ＱＵＡＬＩＴＹ ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ ＡＮＤ ＣＯＮＴＲＯＬ 文章编号：１０００—０３３Ｘ（２０１７）０４～０１２４—０５ 西安地铁工程涉及的地裂缝灾害与隧道设防 孟振江 一，程国明。，黄强兵 卢全中 。，李忠生 。，（１．长安大学地质工程与测绘学院，陕西西安 ７１００５４；２．长安大学西部矿产资源与地质 ３．中国地质环境监测院，北京 １０００８１） 工程教育部重点实验室，陕西西安 ７１００５４； 摘 要：以西安地铁６号线隧道工程穿越地裂缝为研究背景，通过现场调查与资料收集，具体分析地 裂缝在与地铁线路交汇处的发育和灾害特征及其年活动速率衍０用空间几何关系，提出相邻分段隧道 之间在空间上会产生三向位移，从而引起其内部净空减小；运用数学公式定量计算得到地铁６号线穿 越地裂缝的纵向影响长度参数。建议在设计地铁线路走向时，应尽量与地裂缝呈大角度相交。 关键词：隧道工程；地裂缝；灾害特征；设防长度 中图分类号：Ｕ４５２．２７ 文献标志码：Ｂ Ｇｒｏｕｎｄ Ｆｉｓｓｕｒｅ Ｄｉｓａｓｔｅｒ ａｎｄ Ｔｕｎｎｅｌ Ｆ０ｒｔｉｆｉｃａｔｉ０ｎ Ｉｎｖｏｌｖｅｄ ｉｎ Ｘｉ’ａｎ Ｓｕｂｗａｙ Ｐｒｏｊ ｅｃｔ ＭＥＮＧ Ｚｈｅｎ—ｊｉａｎｇ ～，ＣＨＥＮＧ Ｇｕｏ—ｍｉｎｇ。，ＨＵＡＮＧ Ｑｉａｎｇ—ｂｉｎｇ ～， ＬＵ Ｑｕａｎ—ｚｈｏｎｇ ～，ＬＩ Ｚｈｏｎｇ－ｓｈｅｎｇ ’ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ，Ｃｈａｎｇ’ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００５４，Ｓｈａａｎｘｉ，Ｃｈｉｎａ； ２。Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｗｅｓｔｅｒｎ Ｃｈｉｎａ’Ｓ Ｍｉｎｅｒａｌ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｈａｎｇ’ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００５４，Ｓｈａａｎｘｉ，Ｃｈｉｎａ；３．Ｃｈｉｎａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄａｔａ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｄｉｓａｓｔｅｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ ｆｉｓｓｕｒｅ ａｔ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｓｅｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｅｔｒｏ Ｉｉｎｅ ａｎｄ ｉｔｓ ａｎｎｕａＩ ａｃｔｉｖｉｔｙ ｒａｔｅ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ ｂｙ ｓｔｕｄｙｉｎｇ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｏｆ Ｘｉ’ａｎ Ｍｅｔｒｏ Ｌｉｎｅ ６ ｃｒｏｓｓｉｎｇ ｇｒｏｕｎｄ ｆｉｓｓｕｒｅ． Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓｐａｔｉａｌ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ，ｉｔ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ—ｗａｙ 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 Ｘｉ’ａｎ 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 目 地裂缝作为现代城市地质灾害的重要类型之 它的活动与强度加剧是内外地质营力及人类工 以及建筑物的基础或墙体开裂，尤其对地铁的建设 构成了严重的威胁，也引起一系列的地质环境问题。 西安地裂缝在中国城市地裂缝灾害中尤为严重和典 型，彭建兵等提出了在盆地伸展背景下断层构成西 一，程活动等因素共同作用的结果，可造成各类建筑工 程（如基础建设、生命线工程、交通及水利设施等）的 直接破坏，一般表现为道路拉张错位、地下设施变形 安地裂缝原型，以及水的作用加剧其活动发展的耦 合成因模式＿１］。西安继地铁１～５号线建设后，６号 线现已全线开工建设。由于地铁线路多为线性分布， 收稿日期：２０１６－１０—１４ 基金项目：中国地质调查局项目（ＤＤ２０１６０２３５）；国家自然科学基金项目（４１３７２３２８） 作者简介：孟振江（１９８４一），男，河南濮阳人，工程师，工学博士，研究方向为地质灾害和工程地质方面的教学。 １２４ ＱＵＡＬＩＴＹ ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ ＡＮＤ ＣＯＮＴＲＯＬ ｌ圈不可能完全避让地裂缝，因此地裂缝对地铁的影响不 １．２西安地裂缝基本特征 酗 可忽视，加上国内外无相关工程经验可借鉴，西安地 铁面临的地裂缝问题可谓是世界性工程技术难题。 自２０世纪５Ｏ年代以来，西安市先后出现了１０ 余条定向性强、连续性好、破坏性大的地裂缝，总体 呈北东走向，与临潼一长安断裂近似平行，由南而北 有规律地在黄土梁洼间发育（图１）。实地勘察发 现：地裂缝在地表出露的总长度逾７０ ｋｍ，一般以主 以往的相关研究大多集中在西安地裂缝的整体 分布及成因机制等方面，且主要为活动特征描述与 灾害危险性评价，而在地裂缝对地铁隧道的影响机 制方面的研究稍显不足，同时对隧道结构防护措施 的研究相对较少，这种现象不利于地铁隧道的施工、 运营 ］。 裂缝及其次级裂缝组成的地裂缝带的形式出现，带 宽３～８ ｒｎ，局部达２０～３０ ｍ。地裂缝的活动特点 为：在剖面上，南（上）盘相对北（下）盘下降错动； 平面上两盘表现为背向拉伸运动；空间上伴有相对 扭动 。 综上所述，从西安地铁隧道适应地裂缝活动 变形的结构防治研究程度来看：目前开展的系统 分析及防治对策研究仍处于逐步完善阶段，同时 现有的地铁隧道穿越地裂缝的结构措施仍需要时 间的验证，有必要开展进一步研究；针对地铁６号 线沿线涉及的地裂缝的具体分布及发育特征、活 动趋势、结构设防还没有开展专门的研究；此外在 地铁隧道与地裂缝交汇区域，对地裂缝上下盘隧 道需设防的长度也成为必须解决的技术问题。基 于此，本文以西安地铁６号线涉及到的地裂缝灾 害为例，在对沿线主要属于二类勘察场地的地裂 缝进行详细调查的基础上，就其发育特征及灾害 特点进行分析，并定量计算地铁隧道穿越地裂缝 的纵向设防长度。 罔１ 西安地裂缝与地貌分布 园嚣 目 兰 回 圈莹器一 １ 研究背景 １．１ 沿线工程地质概况 ２ 沿线地裂缝发育与灾害特征 根据地铁６号线线路分布，结合现场调查与实 际勘探成果，查明与线路相交的地裂缝有ｆ 、 、 、 ｆ 、ｆ８。 西安市区地貌受基底临潼一长安断裂的控制， 从南往北变现为黄土台塬、冲洪积平原及河流阶地， 在黄土台塬前的冲洪积台地区域，依次间隔分布了 数十条狭长的黄土梁和槽形洼地。地铁６号线位于 西安市西南至东北方向的主要通道上，线路先后通 过了长安区、雁塔区、碑林区、莲湖区、新城区以及灞 桥区等６个行政区，长约３９．８２ ｋｍ，分两期建设。 ２．１ 地裂缝 ｆ 地裂缝呈ＮＥ７０。走向，与地铁线路相交于劳 动南路大唐西市广场东侧（图２），地裂缝活动造成路 面变形隆起，新铺地砖开裂等，表现为带状破裂，影响 根据野外调查，并结合钻孑Ｌ及其他资料得出，沿线出 露的地层从新到老依次有：全新统人工堆积层 （Ｑ ，主要由杂填土和素填土组成，厚２～４ ｍ；全 新统冲洪积层（Ｑ ｎ【ｌ｝ ），分布在皂河一级阶地和古河 道上，上部为黄土状土，下部为粉质黏土与砂土互 层，砂层多呈透镜状，为细、中、粗砂，层厚ｌ５～３Ｏ ｍ；上更新统风积层（Ｑ “），上部为马兰黄土。厚８～ ｌ７ ｍ，底部为红褐色古土壤，该层广泛分布在二、ｉ 级阶地等地貌单元上。 图２ ｆ，地裂缝与线路相交的平面 １２５ ＱＵＡＬ１ＴＹ ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ ＡＮＤ ＣＯＮＴＲＯＬ 带宽度约２．２ １２１．裂缝水平张，ｒ 为０．５ ｃｍ（图３）。 。最大错距达１ ７ ＣＦＩ１；ｆ 地裂缝东北段走向为 ＮＥ４５。．与地铁路线交于纺北路，路而有裂缝．且交 汇处两侧的 墙及住宅楼墙面开裂．裂缝一直贯通 至楼顶。 ２．４ ｆ７地裂缝 ｆ 地裂缝西段走向为ＮＥ７０。，与地铁路线交于 唐延路陕两妇女儿童活动巾心两门以北２１６ ｎ１处． 裂缝延伸长度为６ ｎ１；ｆ 地裂缝东段走向为ＮＥ５９。． ｉ地铁路线交于成卞东路．在交汇 域附近米见裂 缝｝｛Ｊ露迹象．判断ｆ 地裂缝在该段的活动性弱。 ：｛ １ 地裂缝 敛 ｚ 南路路＿ｎ】 （锐 ８５ ） ２．５ 地裂缝 ２．２ 地裂缝 地裂缝西段偏西的 段走向为ＮＥ７６。．与地 ｆ地裂缝的阿段止向为ＮＥ７０。．与地铁线路交 于高新路枫叶高层小Ｉ 门【１．附近没有明显的变形 迹象．为隐伏状态．陔段地裂缝活动性 ；ｆ 地裂缝 东段止向为ＮＥ６０。．ｊ 地铁线路交于必庆公 北门， 造成墙面开裂，裂缝贯穿整个墙体（冈 １）。 铁路线交于亚迪路与锦业二路路口．路面发现多条 裂纹，该段裂缝活动性相对较强； 两段偏东段走向 为ＮＥ７５。．与地铁路线交于唐延路。路面发育有１条 长．Ｉ １ＴＩ、宽１ ｃｍ的裂纹。 外在省体育训练小心院 内还发现多条走 一敛的地裂缝．地表多处ｌＪｆ裂。 ２．６地裂缝年活动速率 根据相关监洲资料．得到与地铁６号线相交的 主要地裂缝的年平均活动速率变化情况（图６）。南 『鬈ｌ ６可知，存现有的地质环境条件下．与线路梢交的 大部分地裂缝均处丁稳定阶段，活动速率一般均小 于５ ｎｌｍ・ａ。．整体活动趋缓。相比而言ｆ 地裂缝 较为活跃．心加以芙注 。 Ｉ ｆ地裂缝引 的端体井裂脱象（谎 ｆ；０ ） ２．３ ｒ＾地裂缝 ｆ． 地裂缝 段走 为ＮＥ８ｏ。．与地铁路线交＿ｒ 高新路与科技ＰＵ路路ｕ，陔处路 有多处开裂现象， 影响带宽约１８ １２１．该段地裂缝活动性强（冈５）；ｆ．．地 裂缝ｔＩＩ段走…为ＮＥ５６。．与地铁路线交于咸宁巾路 三－ｍ－；ｆ，八／ 一 ２００ｌ ２００２ ２００３ ２００４ ２００５ ２００６ ２００７ ２００８ ２００９ ２Ｏ１０ ２０ 与复聪路路¨尔２８．６ｎ 处．造成路面地肜起伏叫 年份 【 Ｉ ６沿线主婴地裂缝｛ｒ活动速率变化１１ｔｉ线 ３地铁隧道设防 ３．１ 分段隧道结构的变形破坏 在地铁隧道与地裂缝相交的情 下．地裂缝活 动会导致土体发生位移和变形．从而引起地铁分段 隧道结构之问的净空发生变化。南于受地裂缝倾角 和线路夹角的影响．相邻分段隧道结构之间的预 问将随地裂缝的活动产生 维位移．即在 向、轴 宅１ ｆ 地裂缝 段，ｊＩ起商新路路 Ｊｆ：裂（镜向２７５。） 向和横向ｌ 发生错位、拉伸，‘ 扭动等变形破坏．也就 １２６ ＱＵＡＬＩＴＹ ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ ＡＮＤ ＣＯＮＴＲＯＬ 是说，斜交条件下分段隧道结构之间将产生明显的 三向位移，从而引起其内部净空减小，严重影响列车 行车安全。地裂缝活动作用下相邻分段隧道变形位 错的横断面投影见图７，设ｏ 为０的轴向投影，６ 为ｂ 的轴向投影，则ａｂ（即△ ）为相邻分段隧道的垂直位 错量，ａｃ（即ａｘ）为横向位移量，口６ 为平面上的轴向 拉伸位移量。由于地铁整体式衬砌隧道和盾构隧道 均无法适应地裂缝的大变形，地铁隧道穿越地裂缝 带时必须采取分段设变形缝加柔性接头进行处理， 才能保证工程安全。 ｂ 图７ 分段隧遭位错变形横断面投影 ３．２隧道纵向设防长度 课题组通过大型物理模拟试验和数值分析等， 得出地铁隧道设计时地裂缝的影响范围为６０ ＩＴＩ，其 中上盘３５ ｍ，下盘２５ １ＴＩ。在地铁隧道分段设特殊 变形缝，而分段隧道设防区域长度，即在隧道纵向上 需要进行设防的总长度（Ｌ），将随隧道轴线与地裂 缝之间的夹角 的变化而变化，分段隧道与地裂缝 斜交平面如图８所示。 界 ｜Ｄ 图８地裂缝与分段隧道相交平面 假定地裂缝呈理想线性延伸，根据几何关系可 确定在纵向上地铁隧道受地裂缝影响的长度，即隧 道沿纵向需设防的长度，计算公式为 ｎ ｎ Ｌ—Ｌ ＋Ｌ。＝＝＝｛ ＋｛ 一Ｄ／ｓｉｎ ０（１） Ｓｉｎ口 ｓ１ｎ口 式中：Ｌ为隧道纵向设防总长度；Ｌ 为上盘设防长 度；Ｌ。为下盘设防长度；Ｄ为地裂缝影响区域范 围；Ｄ 为上盘影响区宽度；Ｄ。为下盘影响区宽度； 为地铁隧道与地裂缝的夹角。 将相交夹角和地裂缝上下盘的影响区宽度代入 式（１），可得到地铁６号线隧道在与各地裂缝相交位 置的纵向设防长度的理论计算值（表１）。 表１地铁６号线隧道穿越各地裂缝的纵向设防长度 地裂缝 地裂缝通过 地裂缝与地铁 纵向设防长度理论值／ｎ 编号 的区间 隧道的夹角／（。） 上盘 下盘 总长 ｆ４ 起点丰庆路 ７９ ３６ ２５ ６１ 科技路一劳动南路 ６３ ３９ ２８ ６７ ｆ５ 东关正街一兴庆路 ８９ ３５ ２５ ６０ 科技六路科技二路 ８３ ３５ ２５ ６０ ｆ６ 咸宁路一公园南路 ４２ ５２ ３７ ８９ 纺三路一纺织城 ４３ ５１ ３７ ８８ 丈八一路科技八路 ８９ ３５ ２５ ６Ｏ ｆ７ 万寿南路东盛北路 ２８ ７５ ５３ １２８ 纺五路一纺三路 ８７ ３５ ２５ ６Ｏ ｆ 西段偏东 丈八一路一科技八路 ７９ ３６ ２５ ６１ ｆ８西段偏西 锦业二路丈八六路 ８３ ３５ ２５ ６Ｏ 由表１可见，当地铁隧道垂直穿越地裂缝时，纵 向设防长度就等于地裂缝的影响区域宽度；并且地 铁隧道与地裂缝相交的夹角越小，隧道纵向设防的 长度就越大，所以在设计线路走向时应尽量与地裂 缝正交或呈大角度相交，避免与之小角度相交。 ４ 结 语 （１）分析了与西安地铁６号线相交的地裂缝的 灾害特征，以及其年活动速率，认为沿线地裂缝活动 总体处于稳定阶段。 （２）根据几何关系得出，分段隧道将随地裂缝的 活动产生三维空间位移，从而引起相邻分段隧道结 构在竖向、轴向和横向上发生错位、拉伸与扭动等变 形破坏，严重影响行车安全。 （３）通过数学公式定量计算了地铁隧道的纵向 设防长度，并提出在设计地铁线路时应尽可能与地 裂缝呈大角度相交。 （４）地铁穿越地裂缝产生的震动会影响地层的 １２７ ＱＵＡＬＩＴＹ ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ ＡＮＤ ＣＯＮＴＲＯＬ （上接第１２３页） 交通科技，２００８，２５（５）：８６—９０． ［９］ 乌延玲．公路钢波纹管涵洞受力与变形特性及应用研究［Ｄ］． 参考文献： 西安：长安大学，２０１２． ［１０］ 骆志红．大直径钢波纹管涵有限元计算分析［Ｊ］．交通科技， ［１］ 李祝龙．公路钢波纹管涵洞设计与施工技术研究［Ｄ］．西安： ２０１１（１）：４０－４２． 长安大学，２００６． ［１１］ 蒋雪梅．公路钢波纹拱涵和管涵的试验研究与计算分析［Ｄ］． ［２］ 范晓明．浅议钢波纹管涵在高填方应路基上的应用［Ｊ］．企业 北京：北京交通大学，２００５． 导报，２Ｏ１２（１Ｏ）：２９４． ［１Ｚ］ 刘百来，李祝龙，汪双杰．钢波纹管涵洞力学性能的有限元分 ［３］ 王军刚，刘强．钢波纹管涵在山区高速公路中的应用［Ｊ］． 析［Ｊ］．西安工业学院学报，２００６，２６（１）：８３—８６． 中外公路，２００９，２（２９）：１６５—１６７． ［１３］ 冯芝茂．覆土波纹钢板桥涵土与结构相互作用分析及设计方 ［４］ 纳启才，胡滨，梁养辉．多年冻土区钢波纹管涵洞应变测试 法［Ｄ］．北京：北京交通大学，２００９． 及效益分析［Ｊ］．筑路机械与施工机械化，２０１５，３２（９）：４６—５０． ［１４］ 陈伟健，汪永兰．公路波纹钢管涵洞设计计算［Ｊ］．交通标准 ［５］ 王铁行，胡长顺，李 宁．冻土路基应力变形数值模型［Ｊ］．岩 化，２Ｏ１４（２３）：９５－１００． 土工程学报，２００２，２４（２）：１９３—１９６． ［１５］ 王希伟，秦卫军，赵玉凤．季冻区公路波纹钢管涵洞受力特性 ［６］ 郭志超，光明，李红，等．大直径钢波纹管涵在多雨山区不 分析［Ｊ］．吉林交通科技，２０１０（２）：１－３． 均匀沉降地基中的质量控制ＥＩ］．施工技术，２０１５（１８）：ｌｌ４— ［１６］ 聂骁隽．多年冻土地区钢波纹管涵洞温度场及受力分析研究 １１６． ［Ｄ］．重庆：重庆交通大学，２０１５． ［７］ 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