【摘  要】基于西安地裂缝成因、基本特征和未来活动趋势分析，通过几何缩比为1：5的地裂缝活动模型试验和地裂缝活动对盾构隧道影响的数值模拟计算，研究了西安地铁2号线隧道正交穿越地裂缝带的设防参数。通过分析地裂缝年平均活动速率和历史最大活动量，确定了与地铁2号线相交的各条地裂缝的最大垂直位移量的预测值和设计建议值。模型试验和数值模拟结果表明，正交条件下地铁隧道在地裂缝活动地段的设防宽度为60 m，即上盘为35 m，下盘为25 m；沿隧道纵向地裂缝两侧地层变形规律呈现台阶状突变变形，隧道纵向设计可将上盘视为整体下降来考虑；地铁隧道穿越地裂缝带必须分段设缝以适应地裂缝的变形，其分段长度在地裂缝主影响区按10 m进行设防，在一般影响区可按10～15 m进行分段设防。研究结果可为地铁隧道穿越地裂缝带的结构设计提供参考。

【关键词】隧道工程；西安地铁2号线；地裂缝；最大垂直位移量；影响带宽度

 

1  引  言

      西安地铁2号线是西安市规划轨道交通线网中重要的南北干线，也是我国西北地区在建的第一条城市地铁，全长26.3 km，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。然而，西安地区地裂缝十分发育，地裂缝以北东走向呈带状横贯整个市区，给西安市的工程建设造成了严重危害，直接经济损失近百亿元，形成了一种特殊的环境地质灾害^[1－4]。作为重要生命线工程的西安地铁，不同于地表点状建筑 物，无法避让地裂缝，在建的地铁2号线从北往南大致正交穿越了西安14条地裂缝中的11条（图1），其中一些在地裂缝如此发育的城区修建地铁，这在世界地铁建设史上是极为罕见的，地铁隧道穿越地裂缝问题是西安地铁建设中的难题。

      以往地裂缝引起的工程灾害表明，任何穿越地裂缝的建（构）筑物在没有采取特殊措施的情况下无一免遭破坏。因此，《规程》^[5]规定了各类场地和建筑物对地裂缝必须采取避让的措施，并确定了避让距离。毫无疑问，地裂缝的未来活动将严重威胁着地铁建设及其未来安全运行，对地铁隧道穿越地裂缝地段进行有效设防显得十分必要，设防参数主要包括地铁设计使用期（100年）内地裂缝活动的最大垂直位移量、影响带（区）宽度、沿隧道纵向地裂缝两侧地层变形规律，以及为了适应地裂缝的变形而采取的地铁隧道衬砌结构分段设缝长度等等，这些参数是地铁隧道衬砌结构设计的前提条 件，对地铁隧道衬砌结构设计成功与否以及保证未来地铁的安全运行至关重要。

2  西安地裂缝成因及基本特征

2.1  西安地裂缝成因

      有关西安地裂缝的成因一直存在多种成因观点，如构造成因、超采地下承压水成因和复合成因观点^[6－8]。随着人们研究的深入，目前普遍认为西安地裂缝是以构造活动为基础和抽取地下水为诱因共同作用的结果。《西安地裂缝场地勘察与工程设计规程》^[5]定义为：西安地裂缝是在过量开采承压水，产生不均匀地面沉降的条件下临潼－长安断裂带西北侧（上盘）一组北东走向的隐伏地裂缝出现活动在地表形成的破裂。彭建兵等^[9]通过大型地裂缝活动扩展的物理模拟，分析认为西安地裂缝是形成年代较为久远，存在近地表的构造破裂（隐伏地裂 缝），过量开采地下水导致其出露地表而形成的地 表裂缝，进一步明确了西安地裂缝的成因机制。

2.2  西安地裂缝基本特征

      西安地裂缝是在西安正断层组的基础上发育起来的，大多是由主地裂缝和分支裂缝组成，上盘发育较大规模的次级裂缝。平面上，西安地裂缝似等间距大致平行排列，均发育在特定的构造地貌部位即梁岗的南侧陡坡上、梁间洼地的北侧边缘，呈带状分布，主体走向为NE70°～80°。剖面上，一般为上宽下窄的楔形，向下逐渐变窄变少，剖面上大致有以下3种形态：呈阶梯状、“y”字型和追踪式^[2]（图2），地裂缝主体倾向南，倾角一般在70°以上。西安地裂缝的活动方式为蠕动变形，主要表现为主地裂缝的南侧（上盘）相对北侧（下盘）下降。地裂缝的垂直位移具有单向累积的特征，断距随深度的增大而增大。

根据现场调查发现，西安地裂缝近地表活动具有三维空间运动学特征即垂直差异运动、水平张裂运动和水平扭动或剪切运动，其中以垂直运动位移最大，水平张裂位移次之，而水平扭动或剪切运动位移很小。据浅表探槽揭露发现地裂缝在10 m以下的地层中其水平张裂位移很小，地裂缝几乎是闭合的（图3），因此，西安地裂缝场地地下工程设计中一般只考虑地裂缝垂直运动位移作用。

3  地铁隧道穿越地裂缝带的设防参数

3.1  地裂缝未来100年的最大垂直位移量

      地铁工程设计使用期一般为100年，地裂缝在地铁设计使用期（100年）内的最大垂直位移量对地铁隧道影响很大。为了保证地铁工程未来100年的安全运行，设计中必须考虑未来100年地裂缝最大垂直位移量，以此作为地铁隧道穿越地裂缝带的结构设计预留净空量，这是西安地铁2号线隧道穿越地裂缝带结构设计的一个十分重要的参数。

      关于西安地裂缝未来活动的预测，许多学者如王景明^[10]、晏同珍）^[11]、徐光黎^[12]和李新生^[13]等进行了一些探索，其研究均是对地裂缝未来活动的定性预测，并非某一具体时间段地裂缝活动的定量预测。黄强兵等^[14]根据地裂缝活动速率监测资料，对与西安地铁2号线相交的各条地裂缝带未来最大垂直位移量进行了估算，但因监测数据不连续，其估算结果不可避免带有经验性。由于地裂缝活动存在明显的不确定性、不同地段活动的差异性以及监测资料在时间上的不连续性，西安地裂缝未来活动位移量的定量预测仍然是一个难题。

    

      基于此，本文依据历史最大活动量（地裂缝未来活动最大位移量基本上均要小于历史最大位移量）和现今年平均活动速率累计求和的综合分析方法，预测地铁设计使用期（100年）内各地裂缝的最大垂直位移量。图4为2002－2007年与西安地  铁2号线相交的各条地裂缝的年平均活动速率变化曲线。由图可知，各地裂缝在与地铁2号线的交汇处近年来活动速率均小于4 mm/a，与1990－1996年强烈活动时的10～40 mm/a相比活动速率已大为降低，这主要是西安市大幅度减少深层承压水的开采量，区域承压水位出现抬升的结果。随着西安地铁的修建，地铁沿线将严禁开采地下承压水，由此可推断，在现今的地质构造环境和保持或优化现有承压水开采条件下地裂缝未来活动不会出现，如1990－1996年间的强烈活动现象，活动速率只有可能维持现状或进一步降低，重新快速活动的可能性极小。因此，以西安地裂缝2002－2007年活动速率为基础，结合各条地裂缝的历史最大活动位移量，考虑地裂缝未来活动趋势和不确定性，对与地铁2号线相交的各条地裂缝在地铁设计使用期内的最大垂直位移量进行估算，预测结果见表1，其中建议设计值由预测值乘以1.5的安全系数求得。由表1可知，地铁设计使用期内与地铁2号线相交的f₅、f₆和f₁₁最大垂直位移量最大，其中f₁₁的年平均活动速率达到25.6 mm/a，主要由于该处局部抽取地下承压水引起。预测值均大于300 mm以上，设计建议值在450 mm以上，而f₁₂最大垂直位移量最小，小于150 mm，其他地裂缝的最大垂直位移量则基本在200～300 mm之间。由此判断，对地铁2号线影响最大的是f₅、f₆和f₁₁ 地裂缝，f₃、f₇、f₈和f₉次之，而f₂、f₁₀和f₁₂影响相对较小，但各条地裂缝在地铁设计使用期内的最大垂直位移量最小值均达到了100 mm以上，地铁2号线隧道结构和防水将面临严重挑战。因此，地铁2号线隧道穿越地裂缝带的结构设计应根据各条地裂缝的最大垂直位移量预留足够净空以保证行车安全。

3.2  地裂缝活动的影响区宽度

      地裂缝活动常导致其两侧一定范围内的地层变形破坏而引起地下工程如管道、涵洞等和地表建筑物的开裂、错断破坏，这个范围一般呈带状分布，故称为地裂缝影响带或区。由于西安地铁2号线在空间展布上大致与各条地裂缝带正交，故地裂缝活动影响区（带）宽度即是地铁隧道穿越地裂缝的纵向设防长度。

根据西安地铁2号线设计报告，隧道埋深一般为10.0～17.5 m，为了确定地铁隧道埋深位置附近地裂缝活动影响区宽度，本次采用大型地裂缝活动模型试验，模拟地裂缝活动作用下地层应力与位移的变化规律，根据地裂缝活动时两侧地层应力的变化范围确定地铁埋深位置的地裂缝影响区宽度，按照工程重要性和安全度确定地铁2号线隧道穿越活动地裂缝带的纵向设防长度。

      本次模型试验在长安大学大型地基沉降试验平台上进行。模型地层侧向水平约束，沿纵向模型一端置于原始地面（相当于地裂缝下盘），一端置于沉降平台上（相当于地裂缝上盘），通过升降系统控制沉降平台的下降速率来模拟地裂缝上、下盘相对垂直变形及下降过程。地裂缝活动地层模型如图5所示。试验中采用埋设土压力盒和特制沉降杯来观测地裂缝垂直位移s作用下其两侧地层应力与位移的变化。模型试验几何缩比取1/5，模型长10.0 m，宽8.0 m，高4.0 m，模拟实际地层范围：地层纵向长50.0 m，宽40 m，地层埋深20.0 m，地层结构基本与地铁2号线沿线典型地裂缝地段的地层一致，主要地层如图5所示。而模型中地裂缝则以一薄层粉细砂来模拟[15]。

      地层埋深h为2.0、3.5 m（对应实际埋深10.0、17.5 m）处土压力随地裂缝垂直位移s的变化曲线如图6所示。由图可知，当地裂缝上盘下降时，上盘地裂缝附近竖向土压力减小，离地裂缝越远土压力降低越小，土压力明显减小的范围大致为0～  3.5 m即实际原型0～17.5 m，但随着深度增加有减小的趋势，而位于下盘的竖向土压力则不断增大，明显增大范围为0～-2.5 m，即实际原型0～-12.5 m，由此说明在地铁隧道埋深位置地裂缝活动影响区（带）范围上盘大于下盘，宽度大致为30 m，即上盘17.5 m，下盘12.5 m，其中土压力变化梯度最大位于-1.5～0.5 m，对应原型是地裂缝附近10.0 m范围，即上盘2.5 m和下盘 7.5 m为活动地裂缝的主影响区。

      根据土压力的变化规律，地裂缝的空间影响区基本具有如图7所示的分布特征，空间上地裂缝活动影响区大致可概化为两个区：重要或主要影响区和一般影响区。考虑到地铁为一类建筑物和百年大计工程的重要性，故在地铁工程设计中取安全系数为2.0，得到地铁隧道穿越地裂缝带时的纵向设防 长度至少应大于60 m，即上盘35 m，下盘25 m。也就是说，在地裂缝上盘35 m下盘25 m范围内地铁隧道必须采取特殊的结构措施进行处理。

3.3  地裂缝沿隧道纵向地层变形规律

      图8为前面地裂缝模型试验中沿隧道纵向埋深h =2.0 m（对应原型10.0 m）地裂缝两侧地层变形曲线。由图可知，纵向地层位移曲线基本呈台阶状，地裂缝两侧地层在地裂缝处产生错断，沉降位移呈现突变现象，这突变现象出现在上、下盘距地裂缝  0.5 m（对应原型2.5 m）之内，而上、下盘地层内基本无明显差异沉降，说明在实际埋深10 m位置处地裂缝的活动对地层位移影响范围较小，且主要集中在地裂缝附近2.5 m范围，这与以往大量槽探揭示的地裂缝垂直变形主要集中在地裂缝附近2.0～3.0 m大致吻合，也与已揭露的20 m深度范围内地裂缝破碎带地面2.0 m以下的影响宽度平均为2.2 m基本接近^[4]。而且试验沉降曲线与西安市和平门地裂缝（f₅）安东街实测垂直沉降变形曲线基本一致，实际地裂缝变形也呈现出台阶状变形（图9），变形破坏也主要集中地裂缝附近的局部区域。

      由此判断，地铁隧道穿越地裂缝的结构纵向设计可将地裂缝活动引起的地层变形视为上盘整体下降，而下盘基本稳定来考虑轨道的纵向调坡问题。

3.4  设防区隧道结构分段长度

      对于穿越地裂缝带的隧道结构进行分段，目的是使地铁隧道更好地适应地裂缝的变形。为了研究地裂缝对盾构隧道的影响以及多大位错量能使地铁隧道产生变形破坏，不妨先进行数值模拟计算。计算模型三维有限元网格划分如图10所示。计算范 围为100 m×60 m×40 m。盾构衬砌外半径为3.0 m，内半径为2.7 m，混凝土强度等级为C50，考虑管片环向和纵向接头的影响，对其刚度乘以0.85的折减系数，地裂缝贯通整个计算模型土体，倾角为80°。计算参数见表2。模型左右侧面约束其X方向的水平位移，前后侧面约束其Z方向的纵向位移，顶面为自由面，地裂缝的下盘底面约束竖向位移，上盘底面设置刚板，通过刚板位移来控制地裂缝的垂直位移量。

      假设土体为理想弹塑性材料，采用D-P屈服条件和相关联流动准则。在上、下盘之间和土体与管片之间均设置接触面，采用库仑摩擦模型，地裂缝上、下盘之间土体接触面摩擦系数取0.3，土体与衬砌间摩擦系数取0.7。

    

 

     图11为隧道顶部和底部衬砌应力随地裂缝不同位错量的变化关系。由图可知，衬砌底部受拉和顶部受压，最大拉、压应力均随着地裂缝位错量呈近似线性增大。当位错量为5 cm时，衬砌底部最大拉应力为1.55 MPa；当位错量为50 cm时，衬砌底部最大拉应力达到17.80 MPa，其值为错距5 cm时的10倍，说明地裂缝活动对隧道衬砌内力具有明 显影响。

      由于衬砌管片接头处为一薄弱面，其抗拉承载力完全由衬砌受拉区范围内的螺栓承担。取螺栓材料与受拉钢筋材料相同，则若受拉螺栓的等效截面面积小于所需钢筋的面积，认为不能满足纵向承载力要求。对于盾构标准断面，衬砌混凝土强度等级为C50，fc =23.1 N/mm²，ft =1.89 N/mm²；钢筋采用HRB335型号，fy =300 N/mm²；经计算得模型底部错距为5 cm时，截面所需纵向受拉钢筋面积AS1 = 21 653 mm²。组装管片的螺栓直径一般为16～   36 mm，此处验算时取上限值d =36 mm计算。若每两块相邻纵向管片之间用2根螺栓连接，由中性层位置可知，受拉区在圆形衬砌断面的几何形心以 下。则在接头断面上，受拉螺栓的根数少于6根，即受拉螺栓的等效截面面积A_S2≤3 054 mm²，因此   A_S2 < A_S1，即受拉螺栓的等效截面面积小于所需受拉钢筋的面积，接头断面不能满足要求。由此说明，地裂缝垂直位错量达到5 cm时就必须采取加强或其他处理措施。此外，根据笔者进行的大型地裂缝与地铁隧道模型试验结果^[15]，当地裂缝位移量达到 20 cm时，整体式衬砌隧道也出现开裂破坏。

以上分析说明，穿越地裂缝地段的盾构隧道和整体式隧道衬砌均无法抵抗地裂缝的大变形，不能满足设计要求，需要采用特殊的结构措施，对结构进行分段设缝加柔性接头以适应地裂缝的变形^[16]。

      由前面地裂缝活动影响区宽度的分析可知，地铁2号线隧道埋深位置处地裂缝影响区宽度为   30 m，范围为上盘17.5 m，下盘12.5 m，其中土压力变化梯度最大的是地裂缝附近10.0 m范围，上盘2.5 m和下盘7.5 m为主影响区，故分段设缝的地铁隧道穿越地裂缝主影响区时隧道可按10 m进行分段，而一般影响区虽然存在上盘土压力明显减小和下盘明显增大的现象，但其梯度变化不大，隧道可按10～15 m进行分段。

4  结  论

（1）在地裂缝基本特征和趋势分析的基础上，采用基于现今地裂缝年平均活动速率和历史最大垂直位移综合分析的方法，得出了地铁2号线设计使用期内各条地裂缝的最大垂直位移预测值。

（2）在地铁隧道埋深位置附近地裂缝活动的影响区宽度约为30 m，即上盘17.5 m，下盘12.5 m。考虑到地铁工程的安全性及地裂缝上、下盘致灾程度的差异性，正交条件下地铁隧道在地裂缝地段的纵向设防长度至少应大于60 m，即上盘35 m，下盘25 m。

（3）通过实测地裂缝地表垂直变形曲线与物理模型试验结果对比，认为沿地铁隧道纵向地层呈现台阶状变形规律，沿线路走向隧道结构设计时可将上盘视为整体下降来考虑。

（4）盾构隧道和整体式衬砌隧道均无法直接穿越地裂缝带，必须分段设变形缝加柔性接头以适应地裂缝的变形。在地裂缝主影响区隧道建议按10 m进行分段设防，一般影响区可按10～15 m进行分段设防。

由于地裂缝活动性十分复杂，本文中最大垂直位移量的预测带有一定经验性。同时，地铁隧道穿越地裂缝带的结构分段长度优化问题仅是初步研究结果，而且隧道正交与斜交穿越地裂缝情况存在很大差别，因此，上述两个问题尚需进一步深入研究。

 

参 考 文 献

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