西安地铁建设在地裂缝分布的地层中,地裂缝活动将导致隧道衬砌结构产生显著的附加应力和不均匀沉降,变形缝发生相对错动位移以及防渗设施失效。揭示地裂缝活动条件下围岩压力、衬砌结构内力和不均匀沉降的发展变化规律,对于采取有效工程措施,保证地裂缝隧道正常运行具有重要的实际意义。本文以西安地铁2号线小寨站～八里村站区间内穿越f8地裂缝的地铁隧道为研究对象,结合实际工程的具体设计方案,开展了地铁隧道骑缝正交和斜交穿越地裂缝条件下衬砌结构与围岩相互作用的模型试验研究。首先,按照50:1的几何比尺,自主研制了一台地裂缝隧道模型试验装置,该装置采用气压囊加荷方式模拟不同埋深的隧道围岩应力场,通过控制沉降底盘模拟正交和45°斜交地裂缝的活动。另外,还配套地设计开发了柔性薄膜液压土压力计及不均匀沉降测量系统。然后,模拟地层土性条件、正交或45°斜交地裂缝、分缝衬砌结构和竖向应力为0.05MPa、0.10MPa和0.15MPa围岩应力场,进行模型试验。得到了如下认识：1)在正交地裂缝错动位移条件下,上、下盘内距离地裂缝20m、18m范围内,衬砌结构有明显的不均匀沉降,且骑缝两侧衬砌结构的不均匀沉降发展显著；上盘内衬砌结构的不均匀沉降随距离地裂缝的距离增大而逐渐减小,下盘内衬砌结构的沉降位移小。而在45°斜交地裂缝错动位移条件下,上、下盘内距离地裂缝30m、22m范围内,衬砌结构的不均匀沉降变化明显,地裂缝两侧衬砌结构的不均匀沉降变化趋缓。2)随着地裂缝错动位移的发展,隧道正交、骑缝穿越地裂缝时,上盘内拱顶、拱底均会出现围岩作用的松弛,同时侧墙土压力增大；下盘内拱顶、拱底和侧墙的围岩压力均会增大,衬砌结构的压应力会增大；围岩土压力增量的最大值均发生在下盘内地裂缝附近；各段衬砌结构与围岩土体间的相互作用及不均匀沉降发展,使得下盘内各变形缝两侧衬砌结构围岩土压力均出现突变。3)与正交地裂缝隧道相比较,斜交地裂缝对地铁隧道的影响更大,更容易造成地铁隧道受拉破坏和上盘内仰拱底脱空。不同围岩应力场中,衬砌结构不均匀沉降位移变化规律相似；围岩应力场越大,地裂缝错动位移引起的围岩土压力和衬砌结构应力变化越显著。4)骑缝斜交穿越地裂缝时,骑缝两侧衬砌结构部分处于“悬臂梁”受力状态,并产生纵剖面内的旋转位移。上盘衬砌结构拱顶处和下盘衬砌结构拱顶、拱底土压力增大,衬砌结构内力同时也增大,均较正交穿越地裂缝时大,并将导致衬砌结构受拉破坏。上盘内拱底围岩土压力及衬砌结构内力大幅度降低,在错动位移达到100cm时产生脱空。最后,针对地裂缝长期缓慢活动、隧道衬砌结构附加应力增长和不均匀沉降变形发展问题,应用具有流变性、抗裂性、防渗性等优点的沥青混凝土材料,提出了沥青混凝土复合衬砌结构支护技术。该技术是在初衬和二衬之间构筑沥青混凝土衬砌复合衬砌,以便能够适应地裂缝活动引起的不均匀变形而不产生裂缝,增强变形缝的防渗能力,改善二次衬砌结构受力环境和削弱外部荷载(地裂缝活动或地震作用)对隧道的影响。该支护技术对于地裂区和强震地区隧道工程建设,具有一定的工程实践意义。