地下管道跨越西安地裂縫的研究綜述

(西安工業大學建筑工程學院 陜西 西安 710021)

地下管道跨越西安地裂縫的研究綜述

李尚哲韓雪瑩

(西安工業大學建筑工程學院陜西西安710021)

西安地區地裂縫災害較為嚴重，其活動對地下管道建設造成嚴重威脅。以地下管道穿越地裂縫為研究對象，通過對現有的地下管道跨越西安地裂縫帶工程資料的分析，以及在前人研究探索可行的基礎上，總結了地裂縫活動對地下管道的破壞模式，及相應的幾類措施用來降低地裂縫活動的危害，為地下管道工程建設積累一些經驗。

地下管道；西安地裂縫；跨越；防治措施

西安作為中國西北地區最大的城市，正發展成為我國重要的內陸開放城市；隨著城市經濟飛速地發展，一系列問題也接踵而至，自上世紀五十年代以來，西安市區先后出現了14條地裂縫(帶),其經過之處，不少地下空間結構設施和地面建(構)筑物遭到破壞,且地裂縫活動時間之長、規模之大，在國內外均十分罕見，而且現今地裂縫還在不斷發展中。[1-4]本文通過大量的實際資料，總結了多年來的研究成果，提出防治措施，對今后進一步加強研究，減少災害損失有一定的積極意義。

一、地裂縫概述

由于人為過量抽取地下水，加上大規模的建設基礎設施，目前已發現14條西安地裂縫帶。這些地裂縫均分布在黃土梁洼地貌范圍內，與黃土梁洼分布相對應，一般出現在黃土梁的南側，呈帶狀分布，在平面上總體走向為NE70°～80°；在剖面上的形態一般為上寬下窄的楔形，向下逐漸變窄變少，最深達三百余米。地裂縫主體傾向南，傾角較陡，一般在70°以上。西安地裂縫帶基本具有統一的三維空間運動變形特征。即南傾南降的垂直位移、水平引張和水平扭動。其中以垂直位移量為最大，南北引張量次之，而水平錯動量則很小，三者之比為1∶0.31∶0.03[3,5]。監測數據表明地裂縫水平扭動量很小，它是由于地層差異沉降引起的，屬于地裂縫地表效應的范疇。

二、地裂縫對地下管道的破壞

在一定的范圍內地裂縫活動會使其周圍土體發生位移，進而產生相應形變和應力，長期的作用會導致災害問題。相比較其它地下建筑物，地下管道單位長度質量小，埋設較淺，其相對變形受周圍土體的相對運動影響較大。地下管道可承受的變形非常有限，而地裂縫活動時，上下盤土體積累的相對變形遠遠超過了地下管道可承受的變形范圍；地裂縫致災的影響范圍限于地裂縫帶的影響空間范圍，對遠離地裂縫帶的外圍地段和更深處不具有影響作用。

地裂縫對地下管道的破壞模式主要是先拉后剪，先水平張裂再沿裂面垂直剪切。管道破壞的情況與地下管道和地裂縫空間相交的情況相關，管道在與地裂縫垂直相交，且地裂縫垂直差異沉降速度快、位移較大的情況下，地下管道大多發生直剪破壞，表現為上寬下窄；管道在與地裂縫垂直相交，且地裂縫垂直差異沉降速度較慢時，地下管道發生彎剪破壞；管道在與地裂縫小角度斜交，且在地裂縫的縱向水平扭動作用下，耐管道發生的扭剪破壞。

在地裂縫活動下，地下管道除了發生上述破壞情況外，管道接頭處的破壞也十分常見，長期的地裂縫活動加劇管道接頭的受力和位移，使管道接頭成為薄弱環節，容易發生破壞。

同時，地裂縫活動嚴重威脅著供氣、供水等地下管道系統的運營與維護，不僅會造成地下管道系統的直接損壞，同時也可能引發次生災害：如地裂縫活動導致煤氣管道斷裂，易引發爆炸等。嚴重危害著城市的生產生活，對社會和環境的威脅巨大。

三、地下管道穿越地裂縫的防治措施

在目前的地下管道建設中，運用著一些較為常見的防治措施：

(1)選擇合適穿越地裂縫的位置：排水管道遇到地裂縫帶時，現在主要采取避讓的辦法，盡量避開、繞開已知的地裂帶。但是由于西安地區實際的情況，使得在規劃、設計時無法完全避讓這些地裂縫，不得不考慮跨越地裂縫時，就要優先選擇管道穿越地裂縫斷層的最有利走向。地裂縫的發育有比較穩定的方向性和成帶性，因此可以測定構造地裂縫的位置、產狀、活動性及影響寬度。

(2)管道柔性設計：地下管道柔性設計的目的是保證地下管道在設計允許的條件下具有足夠的柔性，防止地下管道在跨越地裂縫時由于地裂縫的上下盤土體錯動而造成管道連接處產生過大的應力或變形。對于埋地的一般排水管材允許的變形量遠小于地裂縫活動的形變量，在地裂縫活動的作用下都會發生破壞。

(3)淺埋：地裂縫長期豎向錯動、垂直差異運動導致的剪切破壞在地層最上層產生的影響較小，隨著地下管道埋深的加大，其覆土壓力、管道與周圍土體縱向摩擦力就越大，其在地裂縫活動中越容易產生較大的變形；因此減少地下管道的埋深，降低地裂縫作用時管道周圍土體對管道的約束力，在一定程度內，可以減少對管道的破壞。

(4)采用柔性接頭：柔性接頭可以吸收一部分錯動位移，接頭曲率半徑越大，吸收變形的能力就越強，地下管道過地裂縫段一般都設柔性接頭。采用柔性接頭方案更加適合于應對錯動量較大地裂縫活動。

四、結論

本文通過了解地裂縫的基本特征和收集地下管道的相關資料后，分析了地裂縫活動時，跨地裂縫的地下管道的變形破壞模式和機理，得到如下結論：(1)在地裂縫沉降的過程中，地裂縫的上盤土體在靠近地裂縫處發生傾斜，越靠近地裂縫處傾斜量越大，在地裂縫活動時，雖然地下管道的受力較復雜，但是，管道變形都能視為拉伸壓縮、剪切、扭轉和彎曲四種基本變形的組合。(2)管道破壞的情況和管道與地裂縫相交的情況相關，垂直相交時，垂直差異沉降速度快，地下管道大多發生直剪破壞；地裂縫垂直差異沉降速度較慢，地下管道發生彎剪破壞；小角度斜交，在地裂縫的縱向水平扭動作用下，地下管道發生的扭剪破壞。(3)管道埋深較淺所受的縱向應力和剪應力均較小，應在地下管道穿越地裂縫時盡可能淺埋，在較大斷層處可改為地面敷設。(4)由于地裂縫活動上盤土體將會產生沉降，因此，應長期監測地裂縫的活動，當沉降量到達一定程度，可以采取注漿、回填等加固措施，改善管道受力。

五、展望

由于地裂縫活動的不確定、復雜性和長期性，還有國內外對地下管道過地裂縫的研究成果不多，以及本人的知識有限，要完全合理了解地下管道過地裂縫的作用關系以及所采取的有效的防治措施，本人所做的工作并不夠，還有許多工作要做：(1)深入探查地下管道所過的地裂縫的平面位置、剖面形態、受力形式以及活動特征，為地下管道的防治措施提供參數與科學依據；(2)加強理論研究，開展多項物理模型試驗，結合數值分析模擬；(3)通過優化分析，采取更合理的措施。

[1]彭建兵，范文，黃強兵.西安市城市快速軌道交通二號線沿線地裂縫帶的結構措施專題研究[R].長安大學，2006

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

[3]張家明.西安地裂縫研究[M].西安:西北大學出版社,1990.

[4]武強，陳佩佩.地裂縫災害研究現狀與展望[J].中國地質災害與防治學報：2003，vo1.14.

[5]彭建兵,范文,黃強兵.西安市城市快速軌道交通二號線穿過地裂縫帶的結構措施專題研究[R].西安:長安大學,鐵道第一勘察設計院,2006.

[6]吳宏譯,管道運行與維護實用方法[M]石油工業出版社,2007.

李尚哲(1992-)，男，漢族，陜西西安人，在讀工程碩士，西安工業大學建筑工程學院建筑與土木工程專業，研究方向防災減災及防護工程；韓雪瑩(1991-)，女，漢族，陜西咸陽人，在讀工程碩士，西安工業大學建筑工程學院建筑與土木工程專業，研究方向城鄉規劃。