西安地鐵工程涉及的地裂縫災害與隧道設防

孟振江　程國明　黃強兵

摘要：以西安地鐵6號線隧道工程穿越地裂縫為研究背景，通過現場調查與資料收集，具體分析地裂縫在與地鐵線路交匯處的發育和災害特征及其年活動速率；利用空間幾何關系，提出相鄰分段隧道之間在空間上會產生三向位移，從而引起其內部凈空減小；運用數學公式定量計算得到地鐵6號線穿越地裂縫的縱向影響長度參數。建議在設計地鐵線路走向時，應盡量與地裂縫呈大角度相交。

關鍵詞：隧道工程；地裂縫；災害特征；設防長度

中圖分類號：U452.27文獻標志碼：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

地裂縫作為現代城市地質災害的重要類型之一，它的活動與強度加劇是內外地質營力及人類工程活動等因素共同作用的結果，可造成各類建筑工程（如基礎建設、生命線工程、交通及水利設施等）的直接破壞，一般表現為道路拉張錯位、地下設施變形以及建筑物的基礎或墻體開裂，尤其對地鐵的建設構成了嚴重的威脅，也引起一系列的地質環境問題。西安地裂縫在中國城市地裂縫災害中尤為嚴重和典型，彭建兵等提出了在盆地伸展背景下斷層構成西安地裂縫原型，以及水的作用加劇其活動發展的耦合成因模式[1]。西安繼地鐵1～5號線建設后，6號線現已全線開工建設。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，加上國內外無相關工程經驗可借鑒，西安地鐵面臨的地裂縫問題可謂是世界性工程技術難題。

以往的相關研究大多集中在西安地裂縫的整體分布及成因機制等方面，且主要為活動特征描述與災害危險性評價，而在地裂縫對地鐵隧道的影響機制方面的研究稍顯不足，同時對隧道結構防護措施的研究相對較少，這種現象不利于地鐵隧道的施工、運營[25]。

綜上所述，從西安地鐵隧道適應地裂縫活動變形的結構防治研究程度來看：目前開展的系統分析及防治對策研究仍處于逐步完善階段，同時現有的地鐵隧道穿越地裂縫的結構措施仍需要時間的驗證，有必要開展進一步研究；針對地鐵6號線沿線涉及的地裂縫的具體分布及發育特征、活動趨勢、結構設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域，對地裂縫上下盤隧道需設防的長度也成為必須解決的技術問題。基于此，本文以西安地鐵6號線涉及到的地裂縫災害為例，在對沿線主要屬于二類勘察場地的地裂縫進行詳細調查的基礎上，就其發育特征及災害特點進行分析，并定量計算地鐵隧道穿越地裂縫的縱向設防長度。

1研究背景

1.1沿線工程地質概況

西安市區地貌受基底臨潼—長安斷裂的控制，從南往北變現為黃土臺塬、沖洪積平原及河流階地，在黃土臺塬前的沖洪積臺地區域，依次間隔分布了數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、雁塔區、碑林區、蓮湖區、新城區以及灞橋區等6個行政區，長約39.82 km，分兩期建

設。根據野外調查，并結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，下部為粉質黏土與砂土互層，砂層多呈透鏡狀，為細、中、粗砂，層厚15～30 m；上更新統風積層（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50年代以來，西安市先后出現了10余條定向性強、連續性好、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，由南而北有規律地在黃土梁洼間發育（圖1）。實地勘察發現：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，帶寬3～8 m，局部達20～30 m。地裂縫的活動特點為：在剖面上，南 （上）盤相對北 （下）盤下降錯動；平面上兩盤表現為背向拉伸運動；空間上伴有相對扭動[614]。

2沿線地裂縫發育與災害特征

根據地鐵6號線線路分布，結合現場調查與實際勘探成果，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（圖2），地裂縫活動造成路面變形隆起，新鋪地磚開裂等，表現為帶狀破裂，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地裂縫的西段走向為NE70°，與地鐵線路交于高新路楓葉高層小區門口，附近沒有明顯的變形跡象，為隱伏狀態，該段地裂縫活動性弱；f5地裂縫東段走向為NE60°，與地鐵線路交于興慶公園北門，造成墻面開裂，裂縫貫穿整個墻體（圖4）。

2.3f6地裂縫

f6地裂縫西段走向為NE80°，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象，影響帶寬約18 m，該段地裂縫活動性強（圖5）；f6地裂縫中段走向為NE56°，與地鐵路線交于咸寧中路與復聰路路口東28.6m處，造成路面地形起伏明顯，最大錯距達17 cm；f6地裂縫東北段走向為NE45°，與地鐵路線交于紡北路，路面有裂縫，且交匯處西側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地裂縫西段走向為NE70°，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地裂縫東段走向為NE59°，與地鐵路線交于咸寧東路，在交匯區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段走向為NE76°，與地鐵路線交于亞迪路與錦業二路路口，路面發現多條裂紋，該段裂縫活動性相對較強；f8西段偏東段走向為NE75°，與地鐵路線交于唐延路，路面發育有1條長4 m、寬1 cm的裂紋，另外在省體育訓練中心院內還發現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

根據相關監測資料，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，在現有的地質環境條件下，與線路相交的大部分地裂縫均處于穩定階段，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，應加以關注[15]。

3地鐵隧道設防

3.1分段隧道結構的變形破壞

在地鐵隧道與地裂縫相交的情況下，地裂縫活動會導致土體發生位移和變形，從而引起地鐵分段隧道結構之間的凈空發生變化。由于受地裂縫傾角和線路夾角的影響，相鄰分段隧道結構之間的預留空間將隨地裂縫的活動產生三維位移，即在豎向、軸向和橫向上發生錯位、拉伸與扭動等變形破壞，也就是說，斜交條件下分段隧道結構之間將產生明顯的三向位移，從而引起其內部凈空減小，嚴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的橫斷面投影見圖7，設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隧道均無法適應地裂縫的大變形，地鐵隧道穿越地裂縫帶時必須采取分段設變形縫加柔性接頭進行處理，才能保證工程安全。

3.2隧道縱向設防長度

課題組通過大型物理模擬試驗和數值分析等，得出地鐵隧道設計時地裂縫的影響范圍為60 m，其中上盤35 m，下盤25 m。在地鐵隧道分段設特殊變形縫，而分段隧道設防區域長度，即在隧道縱向上需要進行設防的總長度（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，根據幾何關系可確定在縱向上地鐵隧道受地裂縫影響的長度，即隧道沿縱向需設防的長度，計算公式為

L=L1+L2=D1sin θ+D2sin θ=D/sin θ（1）

式中：L為隧道縱向設防總長度；L1為上盤設防長度； L2為下盤設防長度；D為地裂縫影響區域范圍；D1為上盤影響區寬度；D2為下盤影響區寬度；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防長度的理論計算值（表1）。

并且地鐵隧道與地裂縫相交的夾角越小，隧道縱向設防的長度就越大，所以在設計線路走向時應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結語

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

（2）根據幾何關系得出，分段隧道將隨地裂縫的活動產生三維空間位移，從而引起相鄰分段隧道結構在豎向、軸向和橫向上發生錯位、拉伸與扭動等變形破壞，嚴重影響行車安全。

（3）通過數學公式定量計算了地鐵隧道的縱向設防長度，并提出在設計地鐵線路時應盡可能與地裂縫呈大角度相交。

（4）地鐵穿越地裂縫產生的震動會影響地層的穩定性或引發地表沉陷，從而加劇地裂縫的發展，應長期觀測沿線地裂縫活動速率的動態變化。

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[責任編輯：高甜]