（地质工程专业论文）地铁隧道分段结构跨越西安地裂缝的分析与研究.pdf

摘要 西安地裂缝，作为西安市的主要城市地质灾害，对西安城市的建设和发展具有严重 的灾害性影响。长期以来，人们对西安地裂缝成因、分布及活动规律进行了系统的研究， 但在地裂缝与结构物的作用方式及工程防治措施，地裂缝对结构物作用的计算方法及数 值模拟方面的研究工作相对较少。 本文对西安地裂缝的构造特征、成因机理、分布规律、活动特征等进行了详细的分 析，提出隧道结构穿过地裂缝时采用分段处理的结构措施方案，然后将过地裂缝带结构 物的受力方式简化为弹性地基梁模型，并取不同长度的隧道结构进行载荷结构法分析计 算，得到各种情况下隧道结构上的内力及分布规律，为隧道衬砌纵断面的设计提供必要 的数据。 采用有限元计算方法理论，建立三维有限元模型，采用扩大断面的整体式和分段处 理跨越地裂缝带的方法，对过地裂缝带隧道结构的变形、受力及破坏模式作了详细的计 算分析，并针对分段处理时构造缝的设置位置进行了详细分析，得到一些有意义的成果。 根据地裂缝与过地裂缝隧道结构物的相互作用关系，提出地铁区间隧道通过地裂缝 带的结构措施，并进行优化设计，以确保地裂缝活动对结构物的危害最小，为西安地铁 的设计、施工及安全运营提供理论帮助，也为管线、道路等生命线工程以及跨地裂缝的 结构建筑物的建设，积累一定的经验。 关键词：地裂缝浅埋暗挖法荷载结构法弹性地基梁有限单元法 a b s t r a c t g r o u n df i s s u r e ，嬲t h em a j o rg e o l o g i c a ld i s a s t e ro fx i a l l ，h a sc o u r s e ds e r i o u st r o u b l et o t h ec o n s t r u c t i o na n dt h ed e v e l o p m e n to ft h ec i t y f o ral o n gt i m e ，p e o p l eh a ss y s t e m a t i c r e s e a r c h e do nt h ec a u s e s ，d i s t r i b u t i o na n dt h ea c t i v i t yp a t t e m so fx i a ng r o u n df i s s u r e ，b u tt h e r e s e a r c ho nt h ea c t i o nm o d e lb e t w e e nt h eg r o u n df i s s u r ea n ds t r u c t u r e ，t h em e t h o do f m a n a g e i ne n g i n e e r i n g ，a n dt h ec a l c u l a t em e t h o d ，t h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nw a s r e l a t i v e l ys m a l l b a s e do nt h ec h a r a c t e ro fc o n f o r m a t i o n ，t h ec a u s e ，a n dt h ed i s t r i b u t i o n ，t h ea c t i v i t y p a t t e m so fx i a ng r o u n df i s s u r e ，t h i sa r t i c l eb r o u g h tf o r w a r dt h es u b s e c t i o ns t r u c t u r em e t h o d w h e nt u n n e lt h r o u g ht h eg r o u n df i s s u r e ，a n dt h e n ，p r e d i g e s t e dt h ea c t i o nm o d e lo ft h e s t r u c t u r ea sae l a s t i cf o u n d a t i o n - b e a m a d o p td i f f e r e n tl e n g t ht u n n e ls t r u c t u r et oc a l c u l a t eb y t h em e t h o do fl o a ds t r u c t u r a lp r o c e s s ，g a i n e dt h es t r e s sa n ds t r a i nd i s t r i b u t i o n ，a n dp r o v i d e d t h ee s s e n t i a ld a t af o rt h et u n n e ld e s i g ni np o r t r a i t u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dt h e o r y , e s t a b l i s h i n ga3 一df i n i t ee l e m e n tm o d e l ，a n d c h o o s i n gae x p a n d e ds e c t i o ns t r u c t u r e ，t h i sa r t i c l ep a r t i c u l a r l ya n a l y z e dt h ed e f o r m a t i o n ， i n t e r n a lf o r c ea n dt h ed e s t r o ym o d e lo ft h et u n n e lw h i c hg e tt h r o u g ht h eg r o u n df i s s u r e ，a n d d e t a i l e da n a l y z e dt h ep o s i t i o no ft h ef o r m a t i o ns e w , g a i n e ds o m em e a n i n g f u lr e s u l t s b a s e do nt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h eg r o u n df i s s u r ea n dt h et u n n e ls t r u c t u r e ，t h i sa r t i c l e a d v a n c e dt h es t r u c t u r em e a s u r et od e a lw i t ht h et u n n e lg e t t i n gt h r o u g ht h eg r o u n df i s s u r e ， o p t i m i z e dt h ed e s i g nt om i n i m i z et h e d i s a s t e ro ft h et u n n e ls t r u c t u r e ，a n dp r o v i d e dt h e t h e o r e t i c a lh e l po i lt h ed e s i g n i n g ，c o n s t r u c t i n g ，a n dt h em a i n t e n a n c eo ft h eu n d e r g r o u n do f x i a n ，a n dc u m u l a t e ds o m ee x p e r i e n c ea b o u tp i p e l i n e s ，r o a d se t cl i f e l i n e ss t r u c t u r eg e t t h r o u g ht h eg r o u n df i s s u r e k e yw o r d s ：g r o u n df i s s u r e ；m e t h o do fu n d e r c u t t i n gw i t hs h a l l o wo v e r b u r d e n ；l o a d s t r u c t u r a lp r o c e s s ；e l a s t i cf o u n d a t i o n - b e a m ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ； i i 论文独创性声明 本人声明：。本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：即彬吁lw 刁年f 月7 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 孵 乙梆久 吁办厂 长安大学硕士学位论文 1 1 问题的提出及选题意义 第一章绪论 西安地裂缝是发生在渭河盆地内最大的地裂缝之一【1 】，从2 0 世纪5 0 年代后期被首 次发现以来【2 】，西安市区内先后出现了1 3 条地裂缝，其地表出露总长度超过1 0 0 k m 。 这些地裂缝对位于其附近的建筑物、道路、通讯、管道等设施造成了严重的破坏【3 】，造 成的经济损失达近1 7 亿元【4 1 。西安地裂缝已给城市建设、工农业生产和人民生活造成巨 大损失，地裂缝和与其相关联的地面沉降已成为西安市区目前最主要的地质灾害1 5 】。 长期以来，人们对地裂缝的研究主要把精力集中在地裂缝的地形、地貌、地质构造 背景、成因机制、空间分布规律、活动规律等方面【3 】，而在地裂缝对结构构筑物的影响 和相互作用原理、防治、处理措施方面的研究成果则相对较少。西安地裂缝场地勘察 与工程设计规程( d b j 6 1 6 2 0 0 6 ) 指出了各类场地和建筑物对地裂缝要采取避让的措施， 规定了对不同级别的地裂缝的避让距离。部分研究人员【锚】对一些建筑物过地裂缝的处 理措施作了一定的研究，认为当地裂缝可能危害到建筑物时，主要采用空间避让、时间避 让与地基处理相结合的方式来保证建筑物的正常使用。但是，当建筑物像管道、道路、 地铁等生命线工程过强烈活动的地裂缝时，因无从避让，研究过地裂缝的结构措施就具 有十分重要得意义。 西安作为世界历史文化名城，修建地铁对于扩大城市规模、保护古城风貌、缓解城 市交通供需矛盾、改善城市交通结构，具有重要的作用。就目前而言，西安市无论在人 口数量还是经济规模上都已经具备了修建地铁的条件。首建的南北走向的地铁2 号线是 西安市规划轨道交通线网中一条重要的南北干线，其穿越了西安1 3 条地裂缝中的1 1 条， 而这些地裂缝有的工程致灾状况十分严重，其中f 9 、f 6 、f 5 和f 4 地裂缝地表出露长， 连续性好，活动强烈，致灾严重地段占出露长度的7 0 以上，其他地裂缝致灾段占整个 长度的5 0 以上，这在当前世界地铁建设工程中是极为罕见的，是地铁建设史上的重大 难点问题。如果不进行深入细致的研究，将会对西安市地铁建设及建成后的地铁安全运 行带来无法估量的危害和损失。因此，在西安地铁建设中的难题和关键技术就是跨越地 裂缝的问题。 在地裂缝地段进行轨道交通建设，尚无规范、规程可循，国内外也无在此类场地建 设的先例。地裂缝的活动将威胁地铁2 号线的安全运营，要解决这一问题，需进行地裂 第一章绪论 缝的未来活动参数研究，包括地裂缝的活动方式、位错量、防治长度、地铁隧道的受力 方式和大小、危害形式、结构措施和防水措施等问题的研究。本文针对地铁过地裂缝的 结构措施作专门的研究，为有效地解决地铁修建过程中的实际问题提供一定的理论依 据，同时也为西安市管道、道路等建筑物跨地裂缝的处理及防治措施积累一定的经验。 因此，如何有效地解决好地铁穿过地裂缝的工程结构措施问题，具有十分重要的现实意 义。 1 2 课题概况 西安地铁从2 0 世纪9 0 年代初就开始策划，2 0 0 5 年明确提出要在2 0 0 6 - 2 0 1 1 年建 设2 号线( 一期工程) ，在2 0 1 0 - - 2 0 1 5 年建设1 号线( - - 期工程) 。为了作好西安地铁勘察 设计与建设，铁道部第一勘察设计院联合长安大学共同开展了西安市地铁二号线沿线 地裂缝带结构措施专题研究工作。 拟建的西安市城市快速轨道交通二号线北起待建的郑州至西安高速铁路西安北客 站，向南经北绕城高速、：l k - - 环、北大街，过小寨路，沿长安街至线路终点西寨村，设 终点站韦曲站。本次设计线路全长2 6 3 0 3 k i n 。另外，远期规划还预留延伸线6 1 3 k m ， 从铁路北客站向东北方向延伸至草滩镇陈家堡。规划线路总长3 1 5 3 k m 。西安地铁二号 线是西安市南北向主客流走廊，线路将西安各商业文化中心与各大交通通道串联起来， 是南北向的交通要道。同时二号线与一号线组成西安市轻轨交通线网中的十字骨架，是 线网中的骨干线路。因此修建西安地铁将有效解决城区交通不畅，对展现西安城市新风 貌，促进区域经济快速发展，加快实施西部大开发战略，具有非常重要的意义。 1 3 地裂缝研究现状 地裂缝是在内外力作用下岩石和土层发生变形，当力的作用与积累超过土层内部的 结合力时，岩土层发生破裂，其连续性遭到破坏，形成裂隙。在地下因遭受周围岩土层 的限制和上部岩土层的重压作用其闭合比较紧密，而在地表则由于其围压作用力减小， 又具一定的自由空间，裂隙一般较宽，表现为裂缝，即地裂缝【1 1 。古今中外对于地裂缝 都有零星的记载，以我国为最早、最多，从史书、地方志查出历史时期多次发生地裂缝， 广及我国东部，以华北为最多【9 】。地裂缝作为一种地面变形地质灾害现象，在世界各地 普遍存在，它是直接或间接地恶化环境、降低环境质量、危害人类和生物圈发展的地质 事件【l0 1 。不仅造成各类工程建筑的直接破坏，也引起一系列的环境问题，引起了国际地 2 长安大学硕士学位论文 学界的关注。许多国家开展了广泛、细致的工作，为地裂缝的进一步深入研究奠定了良 好的基础【】。 1 3 1 国外地裂缝研究现状 1 9 世纪英国著名自然科学家c 莱伊尔( 1 7 9 7 - - 一1 8 7 5 ) 曾在其著名的地质学原理 一书中，描述了多种不同成因的地裂缝。随着自然科学及地震科学研究和野外地质考察 的深入，世界各地发现的地裂缝越来越多。2 0 世纪初美国西部由于地下水超采，最早在 1 9 2 7 年亚利桑纳州皮卡桥( p i c a c h o ) 发现地裂缝，至今己扩及加利福尼亚、内华达、德克 萨斯、新墨西哥诸州。美国学者较早涉及地裂缝 1 2 j ，在成因研究上有显著进展，但缺乏 系统研究。其它国家，如上耳其、泰国、利比亚等国的安纳托利亚、曼谷【1 3 】、萨里尔【1 4 】 等处发现地裂缝，但对其研究程度不高，多数国家对地裂缝研究的重点是用地裂缝反演其 背景断层的蠕滑特征。对地裂缝系统的研究则开始于5 0 年代，至今已经对地裂缝的成 因模式形成了综合性的认识f 1 】，主要有以下三种不同的观点： ( 1 ) 构造成因：构造成因观点最早由l e o n a r d ( 1 9 2 9 ) 提出，他在对出现于亚利桑纳州 p i c a c h o 城附近的地面异常开裂现象进行研究后，认为是地震活动导致地裂缝的产生。 之后的一些学者，如s a v a g e ( 1 9 6 6 ) ，k r e i t l e r ( 1 9 7 7 ) ，f l e i s c h e r ( 1 9 8 1 ) ，w y a u ( 1 9 8 2 ) ， r o q u e r n o r ( 1 9 8 2 ) ，l i p p i n c o t t ( 1 9 8 5 ) ) 3 乏h o l d a h l ( 1 9 8 6 ) 等关于亚利桑那、加利福利亚、得克 萨斯州等州地裂缝的研究成果也坚持地裂缝的构造成因观点【1 5 】。尽管他们对成因机制的 解释不尽相同，但都认为非构造因素对地裂缝的影响是间接的，而构造活动才是导致地 裂缝形成的直接控制因素。 ( 2 ) 地下水开采成因：地下水开采成因观在地裂缝研究早期即被大多数研究者所接 受，但是对这一过程的机理却产生了很多不同的解释，人们从各种不同的角度建立了相 应的理论分析模型，提出了不同的土体开裂机理【l o , 1 6 ：渗透变形机理( f 1 e t c h e r ，1 9 5 4 ) ； 土层失水收缩开裂变形机理( n e a l ，1 9 6 8 ) ；渗透应力拖拽作用机理( k o f g r e n ，1 9 6 9 ) ； 差异压密变形机理( s c h u m a n n 等，1 9 7 0 ) ；刚性折裂机理( b o u w e r , 1 9 7 7 ) 。 ( 3 ) 复合成因：h o l z e r 等人对亚利桑那州中南部构造盆地地裂缝的进行长期研究，经 过对盆地内地裂缝的活动性、地质环境资料及地面沉降观测资料的总和分析，得出该地 区的构造活动和地下水开采是影响地裂缝形成及活动的最主要因素【1 7 1 。新墨西哥州、内 华达州、加利福利亚州及得克萨斯州等地裂缝的系统研究成果( h a n e b e r g ，1 9 9 1 、1 9 9 2 ； b e l l ，1 9 9 0 ；p a m p e y a n ，1 9 8 8 ；k e a t o n ，1 9 9 1 ) 对h o l z e r 的复合成因观点给予了充分的 3 第一章绪论 肯定。在此基础上，h a n e b e r g 又进一步将地裂缝的成因模式分为【1 8 】：开裂模式( o p e n i n g m o d e ) ，剪裂模式( s h e a r i n gm o d e ) 及撕裂模式( t e a r i n gm o d e ) 三种类型。 随着对地裂缝复合成因机制认识的不断深化，各种关于含水层运动和地裂缝关系的 计算理论相继形成，一些相关灾害的预测预报方法也被提出，但其具体的实用价值还有待 时间的检验。除美国外，南美地区的墨西哥，东非的埃塞阿比亚，亚洲的菲律宾、日本、 泰国等国家也都开展了不同程度的地裂缝观测和理论研究，总结了当地地裂缝发育的影 响因素，对这些地区的减灾防灾起到了一定的指导作用。 1 3 2 国内的研究现状 我国对地裂缝最早记录见太平御览，墨子非攻下、后汉书本记等史料 也有相应的记载【l 】。我国的地裂缝灾害较为集中的分布在由汾渭地堑系、华北平原地堑 系、郊庐断裂系和大别山北缘断裂系所组成的大华北地质构造带上，其中汾渭盆地地裂 缝最具代表性。我国近代对地裂缝的研究是伴随着地震预报开始的，通过对损失惨重的 1 9 6 6 年3 月邢台地震调查，人们发现地震是有前兆的( 恰好于同年6 月美国帕克菲尔德 5 3 级地震前2 周在震中附近的圣安德列斯断层上出现了地裂缝【l9 】) 。从此我国地震工作 者开始将其作为震兆落实工作进行常规调查。1 9 7 4 - 1 9 7 5 年华北观测到2 万余起无震地 裂事件【2 0 1 ，其后邯郸、西安、大同等城市相继出现地裂缝并迅速发展，造成建筑物损坏、 道路变形、管道破裂【2 l 】，进而又引起城市建设、地质等多个部门的关注，因各部门调查 目的不同，所以成果内容分散孤立，不成系统【5 】。1 9 8 9 年1 0 月大同地震后，随着各地 区调查研究的深入，人们逐渐认识到地裂缝与强震绝大多数并无直接的关系，从此，我 国地裂缝研究转入多种目的分别进行和综合研究的新阶段。 通过对各地区地裂缝的大量调查和深入研究，对各地区地裂缝的成因形成一定的认 识。如：谢广林【2 2 】根据地裂缝区域性分布特点和地壳活动趋势的关联，提出区域地裂缝 的构造成因，认为地裂缝是区域性地壳剧烈变动在地表产生的一种缓慢形变【2 3 】；李永善 【1 1 和王景明2 4 1 通过对汾渭地堑地裂缝的成因研究，提出中国现代区域地裂现象是近期区 域性构造运动强化的结果；王绍中等【2 5 】根据地裂缝的分布、发育特点，提出地裂缝是现 代构造活动、外力作用和人为因素共同作用的结果；夏其发和张咸恭等认为汾渭地堑地 裂缝主要由构造作用或地震活动形成，其后又受外力作用或人类活动的诱发作用加速了 地裂缝的发生和发展，形成灾害。综合不同阶段各家对地裂缝的成因看法有三，即水土 说、构造说和综合说法。 4 长安大学硕士学位论文 我国城市地裂缝研究的重点地区是邯郸【2 6 】、西安【2 7 】和大同。对于邯郸地裂缝的成因 有水成说、构造说和综合成因说三种观点。刘玉海等【2 8 】对大同地裂缝提出了构造成因的 观点，认为大同地裂缝的形成和发展均主要受控于基底构造的活动。关于西安地裂缝成 因机制方面的研究，张家吲2 9 1 、吴嘉毅3 0 1 、李永善【3 l 】及徐光黎【3 2 】等都提出过各自的概 念模型，虽然具体过程有所差异，但都认为地裂缝的形成是由基底的伸展断裂系叠加了 区域拉张应力场后，由城市的地下水过量开采诱发形成。 近年来有关专家得到国家自然科学基金资助，对我国部分地区地裂缝属性、分布、 活动特征、成因和成灾机制，灾害效应与对策进行了长达2 0 a 的系统研究【3 3 】，随着人们 对地裂缝灾害重视程度的不断提高，以及各种现代化手段在研究过程中的应用，开展对 地裂缝现象致灾机理、成灾环境，以及减灾对策和工程治理措施的研究是地裂缝研究的 发展方向。 1 4 本文研究的内容及意义 1 4 2 本文研究的内容 本文对地裂缝的基本特征、地裂缝与过地裂缝隧道结构物的相互作用方式进行了系 统的探讨，并从以下几个方面开展了详细的工作： ( 1 ) 对西安地区地裂缝的成因、基本特征、分布及活动规律进行系统的分析； ( 2 ) 结合西安市地铁二号线地裂缝勘查资料，对地裂缝对地铁结构物的危害性进行评 价； ( 3 ) 考虑地裂缝的活动特征，对地裂缝对地铁结构物的作用方式及计算方法进行探 讨： ( 4 ) 针对具体的地裂缝地段开展了基于实际地质体的有限元模拟； ( 5 ) 提出一些针对性的地铁过地裂缝的处理建议。 1 4 2 本文研究的意义 西安地裂缝，作为西安市的主要城市地质灾害，对西安城市的建设和发展存在灾害 性的影响。长期以来，人们对西安地裂缝成因、分布及活动规律进行了系统的研究，但 在地裂缝与结构物的作用方式及工程防治措施，地裂缝对结构物作用的计算方法及数值 模拟方面的研究工作相对较少，针对地裂缝影响的模型试验方面的工作，更是几乎无人 开展过。本文通过对西安市地铁二号线所涉及的地裂缝活动特点和变形运动方式进行系 第一章绪论 统分析的基础上，研究地裂缝对地铁工程可能引起的灾害问题。通过载荷结构法，有限 元计算方法的理论计算，对过地裂缝区间隧道进行受力分析和破坏模式分析，提出地铁 区间隧道通过地裂缝带的结构措施，并进行优化设计，以确保地裂缝活动对结构物的危 害最小，为西安地铁的设计、施工及安全运营提供理论帮助，也为管线、道路等生命线 工程以及跨地裂缝的结构建筑物的建设，积累一定的经验。 6 长安大学硕士学位论文 第二章西安地裂缝的基本特征、分布规律及成因分析 2 1 西安地区的地质构造背景及地貌特征 渭河盆地的构造基础是新生代地堑，它是汾渭地堑的西半部分。盆地南缘是秦岭地 槽褶皱带，北缘是鄂尔多斯地块，分别以深大断裂与盆地相嵌。渭河盆地就是在这两大 构造单元的发展过程中，逐步形成了自己的构造格局【l 】( 见图2 1 ) 。盆地中广为发育着 断层，这些断层把渭河盆地分割，形成箕状断陷和掀斜断块【3 4 3 5 1 ，在上陡下缓的铲式正 断层的上盘，常常发育有次级的同向或反向断裂，表现了伸展构造的序次特征3 6 3 7 1 。 图2 1 渭河盆地构造格局及地貌类型图 渭河盆地可以划分为许多次一级的断块，而西安断块就是其中之一。西安断块位于 临潼长安断裂以西，哑柏断层以东，秦岭北缘断层以北，渭河大断裂以南的冲洪积平 原和渭河的一、二级阶地上。断层基底为中元古界片岩及燕山期花岗岩，其上为新生界， 见西安地区构造分区剖面图( 图2 2 ) 。根据物探资料，西安凹陷内部的隐伏断层很多， 在长安县一带，隐伏断层就有2 0 多条，它们使凹陷内部的形态变得相当复杂，形成次 一级的断凸、断凹，组合成次一级的新块分区。这些小断层以正断层为主，断距一般不 超过1 0 0 m ，且空间分布较杂乱，n e 、n w 、e w 向均有，西安地裂缝就发生在该区内。 由于西安地区处于西安凹陷的东西向次级伸展构造与掀斜断块的构造环境中，这种复式 地堑构造，增加了西安地区构造运动的复杂性； 西安地区地貌类型以河流地貌为主，主要的地貌单元有渭河河漫滩、渭河一级阶地、 渭河二级阶地、渭河三级阶地、古河道洼地、黄土塬等。西安盆岭地貌发育于临潼一长 7 第二章两安地裂缝的基本特征、分布规律及成因分析 安断裂上盘的黄土塬前冲积扇平原区，在渭河盆地中部两个次一级构造单元一西安断陷 和骊山断隆交接部位的西北侧，发育有独特的黄土梁洼地貌特征。 图2 2 西安地区构造分区剖面图 f 1 一秦岭北缘断裂；f 2 余下断裂；f 3 一渭河大断裂； f 4 一泾阳一渭南断裂；f 5 一口镇一关山断裂 2 2 地裂缝的一般特征及空间分布规律 2 2 1 西安地裂缝的分布【1 ，2 ，4 ，1 7 】 西安地裂缝是在地质环境控制下，空间上具有三维变形特征的地表线状裂缝，它是 发育在西安市区内的一种独特的城市地质灾害。自上世纪5 0 年代以来，在西安市已发 现地裂缝十三条( 见图2 3 ) ，分布范围西至皂河，东到纺织城，南起三爻村，北至井上 村，面积约1 5 5 k m 2 。自北而南分述如下： ( 1 ) 城北南寨( 方新村- 井上村) 地裂缝带( 兀) 位于光大门黄土梁上，西起方新村，东至井上村，全长0 8 k i n ，总体走向8 0 0 ，带 宽达3 m 。目前地表无迹象，该地裂缝活动强度及致灾程度微弱。 ( 2 ) 城北大明宫辛家庙地裂缝带( z ) 沿光大门黄土梁南侧发育。西起大明宫遗址，经西安耐火材料厂、陕西重型机械厂 福利区、辛家庙北村、东至新房村。出露长度4 0 k m 。总体走向n e 7 5 0 ，倾向南，倾角 7 5 0 ，变形带宽达1 5 m 。辛家庙附近地裂缝活动强烈，致灾严重。但末通过地铁二号线 设计线路，对地铁二号线无影响。 ( 3 ) 城北红庙坡龙首村- 八府庄地裂缝带( 五) 主要发育于红庙坡黄土梁南侧。东起米家崖，西经含元殿、外国语学校、至白家口。 长生大学两学位论立 目前在地铁2 号线附近地面呈断续分柿，主要在西安味精厂( 振华北路) 东门口、未央 路及未央路东倒巷内市政管理处住宅楼出露。其中味精厂门口出露长度3 0 m 走向近东 西，南盘明显下降，错距约2 0 4 0 c m 。裂缝宽度5 l o c r a 。未央路上路面裂开，裂缝 呈不连续的错开状分布出露长度约l o i n ，宽3 8 c m ，总体走向n e 7 0 8 5 。地铁二 号线在北稍门人人乐超市附近与该地裂缝相交，该处地裂缝已出露于地表。 圈2 3 西安市地铁二号线与地裂缝位置分布田 ( 4 ) 城西劳动公园地裂缝带( 上) 沿劳动公园黄土粱南侧发育。西起兰空于休所，东至铁路材料总厂。勘察查明的长 度1 2 k m ，总体走向为n e 5 0 。，地面出露位置目前仅在北大街路面有所反映，微地貌上 路面呈一台坡，并有破裂迹象，可辨别出南盘有下降特征。裂缝出露长度约1 0 m 左右， 宽度约2 5 c m 。地铁二号线在北大街青年路东口附近与该地裂缝相交，该处地裂缝已 出露于地表。 ( 5 ) 城西南边家村( 西北大学) 地裂缝带( 正) 沿槐芽岭黄土粱南侧发育。西起东桃园，经劳动南路、甜水井、西京医院，东到西 光厂，出鳝总长度53 8 k m ，总体走向n e 7 0 。，倾向南，倾角8 5 0 。目前在钟楼。带路 段无显示，丌元商城和钟鼓楼广场的基坑开挖也均未见地裂缝迹象，表明该地裂缝不与 第二章西安地裂缝的基本特征、分布规律及成因分析 地铁二号线相交。 ( 6 ) 城南和平门外地裂缝带( 正) 沿南稍门、古迹岭、动物园一线的黄土梁南侧发育，走向大致为n e 7 0 0 。东起黄河 厂，西经十五街坊、纺织工业学校、兴庆公园、陕西日报社、西安帆布厂，西至蒋家寨。 勘察查明的长度为1 7 5 k m ，地表出露8 2 5 k m 。南关正街路面地裂缝发育明显，呈台坡 状，路缘因地裂缝活动呈明显的错坎，北高南低，裂缝走向近东西，地面出露较平直， 裂缝宽3 - - - 5 c m ，地铁二号线在南稍门小学附近与该地裂缝相交，该处地裂缝已出露于 地表。 ( 7 ) 草场坡( 秦川厂) 地裂缝带( 无) 发育于西安交大黄土梁南侧，东起高楼村，西经沙坡村、祭台村、沙井村至南窑头 村。在地铁2 号线附近出露于长安立交，主裂缝f 6 发育于北侧，次裂缝f 67 发育于南 侧。两者相距约3 0 - - 4 0 m ，倾向相反，剖面上呈“y 字型。地表破裂明显、连续，延 伸距离较长，平面展布弯曲，向西一直延伸至朱雀路与南二环的交叉路口。该段总体走 向近东西，东侧穿过长安立交后沿n e 5 5 - - 6 5 。方向延伸，进入草场坡村。地裂缝造成 地面开裂显著，宽度1 0 , - 、一2 0 c m ，主裂缝南盘与次裂缝北盘均产生明显下错。立交桥附 近路缘及桥下柱基均产生了明显的错动变形( 3 0 c m ) ( 8 ) 小寨路( 铁炉庙) 地裂缝带( 工) 沿乐游塬黄土梁南侧发育，西起西高新开发区，东至陕西钢厂、纺织城国棉六厂。 勘察查明长度2 0 k m ，地表出露长度为1 4 5 k m 。总体走向7 5 0 ，倾角8 4 0 ，活动强烈，致 灾严重。目前在地铁2 号线附近地面破裂断续分布，主要在小寨西路中段、军区3 号院 内、开米广场南侧地下停车场入口处、长安大学小寨校区门前的长安中路上出露。其中 裂缝在小寨西路( 军区3 号院门前) 造成地面开裂，路中绿化带处水泥路缘产生不均匀 下沉，裂缝走向n e 5 0 。，宽度3 , - 一5 c m ；军区3 号院内围墙开裂，裂缝走向东西；开米 广场地下停车库入口处地面开裂，走向n e 8 0 。，宽度0 5 c m ；长安中路绿化带处水泥 路缘产生不均匀下沉，向东延伸到长安大学校区内， ( 9 ) 大雁塔- 北池头地裂缝带( 五) 西起唐家村，途经含光路、长安路、大雁塔，东至北池头村。整条地裂缝贯通较好， 出露总长度5 1 2 k i n ，总体走向n e 8 5 。，倾向南，倾角8 0 。发育带宽度可达3 0 m 。自 l o 长安大学硕士学位论文 纬二街十字南约2 0 m 左右通过长安路，目前地铁2 号线沿线地表未发现变形破裂迹象。 ( 1 0 ) 电视塔北陕师大地裂缝带( 石) 西起齐王村东，东至太平堡村东。出露长度3 0 k i n ，整体走向7 0 0 ，倾向南，倾角 7 0 0 , , - , 8 0 0 ，其西段潘家庄至长延堡地段倾向北。在长安路以西，该地裂缝由主地裂缝和 次生地裂缝组成。两者倾向相反，相距7 0 - - 1 0 0 m ，近似平行。地铁二号线与该地裂缝 相交于长延堡村附近，该处石和石地裂缝均已出露于地表。 ( 1 1 ) 新开门至电视塔南地裂缝带( z 。) 位于吴家坟到南窑头黄土梁南侧，西起南三爻，途经瓦胡同、省射击场，东至黄渠 头村。呈断续出露，出露总长度3 1 2 k m ，总体走向n e 7 0 。，倾向南，倾角8 0 。，发育 带宽度可达5 m 。该地裂缝仅在长安路两侧出露于地表，绝大部分地段均呈隐伏状。 地铁二号线在电视塔南侧麦德隆超市附近与该地裂缝相交，该处地裂缝处于活动状 态，已在地表出露。 ( 1 2 ) 南寨子一新小寨地裂缝带( z 。) 分布于结核病院黄土梁的南侧梁洼转折部位。全长约2 5 k m ，两端地面出露明显h 中间呈隐伏状，其中在地表出露的长度约1 5 k m 。总体走向6 4 。，主裂缝倾向s e ，倾 角7 7 。目前，仅在西三爻村南未见地裂缝出露，其余大部分已出露于地表，且活动强 烈，其中长安路附近的活动速率较大。在南寨子附近地面裂开2 0 c m ，高校木器厂、长 安路绕城立交桥连接线附近裂开0 5 - - - 1 0 c m 。地铁二号线与该地裂缝相交于南绕城高速 长安路立交，该处地裂缝活动强烈。 ( 1 3 ) 东三爻一曲江池地裂缝带( z ：) 分布于南窑头村黄土梁南侧，仅在东三爻村的局部出露于地表。西起长安路三森家 具城北侧，经东三爻村、南窑头村南、雁南路与雁南五路十字、省射击场南侧，东至曲 江西村。全长2 5 k m ，其中在地表出露的长度仅o 5 k m 。总体走向7 0 。7 5 。 地铁二号线与该地裂缝相交于三森家具城北侧的长安路上。该处地裂缝处于隐伏状 态。 2 2 2 西安地裂缝的基本特征 通过对西安地裂缝已有研究成果的分析可知，地裂缝在平面上具有明显的方向性、 成带性、位错同步性和多级性以及剖面上的结构组合形式多样性等展布规律。 1 l 第= 章西安地裂缝的基本特征、分布规律驶成凼分析 图2 4 西安地裂缝与地貌构造关系图 ( 1 ) 平面展布特征 西安地裂缝是在西安正断层组的基础上发育起来的，由南而北在黄土粱洼之间有规 律排列，均位于黄土梁的南侧呈带状分布( 如图2 4 所示) 。在平面上呈左行雁列，主 体走向为n e 7 0 。8 0 。它们一般都由主裂缝及其下降一侧的次级裂缝组成地裂缝带， 带宽3 8 m ，局部可达2 0 3 0 m 。各条地裂缝带大体呈等间距近似平行排列，间距为 0 4 2l k m ，平均约l k m 。地裂缝和地面沉降调查结果表明，西安地面沉降区与承压水 位下降区的分布位置相吻合，而地裂 缝则出现在地面沉降槽边缘的陡变地 带上，组成地裂带的次级裂缝均靠近 地面沉降槽中心的一侧( 见图24 ) 。 ( 2 ) 剖面结构特征 西安地裂缝在剖面k 的形态一般 为上宽下窄的楔形，向下逐渐变窄变 少( 图25 ，圈2 6 ) ，虽深达三百余米。 地裂缝主体倾向南，倾角较陡，一般 长安大学碰士学位论文 在7 0 。咀e 。但是，主干地裂缝与次级地裂缝在剖面上的组合形式具有多样性的特点， 大致概化为以下三种：阶梯状( 图2 7 a ) 、y 字型( 图2 7 1 0 ) 和追踪式( 图2 7 c ) ，其 中“y ”字型颇具构造意义，它是地裂缝南盘下降、北盘上升的垂向剪切作用在地表白 由面上产生末端张裂效应的结果( 彭建兵1 9 9 1 ) 。 圈2 6f 1 1 地裂缝在交警总队院内探槽地裂缝素描图 图2 7 西安地裂缝带剖面组合形式图( 据彭建兵，1 9 9 1 ) 2 3 西安地裂缝的成因分析 在对西安地裂缝的研究过程中，有关地裂缝成因的不同观点的切磋和争鸣就一直没 停止过，客观上促使了研究的深入。其基本观点有如下几种： ( 1 ) 构造说成因 许多学者从不同角度对西安地裂缝的成因机制进行了研究，提出了地裂缝的构造成 因观点如断块掀斜成因( 张家明) 和构造重力扩展成因等。构造说的基本观点是，西安 地裂缝就是一组活断层，地裂缝运动也就是断层的活动，用这种观点能较好的解释西安 地裂缝的几何特征，但难以解释地裂的高活动速率及地面沉降的伴生关系。 ( 2 ) 抽水成因说 第二章西安地裂缝的基本特征、分布规律及成冈分析 抽水成因说认为，西安地裂缝是由于过量抽取地下水导致地面大面积沉降而引起 的。在差异沉降陡变带上，由于两侧变形差大于岩土体的极限应变能力而产生了地表破 裂。这种观点对解释地裂缝的快速活动及其与地面沉降的关系是有利的，但局限于这一 单独的成因，则很难解释那些用构造成因说所能圆满解释的问题。 ( 3 ) 复合成因说 近年来越来越多的学者趋向于西安地裂缝的形成是以隐伏断裂构造的发育为基础， 过量开采地下水为诱因的成因观点( 王绍中，1 9 8 5 ；肖箐英等，1 9 8 9 ；夏其发等，1 9 9 0 ； 彭建兵，1 9 9 2 ) ，也就是说西安地裂缝是构造作用和抽取地下水共同作用的结果。但二 者的作用不同，地裂缝是土层中的剪切破碎带在近地表处的扩展延伸，但其超常活动却 是由于过量抽取地下水，使弱透水层( 粘土层) 压缩而改变土层中的应力状态所引起的 ( 彭建兵，2 0 0 4 ) 。由1 9 9 6 年以后西安地区逐步关闭了大批地下水井，限采地下水，地 裂缝活动量明显减小，以及近几年局部超采地下水明显引起地裂缝活动加剧( 如f 8 ) 等 特点进一步证明，西安地裂缝的现今异常活动主要与超采地下水有关。 2 4 地裂缝的活动特征及活动参数确定 2 4 1 地裂缝的活动特征 西安地裂缝作正断层式的活动，其上盘总是相对于下盘下滑。根据1 9 6 0 年以来所 监测的各条地裂缝年平均垂直活动速率的资料，将这些地裂缝活动划分为三级：活动 强烈，速率 3 0 m m a ；活动较强烈，速率5 - - 3 0 m m a ；活动微弱，速率 5 m m a 。这 些地裂缝的垂直沉降速率以5 - - - 3 5 m m a 居多，最大达5 5 0 6 m m a 。就其活动特点而言， 西安市地裂缝具有较明显的活动速率的不均匀性、活动方式的一致性、分段差异性和位 错同步性等特性。 现有的监测资料表明，地裂缝活动速率在时空上分布不均。西安市东南郊一带活动 速率高，一般在5 - - - 3 0 m r n a ，西北郊相对较弱在1 1 0 m m a 之间。同一条地裂缝不同 地段活动强度也有差异，总体规律是西部较弱，中部较强或强，东部强烈。西安市地铁二 号线所经过的市区地面沉降速率从北向南也逐渐增大，其总体表现为从西北向东南递 增。市区西北部的地面平均沉降速率为1 2 2 7 m m a ，东南部则达1 1 0 5 5 5 m m a ，但 近些年西南地区地面沉降速率明显增大，这与地裂缝带活动速率不均匀性的空间分布一 致。 地裂缝带基本具有统一的三维空间运动变形特征，即南倾南降的垂直位移、水平引 1 4 长安大学硕士学位论文 张和水平扭动。其中以垂直位移量为最大，南北拉张量次之，而水平错动量则很小，三 者之比为1 ：0 3 1 ：0 0 3 。 西安市地裂缝带的致灾程度与各条地裂缝的活动程度基本是对应的，它们的工程致 灾状况十分严重，其中6 、f 6 和f 7 地裂缝地表出露长，连续性较好，活动强烈，致灾 严重地段占出露长度的7 0 以上，其他地裂缝致灾段占整个长度的5 0 以上。 2 4 2 地裂缝活动参数的确定 ( 1 ) 垂直位错量的确定 地裂缝地段的结构措施应保证百年安全运行，必须估计地裂缝在未来百年的最大垂 直位移量，在此基础上确定地裂缝地段设计垂直位移量。 根据长期对地裂缝活动的监测资料及参考西安市轨道交通二号线沿线地裂缝带的 结构措施专题研究- - 5 1 2 可设计阶段研究报告，同时考虑到地裂缝活动的复杂性和不确 定性，建议每一条地裂缝地段均按5 0 0 m m 设计垂直位移量。 ( 2 ) 地裂缝地段设防长度 根据西安地裂缝场地勘察与工程设计规程( d b j 6 1 6 2 0 0 6 ) 认为地裂缝影响区上 盘0 _ _ 2 0 m ，其中主变形区卜6 m ，微变形区6 _ - 2 0 m ；下盘卜1 2 m ，其中主变形区0 _ 4 m ，微变形区4 - 1 2 m 。从中可看出地裂缝主变形区为l o m ，主微变形区之和为3 2 m ， 在此基础上，考虑地裂缝宽度提出基本的设防长度，这应该是轨道交通必须设防段。考 虑地铁结构为一类建筑物，取地裂缝地段6 4 m 为设防长度应该是安全的，进行隧道设防 长度确定时，需根据调坡进行调整。 2 5 地铁过地裂缝的结构措施 2 5 1 地裂缝活动对隧道结构的可能破坏模式 根据地铁的结构特征、现有地裂缝活动特性及其以往工程致灾案例，将地裂缝带可 能引起的地铁隧道变形破坏大致分为如下两种模式： ( 1 ) 拉张挤压破坏型 地裂缝对工程破坏的实例表明，在地裂缝的垂直位移作用下，当地裂缝垂直位移超 过隧道衬砌变形容许值时，由于地裂缝上盘下降，下盘基本稳定，地铁隧道衬砌底部将 产生拉应力，顶部产生压应力。当拉、压应力超出了隧道衬砌的抗拉和抗压强度后，地 铁隧道就产生拉张一挤压型破坏，随着地裂缝垂直位移量的进一步增大，隧道衬砌可能 箱一章西安地裂缝的基奉特征、分布规律成目分析 产生环向开裂，导致隧道衬砌表面出现裂缝或顶部混凝土剥落( 圈28 ) 。从地裂缝穿过 南绕城对窑洞的破坏也进一步证明了这一点( 图29 ) 。 ( a ) 隧道衬砌环向开裂( b ) 隧道村砌顶部剥落和开裂 图28 地裂缝活动引起地铁隧道变形破坏情况 ( 2 ) 直接剪断破坏型 当地裂缝活动量突然变大，远远超过了 地铁隧道衬砌的允许变形量时，地裂缝的垂 直错动将导致隧道发生直接剪断破坏，在上 盘由于隧道两侧土体向下运动，势必在隧道 上引起较大的剪力，如果上覆土层较厚，地 裂缝活动较强时，可能产生剪断破坏。 地裂缝的错动作用可能导致隧道衬砌 变形破坏、衬砌基础下沉，引起边墙开裂或 仰拱、整体轨道下沉变形、铁轨路基及轨道 变形超出允许值，地铁隧道渗漏水等隧道病 害，因此，考虑地铁跨地裂缝处，在结构措 施上如何处理，是非常重要的，当然地铁跨 地裂缝的防水措施也应引起足够的重视。 252 结构措施 当地裂缝活动时，在地裂缝带的土体整体下沉，而远离地裂缝带的土体则基本保持 不动，因此对于跨地裂缝带的铁路、管线等生命线工程，在纵向上相当于一受弯构件， 容易产生弯曲断裂。例如图21 0 所示的穿过地裂缝埋设的p v c 管道、图2 1 1 所示的地 基粱变形及断裂是很好的说明。 对于过地裂缝的地铁隧道村砌，村砌的内力受地裂缝活动量及衬砌跨度的