1、二 五 年 十二 月某市地鐵二號線沿線地裂縫帶的危害及結構措施專題研究一.研究的必要性二.研究基礎三.地裂縫可能引起的地鐵病害四.結構及防水措施五.建 議提 綱一、項目研究的必要性1.某地裂縫的基本特征 某地裂縫是在地質環境控制下，空間上具有三維變形特征的地表線狀裂縫，它是發育在某市區內的一種獨特的城市地質災害。自上世紀50年代以來，在某市區已發現的地裂縫有十三條，自北而南分別為： f0城北南寨地裂縫帶； f1城北辛家廟地裂縫帶； f2城北八府莊地裂縫帶； f3城西勞動公園地裂縫帶； f4城西南邊家村（西北大學）地裂縫帶； f5城南和平門外地裂縫帶； f6草場坡（秦川廠）地裂縫帶； f7小寨路

2、（鐵爐廟）地裂縫帶； f8大雁塔地裂縫帶； f9電視塔北陜師大地裂縫帶； f10新開門至電視塔南地裂縫帶； f11南寨子新小寨地裂縫帶； f12東三爻曲江池地裂縫帶。 地鐵二號線穿過除f0和f1之外的11條地裂縫。某市地鐵二號線與地裂縫位置分布圖 平面展布特征 地裂縫在平面上呈左行雁列，主體走向為NE 70080，由南而北在黃土梁洼之間有規律排列，位于黃土梁的南側，呈帶狀分布。它們一般都由主裂縫及其下降一側的次級裂縫組成地裂縫帶，帶寬38m，局部可達2030m。 各條地裂縫帶大體呈等間距近似平行排列，間距為0.42.1km，平均約1km。某地裂縫的空間展布規律： 某地裂縫近等間距展布示意圖下伏

3、活動構造格局與地表地裂縫的交接關系2m35m0.2m剖面結構特征 地裂縫主體傾向南，傾角較陡，一般在700以上。在剖面上的形態一般為上寬下窄的楔形，向下逐漸消失，最深達百余米。主干地裂縫與次級地裂縫在剖面上的組合形式大致概化為以下幾種： 某地裂縫帶剖面組合形式圖階梯狀 “y”型追蹤式某地裂縫的空間展布規律：TC7探 槽（2）臺階狀裂縫TC8 探 槽X型及樹枝狀裂縫較平緩的裂縫箱 形 裂 縫TC9 探 槽X 型 裂 縫不同期次裂縫的不同充填物裂縫局部未充填PD2 平 洞(2)TJ3 探 井(2)主裂縫位錯40cm新老裂縫的切割關系新裂縫切斷老裂縫古土壤中裂縫寬度變小角礫狀裂縫充填物F1地裂縫某地

4、裂縫的活動特點：活動特征 地裂縫活動速率在時空上分布不均，東南郊一帶活動速率高，一般在530mm/a，最大可達55.06mm/a；西北郊相對較弱，在110mm/a之間。同一條地裂縫不同地段活動強度也有差異，總體規律是西部較弱,中部較強或強，東部強烈。 地裂縫歷年活動速率圖f7（E1-S27）系 列 1f2（A1-A2）活動方式的一致性 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，南北拉張量次之，而水平錯動量則很小，三者之比為10.310.03。 某地裂縫的活動特點：西影路地裂縫三維變形測量變化曲線圖交警總隊地裂縫（f11）探槽路

5、面開裂剖面形態-Y型剖面形態-S型地裂縫（f11）在交警總隊附近的破壞情況現場考察水泥地面開裂破壞建筑物開裂損壞地裂縫（f11）在交警總隊附近的破壞情況房屋傾斜建筑物圍墻開裂2.某地裂縫的工程危害 某地裂縫是一種獨特的城市地質災害，自20世紀50年代后期發現，1976年唐山大地震后活動明顯加強，特別是1980年以后，由于過量抽吸地下承壓水導致的地裂縫兩側不均勻沉降進一步加劇了地裂縫的活動，地裂縫所經之處，地面及地下各類建筑物開裂，破壞路面，錯斷了地下供水、輸氣管道和建筑物，不但造成了較大的經濟損失，而且給某市居民生活帶來不便。建筑物受損和破壞建筑物受損和破壞西北大學原留學生樓遭破壞居民樓變形破

6、壞民房開裂破壞道路損壞道路受損橋梁受損橋梁錯開橋面開裂農田毀壞車間遭到破壞地下管道破壞地裂縫錯斷翠華路供水管道造成突水地裂縫錯斷子午路供水管道造成突水地裂縫錯斷萬壽路供水管道造成地面塌陷管道錯斷二、研究基礎 某地裂縫對勘察研究工作以歷時二十余年，以積累了大量的資料，其中以各類工程場地地裂縫勘察資料為主。九十年代中期以前，一些單位對f1f9等九條地裂縫開展過較為系統的勘察研究工作，但近年 來這九條地裂縫又發生了新的變化。f10f12等三條新出現的地裂縫尚未進行過系統的勘察研究工作。關于這些地裂縫的活動監測工作較為零散，且主要集中在f4f8等地裂縫的局部地段。1.研究現狀及存在的問題 雖然某地裂縫

7、的勘察研究工作以取得了一些成果，但還存在許多問題，特別是針對地鐵建設而言，需要解決的問題更多：（1）地鐵所經過的地裂縫帶的具體分布位置、剖面結構、次級地裂縫條數、破裂帶和變形影響帶的寬度以及地裂縫破裂擴展方式等情況不明，限制了地鐵結構措施的合理制定。（2）已有的地裂縫監測資料較為零散，加之地裂縫各段的活動量存在差異，與地鐵相交的地裂縫段目前無監測資料，同樣影響了地鐵結構措施的正確制定。（3）目前資料反映出f0、f1向西未延至地鐵二號線， f4在地鐵二號線處未出露，實際情況是否如此有待進一步詳細查明。（隱伏地裂縫問題）（4）近年來的勘察資料表明，十三條主地裂縫帶之間某些場地還存在一些規模較小的地

8、裂縫，這種現象是否在十三條主地裂縫帶之間普遍存在以及它們對地鐵工程是否產生影響還是一個未知數。（5）與地裂縫相伴生的地面沉降在地鐵沿線的發育情況、沉降量及其對地鐵工程的可能影響等問題也需要專門研究。2004年度地裂縫與地面沉降調查工作部署圖 某地區 INSAR 干涉圖96/01/07 96/07/0102.8 cmRange Change某地區InSAR圖像中、美國際合作初步結果三維可視化示意圖 某市地鐵二號線工程（南北線），北起火車北站，南至長安韋曲，途經火車北站、南北大街、長安路，線路全長26.4公里。它的建設將會給某市的交通帶來質的改變，大大緩解目前某市交通十分擁擠的現象。這條擬建線路從

9、北到南將穿過某13條地裂縫中的11條。三、地裂縫可能引起的地鐵病害某市地鐵二號線與地裂縫位置分布圖環向開裂 ：地裂縫與地鐵隧道正交時 ，地裂縫的垂直位移作用；縱向開裂：地裂縫與地鐵隧道正交時，地裂縫的垂直位移作用 +“偏壓” 斜向開裂 ：地裂縫帶與地鐵隧道成一定角度斜交； 直接剪斷：地裂縫活動量突然變大（有外部激勵影響如地震），遠遠 超過了地鐵隧道襯砌的允許變形量。 隧道襯砌環向開裂 隧道襯砌縱向開裂 隧道襯砌斜向開裂1.地鐵隧道襯砌可能變形裂損或破壞的形式 地裂縫帶的活動 地鐵隧道襯砌的變形 路基下沉變形 地鐵道床及軌道變形開裂 變形傳遞 隧道滲漏水和涌水 襯砌開裂 地表水從襯砌開裂處下滲

10、隧道的拱部、邊墻等裂 損處發生滲漏水和涌水現象。 2.鐵軌路基及軌道變形破壞 3.地鐵隧道滲漏水 襯砌周圍積水 地裂縫帶是很好的滲流通道，地表水沿地裂縫下滲，在隧道襯砌周圍大量匯集，如不能迅速排走，靜水壓力增大到一定程度時，加之地裂縫的活動，極有可能導致隧道襯砌破裂。 地裂縫周圍土體在積水的情況下發生軟化，導致襯砌基礎不均勻沉降，可能引起隧道襯砌破裂。 沖刷作用 地表水沿地裂縫帶下滲和流動，沖刷地裂縫兩側壁，使地裂縫寬度變大，隨著水流的沖刷作用的進一步增強，可導致地鐵隧道底部土層被掏空，襯砌基礎下沉，邊墻開裂或仰拱、整體道床下沉開裂。 地裂縫的現今活動主要由超采地下水引起的地裂縫的活動一般具有

11、三維特征即垂直位移、水平引張位移和水平扭動位移，三者之比為10.310.03。由于槽探揭露的某地裂縫在10米以下的拉張位移量很小，裂縫幾乎是閉合的，故本次研究只考慮地裂縫的垂直位移量，不考慮水平和扭動的情況十三條主地裂縫帶之間的地裂縫暫不予考慮，開挖后若出現新裂縫，再另行研究不考慮地震活動對某地裂縫的影響 四、結構及防水措施1.前提條件地裂縫的分級活動微弱，速率30mm/a。破裂帶寬度的定義破裂帶寬度指的是主地裂縫帶內兩條邊界次級地裂縫之間的水平距離，帶內可能發育多條次級地裂縫。 2.地裂縫的分級及其破裂帶寬度的定義 對活動微弱或近年來基本無活動跡象的地裂縫發育地段填塞并夯實地表裂縫，設置完善

12、的地表排水系統；鋼筋混凝土管片或鋼管片，軌枕底部設置可調節高度的墊 板，各管片之間采用柔性接頭；對隧道基礎換土處理，并在隧道基礎底部加砂墊層 地鐵隧道3.結構措施 指導思想: “防”與“放”相結合，以結構措施適應變形為主。 蛇形彈簧方案優點: 結構較為簡單，控制靈活，投資?。蝗秉c: 地裂縫的變形位置必須很明確，由于蛇形彈簧的抗力有限，上部結構應比較輕巧。優點: 安全可靠缺點: 基礎處理周期長，造價較高 對活動性強烈的單條或多條地裂縫，破裂帶寬度在10m以內的地裂縫帶，擬采用簡支梁結構直接跨越。對活動性較強或強烈的多條地裂縫，破裂帶寬度在10m以上的地裂縫帶，擬采用雙層襯砌結構處理優點: 由外層

13、襯砌承受變形，只要內外層襯砌之間的間隙預留得當，則地裂縫活動基本不會對內層襯砌造成影響 缺點: 造價較高 變大變形為小變形，變特殊防水為常規防水。防水設計是與結構設計相關的，主要是做好接頭及“三縫”的防水。 指導思想4.防水措施 具體措施采取明挖法施工 基坑開挖時，做好基坑截排水工作，防止地表水及地下水入滲。 地裂縫部位預留注漿孔，預備緊急情況時的堵漏處理； 結構上部用密實粘土或灰土回填，回填時要注意保證質量，分層壓實，降低土層的滲透性，減少動水壓力的滲透作用； 加強法規建設，在地鐵沿線嚴格限制開采地下水，降低地裂縫的活動性；加強地裂縫實時監測，掌握地裂縫的發展趨勢； 在適當位置設置誘導縫，使

14、結構的變形隨著設計控制的方向進行。 具體方案 地裂縫活動性較小地段的防水 防水措施只是在常規方法的基礎上有所加強即可。 地裂縫活動性較大地段的防水 需要根據“變大變形為小變形，變特殊防水為常規防水”的指導思想進行結構及防水方案的設計。例：雙層結構防水 由于內外層結構隔開，內層結構不會有大的變形，只要做好結構接頭的防水即可，其實質就是做到“變大為小，外漏內不漏”。 方案實施時，外圍結構可作一些適當的防水措施，但是對于地裂縫活動性較強的情況，效果一般比較差，不過它們的破壞對于整個防水系統影響不大，主要目的在于降低破壞后的涌水量，減輕內層結構防水的壓力。由于內層結構上面作用的壓力小，施工方便，質量易

15、于保證，并且可以在不影響線路運營的情況下維修，所以能保證隧道的永久防水要求。 誘導縫的防水構造以止水帶、嵌縫密封膠兩種材料為主設置成多道防線，滿足建成后地裂活動緩慢階段裂而不漏的要求。 內層結構采用外防外貼法在外部粘貼防水板。達到“外漏內不漏”的要求雙層結構防水構造縱剖面示意圖 雙層結構防水構造橫剖面示意圖 六、建 議應盡快對與地鐵相交的所有地裂縫進行詳細的工程地質勘察，獲取可靠的地裂縫平面分布的精確位置、剖面結構形態、破裂帶寬度、影響帶寬度、隱伏裂縫埋深狀況以及破裂擴展模式等資料，以便更好地了解地裂縫的空間活動特點，為地裂縫所引起的地鐵病害的防治設計提供必須的參數和科學依據。f0、f1和f4

16、三條地裂縫帶是否通過地鐵二號線有待進一步詳勘確定。通過現代高精度觀測技術對地鐵二號線所穿過的地裂縫帶進行長期監測，精確地掌握其活動量和活動規律，為地裂縫的防治提供必要的基礎數據。為了可靠地分析研究地裂縫對地鐵工程的危害以及更加科學合理地確定地裂縫帶處地鐵結構措施和防水措施，必須開展大量的數值模擬計算和大型物理模型模擬工作。地鐵沿線存在與地裂縫相伴生的地面沉降災害，其對地鐵工程也將構成一定危害，因此，應就地面沉降對地鐵的可能危害及防治措施進行專門研究。在地裂縫、地面沉降環境下，機車振動作用是否加劇地面沉降和地裂縫活動，并由此引起地鐵隧道結構的破壞等問題需要開展專門研究工作七、初算成果1.有限元方法（1）上盤樁距裂縫10米，上盤底部加三角形位移模型y方向位移云圖 模型頂面y方向位移變化曲線 上下盤接觸面y方向位移云圖 簡支梁結構 簡支梁y方向位移變形云圖 簡支梁位移變化曲線 襯砌y方向位移云圖 襯砌y方向位移云圖模型y方向位移云圖 模型頂面y方向位移變化曲線上下盤接觸面y方向位移云圖 上下盤接觸面位移變化曲線 （2）上盤整體下沉簡支梁y方向位移變形云圖 襯砌y方向位移變化曲線 襯砌y方向位移云圖襯砌y方向位移曲線 （3）單層襯砌，上下盤同時