地下管道跨越西安地裂缝的研究综述

(西安工业大学建筑工程学院 陕西 西安 710021)

地下管道跨越西安地裂缝的研究综述

李尚哲韩雪莹

(西安工业大学建筑工程学院陕西西安710021)

西安地区地裂缝灾害较为严重，其活动对地下管道建设造成严重威胁。以地下管道穿越地裂缝为研究对象，通过对现有的地下管道跨越西安地裂缝带工程资料的分析，以及在前人研究探索可行的基础上，总结了地裂缝活动对地下管道的破坏模式，及相应的几类措施用来降低地裂缝活动的危害，为地下管道工程建设积累一些经验。

地下管道；西安地裂缝；跨越；防治措施

西安作为中国西北地区最大的城市，正发展成为我国重要的内陆开放城市；随着城市经济飞速地发展，一系列问题也接踵而至，自上世纪五十年代以来，西安市区先后出现了14条地裂缝(带),其经过之处，不少地下空间结构设施和地面建(构)筑物遭到破坏,且地裂缝活动时间之长、规模之大，在国内外均十分罕见，而且现今地裂缝还在不断发展中。[1-4]本文通过大量的实际资料，总结了多年来的研究成果，提出防治措施，对今后进一步加强研究，减少灾害损失有一定的积极意义。

一、地裂缝概述

由于人为过量抽取地下水，加上大规模的建设基础设施，目前已发现14条西安地裂缝带。这些地裂缝均分布在黄土梁洼地貌范围内，与黄土梁洼分布相对应，一般出现在黄土梁的南侧，呈带状分布，在平面上总体走向为NE70°～80°；在剖面上的形态一般为上宽下窄的楔形，向下逐渐变窄变少，最深达三百余米。地裂缝主体倾向南，倾角较陡，一般在70°以上。西安地裂缝带基本具有统一的三维空间运动变形特征。即南倾南降的垂直位移、水平引张和水平扭动。其中以垂直位移量为最大，南北引张量次之，而水平错动量则很小，三者之比为1∶0.31∶0.03[3,5]。监测数据表明地裂缝水平扭动量很小，它是由于地层差异沉降引起的，属于地裂缝地表效应的范畴。

二、地裂缝对地下管道的破坏

在一定的范围内地裂缝活动会使其周围土体发生位移，进而产生相应形变和应力，长期的作用会导致灾害问题。相比较其它地下建筑物，地下管道单位长度质量小，埋设较浅，其相对变形受周围土体的相对运动影响较大。地下管道可承受的变形非常有限，而地裂缝活动时，上下盘土体积累的相对变形远远超过了地下管道可承受的变形范围；地裂缝致灾的影响范围限于地裂缝带的影响空间范围，对远离地裂缝带的外围地段和更深处不具有影响作用。

地裂缝对地下管道的破坏模式主要是先拉后剪，先水平张裂再沿裂面垂直剪切。管道破坏的情况与地下管道和地裂缝空间相交的情况相关，管道在与地裂缝垂直相交，且地裂缝垂直差异沉降速度快、位移较大的情况下，地下管道大多发生直剪破坏，表现为上宽下窄；管道在与地裂缝垂直相交，且地裂缝垂直差异沉降速度较慢时，地下管道发生弯剪破坏；管道在与地裂缝小角度斜交，且在地裂缝的纵向水平扭动作用下，耐管道发生的扭剪破坏。

在地裂缝活动下，地下管道除了发生上述破坏情况外，管道接头处的破坏也十分常见，长期的地裂缝活动加剧管道接头的受力和位移，使管道接头成为薄弱环节，容易发生破坏。

同时，地裂缝活动严重威胁着供气、供水等地下管道系统的运营与维护，不仅会造成地下管道系统的直接损坏，同时也可能引发次生灾害：如地裂缝活动导致煤气管道断裂，易引发爆炸等。严重危害着城市的生产生活，对社会和环境的威胁巨大。

三、地下管道穿越地裂缝的防治措施

在目前的地下管道建设中，运用着一些较为常见的防治措施：

(1)选择合适穿越地裂缝的位置：排水管道遇到地裂缝带时，现在主要采取避让的办法，尽量避开、绕开已知的地裂带。但是由于西安地区实际的情况，使得在规划、设计时无法完全避让这些地裂缝，不得不考虑跨越地裂缝时，就要优先选择管道穿越地裂缝断层的最有利走向。地裂缝的发育有比较稳定的方向性和成带性，因此可以测定构造地裂缝的位置、产状、活动性及影响宽度。

(2)管道柔性设计：地下管道柔性设计的目的是保证地下管道在设计允许的条件下具有足够的柔性，防止地下管道在跨越地裂缝时由于地裂缝的上下盘土体错动而造成管道连接处产生过大的应力或变形。对于埋地的一般排水管材允许的变形量远小于地裂缝活动的形变量，在地裂缝活动的作用下都会发生破坏。

(3)浅埋：地裂缝长期竖向错动、垂直差异运动导致的剪切破坏在地层最上层产生的影响较小，随着地下管道埋深的加大，其覆土压力、管道与周围土体纵向摩擦力就越大，其在地裂缝活动中越容易产生较大的变形；因此减少地下管道的埋深，降低地裂缝作用时管道周围土体对管道的约束力，在一定程度内，可以减少对管道的破坏。

(4)采用柔性接头：柔性接头可以吸收一部分错动位移，接头曲率半径越大，吸收变形的能力就越强，地下管道过地裂缝段一般都设柔性接头。采用柔性接头方案更加适合于应对错动量较大地裂缝活动。

四、结论

本文通过了解地裂缝的基本特征和收集地下管道的相关资料后，分析了地裂缝活动时，跨地裂缝的地下管道的变形破坏模式和机理，得到如下结论：(1)在地裂缝沉降的过程中，地裂缝的上盘土体在靠近地裂缝处发生倾斜，越靠近地裂缝处倾斜量越大，在地裂缝活动时，虽然地下管道的受力较复杂，但是，管道变形都能视为拉伸压缩、剪切、扭转和弯曲四种基本变形的组合。(2)管道破坏的情况和管道与地裂缝相交的情况相关，垂直相交时，垂直差异沉降速度快，地下管道大多发生直剪破坏；地裂缝垂直差异沉降速度较慢，地下管道发生弯剪破坏；小角度斜交，在地裂缝的纵向水平扭动作用下，地下管道发生的扭剪破坏。(3)管道埋深较浅所受的纵向应力和剪应力均较小，应在地下管道穿越地裂缝时尽可能浅埋，在较大断层处可改为地面敷设。(4)由于地裂缝活动上盘土体将会产生沉降，因此，应长期监测地裂缝的活动，当沉降量到达一定程度，可以采取注浆、回填等加固措施，改善管道受力。

五、展望

由于地裂缝活动的不确定、复杂性和长期性，还有国内外对地下管道过地裂缝的研究成果不多，以及本人的知识有限，要完全合理了解地下管道过地裂缝的作用关系以及所采取的有效的防治措施，本人所做的工作并不够，还有许多工作要做：(1)深入探查地下管道所过的地裂缝的平面位置、剖面形态、受力形式以及活动特征，为地下管道的防治措施提供参数与科学依据；(2)加强理论研究，开展多项物理模型试验，结合数值分析模拟；(3)通过优化分析，采取更合理的措施。

[1]彭建兵，范文，黄强兵.西安市城市快速轨道交通二号线沿线地裂缝带的结构措施专题研究[R].长安大学，2006

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

[3]张家明.西安地裂缝研究[M].西安:西北大学出版社,1990.

[4]武强，陈佩佩.地裂缝灾害研究现状与展望[J].中国地质灾害与防治学报：2003，vo1.14.

[5]彭建兵,范文,黄强兵.西安市城市快速轨道交通二号线穿过地裂缝带的结构措施专题研究[R].西安:长安大学,铁道第一勘察设计院,2006.

[6]吴宏译,管道运行与维护实用方法[M]石油工业出版社,2007.

李尚哲(1992-)，男，汉族，陕西西安人，在读工程硕士，西安工业大学建筑工程学院建筑与土木工程专业，研究方向防灾减灾及防护工程；韩雪莹(1991-)，女，汉族，陕西咸阳人，在读工程硕士，西安工业大学建筑工程学院建筑与土木工程专业，研究方向城乡规划。