(西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院 陜西 西安 710021)

地下管道跨越西安地裂縫的研究綜述

李尚哲韓雪瑩

(西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院陜西西安710021)

西安地區(qū)地裂縫災(zāi)害較為嚴(yán)重，其活動(dòng)對(duì)地下管道建設(shè)造成嚴(yán)重威脅。以地下管道穿越地裂縫為研究對(duì)象，通過對(duì)現(xiàn)有的地下管道跨越西安地裂縫帶工程資料的分析，以及在前人研究探索可行的基礎(chǔ)上，總結(jié)了地裂縫活動(dòng)對(duì)地下管道的破壞模式，及相應(yīng)的幾類措施用來降低地裂縫活動(dòng)的危害，為地下管道工程建設(shè)積累一些經(jīng)驗(yàn)。

地下管道；西安地裂縫；跨越；防治措施

西安作為中國西北地區(qū)最大的城市，正發(fā)展成為我國重要的內(nèi)陸開放城市；隨著城市經(jīng)濟(jì)飛速地發(fā)展，一系列問題也接踵而至，自上世紀(jì)五十年代以來，西安市區(qū)先后出現(xiàn)了14條地裂縫(帶),其經(jīng)過之處，不少地下空間結(jié)構(gòu)設(shè)施和地面建(構(gòu))筑物遭到破壞,且地裂縫活動(dòng)時(shí)間之長、規(guī)模之大，在國內(nèi)外均十分罕見，而且現(xiàn)今地裂縫還在不斷發(fā)展中。[1-4]本文通過大量的實(shí)際資料，總結(jié)了多年來的研究成果，提出防治措施，對(duì)今后進(jìn)一步加強(qiáng)研究，減少災(zāi)害損失有一定的積極意義。

一、地裂縫概述

由于人為過量抽取地下水，加上大規(guī)模的建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施，目前已發(fā)現(xiàn)14條西安地裂縫帶。這些地裂縫均分布在黃土梁洼地貌范圍內(nèi)，與黃土梁洼分布相對(duì)應(yīng)，一般出現(xiàn)在黃土梁的南側(cè)，呈帶狀分布，在平面上總體走向?yàn)镹E70°～80°；在剖面上的形態(tài)一般為上寬下窄的楔形，向下逐漸變窄變少，最深達(dá)三百余米。地裂縫主體傾向南，傾角較陡，一般在70°以上。西安地裂縫帶基本具有統(tǒng)一的三維空間運(yùn)動(dòng)變形特征。即南傾南降的垂直位移、水平引張和水平扭動(dòng)。其中以垂直位移量為最大，南北引張量次之，而水平錯(cuò)動(dòng)量則很小，三者之比為1∶0.31∶0.03[3,5]。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明地裂縫水平扭動(dòng)量很小，它是由于地層差異沉降引起的，屬于地裂縫地表效應(yīng)的范疇。

二、地裂縫對(duì)地下管道的破壞

在一定的范圍內(nèi)地裂縫活動(dòng)會(huì)使其周圍土體發(fā)生位移，進(jìn)而產(chǎn)生相應(yīng)形變和應(yīng)力，長期的作用會(huì)導(dǎo)致災(zāi)害問題。相比較其它地下建筑物，地下管道單位長度質(zhì)量小，埋設(shè)較淺，其相對(duì)變形受周圍土體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)影響較大。地下管道可承受的變形非常有限，而地裂縫活動(dòng)時(shí)，上下盤土體積累的相對(duì)變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了地下管道可承受的變形范圍；地裂縫致災(zāi)的影響范圍限于地裂縫帶的影響空間范圍，對(duì)遠(yuǎn)離地裂縫帶的外圍地段和更深處不具有影響作用。

地裂縫對(duì)地下管道的破壞模式主要是先拉后剪，先水平張裂再沿裂面垂直剪切。管道破壞的情況與地下管道和地裂縫空間相交的情況相關(guān)，管道在與地裂縫垂直相交，且地裂縫垂直差異沉降速度快、位移較大的情況下，地下管道大多發(fā)生直剪破壞，表現(xiàn)為上寬下窄；管道在與地裂縫垂直相交，且地裂縫垂直差異沉降速度較慢時(shí)，地下管道發(fā)生彎剪破壞；管道在與地裂縫小角度斜交，且在地裂縫的縱向水平扭動(dòng)作用下，耐管道發(fā)生的扭剪破壞。

在地裂縫活動(dòng)下，地下管道除了發(fā)生上述破壞情況外，管道接頭處的破壞也十分常見，長期的地裂縫活動(dòng)加劇管道接頭的受力和位移，使管道接頭成為薄弱環(huán)節(jié)，容易發(fā)生破壞。

同時(shí)，地裂縫活動(dòng)嚴(yán)重威脅著供氣、供水等地下管道系統(tǒng)的運(yùn)營與維護(hù)，不僅會(huì)造成地下管道系統(tǒng)的直接損壞，同時(shí)也可能引發(fā)次生災(zāi)害：如地裂縫活動(dòng)導(dǎo)致煤氣管道斷裂，易引發(fā)爆炸等。嚴(yán)重危害著城市的生產(chǎn)生活，對(duì)社會(huì)和環(huán)境的威脅巨大。

三、地下管道穿越地裂縫的防治措施

在目前的地下管道建設(shè)中，運(yùn)用著一些較為常見的防治措施：

(1)選擇合適穿越地裂縫的位置：排水管道遇到地裂縫帶時(shí)，現(xiàn)在主要采取避讓的辦法，盡量避開、繞開已知的地裂帶。但是由于西安地區(qū)實(shí)際的情況，使得在規(guī)劃、設(shè)計(jì)時(shí)無法完全避讓這些地裂縫，不得不考慮跨越地裂縫時(shí)，就要優(yōu)先選擇管道穿越地裂縫斷層的最有利走向。地裂縫的發(fā)育有比較穩(wěn)定的方向性和成帶性，因此可以測定構(gòu)造地裂縫的位置、產(chǎn)狀、活動(dòng)性及影響寬度。

(2)管道柔性設(shè)計(jì)：地下管道柔性設(shè)計(jì)的目的是保證地下管道在設(shè)計(jì)允許的條件下具有足夠的柔性，防止地下管道在跨越地裂縫時(shí)由于地裂縫的上下盤土體錯(cuò)動(dòng)而造成管道連接處產(chǎn)生過大的應(yīng)力或變形。對(duì)于埋地的一般排水管材允許的變形量遠(yuǎn)小于地裂縫活動(dòng)的形變量，在地裂縫活動(dòng)的作用下都會(huì)發(fā)生破壞。

(3)淺埋：地裂縫長期豎向錯(cuò)動(dòng)、垂直差異運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的剪切破壞在地層最上層產(chǎn)生的影響較小，隨著地下管道埋深的加大，其覆土壓力、管道與周圍土體縱向摩擦力就越大，其在地裂縫活動(dòng)中越容易產(chǎn)生較大的變形；因此減少地下管道的埋深，降低地裂縫作用時(shí)管道周圍土體對(duì)管道的約束力，在一定程度內(nèi)，可以減少對(duì)管道的破壞。

(4)采用柔性接頭：柔性接頭可以吸收一部分錯(cuò)動(dòng)位移，接頭曲率半徑越大，吸收變形的能力就越強(qiáng)，地下管道過地裂縫段一般都設(shè)柔性接頭。采用柔性接頭方案更加適合于應(yīng)對(duì)錯(cuò)動(dòng)量較大地裂縫活動(dòng)。

四、結(jié)論

本文通過了解地裂縫的基本特征和收集地下管道的相關(guān)資料后，分析了地裂縫活動(dòng)時(shí)，跨地裂縫的地下管道的變形破壞模式和機(jī)理，得到如下結(jié)論：(1)在地裂縫沉降的過程中，地裂縫的上盤土體在靠近地裂縫處發(fā)生傾斜，越靠近地裂縫處傾斜量越大，在地裂縫活動(dòng)時(shí)，雖然地下管道的受力較復(fù)雜，但是，管道變形都能視為拉伸壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)和彎曲四種基本變形的組合。(2)管道破壞的情況和管道與地裂縫相交的情況相關(guān)，垂直相交時(shí)，垂直差異沉降速度快，地下管道大多發(fā)生直剪破壞；地裂縫垂直差異沉降速度較慢，地下管道發(fā)生彎剪破壞；小角度斜交，在地裂縫的縱向水平扭動(dòng)作用下，地下管道發(fā)生的扭剪破壞。(3)管道埋深較淺所受的縱向應(yīng)力和剪應(yīng)力均較小，應(yīng)在地下管道穿越地裂縫時(shí)盡可能淺埋，在較大斷層處可改為地面敷設(shè)。(4)由于地裂縫活動(dòng)上盤土體將會(huì)產(chǎn)生沉降，因此，應(yīng)長期監(jiān)測地裂縫的活動(dòng)，當(dāng)沉降量到達(dá)一定程度，可以采取注漿、回填等加固措施，改善管道受力。

五、展望

由于地裂縫活動(dòng)的不確定、復(fù)雜性和長期性，還有國內(nèi)外對(duì)地下管道過地裂縫的研究成果不多，以及本人的知識(shí)有限，要完全合理了解地下管道過地裂縫的作用關(guān)系以及所采取的有效的防治措施，本人所做的工作并不夠，還有許多工作要做：(1)深入探查地下管道所過的地裂縫的平面位置、剖面形態(tài)、受力形式以及活動(dòng)特征，為地下管道的防治措施提供參數(shù)與科學(xué)依據(jù)；(2)加強(qiáng)理論研究，開展多項(xiàng)物理模型試驗(yàn)，結(jié)合數(shù)值分析模擬；(3)通過優(yōu)化分析，采取更合理的措施。

[1]彭建兵，范文，黃強(qiáng)兵.西安市城市快速軌道交通二號(hào)線沿線地裂縫帶的結(jié)構(gòu)措施專題研究[R].長安大學(xué)，2006

[2]王景明.地裂縫及其災(zāi)害的理論與應(yīng)用[M].西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社,2000.

[3]張家明.西安地裂縫研究[M].西安:西北大學(xué)出版社,1990.

[4]武強(qiáng)，陳佩佩.地裂縫災(zāi)害研究現(xiàn)狀與展望[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)：2003，vo1.14.

[5]彭建兵,范文,黃強(qiáng)兵.西安市城市快速軌道交通二號(hào)線穿過地裂縫帶的結(jié)構(gòu)措施專題研究[R].西安:長安大學(xué),鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院,2006.

[6]吳宏譯,管道運(yùn)行與維護(hù)實(shí)用方法[M]石油工業(yè)出版社,2007.

李尚哲(1992-)，男，漢族，陜西西安人，在讀工程碩士，西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院建筑與土木工程專業(yè)，研究方向防災(zāi)減災(zāi)及防護(hù)工程；韓雪瑩(1991-)，女，漢族，陜西咸陽人，在讀工程碩士，西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院建筑與土木工程專業(yè)，研究方向城鄉(xiāng)規(guī)劃。