西安市地下水与地面沉降地裂缝耦合关系及风险防控技术

西安市地面沉降地裂缝发育,世界罕见,一直是该领域研究的热点地区。近年来又出现新的发展趋势,严重制约城市发展和威胁地铁等重大工程安全运营。笔者依据254个地下水动态监测资料,总结了西安地下水资源开发历史与地下水头动态变化规律,耦合分析了地面沉降地裂缝与地下水位下降之间的关系,提出了基于地下水头管理的地面沉降地裂缝风险防控技术。结果显示:西安市地面沉降地裂缝是多种因素综合作用的结果,其发生和发展过程及其严重程度均与地下水头下降密不可分,并受黏性土层厚度的影响;空间上地下水头降落漏斗中心与地面沉降中心基本吻合,时间上地面沉降发育时间滞后地下水头降落2-3年,沉降速率是地下水头每下降1m的累计最大地面沉降量50mm;地下水头回升会引起短时和少量地面回弹量,并能够缓解或遏制地面沉降。挖掘历史地下水头与地面沉降地裂缝监测数据,建立了基于地下水头的地面沉降地裂缝预警阈值和风险防控技术。     

西安地铁2号线通过地裂缝的结构及防水设计

首建南北走向的地铁2号线是西安市规划轨道交通线网中一条重要的南北干线,其建设中的难题和关键技术就是跨越地裂缝的问题.文中结合西安市地铁2号线地裂缝段工程措施的研究课题,对地裂缝的特点进行了说明,对地铁区间结构穿过地裂缝处的所采取的结构设计措施和防水设计方案进行了论述.针对地裂缝的活动性,提出了过地裂缝段采取的防治措施是:"防"与"放"相结合,结构适应地裂缝的变形为主;结构断面扩大,预留变形空间,结构分段增设变形缝以便适应变形、接头采用柔性连接,加强结构强度以适当抵抗变形对结构的破坏;同时在地裂缝处理段采取可调式框架板轨道适应地裂缝处变形,来保证运营安全;在防水措施上采取特殊方法,设计了具有大应变特性的新型独特的防水方案.     

S301线托克逊-乌拉斯台段公路崩塌灾害危险性评价

公路工程地质灾害的发生往往与公路沿线及其周边的复杂的地质环境条件密切相关。本文主要以S301线托克逊-乌拉斯台段公路崩塌灾害为研究对象,对区内崩塌灾害的发育特征、危险性现状和预测进行了评估。研究结果表明:该公路沿线主要发育崩塌、泥石流、潜在地面塌陷,而滑坡、地面沉降和地裂缝等地质灾害不发育;现状评估均为危害程度中等和危险性中等的灾害点;预测评估工程建设引发或加剧崩塌灾害的危险性中等,可能遭受崩塌灾害的危险性中等。     

地裂缝场地地铁隧道施工C RD工法优化研究

以西安地铁6号线区间隧道浅埋暗挖施工穿越地裂缝场地为研究工程背景,考虑地裂缝场地的特殊性构建了基于传统CRD工法的施工优化工法,并对传统CRD工法和优化CRD工法施工开挖过程进行了三维动态的有限元数值模拟,结合现场监测试验数据,对比分析了两种工法下地裂缝场地地表沉降变形规律和地铁隧道受力变形特征。结果表明:两种CRD工法下地表沉降变形均呈反S型,大致可分为开挖前微小变形、开挖时急剧下沉变形及开挖后平稳变形等3个阶段;与掌子面距离越近,地面沉降速率越大;与传统CRD工法相比,优化CRD工法通过适当增加锁脚、锁腰锚杆数量,提高初支喷混强度,达到简化临时支护、扩大下台阶施工面、方便临时支护施作拆除和提升初支闭合、临时中隔壁拆除速度的目的,整体施工速度提升1.37倍,地表最大沉降量降低52.96%,影响范围减少22.17%,隧道拱顶最大沉降量降低54.53%;优化CRD工法具有施工速度快、影响范围小以及地表与结构沉降控制好等优点,不仅可以提高工程效益,而且可以保障施工安全性和隧道建成使用的可靠性。研究结果可为西安市及其他地裂缝发育区地裂缝场地地铁隧道暗挖施工提供科学参考和借鉴。     

上海地铁10号线建设与运营过程中地面沉降效应的高分辨率InSAR监测及分析

利用高分辨率InSAR时序分析技术研究了上海地铁10号线建设和运营期地面沉降的时空变化特征。结果表明:上海软土地基中的地铁沉降表现出如下特征:(1)线路区间隧道沉降量较大,而车站沉降量较小,沿线路方向沉降较为均匀;(2)线路两侧的沉降影响范围基本对称,5mm沉降的影响半径为100~150m;(3)线路纵向呈现沉降槽,最大沉降量位于纵向剖面中心,达10~15mm,影响范围为50~100m;(4)线路沉降具有阶段性,主要沉降发生在建设期,运营初期沉降速率有所增加。上述沉降效应表明高分辨率InSAR技术可从空间上完整表现地铁线上沉降的分布特征,从时间上揭示施工和运营阶段地面沉降的变化特征,对于地铁开挖施工期间和竣工运营期间的沉降监测具有显著意义。     

地裂缝场地施工降水对地表沉降和地层应力的影响研究

地裂缝是西安市典型的城市地质灾害，地下水位的变化是诱发地裂缝活动的重要因素。以西安地铁六号线暗挖段施工降水为研究背景，基于有限元数值模拟计算，分析了地裂缝场地施工降水引起的地表沉降规律和地层应力变化特征。计算结果表明:当地下水位下降时，地表沉降量上盘大于下盘，地裂缝带两侧地表存在差异沉降的现象，最大差异沉降量与地下水位下降深度近似呈直线关系；不同位置处地表的横向沉降呈现出"Z"形的变化特征，差异沉降区随地裂缝位置的变动而变化，且差异沉降量与横向地表位置近似呈二次函数曲线关系；地层竖向应力随着地下水位下降而增大，地裂缝位置处地层应力存在突变现象，上下盘应力影响区与地层深度近似呈三次函数曲线关系；基于分层总和法计算了地下水位下降时地表沉降量的解析解，并与数值模拟结果进行对比，发现两种方法计算结果基本一致，得到了计算地表最大沉降量的经验公式。研究结果可为地裂缝场地地铁隧道及其他地下工程安全施工提供科学指导。      

PS-InSAR技术在北京通州区地面沉降监测中的应用

地面沉降是通州区重要地质灾害,由此引发的地裂缝次生灾害现象严重影响通州区的发展建设.以TerraSAR-X卫星影像为数据基础,采用永久散射体干涉测量(PS-InSAR)技术获取通州区地面沉降2015—2018年监测数据,分析了通州区地面沉降时空分布特征以及地裂缝次生灾害的垂向形变特征.结果表明:(1)通州区地面沉降主要集中在西部和北部地区,形成了以通州城区—梨园—台湖为中心的西部沉降区和以永顺—宋庄为中心的北部沉降区,每个沉降区内又分布着多个小的沉降漏斗,在区域上具有不均匀沉降的特征;(2)宋庄地裂缝两盘各存在一个沉降漏斗中心,裂缝带沿线存在多个小沉降漏斗,由裂缝带向两侧沉降量逐渐增大,垂直裂缝带方向存在显著的沉降梯度变化,差异沉降特征明显,建议在宋庄地裂缝成因机理研究过程中考虑差异沉降对地裂缝形成的影响.     

西安地裂缝地段浅埋暗挖地铁隧道施工沉降规律

地裂缝是西安市最典型的地质灾害之一,地裂缝地段地铁隧道施工引起地层及地表沉降是较为突出的工程地质和岩土工程问题。文章以西安地铁六号线浅埋暗挖隧道穿过f8地裂缝为工程背景,基于有限元数值模拟,对地裂缝地段交叉中隔墙法(CRD工法)暗挖施工引起的地表沉降和隧道变形进行了分析。结果表明:暗挖施工引起的地表沉降随开挖进尺呈反S型曲线变化特征,地裂缝带上盘的开挖进尺影响范围大于下盘;隧道中心线地表沉降在地裂缝带出现错台且靠近上盘5 m处出现集中沉降区;地裂缝地段隧道暗挖施工对地表的影响区范围约为80 m即上盘约45 m、下盘约35 m,在此范围应考虑暗挖施工对附近地表建(构)筑物的影响;开挖过程中地裂缝带上盘沉降过程变长且大于下盘;地表横向变形曲线符合高斯分布,上盘沉降大于下盘,在上盘靠近地裂缝位置处地表沉降槽宽度、沉降量明显增大;距地裂缝带5 m处上盘拱顶出现最大沉降,其值为25 mm,而在地裂缝位置处拱底出现27 mm的隆起变形,拱顶和拱底变形在地裂缝带附近出现错台;地裂缝带隧道暗挖施工对拱顶、拱底影响区范围分别为50 m和55 m,靠近上盘地裂缝位置附近隧道暗挖施工衬砌应及时支护,防止土体塌落与隧道变形。研究结果可为西安地铁隧道穿越地裂缝带暗挖施工提供科学依据和技术指导。     

西安典型段地面沉降分层标观测及数值模拟

根据西安地下水监测和详细的地层剖面资料,采用比奥固结理论和不连续面的接触分析,建立了含2条地裂缝的典型地段的二维抽水沉降计算模型,对先存断裂存在时抽水作用下的地面沉降进行了尽可能精细地模拟计算。结合该计算段的监测资料,分析了西安市抽水作用下地层压缩量垂向上的分布特点及地面沉降水平位置上存在差异的原因。研究认为,西安市的地面沉降量主要由100～300 m深度范围内土层的压缩量组成,地裂缝的出现不单是地层厚度不同产生的差异沉降引起的,先存断裂面的作用也很大。由于断裂的存在以及其正断层的特点,沉降过程中上盘（南盘）的沉降得到了放大,而下盘（北盘）沉降缩小,不同结果导致地面沉降在断裂位置出现差异放大现象,导致地裂缝越来越严重。研究成果很好地解释西安地裂缝附近地面沉降的反常差异现象,对于进一步确定地裂缝的成因、预测其发展变化规律具有一定的作用。     

西安地铁二号线沿线地裂缝未来位错量估算及工程分级

地裂缝在地铁设计使用期内的最大垂直位错量是西安地铁二号线穿越地裂缝结构设计的一个十分重要的参数。本文以历史水准监测资料为基础,分析了西安地铁二号线沿线各地裂缝在不同历史阶段的活动特征与活动原因,对各地裂缝的未来活动趋势进行了预测。然后通过基于不同时间段地裂缝活动速率的最大垂直位错量估算结果的对比分析,得出了地铁设计使用期内各条地裂缝与地铁交汇点处地裂缝的最大垂直位错量,并以此为依据,将西安地铁二号线沿线地裂缝分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ级等4个工程级别。     

面向地表沉降控制的地铁盾构参数研究

地表沉降是地铁盾构施工过程中最关心的工程问题之一,关乎近邻建筑物能否正常运营及盾构能否正常施工。故本文以地表沉降为关键目标进行地铁盾构参数研究。将影响地表沉降的盾构参数概括为开挖面支护压力比和等代层弹性模量。在此基础上,以长沙地铁1号线南门口—侯家塘区间为工程背景,采用FLAC3D软件对不同盾构参数下的施工过程进行数值模拟,分析了开挖面支护压力比及等代层弹性模量对地表沉降的影响,提出了研究区段的盾构参数建议值。研究同时得出了在建议盾构参数下,研究区段发生地表沉降的范围及地表沉降最大值。为长沙地铁后续建设及其他城市地铁建设盾构参数的选取提供理论依据和方法参考。     

西安地面沉降及地裂缝阶段预测

地面沉降及地裂缝可视其为复合地质灾害现象。二者性质不同,但就其发展阶段或单旋回过程而言,皆可将其归并于有限系统。本文讨论了西安市小寨地面沉降带的地质背景,建立了泊松旋回预测方程,论证了二者的演化规律及其盛衰阶段。引入指数函数法,进行了沉降阶段的对比研究。根据历史记录,讨论了西安地裂缝兴衰与我国陆块板内地震活动的对应关系。     

北京地区地面沉降与地裂缝关系研究

地面沉降与地裂缝是北京平原区的主要地质灾害。本文在大量的实际资料的基础上,分析了地面沉降、地裂缝在时间、空间和活动方式上的关联,认为二者在加剧活动时间上具有同步性,在活动特征上具有相似性;但发育起点不同,分布上也存在某些不一致性。并以高丽营地裂缝为例,分析了地面沉降与地裂缝之间的相互作用,通过八仙庄地面沉降监测站分层监测结果、地下水监测孔的年水位变幅和勘察孔揭露的地层情况,计算出地裂缝两侧土层不均匀沉降差占地裂缝垂向位错量的30%。研究结果可为二者的联合防治提供理论依据。     

北京地区隧道盾构法施工中地表沉降影响因素分析

结合北京地铁4号线项目,对北京地区特有地质条件下隧道盾构施工中的地表沉降进行研究。分析该类地表沉降的影响因素,阐述地表沉降与地层、时间和施工参数之间的关系。     

基于ANN的苏锡常地裂缝预测研究

伴随着地面沉降灾害的发生,地裂缝作为一种新的地质灾害出现在苏锡常平原上,已有十多年历史,给地区发展造成严重危害。作者在较详细地阐述区域地质背景基础上,着重分析了地下水位和地面沉降在地裂缝形成中的作用。确定了“起伏的基底外加地下水位和地面沉降作用”这一地裂缝成灾模式。研究认为地裂缝的发生与地下水及地面沉降之间不存在简单的线性关系。而是二者共同作用的结果,同时需要有量的配合。初步确定了水位埋深50m,地面沉降量达500mm这样一个苏锡常地区地裂缝的易发环境。通过文章的研究,使得苏锡常地区地裂缝的产生机制更加清晰。文中一些定性和半定量的分析结论将对该地区地裂缝防治区划产生指导作用。     

Earth Fissuring and Land Subsidence in Western Saudi Arabia

The present investigation deals with the engineering geological evaluation of earth fissuring associated with land subsidence in Wadi Al-Yutamah. The investigations include surface mapping and sampling, in situ and laboratory soil testing, water well inventory, geophysical survey, and monitoring of open fissures and the level of the wadi floor.The earth fissures in the area developed as a result of land subsidence due to man-induced water level declines caused by pumping water from the wadi aquifer above a safe yield. This situation has produced a compaction of underlying unconsolidated sediments and formed hair fissures above ridges and steps of buried surface bedrock. These hair fissures enlarged later after flood erosion and possible enhancement with hydrocompaction.The wadi soil in the study area consists mainly of silt of low plasticity, low density and high void ratio and it was classified as loess like material and collapsing soil. The settlement in the area is greatly increased by excessive wetting under constant pressures. The calculated coefficients of subsidence (collapse) show that the wadi soils were considered to pose moderate problems when wetted.Monitoring of the existing open earth fissures using extensometers indicates that the width of the fissure increases after flooding or rain falls. Monitoring of the ground level using GPS techniques, shows a good relation between the declination of the water table and the subsidence of the ground of the wadi floor.     

Pumping-induced stress and strain in aquifer systems in Wuxi,China

Excessive groundwater withdrawal from an aquifer system leads to three-dimensional displacement, causing changes in the states of stress and strain. Often, land subsidence and sometimes earth fissures ensue. Field investigation indicates that land subsidence and earth fissures in Wuxi, a city in eastern China, are mainly due to excessive groundwater withdrawal, and that they are temporally and spatially related to groundwater pumping. Groundwater withdrawal may cause tensile strain to develop in aquifer systems, but tensile strain does not definitely mean tensile stress. Where earth fissures are concerned, the stress state should be adopted in numerical simulations instead of the strain state and displacement. The numerical simulation undertaken for the Wuxi area shows that the zone of tensile strain occupies a large area on the ground surface; nevertheless, the zone of tensile stress is very limited. The zone of tensile stress often occurs near the ground surface, beneath which the depth to the bedrock surface is relatively small and has considerable variability. Earth fissures often initiate near the ground surface where tensile stress occurs. Tensile stress and earth fissures rarely develop at the centers of land subsidence bowls, where compressive stress is dominant.     

中国地面沉降及其需要解决的几个问题

我国地面沉降主要出现在东、中部17个省市,总面积超过5×104km2,同时在17个省市出现成因上与它有关的地裂缝,危害是多方面的。沉降发生在经济高速发展的东部地区,造成的危害和损失也更大。我国地面沉降有下列特点:过量开采地下水是主要原因;各土层变形量既与其压缩性有关,也与它本身的厚度有关;砂土变形基本特征是压缩过程中总的应力与应变关系为非线性,压缩变形以塑性变形为主并包含有蠕变;水位恢复到开采前水平,沉降仍在继续,存在滞后等。从目前研究,特别是模拟研究的现状出发,指出存在8个方面的不足,进而提出需要研究解决的6个科学问题,为提高我国的研究水平献策。