西安地裂縫對線狀工程設施的破壞及其防治措施＊

高虎艷 李忠生

（1.西安市地下鐵道有限責任公司，710018，西安；2.長安大學地質工程與測繪學院，710054，西安∥第一作者，高級工程師）

1 西安地裂縫

西安地裂縫由主裂縫、次生地裂縫和分支地裂縫組成，總體走向近似平行于臨潼－長安斷裂；目前已發(fā)現(xiàn)的14條地裂縫，都發(fā)育在黃土梁洼特定的構造地貌部位，即梁洼地貌的南側陡坡下。不管黃土梁的局部如何改變，地裂縫總是與其緊密相伴。地裂縫平面形態(tài)呈約500～1 500m不等間距平行排列。地裂縫的延伸具有很好的連續(xù)性，每條地裂縫的延伸長度達數(shù)千米至數(shù)十千米［1－2］。圖1顯示了目前西安地裂縫的平面分布狀況。

圖1 西安地裂縫平面分布示意圖［3］

地表監(jiān)測資料表明，西安地裂縫有垂向位移、水平拉張和水平扭動共3個方向的活動。其中，以垂向位移最為強烈，主要表現(xiàn)為主地裂縫的南側（上盤）下降，北側（下盤）相對上升，活動速率可達5～30mm／a，最大為56mm／a；水平拉張居中，活動速度為2～10 mm／a；水平扭動最小，活動速度為1～2mm／a?；顒铀俾试跁r空上分布不均，西安市東南郊一帶活動速率高，一般在5～30mm／a，西北郊相對較弱，在1～10 mm／a之間。同一條地裂縫不同地段活動強度也有差異，總體規(guī)律是東強西弱，南強北弱［1－2］。

在政府和科研部門的高度關注下，經(jīng)過30多年的深入研究，現(xiàn)已查明西安地裂縫受控于臨潼－長安斷裂，其地面斷裂是一組既有的先存斷裂的構造蠕滑與過量開采承壓水引起的地面差異沉降的疊加所致，且過量抽取地下水對地裂縫的活動貢獻遠大于構造斷裂。

2 西安地裂縫對線狀工程的破壞

城市線狀工程設施包括道路、地鐵、橋梁、地下管線等，由于這些工程的不可繞避性，經(jīng)常受到地裂縫活動的干擾和破壞。據(jù)統(tǒng)計，從1977—2000年的20余年里，西安市因地裂縫造成的經(jīng)濟損失高達16.9億元［2］。

2.1 對地鐵工程的危害

目前，西安地鐵2號線已實現(xiàn)通車運營，1號線正在施工，計劃于2013年建成通車，3號線土建施工即將全線展開。西安地鐵的這3條骨干線路多次穿越西安地裂縫。其中南北向的2號線穿越西安地裂縫共13條（含2條次級地裂縫）13次［4］，東西向的1號線穿越西安地裂縫共5條8次［5］，南西—東北向的3號線穿越西安地裂縫共8條15次［6］（見圖1）。地裂縫活動可能對地鐵工程造成下列影響：①地裂縫兩側錯動導致地鐵隧道結構開裂；②地裂縫帶的活動通過襯砌傳遞到隧道內部，導致跨地裂縫段的軌道、接觸網(wǎng)等各種設施產(chǎn)生變形；③造成隧道防滲設施破壞，引起地下水入滲地鐵隧道。這些現(xiàn)象將嚴重影響列車的正常運行甚至導致地鐵停運。

2.2 對道橋的危害

地裂縫致道路開裂、橋梁變形的情況在西安有許多，比較有代表性的當屬南二環(huán)長安路立交橋。該橋恰與地裂縫f6相交，地裂縫活動使得該橋整體變形，橋面伸縮橡膠止水帶被拉裂破壞，橋面板垂直錯距達3～16.5cm，水平錯距約4cm，水平張量3～10cm［7］，橋體東側的地面也出現(xiàn)了20多cm的沉降（見圖2）。另外，在西安南繞城高速長安出口附近的f11地裂縫近年來活動異常強烈，目前已在路面形成20～30cm的錯坎，嚴重影響了路面車輛通行（見圖3）。

地裂縫對道路的危害除了錯斷路面之外，還會因路面破裂而導致雨季時地表水的大量下滲。雨水下滲不僅沖蝕路面下灰土墊層，而且會引起近地表土的濕陷效應，這些因素與地裂縫活動疊加在一起，形成負反饋效應，加重路面破壞程度。

圖2 南二環(huán)長安路立交橋f6地裂縫錯斷地面照片

圖3 南繞城長安路出口f11地裂縫地表開裂照片

2.3 對地下管線的危害

地下管線包括供水管道、污水管道、天然氣管道、供暖管道，以及各種通信線、電力電纜等設施。在西安，經(jīng)常會有因地裂縫活動而導致的上水、下水、供暖、供氣等管線的斷裂事故。另外地裂縫的沉降還造成許多區(qū)域排水管道坡度減小甚至形成倒坡，使雨、污水排水不暢。自1976年至2000年的不完全統(tǒng)計，地裂縫錯斷城市地下供水、供氣管有40多次［2］。

3 防治對策

防治地裂縫災害的發(fā)生包括主動防治和被動防治兩種。其中，主動防治是指消除或減弱地裂縫活動的誘因，起到釜底抽薪的作用；被動防治則是根據(jù)地裂縫的活動特點和規(guī)律，在設計、施工和材料上采用一系列方案措施，以達到抵抗或減輕地裂縫災害的目的。研究成果表明，西安地裂縫活動主要是由于過量開采承壓水引起的，因此，禁止開采承壓水是防治地裂縫活動的最根本措施。

3.1 地鐵工程的防治對策

由于地鐵工程的線性特點，其線路無法繞過地裂縫，不得不強行穿越。地鐵運營安全的高度重要性迫使建設項目要準確查清各地裂縫與線路相交點的位置、地裂縫的傾角及走向、線路附近地裂縫的活動速率等重要參數(shù)，并做地鐵隧道穿越地裂縫的專題研究［8］，為地鐵線路跨越地裂縫段的特殊處理提供準確參數(shù)。在大量的研究基本上，針對各條地裂縫不同的變形量，經(jīng)過充分的論證，在地裂縫處理中對各條地裂縫的百年變形量按500mm預留考慮?？绲亓芽p段的結構處理原則為“分段處理、柔性接頭、襯砌加強、預留凈空、道床可調、加強監(jiān)測、先結構后防水”。具體措施有［9］：①采用明挖法或淺埋暗挖法擴大斷面，預留必要的變形量，通過適當設置變形縫適應地裂縫未來百年的變形；②在地裂縫處理段的結構應擴大斷面、預留凈空，以便在地鐵使用期內，地裂縫錯動后仍能通過線路調坡來保證行車；③對地裂縫段的變形縫采取特殊的防水處理措施，使其在達到最大變形量時能夠起到防水作用；④對于軌道結構方案，采用可調式的框架板道床，滿足地裂縫變形調整的要求。

盡管如此，地鐵線路仍應盡量避免與地裂縫小角度穿越，特別不能與地裂縫帶平行重合。例如：1號線長樂坡——浐河區(qū)間，為了加大穿越地裂縫f6的角度，將線路方案由最初的沿長樂東路的東西向直線調整為S型曲線，加大了穿越地裂縫的角度；在3號線小寨西路附近，為避免線路與f7地裂縫小角度相交和平行距離過近，線路方案向南做了適當?shù)恼{整。

3.2 道橋工程的防治對策

對于跨地裂縫橋梁工程的處理，南二環(huán)長安立交橋跨結構采取了如下措施［10］：①橋跨結構采用靜定體系——簡支梁；② 由于橋面較寬，設計時以中央分隔帶和機、非分隔帶為界，在順橋向設計為4個獨立的橋，以減少橋面板的整體寬度；③樁基采用擴大基礎、加強基礎配筋、增大基礎埋深、獨立修筑等措施，以減少地裂縫對其的影響。經(jīng)多年使用，地裂縫雖然引起立交橋的整體幾何變形，但并未對橋梁的結構產(chǎn)生大的受力破壞，整個橋墩未出現(xiàn)傾斜病害，目前仍在正常使用［9］。

在借鑒南二環(huán)長安立交成功防治地裂縫范例的基礎上，西安南繞城高速路與f9地裂縫相交地段采取了以下對策［10］：①減小跨徑，將上、下行橋梁分體修建，兩幅橋下墩臺排列錯開，墩臺基礎置于地裂縫變形區(qū)之外；②橋跨采用簡支梁體系；③為減小以后橋梁維修時頂升重量，采用了鋼箱梁結構，并在墩臺頂預留了放置千斤頂?shù)奈恢谩Ｄ壳霸摱胃呒軜蜻\行正常。

由于地裂縫為緩變型地質災害，對于一般道路工程，目前設計施工上尚未采取特別措施。道路防治地裂縫的措施主要以定期檢查、隨時封堵路面破裂口為主，對于路面落差較大的地裂縫處，可加長修補范圍，變臺階式落差為緩坡式過渡，減輕通過車輛的顛簸。

3.3 管線工程的防治對策

3.3.1 天然氣管道

與來自地下深部地裂縫的巨大破壞力相比，任何的人工加固都顯得非常脆弱，因此，應對地裂縫最好的思路是適應地裂縫變形。在天然氣管道穿越地裂縫處，最佳的防治措施就是設置柔性接口：在跨越地裂縫主變形帶處，用波紋管將數(shù)段管道銜接起來，管下安置高低調節(jié)架，可隨地裂縫活動反向調整（見圖4）。管道采取管溝鋪設，上蓋蓋板，中間填充減震材料，使管道容易適應變形。

圖4 跨地裂縫段天然氣管道的波紋管柔性接頭

3.3.2 排水管道

排水管道遇到地裂帶時，最好采取避讓的辦法，在規(guī)劃、設計排水管道階段盡量繞開已知的地裂帶，無法完全避開地裂縫時采用柔性接口，在地裂縫上盤15m、下盤10m范圍內的排水管道，選用聚乙烯雙臂波紋管 （PE）或雙波紋塑料螺旋管等可變形較大的管材。為了避免柔性管道受到剛性擠壓，可將管材安放于充滿粗沙的溝槽中。另外，盡可能在距地裂縫最近的檢查井設置跌水，跌水設置要大一些，為以后地裂縫處的排水管再次改造預留條件，避免產(chǎn)生倒坡［11］。

4 結語

西安地裂縫的破壞力源于地下深部，工程加固收效甚微，各種市政設施最好采取避讓、繞行的辦法。線狀工程實在無法繞避地裂縫時，最佳可行的對策是適應地裂縫變形。即采用化整為零的分段處理思路，各段長度遵循地裂縫主變形帶內短、次變形帶內長的原則，各段之間使用柔性接口，同時預留調整空間，定期監(jiān)測，隨時調整設施。對重要的設施工程，要特別防患地裂縫破壞引發(fā)的次生災害，做好應急預案。

［1］ 張家明.西安地裂縫研究［M］.西安：西北大學出版社，1990.

［2］ 王景明.地裂縫及其災害的理論與應用［M］.西安：陜西科技出版社，2000.

［3］ DBJ 61—6—2006西安地裂縫場地勘察與工程設計規(guī)程［S］.

［4］ 長安大學工程設計研究院.西安市城市快速軌道交通二號線詳細勘察階段沿線地裂縫勘察報告［R］.西安：長安大學工程設計研究院，2007.

［5］ 長安大學工程設計研究院.西安市地鐵一號線詳細勘察階段沿線地裂縫勘察報告［R］.西安：長安大學工程設計研究院，2009.

［6］ 長安大學工程設計研究院.西安市地鐵三號線一期工程工可階段沿線地裂縫勘察報告［R］.西安：長安大學工程設計研究院，2010.

［7］ 石玉玲，門玉明，彭建兵，等.西安市地裂縫對長安路立交橋致災機理調查研究［J］.中國地質災害與防治學報，2009，20（2）：65.

［8］ 彭建兵，胡志平，門玉明，等.馬蹄形隧道40°斜穿地裂縫的變形破壞機制試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2009，28（11）：2258.

［9］ 樊紅衛(wèi).西安地鐵2號線穿越地裂縫的技術措施［J］.都市快軌交通，2008，21（4）：19.

［10］ 毛應生，柳麗英，王德信，等.西安市地裂對市政構筑物的破壞機理與對策的探討［J］.城市道橋與防洪，2002（2）：1.

［11］ 馬廣超.西安地裂縫對地下排水管道的破壞及防治［J］.災害學，2005，20（3）：108.