孟振江 程国明 黄强兵
摘要：以XX地铁6号线隧道工程穿越地裂缝为研究背景，通过现场调查与资料收集，具体分析地裂缝在与地铁线路交汇处的发育和灾害特征及其年活动速率；利用空间几何关系，提出相邻分段隧道之间在空间上会产生三向位移，从而引起其内部净空减小；运用数学公式定量计算得到地铁6号线穿越地裂缝的纵向影响长度参数。建议在设计地铁线路走向时，应尽量与地裂缝呈大角度相交。
关键词：隧道工程；地裂缝；灾害特征；设防长度
中图分类号：U452.27文献标志码：B
Abstract： Based on the field investigation and data collection， the development and disaster characteristics of the ground fissure at the intersection with the metro line and its annual activity rate were analyzed in detail by studying the tunnel of Xian Metro Line 6 crossing ground fissure. Using the spatial geometrical relationship， it was proposed that the threeway displacement between the adjacent segmental tunnels will be generated， which will cause the decrease in internal clearance. And the mathematical formula was used to calculate the longitudinal influence length of the Xian Metro Line 6 crossing ground fissure. It is suggested that the metro line should be designed to intersect the ground fissure at a large angle.
Key words： tunnel engineering； ground fissure； disaster characteristic； fortification length
0引言
地裂缝作为现代城市地质灾害的重要类型之一，它的活动与强度加剧是内外地质营力及人类工程活动等因素共同作用的结果，可造成各类建筑工程（如基础建设、生命线工程、交通及水利设施等）的直接破坏，一般表现为道路拉张错位、地下设施变形以及建筑物的基础或墙体开裂，尤其对地铁的建设构成了严重的威胁，也引起一系列的地质环境问题。XX地裂缝在中国城市地裂缝灾害中尤为严重和典型，彭建兵等提出了在盆地伸展背景下断层构成XX地裂缝原型，以及水的作用加剧其活动发展的耦合成因模式[1]。XX继地铁1～5号线建设后，6号线现已全线开工建设。由于地铁线路多为线性分布，不可能完全避让地裂缝，因此地裂缝对地铁的影响不可忽视，加上国内外无相关工程经验可借鉴，XX地铁面临的地裂缝问题可谓是世界性工程技术难题。
以往的相关研究大多集中在XX地裂缝的整体分布及成因机制等方面，且主要为活动特征描述与灾害危险性评价，而在地裂缝对地铁隧道的影响机制方面的研究稍显不足，同时对隧道结构防护措施的研究相对较少，这种现象不利于地铁隧道的施工、运营[25]。
综上所述，从XX地铁隧道适应地裂缝活动变形的结构防治研究程度来看：目前开展的系统分析及防治对策研究仍处于逐步完善阶段，同时现有的地铁隧道穿越地裂缝的结构措施仍需要时间的验证，有必要开展进一步研究；针对地铁6号线沿线涉及的地裂缝的具体分布及发育特征、活动趋势、结构设防还没有开展专门的研究；此外在地铁隧道与地裂缝交汇区域，对地裂缝上下盘隧道需设防的长度也成为必须解决的技术问题。基于此，本文以XX地铁6号线涉及到的地裂缝灾害为例，在对沿线主要属于二类勘察场地的地裂缝进行详细调查的基础上，就其发育特征及灾害特点进行分析，并定量计算地铁隧道穿越地裂缝的纵向设防长度。
1研究背景
1.1沿线工程地质概况
XX市区地貌受基底临潼—長安断裂的控制，从南往北变现为黄土台塬、冲洪积平原及河流阶地，在黄土台塬前的冲洪积台地区域，依次间隔分布了数十条狭长的黄土梁和槽形洼地。地铁6号线位于XX市西南至东北方向的主要通道上，线路先后通过了长安区、雁塔区、碑林区、莲湖区、新城区以及灞桥区等6个行政区，长约39.82 km，分两期建
设。根据野外调查，并结合钻孔及其他资料得出，沿线出露的地层从新到老依次有：全新统人工堆积层（Qml4），主要由杂填土和素填土组成，厚2～4 m；全新统冲洪积层（Qal+pl4），分布在皂河一级阶地和古河道上，上部为黄土状土，下部为粉质黏土与砂土互层，砂层多呈透镜状，为细、中、粗砂，层厚15～30 m；上更新统风积层（Qeol3），上部为马兰黄土，厚8～17 m，底部为红褐色古土壤，该层广泛分布在二、三级阶地等地貌单元上。
1.2XX地裂缝基本特征
自20世纪50年代以来，XX市先后出现了10余条定向性强、连续性好、破坏性大的地裂缝，总体呈北东走向，与临潼-长安断裂近似平行，由南而北有规律地在黄土梁洼间发育（图1）。实地勘察发现：地裂缝在地表出露的总长度逾70 km，一般以主裂缝及其次级裂缝组成的地裂缝带的形式出现，带宽3～8 m，局部达20～30 m。地裂缝的活动特点为：在剖面上，南 （上）盘相对北 （下）盘下降错动；平面上两盘表现为背向拉伸运动；空间上伴有相对扭动[614]。
2沿线地裂缝发育与灾害特征
根据地铁6号线线路分布，结合现场调查与实际勘探成果，查明与线路相交的地裂缝有f4、f5、f6、f7、f8。
2.1f4地裂缝
f4地裂缝呈NE70°走向，与地铁线路相交于劳动南路大唐西市廣场东侧（图2），地裂缝活动造成路面变形隆起，新铺地砖开裂等，表现为带状破裂，影响带宽度约2.2 m，裂缝水平张开量为0.5 cm（图3）。
2.2f5地裂缝
f5地裂缝的西段走向为NE70°，与地铁线路交于高新路枫叶高层小区门口，附近没有明显的变形迹象，为隐伏状态，该段地裂缝活动性弱；f5地裂缝东段走向为NE60°，与地铁线路交于兴庆公园北门，造成墙面开裂，裂缝贯穿整个墙体（图4）。
2.3f6地裂缝
f6地裂缝西段走向为NE80°，与地铁路线交于高新路与科技四路路口，该处路面有多处开裂现象，影响带宽约18 m，该段地裂缝活动性强（图5）；f6地裂缝中段走向为NE56°，与地铁路线交于咸宁中路与复聪路路口东28.6m处，造成路面地形起伏明显，最大错距达17 cm；f6地裂缝东北段走向为NE45°，与地铁路线交于纺北路，路面有裂缝，且交汇处西侧的围墙及住宅楼墙面开裂，裂缝一直贯通至楼顶。
2.4f7地裂缝
f7地裂缝西段走向为NE70°，与地铁路线交于唐延路陕西妇女儿童活动中心西门以北216 m处，裂缝延伸长度为6 m；f7地裂缝东段走向为NE59°，与地铁路线交于咸宁东路，在交汇区域附近未见裂缝出露迹象，判断f7地裂缝在该段的活动性弱。
2.5f8地裂缝
f8地裂缝西段偏西的区段走向为NE76°，与地铁路线交于亚迪路与锦业二路路口，路面发现多条裂纹，该段裂缝活动性相对较强；f8西段偏东段走向为NE75°，与地铁路线交于唐延路，路面发育有1条长4 m、宽1 cm的裂纹，另外在省体育训练中心院内还发现多条走向一致的地裂缝，地表多处开裂。
2.6地裂缝年活动速率
根据相关监测资料，得到与地铁6号线相交的主要地裂缝的年平均活动速率变化情况（图6）。由图6可知，在现有的地质环境条件下，与线路相交的大部分地裂缝均处于稳定阶段，活动速率一般均小于5 mm·a-1，整体活动趋缓，相比而言f6地裂缝较为活跃，应加以关注[15]。
3地铁隧道设防
3.1分段隧道结构的变形破坏
在地铁隧道与地裂缝相交的情况下，地裂缝活动会导致土体发生位移和变形，从而引起地铁分段隧道结构之间的净空发生变化。由于受地裂缝倾角和线路夹角的影响，相邻分段隧道结构之间的预留空间将随地裂缝的活动产生三维位移，即在竖向、轴向和横向上发生错位、拉伸与扭动等变形破坏，也就是说，斜交条件下分段隧道结构之间将产生明显的三向位移，从而引起其内部净空减小，严重影响列车行车安全。地裂缝活动作用下相邻分段隧道变形位错的横断面投影见图7，设o'为o的轴向投影，b'为b的轴向投影，则ab（即Δz）为相邻分段隧道的垂直位错量，ac（即Δx）为横向位移量，ab'为平面上的轴向拉伸位移量。由于地铁整体式衬砌隧道和盾构隧道均无法适应地裂缝的大变形，地铁隧道穿越地裂缝带时必须采取分段设变形缝加柔性接头进行处理，才能保证工程安全。
3.2隧道纵向设防长度
课题组通过大型物理模拟试验和数值分析等，得出地铁隧道设计时地裂缝的影响范围为60 m，其中上盘35 m，下盘25 m。在地铁隧道分段设特殊变形缝，而分段隧道设防区域长度，即在隧道纵向上需要进行设防的总长度（L），将随隧道轴线与地裂缝之间的夹角θ的变化而变化，分段隧道与地裂缝斜交平面如图8所示。
假定地裂缝呈理想线性延伸，根据几何关系可确定在纵向上地铁隧道受地裂缝影响的长度，即隧道沿纵向需设防的长度，计算公式为
L=L1+L2=D1sin θ+D2sin θ=D/sin θ（1）
式中：L为隧道纵向设防总长度；L1为上盘设防长度； L2为下盘设防长度；D为地裂缝影响区域范围；D1为上盘影响区宽度；D2为下盘影响区宽度；θ为地铁隧道与地裂缝的夹角。
将相交夹角和地裂缝上下盘的影响区宽度代入式（1），可得到地铁6号线隧道在与各地裂缝相交位置的纵向设防长度的理论计算值（表1）。
并且地铁隧道与地裂缝相交的夹角越小，隧道纵向设防的长度就越大，所以在设计线路走向时应尽量与地裂缝正交或呈大角度相交，避免与之小角度相交。
4结语
（1）分析了与XX地铁6号线相交的地裂缝的灾害特征，以及其年活动速率，认为沿线地裂缝活动总体处于稳定阶段。
（2）根据几何关系得出，分段隧道将随地裂缝的活动产生三维空间位移，从而引起相邻分段隧道结构在竖向、轴向和横向上发生错位、拉伸与扭动等变形破坏，严重影响行车安全。
（3）通过数学公式定量计算了地铁隧道的纵向设防长度，并提出在设计地铁线路时应尽可能与地裂缝呈大角度相交。
（4）地铁穿越地裂缝产生的震动会影响地层的稳定性或引发地表沉陷，从而加剧地裂缝的发展，应长期观测沿线地裂缝活动速率的动态变化。
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[责任编辑：高甜]
