引起相鄰分段隧道結(jié)構(gòu)在豎向、軸向和橫向上發(fā)生錯(cuò)位、拉伸與扭動等變形破壞，嚴(yán)重影響行車安全。

（3）通過數(shù)學(xué)公式定量計(jì)算了地鐵隧道的縱向設(shè)防長度，并提出在設(shè)計(jì)地鐵線路時(shí)應(yīng)盡可能與地裂縫呈大角度相交。

（4）地鐵穿越地裂縫產(chǎn)生的震動會影響地層的穩(wěn)定性或引發(fā)地表沉陷，從而加劇地裂縫的發(fā)展，應(yīng)長期觀測沿線地裂縫活動速率的動態(tài)變化。

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[責(zé)任編輯：高甜]