西安地裂縫對(duì)線狀工程設(shè)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(zé)任公司，710018，西安；2.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，710054，西安∥第一作者，高級(jí)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(zhǎng)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(gòu)造地貌部位，即梁洼地貌的南側(cè)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(zhǎng)度達(dá)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(cè)資料表明，西安地裂縫有垂向位移、水平拉張和水平扭動(dòng)共3個(gè)方向的活動(dòng)。其中，以垂向位移最為強(qiáng)烈，主要表現(xiàn)為主地裂縫的南側(cè)（上盤）下降，北側(cè)（下盤）相對(duì)上升，活動(dòng)速率可達(dá)5～30mm／a，最大為56mm／a；水平拉張居中，活動(dòng)速度為2～10 mm／a；水平扭動(dòng)最小，活動(dòng)速度為1～2mm／a。活動(dòng)速率在時(shí)空上分布不均，西安市東南郊一帶活動(dòng)速率高，一般在5～30mm／a，西北郊相對(duì)較弱，在1～10 mm／a之間。同一條地裂縫不同地段活動(dòng)強(qiáng)度也有差異，總體規(guī)律是東強(qiáng)西弱，南強(qiáng)北弱［1－2］。

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

2 西安地裂縫對(duì)線狀工程的破壞

城市線狀工程設(shè)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(dòng)的干擾和破壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從1977—2000年的20余年里，西安市因地裂縫造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)16.9億元［2］。

2.1 對(duì)地鐵工程的危害

目前，西安地鐵2號(hào)線已實(shí)現(xiàn)通車運(yùn)營(yíng)，1號(hào)線正在施工，計(jì)劃于2013年建成通車，3號(hào)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(hào)線穿越西安地裂縫共13條（含2條次級(jí)地裂縫）13次［4］，東西向的1號(hào)線穿越西安地裂縫共5條8次［5］，南西—東北向的3號(hào)線穿越西安地裂縫共8條15次［6］（見(jiàn)圖1）。地裂縫活動(dòng)可能對(duì)地鐵工程造成下列影響：①地裂縫兩側(cè)錯(cuò)動(dòng)導(dǎo)致地鐵隧道結(jié)構(gòu)開裂；②地裂縫帶的活動(dòng)通過(guò)襯砌傳遞到隧道內(nèi)部，導(dǎo)致跨地裂縫段的軌道、接觸網(wǎng)等各種設(shè)施產(chǎn)生變形；③造成隧道防滲設(shè)施破壞，引起地下水入滲地鐵隧道。這些現(xiàn)象將嚴(yán)重影響列車的正常運(yùn)行甚至導(dǎo)致地鐵停運(yùn)。

2.2 對(duì)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(dāng)屬南二環(huán)長(zhǎng)安路立交橋。該橋恰與地裂縫f6相交，地裂縫活動(dòng)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(cuò)距達(dá)3～16.5cm，水平錯(cuò)距約4cm，水平張量3～10cm［7］，橋體東側(cè)的地面也出現(xiàn)了20多cm的沉降（見(jiàn)圖2）。另外，在西安南繞城高速長(zhǎng)安出口附近的f11地裂縫近年來(lái)活動(dòng)異常強(qiáng)烈，目前已在路面形成20～30cm的錯(cuò)坎，嚴(yán)重影響了路面車輛通行（見(jiàn)圖3）。

地裂縫對(duì)道路的危害除了錯(cuò)斷路面之外，還會(huì)因路面破裂而導(dǎo)致雨季時(shí)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(huì)引起近地表土的濕陷效應(yīng)，這些因素與地裂縫活動(dòng)疊加在一起，形成負(fù)反饋效應(yīng)，加重路面破壞程度。

圖2 南二環(huán)長(zhǎng)安路立交橋f6地裂縫錯(cuò)斷地面照片

圖3 南繞城長(zhǎng)安路出口f11地裂縫地表開裂照片

2.3 對(duì)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(shè)施。在西安，經(jīng)常會(huì)有因地裂縫活動(dòng)而導(dǎo)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(jì)，地裂縫錯(cuò)斷城市地下供水、供氣管有40多次［2］。

3 防治對(duì)策

防治地裂縫災(zāi)害的發(fā)生包括主動(dòng)防治和被動(dòng)防治兩種。其中，主動(dòng)防治是指消除或減弱地裂縫活動(dòng)的誘因，起到釜底抽薪的作用；被動(dòng)防治則是根據(jù)地裂縫的活動(dòng)特點(diǎn)和規(guī)律，在設(shè)計(jì)、施工和材料上采用一系列方案措施，以達(dá)到抵抗或減輕地裂縫災(zāi)害的目的。研究成果表明，西安地裂縫活動(dòng)主要是由于過(guò)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(dòng)的最根本措施。

3.1 地鐵工程的防治對(duì)策

由于地鐵工程的線性特點(diǎn)，其線路無(wú)法繞過(guò)地裂縫，不得不強(qiáng)行穿越。地鐵運(yùn)營(yíng)安全的高度重要性迫使建設(shè)項(xiàng)目要準(zhǔn)確查清各地裂縫與線路相交點(diǎn)的位置、地裂縫的傾角及走向、線路附近地裂縫的活動(dòng)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(zhǔn)確參數(shù)。在大量的研究基本上，針對(duì)各條地裂縫不同的變形量，經(jīng)過(guò)充分的論證，在地裂縫處理中對(duì)各條地裂縫的百年變形量按500mm預(yù)留考慮。跨地裂縫段的結(jié)構(gòu)處理原則為“分段處理、柔性接頭、襯砌加強(qiáng)、預(yù)留凈空、道床可調(diào)、加強(qiáng)監(jiān)測(cè)、先結(jié)構(gòu)后防水”。具體措施有［9］：①采用明挖法或淺埋暗挖法擴(kuò)大斷面，預(yù)留必要的變形量，通過(guò)適當(dāng)設(shè)置變形縫適應(yīng)地裂縫未來(lái)百年的變形；②在地裂縫處理段的結(jié)構(gòu)應(yīng)擴(kuò)大斷面、預(yù)留凈空，以便在地鐵使用期內(nèi)，地裂縫錯(cuò)動(dòng)后仍能通過(guò)線路調(diào)坡來(lái)保證行車；③對(duì)地裂縫段的變形縫采取特殊的防水處理措施，使其在達(dá)到最大變形量時(shí)能夠起到防水作用；④對(duì)于軌道結(jié)構(gòu)方案，采用可調(diào)式的框架板道床，滿足地裂縫變形調(diào)整的要求。

盡管如此，地鐵線路仍應(yīng)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(hào)線長(zhǎng)樂(lè)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(zhǎng)樂(lè)東路的東西向直線調(diào)整為S型曲線，加大了穿越地裂縫的角度；在3號(hào)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(guò)近，線路方案向南做了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

3.2 道橋工程的防治對(duì)策

對(duì)于跨地裂縫橋梁工程的處理，南二環(huán)長(zhǎng)安立交橋跨結(jié)構(gòu)采取了如下措施［10］：①橋跨結(jié)構(gòu)采用靜定體系——簡(jiǎn)支梁；② 由于橋面較寬，設(shè)計(jì)時(shí)以中央分隔帶和機(jī)、非分隔帶為界，在順橋向設(shè)計(jì)為4個(gè)獨(dú)立的橋，以減少橋面板的整體寬度；③樁基采用擴(kuò)大基礎(chǔ)、加強(qiáng)基礎(chǔ)配筋、增大基礎(chǔ)埋深、獨(dú)立修筑等措施，以減少地裂縫對(duì)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(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大的受力破壞，整個(gè)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(zhǎng)安立交成功防治地裂縫范例的基礎(chǔ)上，西安南繞城高速路與f9地裂縫相交地段采取了以下對(duì)策［10］：①減小跨徑，將上、下行橋梁分體修建，兩幅橋下墩臺(tái)排列錯(cuò)開，墩臺(tái)基礎(chǔ)置于地裂縫變形區(qū)之外；②橋跨采用簡(jiǎn)支梁體系；③為減小以后橋梁維修時(shí)頂升重量，采用了鋼箱梁結(jié)構(gòu)，并在墩臺(tái)頂預(yù)留了放置千斤頂?shù)奈恢谩Ｄ壳霸摱胃呒軜蜻\(yùn)行正常。

由于地裂縫為緩變型地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)于一般道路工程，目前設(shè)計(jì)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(shí)封堵路面破裂口為主，對(duì)于路面落差較大的地裂縫處，可加長(zhǎng)修補(bǔ)范圍，變臺(tái)階式落差為緩坡式過(guò)渡，減輕通過(guò)車輛的顛簸。

3.3 管線工程的防治對(duì)策

3.3.1 天然氣管道

與來(lái)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(yīng)對(duì)地裂縫最好的思路是適應(yīng)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(shè)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(lái)，管下安置高低調(diào)節(jié)架，可隨地裂縫活動(dòng)反向調(diào)整（見(jiàn)圖4）。管道采取管溝鋪設(shè)，上蓋蓋板，中間填充減震材料，使管道容易適應(yīng)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(shí)，最好采取避讓的辦法，在規(guī)劃、設(shè)計(jì)排水管道階段盡量繞開已知的地裂帶，無(wú)法完全避開地裂縫時(shí)采用柔性接口，在地裂縫上盤15m、下盤10m范圍內(nèi)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(shè)置跌水，跌水設(shè)置要大一些，為以后地裂縫處的排水管再次改造預(yù)留條件，避免產(chǎn)生倒坡［11］。

4 結(jié)語(yǔ)

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(shè)施最好采取避讓、繞行的辦法。線狀工程實(shí)在無(wú)法繞避地裂縫時(shí)，最佳可行的對(duì)策是適應(yīng)地裂縫變形。即采用化整為零的分段處理思路，各段長(zhǎng)度遵循地裂縫主變形帶內(nèi)短、次變形帶內(nèi)長(zhǎng)的原則，各段之間使用柔性接口，同時(shí)預(yù)留調(diào)整空間，定期監(jiān)測(cè)，隨時(shí)調(diào)整設(shè)施。對(duì)重要的設(shè)施工程，要特別防患地裂縫破壞引發(fā)的次生災(zāi)害，做好應(yīng)急預(yù)案。

［1］ 張家明.西安地裂縫研究［M］.西安：西北大學(xué)出版社，1990.

［2］ 王景明.地裂縫及其災(zāi)害的理論與應(yīng)用［M］.西安：陜西科技出版社，2000.

［3］ DBJ 61—6—2006西安地裂縫場(chǎng)地勘察與工程設(shè)計(jì)規(guī)程［S］.

［4］ 長(zhǎng)安大學(xué)工程設(shè)計(jì)研究院.西安市城市快速軌道交通二號(hào)線詳細(xì)勘察階段沿線地裂縫勘察報(bào)告［R］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)工程設(shè)計(jì)研究院，2007.

［5］ 長(zhǎng)安大學(xué)工程設(shè)計(jì)研究院.西安市地鐵一號(hào)線詳細(xì)勘察階段沿線地裂縫勘察報(bào)告［R］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)工程設(shè)計(jì)研究院，2009.

［6］ 長(zhǎng)安大學(xué)工程設(shè)計(jì)研究院.西安市地鐵三號(hào)線一期工程工可階段沿線地裂縫勘察報(bào)告［R］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)工程設(shè)計(jì)研究院，2010.

［7］ 石玉玲，門玉明，彭建兵，等.西安市地裂縫對(duì)長(zhǎng)安路立交橋致災(zāi)機(jī)理調(diào)查研究［J］.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，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(jī)制試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28（11）：2258.

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

［10］ 毛應(yīng)生，柳麗英，王德信，等.西安市地裂對(duì)市政構(gòu)筑物的破壞機(jī)理與對(duì)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(duì)地下排水管道的破壞及防治［J］.災(zāi)害學(xué)，2005，20（3）：108.