西安地裂缝对线状工程设施的破坏及其防治措施＊

高虎艳 李忠生

（1.西安市地下铁道有限责任公司，710018，西安；2.长安大学地质工程与测绘学院，710054，西安∥第一作者，高级工程师）

1 西安地裂缝

西安地裂缝由主裂缝、次生地裂缝和分支地裂缝组成，总体走向近似平行于临潼－长安断裂；目前已发现的14条地裂缝，都发育在黄土梁洼特定的构造地貌部位，即梁洼地貌的南侧陡坡下。不管黄土梁的局部如何改变，地裂缝总是与其紧密相伴。地裂缝平面形态呈约500～1 500m不等间距平行排列。地裂缝的延伸具有很好的连续性，每条地裂缝的延伸长度达数千米至数十千米［1－2］。图1显示了目前西安地裂缝的平面分布状况。

图1 西安地裂缝平面分布示意图［3］

地表监测资料表明，西安地裂缝有垂向位移、水平拉张和水平扭动共3个方向的活动。其中，以垂向位移最为强烈，主要表现为主地裂缝的南侧（上盘）下降，北侧（下盘）相对上升，活动速率可达5～30mm／a，最大为56mm／a；水平拉张居中，活动速度为2～10 mm／a；水平扭动最小，活动速度为1～2mm／a。活动速率在时空上分布不均，西安市东南郊一带活动速率高，一般在5～30mm／a，西北郊相对较弱，在1～10 mm／a之间。同一条地裂缝不同地段活动强度也有差异，总体规律是东强西弱，南强北弱［1－2］。

在政府和科研部门的高度关注下，经过30多年的深入研究，现已查明西安地裂缝受控于临潼－长安断裂，其地面断裂是一组既有的先存断裂的构造蠕滑与过量开采承压水引起的地面差异沉降的叠加所致，且过量抽取地下水对地裂缝的活动贡献远大于构造断裂。

2 西安地裂缝对线状工程的破坏

城市线状工程设施包括道路、地铁、桥梁、地下管线等，由于这些工程的不可绕避性，经常受到地裂缝活动的干扰和破坏。据统计，从1977—2000年的20余年里，西安市因地裂缝造成的经济损失高达16.9亿元［2］。

2.1 对地铁工程的危害

目前，西安地铁2号线已实现通车运营，1号线正在施工，计划于2013年建成通车，3号线土建施工即将全线展开。西安地铁的这3条骨干线路多次穿越西安地裂缝。其中南北向的2号线穿越西安地裂缝共13条（含2条次级地裂缝）13次［4］，东西向的1号线穿越西安地裂缝共5条8次［5］，南西—东北向的3号线穿越西安地裂缝共8条15次［6］（见图1）。地裂缝活动可能对地铁工程造成下列影响：①地裂缝两侧错动导致地铁隧道结构开裂；②地裂缝带的活动通过衬砌传递到隧道内部，导致跨地裂缝段的轨道、接触网等各种设施产生变形；③造成隧道防渗设施破坏，引起地下水入渗地铁隧道。这些现象将严重影响列车的正常运行甚至导致地铁停运。

2.2 对道桥的危害

地裂缝致道路开裂、桥梁变形的情况在西安有许多，比较有代表性的当属南二环长安路立交桥。该桥恰与地裂缝f6相交，地裂缝活动使得该桥整体变形，桥面伸缩橡胶止水带被拉裂破坏，桥面板垂直错距达3～16.5cm，水平错距约4cm，水平张量3～10cm［7］，桥体东侧的地面也出现了20多cm的沉降（见图2）。另外，在西安南绕城高速长安出口附近的f11地裂缝近年来活动异常强烈，目前已在路面形成20～30cm的错坎，严重影响了路面车辆通行（见图3）。

地裂缝对道路的危害除了错断路面之外，还会因路面破裂而导致雨季时地表水的大量下渗。雨水下渗不仅冲蚀路面下灰土垫层，而且会引起近地表土的湿陷效应，这些因素与地裂缝活动叠加在一起，形成负反馈效应，加重路面破坏程度。

图2 南二环长安路立交桥f6地裂缝错断地面照片

图3 南绕城长安路出口f11地裂缝地表开裂照片

2.3 对地下管线的危害

地下管线包括供水管道、污水管道、天然气管道、供暖管道，以及各种通信线、电力电缆等设施。在西安，经常会有因地裂缝活动而导致的上水、下水、供暖、供气等管线的断裂事故。另外地裂缝的沉降还造成许多区域排水管道坡度减小甚至形成倒坡，使雨、污水排水不畅。自1976年至2000年的不完全统计，地裂缝错断城市地下供水、供气管有40多次［2］。

3 防治对策

防治地裂缝灾害的发生包括主动防治和被动防治两种。其中，主动防治是指消除或减弱地裂缝活动的诱因，起到釜底抽薪的作用；被动防治则是根据地裂缝的活动特点和规律，在设计、施工和材料上采用一系列方案措施，以达到抵抗或减轻地裂缝灾害的目的。研究成果表明，西安地裂缝活动主要是由于过量开采承压水引起的，因此，禁止开采承压水是防治地裂缝活动的最根本措施。

3.1 地铁工程的防治对策

由于地铁工程的线性特点，其线路无法绕过地裂缝，不得不强行穿越。地铁运营安全的高度重要性迫使建设项目要准确查清各地裂缝与线路相交点的位置、地裂缝的倾角及走向、线路附近地裂缝的活动速率等重要参数，并做地铁隧道穿越地裂缝的专题研究［8］，为地铁线路跨越地裂缝段的特殊处理提供准确参数。在大量的研究基本上，针对各条地裂缝不同的变形量，经过充分的论证，在地裂缝处理中对各条地裂缝的百年变形量按500mm预留考虑。跨地裂缝段的结构处理原则为“分段处理、柔性接头、衬砌加强、预留净空、道床可调、加强监测、先结构后防水”。具体措施有［9］：①采用明挖法或浅埋暗挖法扩大断面，预留必要的变形量，通过适当设置变形缝适应地裂缝未来百年的变形；②在地裂缝处理段的结构应扩大断面、预留净空，以便在地铁使用期内，地裂缝错动后仍能通过线路调坡来保证行车；③对地裂缝段的变形缝采取特殊的防水处理措施，使其在达到最大变形量时能够起到防水作用；④对于轨道结构方案，采用可调式的框架板道床，满足地裂缝变形调整的要求。

尽管如此，地铁线路仍应尽量避免与地裂缝小角度穿越，特别不能与地裂缝带平行重合。例如：1号线长乐坡——浐河区间，为了加大穿越地裂缝f6的角度，将线路方案由最初的沿长乐东路的东西向直线调整为S型曲线，加大了穿越地裂缝的角度；在3号线小寨西路附近，为避免线路与f7地裂缝小角度相交和平行距离过近，线路方案向南做了适当的调整。

3.2 道桥工程的防治对策

对于跨地裂缝桥梁工程的处理，南二环长安立交桥跨结构采取了如下措施［10］：①桥跨结构采用静定体系——简支梁；② 由于桥面较宽，设计时以中央分隔带和机、非分隔带为界，在顺桥向设计为4个独立的桥，以减少桥面板的整体宽度；③桩基采用扩大基础、加强基础配筋、增大基础埋深、独立修筑等措施，以减少地裂缝对其的影响。经多年使用，地裂缝虽然引起立交桥的整体几何变形，但并未对桥梁的结构产生大的受力破坏，整个桥墩未出现倾斜病害，目前仍在正常使用［9］。

在借鉴南二环长安立交成功防治地裂缝范例的基础上，西安南绕城高速路与f9地裂缝相交地段采取了以下对策［10］：①减小跨径，将上、下行桥梁分体修建，两幅桥下墩台排列错开，墩台基础置于地裂缝变形区之外；②桥跨采用简支梁体系；③为减小以后桥梁维修时顶升重量，采用了钢箱梁结构，并在墩台顶预留了放置千斤顶的位置。目前该段高架桥运行正常。

由于地裂缝为缓变型地质灾害，对于一般道路工程，目前设计施工上尚未采取特别措施。道路防治地裂缝的措施主要以定期检查、随时封堵路面破裂口为主，对于路面落差较大的地裂缝处，可加长修补范围，变台阶式落差为缓坡式过渡，减轻通过车辆的颠簸。

3.3 管线工程的防治对策

3.3.1 天然气管道

与来自地下深部地裂缝的巨大破坏力相比，任何的人工加固都显得非常脆弱，因此，应对地裂缝最好的思路是适应地裂缝变形。在天然气管道穿越地裂缝处，最佳的防治措施就是设置柔性接口：在跨越地裂缝主变形带处，用波纹管将数段管道衔接起来，管下安置高低调节架，可随地裂缝活动反向调整（见图4）。管道采取管沟铺设，上盖盖板，中间填充减震材料，使管道容易适应变形。

图4 跨地裂缝段天然气管道的波纹管柔性接头

3.3.2 排水管道

排水管道遇到地裂带时，最好采取避让的办法，在规划、设计排水管道阶段尽量绕开已知的地裂带，无法完全避开地裂缝时采用柔性接口，在地裂缝上盘15m、下盘10m范围内的排水管道，选用聚乙烯双臂波纹管 （PE）或双波纹塑料螺旋管等可变形较大的管材。为了避免柔性管道受到刚性挤压，可将管材安放于充满粗沙的沟槽中。另外，尽可能在距地裂缝最近的检查井设置跌水，跌水设置要大一些，为以后地裂缝处的排水管再次改造预留条件，避免产生倒坡［11］。

4 结语

西安地裂缝的破坏力源于地下深部，工程加固收效甚微，各种市政设施最好采取避让、绕行的办法。线状工程实在无法绕避地裂缝时，最佳可行的对策是适应地裂缝变形。即采用化整为零的分段处理思路，各段长度遵循地裂缝主变形带内短、次变形带内长的原则，各段之间使用柔性接口，同时预留调整空间，定期监测，随时调整设施。对重要的设施工程，要特别防患地裂缝破坏引发的次生灾害，做好应急预案。

［1］ 张家明.西安地裂缝研究［M］.西安：西北大学出版社，1990.

［2］ 王景明.地裂缝及其灾害的理论与应用［M］.西安：陕西科技出版社，2000.

［3］ DBJ 61—6—2006西安地裂缝场地勘察与工程设计规程［S］.

［4］ 长安大学工程设计研究院.西安市城市快速轨道交通二号线详细勘察阶段沿线地裂缝勘察报告［R］.西安：长安大学工程设计研究院，2007.

［5］ 长安大学工程设计研究院.西安市地铁一号线详细勘察阶段沿线地裂缝勘察报告［R］.西安：长安大学工程设计研究院，2009.

［6］ 长安大学工程设计研究院.西安市地铁三号线一期工程工可阶段沿线地裂缝勘察报告［R］.西安：长安大学工程设计研究院，2010.

［7］ 石玉玲，门玉明，彭建兵，等.西安市地裂缝对长安路立交桥致灾机理调查研究［J］.中国地质灾害与防治学报，2009，20（2）：65.

［8］ 彭建兵，胡志平，门玉明，等.马蹄形隧道40°斜穿地裂缝的变形破坏机制试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2009，28（11）：2258.

［9］ 樊红卫.西安地铁2号线穿越地裂缝的技术措施［J］.都市快轨交通，2008，21（4）：19.

［10］ 毛应生，柳丽英，王德信，等.西安市地裂对市政构筑物的破坏机理与对策的探讨［J］.城市道桥与防洪，2002（2）：1.

［11］ 马广超.西安地裂缝对地下排水管道的破坏及防治［J］.灾害学，2005，20（3）：108.