（地质工程专业论文）西安地裂缝对地铁盾构隧道衬砌影响的模型试验研究.pdf

摘要 随着西安城市规模的快速发展，交通问题日益突出，地下铁道的建设已逐步展开。 但由于自然和人为等因素的作用和影响，自7 0 年代后期以来，西安市区地裂缝普遍发 育，目前由北向南已发现1 4 条地裂缝带，对西安的城市建设已造成了重大危害和经济 损失，而正在修建中的西安地铁无可避免的要穿越这些地裂缝带。在地裂缝带上修建地 铁，这在国内外尚属首次。地裂缝对地铁结构究竟是什么样的影响机制，地铁隧道衬砌 在地裂缝作用下的破坏变形特征又是什么样的，结构上应该采取什么样的措施才能避免 地裂缝对地铁的破坏等，这一系列的重要问题亟待解决。 通过地铁盾构隧道穿过地裂缝的大型( 1 ：5 ) 结构模型试验，得出地铁盾构隧道衬 砌在地裂缝带影响下的应力应变特征、衬砌周边土体受力情况和沉降特征等，研究西安 典型地层埋深2 0 0 m 范围内地裂缝活动对盾构隧道衬砌的影响机制，包括衬砌的受力及 变形破坏情况、衬砌附近土体的应力和变形情况等，确定盾构隧道衬砌的受力模式，为 地铁穿过地裂缝地段采取的结构措施提供科学依据。 在模型试验的基础上，用m a r c 有限元软件建立了地裂缝与地铁隧道的数值模型， 通过数值计算，分析衬砌在地裂缝影响下的受力及变形情况、衬砌附近土体的变形情况 等，并与模型试验所得结果进行对比，为地铁二号线穿过地裂缝地段采用盾构法施工的 地铁结构设计提供科学依据，并对盾构隧道穿越地裂缝的结构措施给出了建议。 本文研究工作得到国家自然科学基金重点项目( 4 0 5 3 4 0 2 1 ) 的资助。 关键词：西安地裂缝，地铁，盾构隧道，衬砌，结构模型试验，数值模拟 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fx i a n ，t r a f f i cp r o b l e m sh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l y p r o m i n e n t t h em e t r op r o j e c th a sb e e np u tu p h o w e v e r , d u e t on a t u r a la n dm a n - m a d ef a c t o r s ， g r o u n df i s s u r e sh a v eb e e nd e v e l o p i n gc o n s t a n t l ya n d14p i e c e so fg r o u n df i s s u r e sh a v e a p p e a r e d 劬mn o r t ht os o u t hi nt h ea r e ao fx i a ns i n c et h el a t e19 7 0 s t h e s eg r o u n df i s s u r e s h a v ec a u s e dg r e a td a m a g e sa n de c o n o m i cl o s s e st ot h ec i t y sb u i l d i n g t h em e t r op r o j e c ti n x i a nw h i c hi su n d e rc o n s t r c t i o ni su n a b l et oa v e r tt h e s eg r o u n df i s s u r e s t h i si st h ef i r s tt i m e t ob u i l dm e t r ot h r o u g hg r o u n df i s s u r e sa th o m ea n da b r o a d i ti s u r g e n tt ob es o l v e dt h a t m a k i n gs u r eh o wt h eg r o u n df i s s u r e sa f f e c tt h em e t r os t r u c t u r e ，t h ed e f o r m a t i o nf a i l u r e m e c h a n i s mo ft h em e t r ot u n n e la f f e c t e db yt h eg r o u n df i s s u r e s ，w h a ts t r u c t u r a lm e a s u r e s s h o u l db ea d o p t e dt oa v o i dd a m a g eb yt h eg r o u n df i s s u r e s i nt h el a r g e - s c a l e ( 1 ：5 ) m o d e lt e s ta b o u tt h em e t r os h i e l dt u n n e lt h r o u g hag r o u n df i s s u r e ， t h i sp a p e re d u c e st h es t r e s s s t r a i nc h a r a c t e r i s t i co fs h i e l dt u n n e ll i n i n gc r o s s i n gt h eg r o u n d f i s s u r e ，t h es t r e s ss i t u a t i o no fs o i la r o u n dt h el i n i n ga n dt h es e t t l i n gc h a r a c t e r i s t i co fs o i li nt h e s t r a t u m s ，a n dr e s e a r c h e sh o w t h eg r o u n df i s s u r e sa f f e c tt h es h i e l dt u n n e ll i n i n gi nt h et y p i c a l d e p t ho ft h el a y e r s2 0 0 ms c o p eo fx i a l l ，i n c l u d i n gt h ed e f o r m a t i o na n dd a m a g eo ft h el i n i n g , t h es t r e s sa n dd e f o r m a t i 0 1 1o ft h es o i ln e a rt h es t r u c t u r e , a n dm a k e ss u r et h ed a m a g em o d eo f t h es h i e l dt u n n e ll i n i n ga n d p r o v i d e ss c i e n t i f i cb a s e sf o rm e t r o s t r u c t u r e s b a s e do nt h em o d e lt e s t ，t h ea u t h o re s t a b l i s h e dt h en u m e r i c a lm o d e la b o u tt h eg r o u n d f i s s u r e sa n dt h em e t r ot u n n e lb ym a r cf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e b yn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n , t h e a u t h o ra n a l y z e dt h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o no ft h el i n i n gu n d e rt h ei n f l u e n c eo ft h eg r o u n d f i s s u r e s ，t h ed e f o r m a t i o no ft h es o i ln e a rt h el i n i n ga n ds oo n w h a t sm o r e ，t h ea u t h o r c o m p a r e dt h er e s u l t so f t h en u m e r i c a la n a l y s i sa n dt h em o d e lt e s ti no r d e rt os u p p l ys c i e n t i f i c b a s i sf o rt h es t r u c t u r ed e s i g no ft h en o 2m e t r ot h a ti sb u i l tb ys h i e l d - d r i v e nt u n n e lw h e n p a s s i n gt h r o u g ht h eg r o u n df i s s u r e s a tl a s t ，t h ea u t h o rm a d ep r o p o s ef o rt h e s t r u c t u r a l m e a s u r e so ft h es h i e l d - d r i v e nt u n n e l i n gs u b w a yw h e np a s s i n gt h r o u g ht h eg r o u n df i s s u r e s t 1 1 cs t u d yo ft h i sp a p e ri ss u b s i d i z e db yt h ek e yp r o j e c to fn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o no f c h i n a ( 4 0 5 3 4 0 2 1 ) k e yw o r d s ：x i a ng r o u n df i s s u r e ，m e t r o ，s h i e l dt u n n e l ，l i n i n g ，s t r u c t u r em o d e lt e s t ， n u m c r i c a ls i m u l a t i o n 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：雹 柳扮 l 沙孑年f 月汐日 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： 。兮年亍月加e t 2 , - 8 年s 只2 , 0e l p 汀a 妇i 朔 ，l 钛 上 专明 k 女大学顾+ 学位论女 第一章绪论 1l 问题的提出 随着西安城市规模的快速发展，交通问题同益突出，为了缓解e l 益拥挤的交通问题， 地下铁道的建设工作已逐步展开。 上个世纪8 0 年代移j ，西安就开始策划、研究发展城市快速轨道交通，并做了大量 前期准备工作。2 0 0 4 年2 月西安市向国家技改委上报西安市城市快速轨道交通建设 规划。2 0 0 5 年4 月国家发改委委托中咨公司对建设规划进行了评估。2 0 0 5 年1 2 月 国家发改委领导带领国家建设部、国家环保总局和中咨公司来西安调研地铁项目听取 了市委、市政府对西安市城市快速轨道交通建设规划的汇报。2 0 0 6 年4 月，建设 部领导带领专家组审查并通过了西安市城市快速轨道交通建设规划。2 0 0 6 年5 月， 国家发改委主任办公会通过了西安市城市快速轨道交通建设规划。2 0 0 6 年6 月国 家发改委将规划上报国务院。2 0 0 6 年9 月1 3 日，西安地铁项目正式获得国家批准。 未来1 0 年内，古城西安将拥有两条形成“卜字形”的地铁主线路，到本世纪中叶 西安将形成由6 条地铁线路组成的城市快速轨道交通线网，总长将达2 5 18 公里，共设 车站1 5 0 座( 如同11 ) 。 图i i 本世纪中叶西安将建成的城市快速轨道交通线阿 地下铁道的建设，是关系到西安发展，甚至足陕西发展的大事，是关系到西安8 0 0 万市民生活的大事。地铁的建成会给西安的发展带来更大的动力，为西安的交通注入新 第一章绪论 的力量，同时，也会使市民的生活发生巨大的改变。因此，西安的市领导要求“保证2 0 1 1 年二号线正式建成通车”。但是由于地铁的修建投资大、周期长、技术要求高，所以前 期必须做好充分的调查、研究工作，为地铁建设的可行性、风险性、安全性、经济性提 供可靠的资料。 中国的地铁始建于1 9 6 5 年。目前，我国地铁开通运营的城市有北京、天津、上海、 广州、深圳、南京等。可以说，中国的建筑单位在地铁的建设中，遇到了很多的问题， 同时也积累了很多的经验。从技术层面上来考虑的话，在西安修地铁是可行的。但是， 要更快、更好的建好西安地铁，还要解决西安的特殊的地质问题西安地裂缝。 由于自然和人为等因素的作用和影响，自7 0 年代后期以来，西安市区先后出现了 1 4 条地裂缝带，其活动时间之长和规模之大，在国内尚属罕见。不少地面建筑物和地下 设施遭到破坏，迄今为止已造成数亿元的直接经济损失。不仅如此，由于地裂缝还在不 断发展中，并出现新的地裂缝带，严重制约了城市建设用地的有效利用和城市建设规划 发展，为城市工程建筑留下了重大的灾害隐患。在以往地表工业与民用建筑物设计时对 地裂缝带均采取避让的方法，但是地铁工程不同于工业与民用建筑，无法避让，必须穿 越这些地裂缝带，并且建成运营后对其轨道变形控制较严，不允许出现影响列车运营的 变形。因此，西安市地下铁道工程的关键问题是如何解决地铁穿越地裂缝带的问题，可 以说处理好了地裂缝带也就解决了西安市地铁建设的难题。 作为西安市城市交通建设的重大工程项目西安市地铁二号线工程( 南北线) ， 北起火车北站，南至长安韦曲，途经火车北站、南北大街、长安路，线路全长2 6 5 公里。 它的建设将会给西安市的交通带来质的改变，大大缓解目前西安市交通十分拥挤的现 象。这条拟建线路从北到南穿越了l l 条地裂缝，而这些地裂缝有的工程致灾状况十分 严重，其中六、以、以和厶地裂缝带地表出露长，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， 将会给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。 为明确西安地裂缝对地铁工程建设的影响以及可能引起的工程灾害，提出地铁区间 2 长安大学硕士学位论文 隧道通过地裂缝带的安全可靠、经济合理的结构措施，为地铁设计、施工及安全运营提 供科学的理论指导和设计依据，彭建兵教授主持进行了西安市轨道交通二号沿线地裂缝 带的危害及结构措施专题研究项目。本文主要研究西安典型地层埋深2 0 0 m 范围内地裂 缝活动对地铁盾构隧道衬砌的影响，为地铁穿过地裂缝地段采取的结构措施提供科学依 据。 1 2 国内外研究现状 地裂缝属于一种宏观地表破坏现象。地裂作用所形成的地表裂缝是一种由内、外营 力以及人类活动等因素的作用引致发生的一种地面破裂现象【7 1 。自1 9 6 6 年邢台地震以后 对地裂缝的调查与研究大量增多。在不少地区地裂缝穿过多类建筑物，使建筑物损坏、 道路开裂、管道切错，造成了很大的损失；还不时在出现地裂的地区发生有大地震的传 闻。因此地裂缝已成为一种被人们重视、具有一定普遍意义的、独立的地质灾害类别。 1 2 1 国外研究现状 美国是地裂缝研究开展得较为广泛、深入的国家，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。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。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 e 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 ( 1 9 7 7 ) ，f l e i s e 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 c 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【6 7 1 。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：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 3 第一章绪论 的部位形成拉张应力集中，进而产生开裂变形。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 r e a uo f m 姗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碍】。 ( 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。h o l z e r 将地裂缝的形变过程分为：产生平行裂面位移的错断( f a u l t ) 和产 生垂直裂面位移的开裂( f i s s u r e ) 两种不同形式。在此基础上，h a n e b e r g ( 1 9 9 3 又进 一步将地裂缝的成因模式分为：开裂模式( o p e n i n gm o d e ) 、剪裂模式( s h e a f 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。在此基础上，内华达州地质矿产 局( 陋v a d ab 切强a uo fm i n es j 6 帅g e o l o g y ) 的d ch e l m 等人建立了“含水层 上力学”这样一个新的分支学科，籍此来描述土层内流体的运动对地层变形的影响。目 前，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，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 王景明教授经过2 0 多年的悉心探索研究和艰苦的科学实践，获得了一系列重要发 现，形成了一系列独到的见解，掌握了地裂缝形成、发展和分布的规律【7 1 。王景明教授 研究总结得到，现在活动的地裂缝主要集中在大华北地区，东北和华东地区也有零星出 现。近2 0 余年来，因地裂缝造成的灾害频繁发生，给国民经济造成了重大损失。同时， 地裂缝也是一个重大的工程地质问题，越来越受到重视。 2 0 世纪7 0 年代唐山大地震后，出于鉴别震兆的目的，我国的地裂缝研究广泛开展， 4 长安大学硕士学位论文 目前的研究的水平很高，所涉及的区域也十分广泛。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，并且也是目前研究水平最高的。关于汾 渭地堑地裂缝的成因，被认为是这一区域的新近构造活动的产物( 李永善1 9 8 6 ，王景明 1 9 8 9 ) ；另有部分学者认为它是构造活动、人为因素和外力作用叠加影响所致，但也认 同构造作用在裂缝形成过程中的重要作用。 在城市地裂缝灾害研究方面，西安、大同和邯郸等地裂缝出现较早、发育时间较长 的城市一直是灾害研究的重点地区，其中尤以西安的研究水平最高。西安是我国地裂缝 灾害最典型、最严重的城市，相关的科研机构和学者从不同的角度出发，对西安地裂缝 的形成机制进行了深入的探讨，目前比较认可的一种是西安地裂缝的活断层与人工抽水 沉降双重成因模式。关于西安地裂缝成因机制方面的研究，刘国昌、张家明、吴毅加、 李永善、彭建兵、王兰生、刘玉海及徐光黎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【7 】。 在区域地裂缝的成因机制研究的基础上，随着人们对城市地裂灾害认识的逐步深 化，有关地裂缝活动规律预测预报方面的研究也取得了一定进展。冯希杰( 1 9 9 0 ) 根据 地裂缝活动的实测数据，应用静力位错理论分析了地裂缝诱导的垂直位移场，对地裂缝 两盘在一定时间段内的位移幅度进行预测，给出了未来地裂缝带上的垂直活动量。李新一 生( 1 9 9 4 ) 和徐光黎( 1 9 9 6 ) 等还利用v e r h u l s t 模型分别对西安地裂缝和地面沉降活动 的时间规律进行了预测【6 9 1 。此外，陕西地矿局和中国地质大学采用信息量方法提出了西 安地裂缝活动的空间预测预报模型，并根据模型计算的结果编制了西安地裂缝活动程度 空间预测图( 1 9 9 0 ) ，对西安市未来不同地块的地裂缝灾害发育烈度进行了有意义的评 价。 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 年的系统研究，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今 后的发展方向【7 1 。 5 第一章绪论 1 3 本文研究内容 本文的研究内容主要有以下两方面： ( 1 ) 通过大比例尺( 1 ：5 ) 的地裂缝与地铁盾构隧道结构模型试验，研究西安典 型地层埋深2 0 0 m 范围内地裂缝活动对地铁盾构隧道衬砌的影响，包括盾构 隧道衬砌的受力及变形破坏情况、衬砌周围土体的应力和变形情况等，确定盾构隧道衬 砌的受力模式。 ( 2 ) 用m a r c 有限元软件建立了地裂缝与地铁隧道数值模型，通过数值计算，分 析隧道衬砌在地裂缝影响下的受力及变形情况、衬砌附近土体的变形情况等，并与物理 模型试验所得结果进行对比，对模型试验结果进行优化，为地铁二号线经过地裂缝地段 采用盾构法施工的地铁结构设计提供科学依据。 6 长安大学颤十学位论文 第二章西安地裂缝的特征及其危害 2 1 地裂缝的基本特征及空间分布规律 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 现十四条地裂缝带，如图2 1 所示，自北而南分述如下口4 】1 7 0 ： 。 i i i i， 、 1_ 图毛l 西安市地铁二号线与地裂缝位置分布圈 ( 1 ) 城北大明宫辛家庙地裂缝带( 一) 沿光太门黄土粱南侧发育。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4o k m 。总体走向7 5 。，倾向南，倾角7 5 。， 变形带宽达1 5 m 。辛家庙附近地裂缝活动强烈，致灾严重。但未通过地铁二号线设计线 路，对地铁二号线无影响。 ( 2 ) 城北红庙坡一龙首村- 八府庄地裂缝带( 正) 沿龙首塬黄土粱南侧发育。西起星火路，经红庙坡、西安味精厂、八府庄水泥制管 第二章西安地裂缝的基本特征 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( 见图2 2 ) 。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。 索 央 菇 潜、 一 誊气象曩 自强西蓐自强东路 北关十字 茎 北03 0 0 6 0 c 力 图2 2 厶地裂缝平面展布图 地铁二号线在北稍门人人乐超市附近与五地裂缝相交，该处地裂缝已出露于地表。 ( 3 ) 城西劳动公园地裂缝带( 厶) 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( 见图2 3 ) 。勘察查明的长度1 2 k i n ， 其中5 5 k i n 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工地裂缝相交，该处地裂缝已出露于地表。 8 长安大学硕士学位论文 rl 一 ；爷一二g 1 2 ：麓i l 。 ；j 。l 二“：二二三 f 蒿五：；| ，i | 嚣门。 蕊；大 街一钟按一：一，。， 叫r 一 j | 蔫 i f ： f 。菇意一相0 ；- 哆i 裂麓及编号氯褒缝灾骞j 蠡5 麓舅赢弩 图2 3 六和厶地裂缝平面展布图 ( 4 ) 城西南边家村( 西北大学) 地裂缝带( ) 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( 见图 2 3 ) ，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，表明六地裂缝不与地铁二号线相交。 ( 5 ) 城南和平f q d b 地裂缝带( 兀) 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 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 r n 。 兀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一，两者倾向相反，剖面上呈 ”字型，平面上 近似平行，两者间距约3 0 m 。 六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 。 地铁二号线在南稍门小学附近与六地裂缝相交，该处地裂缝已出露于地表。 第二章西安地裂缝的基本特征 ( 6 ) 草场坡( 秦川厂) 地裂缝带( 无) 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 5o - 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 0c m ，目前正在活动，危险性大( 见图2 4 ) ， 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 c m 。 n l 2 整 兰王7 。孟裂缝及编号弩坶r 地裂缝灾害纛譬1 观测点及编号 图2 4 以地裂缝平面展布图 地铁二号线在草场坡与兀地裂缝相交。 已查明草场坡至南窑头村南，五地裂缝南侧发育次生地裂缝，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 。z 地裂缝北倾，与兀地裂缝倾向相反，剖面上呈y 字型。 ( 7 ) 小寨路( 铁炉庙) 地裂缝带( ) 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 i n ，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( 见图2 5 ) ，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 1 0 长安大学硕士学位论文 前该处柏油路面变形带宽达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。 ， 省军医 貉 ；茹 。 二蔓二j 素塔二二r 己 一 一 交丈第一医院i 03 0 06 0 0 i i ) l “ 一- 一飞裂麓及编号 矶裂缝灾害点警缆溺赢及编号 图2 5 地裂缝平面展布图 ( 8 ) 大雁塔- 北池头地裂缝带( 石) 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 5 k i n 。 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。 ( 9 ) 电视塔北陕师大地裂缝带( 石) 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 m ，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 l o o m ，近似平行。 地铁二号线与石地裂缝相交于长延堡村附近，该处石和爿地裂缝均已出露于地表 ( 见图2 6 ) 。 1 1 第二章西安地裂缝的基本特征 丈a 东路一 嚣痿籍 7 电搅塔0 。3 0 0 6 0 1 ) 一一鱼j & 缝及编号p 袈缝灾害点g 21 观游点及编号 图2 6 石地裂缝平面展布图 ( 1 0 ) 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1 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( 见图2 7 ) 。 囊重# 干 ： 一 。埘mt 黼 “ i ，、。， l 铹 l 嚏鬟重警l , - - a l i a i 囊w 4 l - 一矗 孳 图2 7 石o 、z l 和z 2 地裂缝平面展布图 ( 1 1 ) 南寨子一新小寨地裂缝带( 石) 分布于结核病院黄土梁的南侧梁洼转折部位。西起南寨子村，经西三爻村南、南绕 1 2 长安大学硕士学位论文 城高速长安路立交，东至南寨子村。全长约2 5 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， 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( 见图2 7 ) ，该处地裂缝活 动强烈。 ( 1 2 ) 东三爻地裂缝带( 一：) 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( 见图2 7 ) 。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 i n ，其中在地表出露的长度仅0 5 k r a 。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。 地铁二号线与五：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。 ( 1 3 ) 曲江池地裂缝带( 石，) 西起曲江旅游度假区，向东经北庄子至新开门村南。出露长度约3 k m ，走向n e ， 倾向s e ，倾角8 0 0 ，该条地裂缝于2 0 0 1 年6 月一场暴雨后出露地表。地裂缝西端在距 地铁二号线约2 5 k m 处尖灭，地铁二号线附近未见开裂变形现象。 ( 1 4 ) 清凉山地裂缝带( z 。) 清凉山位于西安市长安区上塔坡村，东距地铁二号线1 2 k i n ，山梁东南侧地表发现 一条n e 向的裂缝，出露长度3 0 0 m 。据访问调查该地裂缝最早于1 9 8 6 年发现，雨后农 田中出现了1 0 c m 宽的裂缝，裂缝的s e 盘相对n w 盘下降，两者高差约1 0 c m 。此后裂 缝持续缓慢发展，近几年两盘高差超过4 0 c m 。裂缝向北东、南西两侧延伸较远，走向 约n e 4 0 。但活动性逐渐减弱，在线路附近呈隐伏状态。 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、似等间距性、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 3 * 一 目立地裂缱的堆$ 特征 ( 1 ) 平面展靠特征 西安地裂缝是在西安正断层组的基础上发育起来的，“1 南而北在黄土粱沣之间有规 律排列，均位于黄土梁的南侧，呈带状分布( 如图2 8 所示) 。在平面上呈左行雁列，主 体走向为n e 7 0 。8 0 0 。它们一般都山t 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，删距为 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 位卜降区的分布位罨相吻合，而地裂缝则出现在地而沉降楷边缘的陡变地带上，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28 ) 。 ( 2 ) 剖面结构特征 西安地裂缝在剖面上的形态傲为上宽f 窄的楔形，向下逐渐变窄变少，最深达三 百余米。地裂缝土体倾向南，倾角较陡，一般在7 0 0 以e 。但是，主干地裂缝与次绒地 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29 a ) 、 “，字型( 罔29 b ) 和追踪式( 图29 c ) ，其中y 字型颇具构造意义，它是地裂缝南盘r 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【9 】。 图2 9 西安地裂缝带剖面组合形式图 2 2 地裂缝的活动特征 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 r a t r d a ：活 动微弱，速率 ，i ：二三二j 7 vtr 、l 三； 。 r i l - - i - - 1 7 l 1 一1 7 l 2 1 一1 船1 千1 7 l ，i 1 一1 7 l 5 _ 1 一1 7 l 垂1 一1 7 l 7 1 一1 7 l 8 一1 7 l 9 1 如1 7 l 1 0 - 1 - 2 0 24 681 01 21 41 61 8 2 02 2 沉降繁( c m ) 图4 2 31 7 - 1 8 环间螺栓凸面上应变片应变曲线 由图4 2 3 可以看出，下盘1 7 1 8 环间，南侧壁处纵向螺栓凸面上应变片在下降1 6 c m 时发生破坏。 沉降燕( c m ) 卜1 8 l 1 1 一1 8 l 2 1 一1 8 l 4 1 一 一1 8 l 事1 1 8l i b 1 1 8 l 7 1 + 1 8 l 8 _ 1 卜一1 8 l 9 - 1 卜1 8 l 1 0 - 1 图4 2 41 8 - 1 9 环问螺栓凸面上应变片应变曲线 由图4 2 4 可以看出，下盘1 8 - , , 1 9 环间纵向螺栓凸面上应变片没有发生破坏，北侧拱 腰处螺栓在下降1 4 c m 时受拉屈服。 4 9 第四章模型试验数据分析 沉降最( 鲫) - - - i f - 1 9 l 1 1 卜1 9 l 2 1 - 1 9 l 3 - 1 一r1 9 l 4 - ， 一1 9 l 5 - 1 一1 9 l 6 - 一1 9 l 7 1 _ 1 9 l 8 - 1 一一1 9 l 9 _ 1 1 一1 9 l 1 0 - 1 图4 2 51 9 - 2 0 环间螺栓凸面上应变片应变曲线 由图4 2 5 可以看出，下盘1 9 - 2 0 环问纵向螺栓凸面上应变片没有发生破坏。 1 0 4 ) 趴； 么甚嗣b 毽。 l 二二糕 么髟。_ 二：、，；一7 j冀nr 、 k ；翻斟一l p ：纱k 誉秣； 、1k ? 亍 吖 f 1 k - j 1i - - 2 o2 4 681 0 1 2 1 1 8 1 8 2 02 2 沉降纛( 伽) 一2 0 l 1 1 一2 0 l 2 1 _ 一2 0 l 3 - 1 卜2 0 l 4 - 1 一2 0 l 5 - 1 2 0 l j 5 _ 1 + 2 0 l 7 1 一2 0 睁1 一一2 0 l 1 0 - 图4 2 62 0 - - 2 1 环间螺栓凸面上应变片应变曲线 由图4 2 6 可以看出，下盘2 0 - - , 2 1 环间纵向螺栓凸面上应变片没有发生破坏，但明显 可以看到下降1 4 c m 时北侧壁处螺栓受拉屈服。 “0 一) 二一l j + 毒：一# t jo 立二一毒- - 一- 4 ? 二- 。一蕾j + 墨：二一 一一! 一! 二t 一鼍一一： ” 一- 。， l - 2 0 24 881 0t 21 4t 61 8 2 02 2 沉降最( c m ) l 一1 5 l 1 - 2 一1 5 l 2 2 一1 5 啪 ，r1 5 i 2 1 5 l 7 2 _ 一1 到8 2 一1