（地质工程专业论文）西安地铁隧道穿越地裂缝的模型试验研究.pdf

摘要 西安的地铁将穿越1 1 条地裂缝，国内外在地铁工程的建设史上，并没有在此类场 地建设地铁的先例，更没有规范规程可循。研究地裂缝对地铁隧道结构的作用机理和破 坏模式，对西安地铁的建设具有一定的工程意义。 为了研究地铁隧道穿越地裂缝段时，在地裂缝活动时的受力模式及其周围土体的压 力的变化形式，利用自建的试验平台，进行了两种类型地铁结构穿越地裂缝的物理模型 试验，分别是整体式隧道结构和分段式隧道结构。由试验结果可知，地裂缝的活动对穿 越裂缝带的整体式隧道结构的影响范围主要在地裂缝附近两侧，尤其对下盘靠近裂缝带 结构的影响最大，在地裂缝带附近结构顶部受拉，底部受压；对于穿过地裂缝的分段式 结构，地裂缝活动对隧道结构的影响也集中在裂缝附近，与整体式隧道结构不同，分段 式结构的位移较大，结构内力相对整体式较小，上盘土体中的结构受到纵向挤压作用。 跨地裂缝的整体式隧道结构将阻止结构顶部一定范围内的岩土体向下运动，而结构 两侧下降的土体对结构顶部的土体将产生向下的拖拽作用，这会极大地增大隧道结构顶 部的竖向围岩压力；分段结构模型衬砌对其周围的围岩压力影响不大，在地裂缝活动时 分段结构在地裂缝上盘部分随着上盘土体整体沉降，对其周围围岩产生阻碍作用较小。 利用有限元软件对整体式模型进行数值模拟，将数值计算的结果与物理模型试验的 结果进行比较，结果显示其位移、应力、应变等变化规律具有一致性。 关键词：地铁隧道、整体式结构、分段式结构、地裂缝、模型试验、有限元 a b s t r a c t s u l ) w a vc o n s t r u c t i o ni nx i t a l li si nt h ef a c eo f13g r o u n df i s s u r e s t h e r ei sn op r e c e d e n t o ft h es u b w a yc o n s t r u c t i n gi nt h i sk i n do fs i t ei nt h eh i s t o r yo fs u b w a yc o n s t r u c t i o n a th e m e a i l da b r o a d , e v e nn oc o d e sc a l lb ef o l l o w e d i tw i l lb r i n ga v a i l a b i l i t yp u r p o r tt os u b w a y c o n s t r u c t i o na n ds u b w a ys a f eo p e r a t i o ni nx i a l li ft h eg r o u n df i s s u r eo f f u n c t i o nm e c h a n i s m t om et u n n e ls t r u c t u r ea n df a i l u r em o d eo ft u n n e ls t r u c t u r ea r ek n o w n w i t hc e r t a m t y t w o p h y s i c sm o d e le x p e r i m e n t so fs u b w a ys t r u c t u r ec r o s s i n go v e rt h eg r o u n d f i s s u r ea r e c a r r i e do nt os t u d yt h ef o r c ee x e r t i n gm o d eo fs u b w a ys t r u c t u r ea n dp r e s s u r ec h a n g i n gt o n i l o fr o c ks o i lm 嬲s 锄0 u n ds u b w a ys t r u c t u r ew h e nt h eg r o u n df i s s u r ei sa c t i v eb yu s i n gt h e s e i f - b u i l te x p e r i m e n t a lp l a t f o r m t h et u n n e ls t r u c t u r ef o r mi sr e s p e c t i v e l yi n t e g r a l t u n n e l s t l l l c t u r ea n ds e g m e n t i n gt u n n e ls t r u c t u r e t h ei n f l u e n c es c o p eo fg r o u n df i s s u r ea c t i v i t yt o i n t e 擘，a lt u n n e ls t r u c t u r ec r o s s i n go v e ri tm a i n l y l o c a t e si nv i c i n i t yo fb i l a t e r a lg r o u n df i s s u r e a c c o r d i n gt oe x p e r i m e n tr e s u l t t h ea c t i v i t yh a sm o s ti n f l u e n c eo nt h ef o o t w a l l s t r u c t u r e n e 龇b vg r o u n df i s s u r e t h et o po fs t r u c t u r ei ss u b j e c t e dt ot e n s i o nw h i l et h eb o t t o mi s c o m p r e s s e di nv i c i n i t yo fg r o u n df i s s u r e t h ei n f l u e n c es c o p e o fg r o u n df i s s u r ea c t i v i t yt o s e g m e n t i n gt u n n e ls t r u c t u r ec r o s s i n go v e ri ta l s om a i n l yl o c a t e si nv i c i n i t yo fg r o u n dn s 舢陀 b u ti ti sd i f f e r e n tf r o mi n t e g r a lt u n n e ls t r u c t u r e t h es t r u c t u r ei nh a n g i n gw a l ls o i l1 ss t r o n g l y s u b j e c t e dt os q u e e z i n g f u n c t i o n i th a sl a r g e rd i s p l a c e m e n ta n ds m a l l e ri n t e r n a lt o r c e t h ei n t e g r a lt u n n e ls t r u c t u r ec r o s s i n go v e rt h eg r o u n df i s s u r ew i l lp r e v e n t r e e ks o i lm a s s a tc e r t a i j ls c o p eo ft o ps t r u c t u r ef r o mm o v i n gd o w n w a r d d e s c e n d i n gs o i la tb o t hs i d e so f s t m c t u r ew i l lh 邪d o w n w a r dd r a g g i n ge f f e c to nt h es o i la tt o po f s t r u c t u r ew h i c hw i l lg r e a t l y i i l c r e a s et h ev e r t i c a lp r e s s u r eo fs u r r o u n d i n gr o c ka tt o po fs t r u c t u r e w h i l et h el i n i n g o f s e 田n e n “n gm o d e lh a sl i t t l ei n f l u e n c eo nt h ep r e s s u r eo fs u r r o u n d i n gr o c k t h eh a n g i n g w a l l o f 留0 u n df i s s u r eo c c u r si n t e g r a ls e t t l e m e n tw i t ht h es e a l e m e n to fh a n g i n g w a l lo fs o i la n d w i l ln o tp r o d u c eh i n d e r i n ge f f e c to n t h es u r r o u n d i n gr o c kw h e ng r o u n df i s s u r ei si na c t i v i t y t h en 1 】瑚e r i c a ls i m u l a t i o ni sc a r r i e do nt o t h ei n t e g r a lm o d e lb yu s i n gf i n i t ee l e m e n t s o r w 扣c t h ec h a n g el a wo fd i s p l a c e m e n t ，s t r e s sa n ds t r a i ne t ch a sc o n s i s t e n c yw h e nt h e t e s t i n gr e s u l ti sc o m p a r e dw i t h t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u r k e yw o r d s ：s u b w a yt u n n e l ，i n t e g r a lt y p es t r u c t u r e ，s e g m e n t i n gt y p es t r u c t u r e ，g r o u n d f i s s u r e ， m o d e le x p e r i m e n t ，f i n i t ee l e m e n t 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： 论文知识产权权属声明 日 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： 致钗西如 j 气波 l 溺年南目弓e t 弦占月弓日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出 随着国家开发西部的力度进一步增强以及西部城市自身经济实力的不断增长，西安 作为西部大开发的桥头堡，其经济社会发展进入了一个非常重要的历史时期。加上城市 规模不断扩大，城市人口逐渐增长，交通问题曰益突出，西安市的地下铁道建设也势在 必行。由于自然和人为等因素的作用和影响，自上世纪5 0 年代以来，西安市区先后出 现了1 3 条地裂缝带，其活动时间之长和规模之大，在国内尚属罕见。地裂缝对西安城 市的建设和发展造成了灾害性的影响，迄今为止，西安地裂缝造成的直接损失已超过数 十亿元【1 】【引，因此，这对正在准备建设的西安市城市轨道交通二号线来说无疑新增加了 一些技术要求。 现在正建的西安市城市轨道交通二号线从北到南将穿过大部分地裂缝，而这些地裂 缝有的工程致灾状况十分严重，其中f 9 、坛、矗和厶地裂缝地表出露长，连续性好，活 动强烈，致灾严重地段占其出露长度的7 0 以上，其他地裂缝致灾段占其整个长度的 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。 无数地铁及隧道工程的病害实例表明，地铁和隧道病害重在预防，在进行工程地质、 水文地质详细勘测的基础上，根据隧道实际条件采用先进可靠的预防病害的设计，是做 好隧道病害防治的基础和关键【9 】【l o 】。西安的地铁建设面对着如此众多且规模巨大的地裂 缝灾害，在国内外地铁工程的建设史上，并没有在此类场地建设地铁的先例，更没有规 范规程可遵循，如若不去研究清楚地裂缝对地铁隧道结构的作用机理和破坏模式，地铁 的建设会面临盲目设计、盲目防护的危险，将无法应对未来地铁施工期间和运行期间的 地裂缝对其的破坏，本文的试验就是在这种前提下，为了研究穿越地裂缝带隧道结构的 变形、受力机理和破坏模式，以及探索地铁隧道结构对裂缝附近围岩压力的影响模式而 进行的。 1 2 国内外研究现状 迄今为止，国内外对地裂缝的研究成果虽然已经不少，但是仅限于地裂缝的成因、 成因机制和灾害预测三个核心课题，发现国内外对地裂缝与建筑关系方面的研究还没有 系统化和理论化，地铁受到地裂缝活动影响以及地铁或地下工程对地裂缝的处理方法的 第一章绪论 文献很少。针对西安地铁的实际问题，长安大学进行了西安市城市快速轨道交通二号线 穿过地裂缝带的结构措施研究【1 】：塌陷与建筑【1 1 】一书中分别从地裂缝的发生阶段、 累计阶段以及扩展阶段对建筑的破坏做了介绍；王启耀等【1 2 1 在研究地裂缝对公路工程的 影响时，提到了地裂缝对公路隧道的破坏形式，并提出相应对策，可以在地铁隧道设计 中予以借鉴。 1 2 1 国外研究现状 与世界上其它国家相比，美国是地裂缝研究开展得较为广泛、深入的国家【1 3 1 ，它对 地裂缝的系统研究始于上世纪5 0 年代，至今已经对地裂缝的成因模式获得了综合性的 认识【1 4 h 1 7 】。目前，美国的地裂缝研究主要集中在位于其国土西南部构造活动比较活跃 的盆地和谷地中，包括了亚利桑那、加利福尼亚、得克萨斯、内华达及新墨西哥等州， 且这一地区还存在着由于长期超采地下水导致的显著的地面沉降【1 8 h 2 们。因此，对地裂 缝成因的认识就形成了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【2 1 1 。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 ( 1 9 7 7 ) ，f l e i s c h e r ( 1 9 8 2 ) ，w y a t t ( 1 9 8 2 ) ，r o q u e m o r ( 1 9 8 2 ) ，l i p p i n e o t t ( 1 9 8 5 ) 及h o l d a h l ( 1 9 8 6 ) 等也都支持构造成 因观点【引。 ( 2 ) 地下水开采成因：开采地下水导致的地层附加变形一直以来都被许多研究者 认为是地裂缝形成的主要因素，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。s c h u m a n n 等( 1 9 7 0 ) 对f e t h ( 1 9 5 1 ) 的研究【2 1 】进行深化后，提出基岩表面形状的突变或具压缩性 土层厚度分布的明显差异，导致了松散土层的差异压密沉降，从而在地表压密沉降差异 大的部位形成拉张应力集中，进而产生开裂变形【2 4 】。此外，n e a l 等( 1 9 6 8 ) ，h o l z e r 和 d a v i s ( 1 9 7 6 ) 在研究了地裂缝与地下水位的关系，以及地裂缝发育区水位下降与排水 的关系后，认为由于水位下降引起上部土层失水后在水平方向发生收缩是地裂缝产生的 主要原因。近年来，内华达州地质矿产局( n e v 如a b u 迮a uo f m 怔sa n dg e o l o g y ) 在地下水开采引起的地层附加变形和相关灾害方面的研究颇具代表性，它们不仅注重地 面沉降及地裂缝与地下水位的长期观测研究，而且一直致力于相关基础理论的探索并取 得了许多突破性的成果。d ch e l m 于1 9 8 7 年以微分方程形式给出了储水层质量守恒方 程，并籍此建立了l a sv e g a s 谷地的地裂缝概念模型2 5 1 。 2 长安大学硕士学位论文 ( 3 ) 复合成因：自2 0 世纪7 0 年带起，美国地质学会等一些机构对地裂缝的形成机 制进行了系统研究。h o l z e r 等通过对采集到的地裂缝和地面沉降数据的分析，并综合考 虑地质环境背景后，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。 除美国外，南美地区的墨西哥，东非的埃塞俄比亚，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【2 9 卜【3 1 1 ，总结了当地地裂缝发育的影 响因素，对这些地区的防灾减灾起到了一定的指导作用。 1 2 2 国内研究现状 我国是世界上地裂缝灾害非常严重的国家之一，但是我国地裂缝问题的研究起步较 晚，目前较系统的研究主要是围绕汾渭地堑的地裂缝问题展开，研究的中心也是关于地 裂缝的成因和成因机制问题。 根据王景明( 2 0 0 0 ) 的总结，二十世纪八十年代初至世纪末国内许多生产、科研和 教学单位对西安的地裂缝及地面沉降从不同的角度开展了系统深入的研究。研究成果可_ 概括为三个方面：一是地震地质的研究，这方面陕西地震局、国家地震局等有关单位做 了大量的工作，成果对西安地区所处的构造动力环境作出了评价和预测；二是地裂缝、 地面沉降成因机制和演化规律的研究，多家单位通过各种手段的研究提出了多种成因观 点，对地裂缝的成因、成灾机制获得了更实际的认识；三是地裂缝场地工程地质评价、 预测，多家单位通过对地裂缝分布规律和工程地质特征的系统调查和统计分析，评价了z 。 场区稳定性，为城市规划建设提供了有利的依据【3 1 。 目前结合大陆动力学研究成果，正开展地裂缝成因机理、工程危害、防治措施等方 面的研究【3 2 1 ；依靠现代测绘监测技术的新成果，结合西安地面沉降与地裂缝g p s 监测， 提出并研究了在西安布设建立g p s 地面沉降、地裂缝监测的有关技术和实现的技术方 法，并在实际中取得了理想的结果【3 3 】；建立了完善的监测预警系统和数据库，运用“3 s 技术建立地裂缝和地面沉降监测预警系统和数据库，定期发出预报和预警，提出防灾建 议【3 4 1 。 张家明【4 】【3 5 1 、吴家毅 2 j 、徐光黎【3 6 】先后从不同角度对西安地裂缝的成因机制提出了 概化模式，尽管所考虑的因素不尽相同，但关于地裂缝的成因机制观点基本一致，即地 裂缝是由基底伸展断裂系在横向拉张应力场作用下形成的，并同时叠加了地下水开采的 影响。 1 9 8 7 1 9 9 0 年，日本地震、地貌学家东京大学松田时彦和东京都立大学贝冢爽平， 3 第一章绪论 与陕西省地震局和国家地震局李永善、耿大玉、汪一鹏等合作，开展题为“西安地裂与 渭河盆地活断层”的研究【5 1 ，认为西安地裂缝是以临潼一长安活动断裂带为构造基础，在 次一级断层活动的背景上发展形成的。 王景明认为西安地裂缝是深部断裂在统一区域应力场作用下，长期蠕动而成隐伏微 细地裂缝，在地下水活动这一附加因素下，隐伏地裂缝扩张呈现于地表并发生位移3 】【3 7 1 。 陕西省地矿局水文观测总站和原成都理工学院合作开展了题为“西安地裂缝与地面 沉降及其控制 的研究，提出了构造重力扩展成因说【3 甜。 彭建兵等对地裂缝附近土体的工程性质进行了研列3 9 1 。 徐光黎等对西安地下水抽汲对地面沉降和地裂缝活动的影响、地裂缝的时空预测进 行了分析【4 0 1 。 冯希杰【4 1 1 、李新生【4 2 1 分别研究了西安地裂缝活动成灾评估和形成机制。 刘玉海等人对西安地裂场地工程地质特性、致灾机理进行了专题研究【4 3 】。 对于其他地区的地裂缝问题，研究人员也进行了许多成果卓著的研究，王景明等对 华北地区特别是河北省的地裂缝的成因机制和灾害防治对策方面做了大量的研究 脚h 5 0 1 ，于军等对苏锡常地区的地裂缝的成因机制做了专门研究【5 1 】【5 2 1 ，并对苏锡常地区 的地面沉降监测预警系统做了研究【5 3 】。 1 3 本文研究的目的、意义和内容 1 3 1 研究目的 鉴于西安地裂缝以往对城市建设的危害情况，西安市地裂缝的未来活动必将对拟建 的西安地铁二号线工程产生严重影响，为明确地裂缝活动对地铁结构的影响机制，有必 要进行地裂缝与地铁隧道的模型试验研究。在原型过大，变化过程太慢，或者是实验的 费用过于昂贵等原因造成难以驾驭的情况下，可以用相似的模型作为代用品进行试验 5 4 】。本文通过比例尺为l ：2 5 的马蹄形地铁隧道跨地裂缝模型试验，研究西安典型地层 埋深2 0 o m 范围内地裂缝活动对马蹄形断面隧道结构的影响，包括隧道结构的受力及破 坏情况、隧道结构附近围岩土体的应力和变形情况等，确定隧道结构的受力模式，为地 铁二号线经过地裂缝地段的地铁结构设计提供试验依据。 1 3 2 研究意义， 西安位于渭河盆地中部，盆地内活动断裂发育，历史地震活动频繁，市区地裂缝、 地面沉降活动强烈。西安市城市快速轨道交通远期规划线网由六条线路组成，总长度 4 长安大学硕士学位论文 2 5 1 8 公里，对于改善城市交通、支持城市重点发展和保护古城风貌具有重要意义。因 此研究地裂缝活动对地铁结构的影响对工程的设计、施工以及今后的安全运营有着十分 重要的现实意义。 要解决地铁隧道如何穿越地裂缝带的难题，这就需要解决裂缝带地铁隧道的结构措 施和防水措施，而这些是建立在对穿越地裂缝带隧道结构的变形、受力机理和破坏模式 研究的基础上。而本文正是研究变形与受力机理这一问题的试验方法，这一方法是没有 人研究过的，并且这一成果也为地铁隧道设计时纵向重点设防范围的确定提供了依据。 本文的选题是紧密联系实际的，研究成果在工程实际中得到了应用，为西安地铁过地裂 缝的横断面及纵断面设计提供指导，同时也可为管道等生命线工程穿越地裂缝带的设计 提供参考，具有一定的实际意义。同时，本文所研究的地铁隧道穿越地裂缝带的问题是 一个全新的课题和方向，在国内外几乎没有人进行过这方面的工作，本课题组针对这一 特殊的工程灾害问题，首次进行了物理模型试验研究，并得出一些对工程实际有用的结 论，具有一定的价值和新颖性。 1 3 3 研究内容 本文依托自建的试验箱，在国土资源部岩土工程开放实验室的试验场地上连续进行 了两场西安地铁穿越地裂缝的小比例尺物理模型试验，并利用大型通用有限元软件对此 模型进行了数值分析，具体研究内容如下： 一、采用比例尺为1 ：2 5 的马蹄形断面整体式隧道模型，通过模拟地裂缝的活动， 研究地裂缝对穿越地裂缝的整体隧道结构的影响，包括隧道结构在地裂缝活动时的受力 和破坏情况，隧道结构周围土体的应力和应变情况，确定隧道结构的受力模式。 二、采用比例尺为1 ：2 5 的马蹄形断面分段式隧道模型，通过模拟地裂缝的活动， 研究地裂缝对穿越地裂缝的分段隧道结构的影响，包括隧道结构在地裂缝活动时的受力 和破坏情况，隧道结构周围土体的应力和应变情况，确定隧道结构的受力模式。 三、利用两次试验得到的结果，分析两种形式的隧道结构在地裂缝活动时的受力和 破坏情况，隧道结构周围土体的应力和应变情况，比较这两种隧道结构在这些方面的异 同点。 四、利用大型通用有限元软件建立地裂缝与整体式隧道结构的数值模型，通过数值 计算，分析隧道结构在地裂缝影响下的受力和变形情况，结构周围围岩土体的应力和变 形情况，并与物理模型试验结构相比较，对试验结果进行优化。 5 第二章西安地裂缝的基本特征 第二章西安地裂缝的基本特征 2 i 地裂缝的空间分布规律及基本特征 2 11 地裂缝的空间分布规律 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，如图2l 所示，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p 升； l l l i i 。 i i j r 0 ，裂一， ，i j 圈2 1 西安市地铁二号线与地裂缝位置分布圈 ( 1 ) 城北南寨( 方新村一井上村) 地裂缝带( ) 位于光大门黄土梁上，西起方新村，东至井上村，全长08 k m 总体走向8 0 。，带 宽达3 m 。目前地表无迹象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( ) 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 o k m 。总体走向7 5 。，倾向南，倾角7 5o ， 长安大学硕士学位论文 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( 疋) 沿龙首塬黄土梁南侧发育。西起星火路，经红庙坡、西安味精厂、八府庄水泥制管 厂，东到秦孟村、米家崖。出露总长度1 0 5 k m ，总体走向8 0 0 ，倾向南，倾角8 6 0 ，贯 通性较好。该地裂缝从大庆路加油站向东至秦孟村一段已在地表出露，其中北稍门联志 村至八府庄段活动强烈，沿线的建筑物和道路设施遭严重破坏。大兴路加油站至白家口 段和秦孟村至米家崖段还未见地表出露。 地铁二号线在北稍门人人乐超市附近与厶地裂缝相交，该处地裂缝已出露于地表。 ( 4 ) 城西劳动公园地裂缝带( 疋) 沿劳动公园黄土梁南侧发育。西起兰空干休所，经劳动公园、无线电十一厂、玉祥 门南、莲湖公园、城墙东北角，东至铁路材料总厂。勘察查明的长度1 2 k m ，其中5 5 k m 已在地表出露。西段西起北石桥，经石家围墙、任家庄，至西安仪表厂东。北石桥污水 处理厂至兰空花园段未见地表出露，其余东西二段均活动强烈，已在地表出露。中段西 起青年路东口，穿越北大街，经后宰门、西安市中心医院，至西安市8 9 中学。该段均 已活动且在地表出露。东段西起城墙东北角的南郭上村南，经东闸口、铁路材料总厂， 车站、华清路加油站，沿华清路向东至十里铺南。该段的西部铁路材料总厂以西均已出 露于地表，且活动强烈。其东郊未见活动。 地铁二号线在北大街青年路东口附近与疋地裂缝相交，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( 疋) 沿槐芽岭黄土梁南侧发育。西起东桃园，经劳动南路、西北大学、甜水井、南院门、 西京医院，东到西光厂，出露总长度5 3 8 k m ，总体走向3 0 0 ，倾向南，倾角8 5o 。活动 中等，对西北大学附近建筑物破坏较严重，在含光门西、东门北城墙上均有破坏，但贯 通性差。目前在钟楼一带路段无显示，开元商城和钟鼓楼广场的基坑开挖也均未见地裂 缝迹象，表明兀地裂缝不与地铁二号线相交。 ( 6 ) 城南和平门外地裂缝带( 疋) 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 。西起丈 八北路西辛庄南，经西安高新区、西安电子科技大学、黄雁村、南稍门、西安电力试验 研究所、石油仪器总厂、陕西日报社、兴庆公园西门、互助路立交，沿韩森路北，经韩 7 第二章西安地裂缝的基本特征 森寨十七街坊、十六街坊、长乐坡西段，至黄河小学。越过沪河后，在灞桥电厂出露于 地表。勘察查明的长度为1 7 5 k m ，地表出露8 2 5 k m 。 六地裂缝的西段黄雁村至丈八北路未见地表出露，该段西安电子科技大学至北方乐 园已查明主地裂缝南侧发育次生地裂缝z ，两者倾向相反，剖面上呈y 字型，平面上 近似平行，两者间距约3 0 m 。 疋地裂缝黄雁村向东至黄河小学段，地裂缝已在地表出露，其中石油仪器总厂、陕 西日报社和韩森路北侧至黄河小学的地段，活动性强烈。西安地裂缝最大垂直位移就产 生在韩森寨十七街坊，至2 0 0 6 年2 月的累计垂直位移达到6 0 - - - 7 0 c m 。 地铁二号线在南稍f - h , 学附近与疋地裂缝相交，该处地裂缝已出露于地表。 ( 7 ) 草场坡( 秦川厂) 地裂缝带( 兀) 沿交通大学黄土梁南侧发育，呈8 0 0 展布。西起沙井村，经西斜七路过街天桥、南 二环立交桥、建筑科技大学北院、铁路分局、微波厂、秦川厂，东到纺织城国棉四厂北。 出露总长度1 2 k m ，地裂缝连贯性好，走向变化较大，局部走向4 5 0 - 1 1 5 0 。其中活动 强烈地点分布在草场坡、西安交大、西安微波设备厂和秦川厂等地，其中地裂缝与地铁 设计线路相交的南二环长安路立交桥地段，活动强烈，致灾严重，在立交桥墩附近形成 宽达3 2 m 的地裂缝变形带，垂直变形达2 0e m ，目前正在活动，危险性大，而该地裂缝 在西安微波厂内车间地面的累计垂直位移已达6 0 e m 。 地铁二号线在草场坡与五地裂缝相交。 已查明草场坡至南窑头村南，兀地裂缝南侧发育次生地裂缝z ，其中太白南路以 东已在地表出露，以西呈隐伏状。两者间距为3 0 - 1 3 0 m ，东部为3 0 , - 7 0 m ，西部为7 0 - 1 3 0 m 。f l 地裂缝北倾，与兀地裂缝倾向相反，剖面上呈“少字型。 ( 8 ) 小寨路( 铁炉庙) 地裂缝带( 厶) 沿乐游塬黄土梁南侧发育，西起西高新开发区，途经丈八沟、木塔寨、丁白村、吉 祥村、小寨、后村、铁炉庙、阳光小区，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 5o ，倾角8 4 0 ，活动强 烈，致灾严重。该地裂缝的西段，丈八沟以西的西高新开发区内未见出露于地表，中段 均已出露于地表，活动量最强烈的地段位于丁白村、铁炉庙和西安汽车技术学院等地， 累计最大垂直位移可达5 0 - - , 6 0 c m 。其中与地铁二号线相交的小寨商场及长安大学小寨 校区附近，路面沉降变形大，路西小寨大中电器楼群北侧已留出避让带，目前该处柏油 8 长安大学硕士学位论文 路面变形带宽达1 7 m ，垂直变形达2 1 c m 。东段陕西钢厂以东场地也未见出露地表。 ( 9 ) 大雁塔北池头地裂缝带( 兀) 西起西安高新技术开发拓展区，经里花水村北、丈八沟西村、紫徽馨园小区，二府 庄、西安医学院、陕西财经学院、大雁塔、北池头村、西安理工大曲江校区、西安交大 科技园，至西安市七十八中学附近。整体贯通性较好，勘察查明的长度为1 7 5 k m ，已在 地表出露的长度仅2 s k m 。 该地裂缝仅中部邮电十所至北池头段出露于地表，其余大部分都呈隐伏状。 地铁二号线在纬二街与长安路十字南侧相交，该处地裂缝未出露于地表。 ( 1 0 ) 电视塔北陕师大地裂缝带( 兀) 西起齐王村东，经潘家庄南、长延堡村、陕西师范大学、西安外语学院、植物园， 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。 该地裂缝活动段分布在长延堡村至木材四站和西安植物园至太平堡村东。地裂缝从 陕西师大南侧通过时，导致校园内建筑物上多处开裂，在路西长延堡楼群中已留出4 0 m 避让带。而在长安路以西，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。 地铁二号线与五地裂缝相交于长延堡村附近，该处五和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，西起西姜村，经西三爻村北、电视塔南、瓦胡同 村，省南郊射击场、王家庄、新开门、黄渠头，至秦川分厂南侧。呈断续出露，出露于 地表的长度约l k m 。总体走向7 0 0 ，倾向南，倾角8 0 0 。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z 。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( j 1 1 ) 分布于结核病院黄土量的南侧梁洼转折部位。西起南寨子村，经西三爻村南、南绕 城高速长安路立交，东至南寨子村。全长约2 s k m ，两端地面出露明显，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 0 ，主裂缝倾向s e ，倾角7 7 0 。 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， 9 第二章西安地裂缝的基本特征 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z 。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( 工：) 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0 5 k m 。总体走向7 0 0 - - - 7 5 0 。在东三爻 村可见地面、房屋开裂，表现为南倾南降，西曲江池农田出现串珠状落水洞。 地铁二号线与石：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 1 2 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 ) 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，由南而北在黄土梁洼之间有规 律排列，均位于黄土梁的南侧，呈带状分布。在平面上呈左行雁列，主体走向为n e 7 0 0 8 0 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 一- - 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 - 2 1 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。 ( 2 ) 剖面结构特征 西安地裂缝在剖面上的形态一般为上宽下窄的楔形，向下逐渐变窄变少，最深达三 百余米。地裂缝主体倾向南，倾角较陡，一般在7 0 0 以上。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 2 a ) 、 y 字型( 图2 2 b ) 和追踪式( 图2 2 e ) ，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自由面上产生末端张裂效应的结果【1 】。 ( 3 ) 地裂缝的活动特征 l o 长安大学上学位论文 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 圈2 2 西安地裂缝带嗣面组合形式圈 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 m a ，西北郊相对较弱在1 l o 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。但近几年来， 有些地裂缝( 如岛、矗) 的西南段活动性明显增强，并向西南继续扩展。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12 27 m m a ，东南部则达1 1o 5 55 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。图23 显示了 和在1 9 9 0 2 0 0 2 年的括动速率变化趋势，很明显，1 9 9 6 年西安 市大批量地关闭水井以后，这两条地裂缝的活动速率明显减缓。 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 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 ：o3 1 ：o 0 3 。根据西影路地裂缝监测结果( 见图2 4 ) ，地裂缝确实具有明显 的垂直位移、水平引张和水平扭动的三维运动特征。 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b 、坛和6 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 阻上。 第二$ 日地裂缝的基本特征 。iiii 杪1ii ! i l i 厂一。 图2 0 地裂缝历年活动速率圈 = 。= ：= i 么 一件鼙一张量 圈2 4 西影踏地裂缝三维变形测量变化曲线图 2 13 西安地裂缝对城市建设的危害及灾害特征 西安市地裂缝是一种独特的城市地质灾害，自2 0 世纪5 0 年代后期发现，1 9 7 6 年唐 山大地震后活动明显加强，特别是1 9 8 0 年以后，由于过量抽吸地下承压水导致的地裂 缝两侧不均匀沉降进一步加剧了地裂缝的活动，地裂缝所经之处，地面及地下各类建筑 物开裂，破坏路面，错断了地下供水、输气管道和建筑物，不但造成了重大的经济损失， 而且给西安市居民生活带来不便u 6 卜惮】。 一般来说，西安市地裂缝带对地面建筑物的危害可以通过避让、基础加固等方法得 以消除和降低，然而对分布范围极广的城市生命线工程如道路、桥梁( 立交桥) 以及城 市地下管网等的危害是无法避免的。就西安市地裂缝对城市道路的破坏而言，在西安城 八 l l o o o o 0 o o 0 长安大学硕士学位论文 市路网中就有数十处之多，随处可见，破坏中横向破坏占绝大多数。初期路面开裂、上 盘沉降，在道路上形成路坎，随后逐渐形成一道凹槽，严重影响了交通运营质量。而地 裂缝对桥梁的破坏要比对道路的破坏严重得多，它不仅反映在维修费用高、时间长、对 现行交通影响大，而且维修技术难度也大得多。如1 9 9 4 年建成的长安路上跨南二环立 交( 简称长安路立交) 为两层变形苜蓿叶互通式立交，毛地裂缝斜交桥位，尽管在设计 时采用特殊的简支梁桥跨结构和施工时基础加固，但也未能改变地裂缝引起的结构变 形，后经检修和定期跟踪检测，目前才未出现严重后果。大量的实例证明，地裂缝的不 断活动，使得浅表地质体发生变形、位移和破裂，从而导致地面建筑物的破坏、道路变 形、桥梁损坏以及其他生命线工程如地下管道等的错断或损坏。 纵观以往西安市城市建设中的地裂缝灾害的表现形式，西安市地裂缝灾害大致具有 如下几个明显的特征： 三维空间的有限性 地裂缝灾害的三维空间有限性，主要是指地裂缝致灾范围仅限于地裂缝带的影响空 间之内，对远离地裂缝带的外围地段和更深处不具辐射作用。并且在地裂缝范围内，其 灾害效应在横向、垂向和走向上反映出来，即横向上，由主裂缝向两侧致灾程度逐渐减 弱，且上盘重于下盘；在垂直方向上，沿主裂缝自地表向下灾害作用强度递减，几十米 深部只使井管和钻具破裂；沿地裂缝走向其灾害作用强弱很不平衡，一般转折段和错列 部位相对较重。 成灾过程的缓变性和累进性 西安地裂缝成灾过程是渐变的，由能量积累到释放有较长的时间过程，所以建筑物 破坏是逐渐发生的，一般不具突发性。当然，如果西安市附近出现地震，则可诱发地裂 缝灾害的突变。1 9 9 8 年1 月5 日泾阳县永乐镇4 8 级地震时，西安电子城地裂缝仪器自 动监测曲线出现明显的突跃点就是一个很好的证明。从以往西安地裂缝灾害来看，地面 出现裂缝到其上建筑物破坏少则几月多则几年。据探槽揭露资料证实，地裂缝发生的时 间越短破坏宽度越小，随着时间的推移，其影响宽度逐渐加大，其上建筑物裂缝不断加 宽，最后导致整体破坏被迫拆除。致灾作用伴随地裂缝显露之后，随时间增长逐年加重， 平面上沿走向向两端不断扩展，线扩展速率约每年几千米。在剖面上灾害作用自下而上 逐渐加强，累积破坏效应集中于基础与上部结构接合部位的地表浅部十几米范围内。 灾害过程的周期性 西安地裂缝常常反复成灾，其灾害过程往往具有周期性变化。由于地裂缝活动受区 1 3 第二章西安地裂缝的基本特征 域构造应力活动及人类活动( 如过量抽汲地下水) 的影响，因此在时间域上往往表现为 一定周期性。当区域构造应力活动强烈，或人类过量抽汲地下水时，地裂缝活动随之加 剧，致灾作用增强，反之则减弱。 灾害强度分布的非均衡性和非对称性 主裂缝带灾害重，次裂缝带灾害轻；地裂缝灾害上盘重，下盘轻；地表建筑物灾害 重，地下建筑物灾害轻。地裂缝灾害沿走向有强弱交替的分段特征，生成时间长的段落 灾害多重于时间短的段落。地裂缝发生转折和错列的部位灾害重，展布平直部位轻。如 小寨路地裂缝长1 2 8 k m ，1 9 8 4 年前可分出5 段，其东端新安砖厂至矿院实习工厂长 2