西安地铁一号线通过地裂缝对策研究
摘 要：西安地铁一号线受四条活动地裂缝的影响，本文通过对西安地铁通过的地裂缝的的特点的分析，提出了几种地下工程通过活动地裂缝的方法。地铁结构采用这些方法后能够适应地裂缝的变形发展，在地裂缝活动的情况下维持地面交通和地铁的正常运营。因地铁工程针对地裂缝的处理问题在世界范围内的报道很少见，象西安地铁所遇如此特征的地裂缝更是世界罕见，本文提出的处理方法也不尽完善，旨在抛砖引玉。
主题词：地铁、地裂缝、对策研究
一、前言
规划的西安地铁一号线呈东西向展布，横穿城区，西起西郊三桥镇，沿枣园路、大庆路、莲湖路、西五路、东五路、长乐路至东王纺织城，线路全长20.87km，其中地下线路长14.28km，地面线0.75km，高架线路5.84km，设车站15座。地铁线路基本沿西安东西交通主干道行进，沿线地势东高西低，平均坡降约2‰。自西而东依次通过渭河支流氵皂河冲洪积平原、黄土梁洼、渭河支流浐河冲积平原三个次级地貌单元。
西安是我国地裂缝灾害最典型、最严重的城市。西安市的地裂缝最早发现于1959年， 1976年以后，发育规模和活动强度急剧增大。 1977年后开始有组织地调查研究。经过多年的研究，查明地裂缝是基底断裂活动在地表的反映。 近年来，过量开采地下水，造成地面沉降，大大加剧和激发了地裂缝的活动；到1989年，已基本查清的城、郊区主要地裂缝有10条，最长10公里，合计总长40公里，地裂区面积150平方公里。
二、地质构造及影响一号线的地裂缝、地面沉降现状
（一）、地质构造
西安市位于渭河断陷盆地中段南部，西安凹陷的东南隅。西安凹陷是渭河断陷盆地中的沉积中心之一，周边为四条深大断裂带所切围，其东边界为长安－临潼断裂，西为哑柏断裂，南为秦岭山前断裂，北为渭河断裂，凹陷内新生代地层厚逾7000m，其中第四系地层厚达500~1000m。区内构造形迹主要表现为隐伏断裂构造，按其走向可分为EW向、NE向和NW向三组，现将与西安市地铁一号线较为密切的断裂构造分述如下：
1．渭河南岸断裂
是渭河断裂的南岸分支，在西安市北郊渭河一级阶地前缘呈隐伏状态通过，距西安城区约5~6km，属区域深大断裂，走向东西，北倾，是正断层性质，该断裂与其它方向断裂交汇部位，历史上曾发生过多次地震，最大震级达6.75级(1568年，草滩)，近期也有小震发生，如1976年发生在草滩的2.9级地震，表明该断裂带第四纪以来仍有活动。
2．长安－临潼断裂
为隐伏断裂，位于西安市东南部，距城区3～8km，由间隔约2km的三条平行正断层组成，产状NE40°～50°E/68°～80°N。该断裂带为西安凹陷与骊山凸起的分界线，属区域性深大断裂，新生代以来活动强烈，现今仍有明显活动迹象，其活动速度2～2.4mm/a。
3．浐灞河断裂
为隐伏断裂，经等驾坡、动物园呈北西向横穿东部城区，68°～75°北倾，第四纪活动不明显。
4．浐灞河断裂
为隐伏断裂，沿浐河、灞河河谷发育，走向近南北，西倾，第四纪以来活动不明显。
5．西安断层组
属长安－临潼断裂的次级派生断裂，走向北东，南倾，切断了晚更新世黄土层底部的古土壤层。是西安地裂缝发育的基础，对西安地铁工程影响较大。
（二）地裂缝、地面沉降
1．地裂缝
西安市自50年代以来，发现地裂缝11条，大的地面沉降凹槽7个。西安地铁一号线通过4条地裂缝（劳动公园地裂缝f3、西北大学地裂缝f4、和平门地裂缝f5、草场坡地裂缝f6），1个地面沉降凹槽（胡家庙沉降槽）。
西安地裂缝是在西安正断层组的基础上发育起来的，由南而北在黄土梁洼之间有规律排列，呈带状分布。产状为NE60°～80°/70°～80°S。具有垂直错位、水平拉裂、扭动三种变形性质。其中以垂直错动为主，也是造成工程危害的主要因素，年活动速率5～30mm，影响带宽15～35m。深层地下水的过量开采，是地裂缝发展的诱发因素。
地裂缝的活动给西安市人民的生活和生产建设等造成了 极大的危害。据调查统计，地裂缝使132幢楼房破坏，其中21幢全部或部分拆毁。还有1057间平房（含民房、两层楼一房、车间、校舍、仓库等）毁坏或受损；主道路破坏60 处，地下管道10处，深水井3口，围墙427堵，礼堂、蓄水池、游泳池、停车场等公共设施7处；受损村寨41个、 工厂91座，中小学及大专院校40所，其他企事业单位97处。仅楼房、平房损失估计（不含维修费）达2164.6万元。若将其他损失费及维修费等计算在内，则损失更大。
西安地铁一号线通过的4条地裂缝的主要特征如表1：
西安地铁一号线通过的地裂缝特征一览表 表1
序号地裂缝编 号地裂缝名称西安地铁一号线通过地裂缝的位置地裂缝产状地裂缝活动速率（mm/a）
1f3劳动公园地裂缝AK10+037～+071ⅡAK10+003～+025N30°E/80°S东段8.1～15.1西段9.0～13.0
2f4西北大学地裂缝AK14+468～+539N70°E/85°S西段6.9
3f5和平门地裂缝AK17+177～+262N45°E/80°S东段19.0～42.0
4f6草场坡地裂缝AK19+009～+073N50°E/80°S30
2、地面沉降
以康复路为中心两侧3km范围内，自1959年以来下沉降较大，约500~1800mm。地面沉降是过量开采深层地下水，使松散第四系含水层释水严重所致，同时也促使了地裂缝的发展。
四条地裂缝与西安地铁一号线的关系
三、国内外地铁工程地裂缝处理现状
经过网上搜索只找到很少的国外关于地铁或地下工程对地裂缝的处理方法，国内目前运营和在建的地铁工程均无这方面的情况。国外某城市处理地裂缝的原理如图2所示。它是利用结构底部的蛇形弹簧来调节结构的高低以适应地裂缝的变形，结构可绕其两端的铰转动，利用弹簧两端的纵向运动调节结构的高低，这种结构原理简单新颖，但由于两段结构的错台不能太大，所以，它不适应地裂缝有太大的变形。
四、西安地铁一号线地裂缝处理设想
西安地铁一号线区间共遇到四条地裂缝，这在国际上很少见，国内也无先例。西安地铁所遇四条地裂缝的运动状态均呈三维运动，在上下两盘错动的同时伴随有左右扭动和纵向远离运动，运动状态很复杂，但以上下相对错动最为剧烈。其中运动较大的一条地裂缝，据以往的观察，每年上下相对移动可达4cm左右。针对西安地铁所遇地裂缝的严重性，如果不能很好的解决地裂缝的处理问题，将直接影响西安地铁一号线的付诸实施。是地铁项目成败的关键，因此必须对地裂缝的影响及结构对策作深入的专题研究。
根据常识，人类工程结构在自然界的地壳运动面前是不堪一击的，因此任何想以增强工程的坚固性或对地裂缝进行人工处理方法都是不现实的。西安活动地裂缝给西安市造成的诸多破坏已证实了这一点。所以，我们必须从工程结构上多加思索，设想以工程结构的特殊设计来适应地裂缝的变形，以达到变相处理地裂缝的目的。
依据以上的想法，我们提出了三种适应地裂缝变形的方法，三种方法的优缺点比较见表2。
1．将地铁隧道的断面扩大（扩大的断面应满足地铁在服务年限内能够适应地裂缝的变形），并将扩大断面在地裂缝的影响带内分为许多段，段与段之间采用特殊的方法，使其可以自由上下移动，当有变形发生时，利用扩大的空间，对线路进行人为的调整，以保证地铁的正常运营。其纵断面及平面布置如图所示。其中，图3是施工完成时的情况，图4是地裂缝发生变形后的情况。
这种方式结构较为简单，不论地裂缝的变形发生在影响范围内的那一处，结构均能适应其变形。如果考虑足够的变形空间，这种结构可以适应较大地裂缝变形，它的缺点是裂缝的变形在先，变形后才能进行人为的调整，对线路坡度的调整将影响正常的运营，而且地裂缝变形发生后将对地面交通及地下管线产生影响，严重时也将因的下管线破裂影响道地铁的正常运营。
2．第二种设想是对地裂缝的一种自动适应，这种结构总的设想是把地裂缝影响的范围分成好多段矩形结构，在矩形结构内部布置千斤顶及简支梁结构，在矩形结构的上方设置一个倒槽形的结构，当矩形结构在地裂缝运动后产生上下错动时，利用由自动测量仪器控制的千斤顶自动调整轨面高程及地面高程，保证地铁的正常运营及地面交通的正常进行。矩形结构有足够的高度及宽度以适应地裂缝在一定时间（约100年）的变形量。地裂缝发生变形后利用千斤顶的行程及垫块调整地铁轨面及地面高程。
当地裂缝发生左右方向的相对移动时，可以调节千斤顶及垫块的底座以适应这种变形。实现这种想法的纵断面及横断面布置如图所示。其中，图5是施工完成时的情况，图6是地裂缝发生变形后的情况，这种想法的目的是在地裂缝发生变形时，结构能够自动的感知变形的状态，并自动适应这种变形，保证在地裂缝发生变形时，地铁及地面交通的正常运营和地下管线的安全使用。
这种结构有以下几个特点，一是不论地裂缝的变形发生在影响带的那一处，结构均能够自动适应其变形；二是地裂缝变形发生后，在检测设备的控制下，结构能够自动调整轨面高度及地面高度，维持地铁的正常运营；它的缺点是工程结构复杂，涉及到多学科的问题，而且造价高。
3．第三种方法是借鉴国外地铁处理地裂缝的方案，实现这种想法的纵断面及横断面布置如图所示，这种方法是利用结构底部的蛇行弹簧对结构的高度进行调节，以适应地裂缝的变形，保证地铁运营的正常进行、地下管线的安全及地面交通的正常。其中，图7是施工完成时的情况，图8是地裂缝发生变形后的情况，
这种结构的优点是结构较为简单，控制灵活，投资较省，缺点是地裂缝的变形位置必须很明确，即两段结构相接触处必须是地裂缝变形的位置，否则，地裂缝变形后结构必将承受巨大的额外应力，将造成结构的破坏；另外，由于蛇形弹簧的抗力有限，上部结构应比较小巧，这样的话，这种结构将不能适应较大的变形。 
地铁通过地裂缝方案比较 表2
比较项目方案实现难易效果适应性造价
方案一简单差差低
方案二较难最好最好高
方案三较简单较好较好较高
五、结论
1．地裂缝最初是由自然界的地壳运动形成的，西安市地裂缝在近几十年来的运动加剧却主要是由于人为的因素。主要的原因是过量开采地下水所致。由于地下水长期过量开采，造成城市地下水持续下降，加剧了地面沉降和地裂缝的发展。可喜的是西安市政府已认识到这一问题的严重性，在2000年5月，陕西省政府作出了关停西安市规划区自备井的决定，开始在城区内禁止开采地下水。这一举措使西安市的地裂缝的活动在近年来有减缓的趋势。经陕西省地质环境监测总站的监测，地裂缝的活动量在近年来明显减少。这将极大地减轻地裂缝的活动带来的危害。国内其他地方因过量开采地下水引发的种种问题也常常见诸报端。因为过量开采地下水，华北已形成了世界上最大的地下漏斗，并引发了地面沉降等一系列环境问题。因此，全社会都应当认识到环境保护的重要性，保护好地下环境，极力减轻地质环境灾害的影响。
2．活动地裂缝的存在对工程结构设计是一个严重的挑战，地裂缝的处理是一个复杂的系统问题，涉及到多学科的相互协调，今后应在地裂缝的处理上多加以研究，以减少地裂缝的活动给人民的生命财产造成的损失。
参考文献
[1]《铁路隧道设计规范》 (TB1003-2001)
[2]《地下铁道设计规范》 (GB50157-92)
[3]《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘测规范》(GB50307-1999)
[4]《西安地铁一号线工程可行性研究报告》2001.4
