西安地鐵四號(hào)線沿線地裂縫的災(zāi)害分析與對(duì)策研究

徐繼山，盧全中，2，付恒陽(yáng)

（1.長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部

重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.長(zhǎng)安大學(xué) 地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西 西安 710054）

地裂縫是一種常見(jiàn)的自然現(xiàn)象。在自然營(yíng)力作用下巖土層發(fā)生變形，當(dāng)力的作用與積累超過(guò)巖土層內(nèi)部的結(jié)合力時(shí)，其內(nèi)在的連續(xù)性發(fā)生破壞，形成裂縫顯露于地表［4］。地裂縫是一定地質(zhì)歷史的產(chǎn)物，其災(zāi)害特征具有的緩慢性、潛在性、瞬發(fā)性等特點(diǎn)。隨著人類生存空間向地上、地下空間的拓展，城市大型工程如地鐵、地下商場(chǎng)、地下停車場(chǎng)等建筑工事的配套建設(shè)，地面沉降、地裂縫、地表塌陷等非傳統(tǒng)意義的地質(zhì)災(zāi)種的影響日益凸顯出來(lái)。長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)西安地裂縫的研究主要集中在成因機(jī)制，空間分布規(guī)律和活動(dòng)特征等方面、在地裂縫對(duì)地下工程的影響相互作用機(jī)理以及防治對(duì)策方面的研究成果相對(duì)較少［1］。由于國(guó)家有關(guān)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尚處于征求意見(jiàn)稿階段，所以當(dāng)前執(zhí)行的技術(shù)依據(jù)為國(guó)土資源部在2004年第69號(hào)文件中發(fā)布的《地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估技術(shù)要求（試行）》［5］。對(duì)于西安地裂縫這一特定區(qū)域、特定災(zāi)種并沒(méi)有提出系統(tǒng)的分析方法和防治對(duì)策，有關(guān)地裂縫災(zāi)害的工程危險(xiǎn)性理論研究尚顯不足，給地鐵隧道工程的研究、施工造成了不利因素。在這一背景下，文章選取西安市這一典型地裂縫發(fā)育區(qū)，探討了西安市地裂縫的工程地裂縫活動(dòng)對(duì)隧道工程的影響因素和致災(zāi)特點(diǎn)、地裂縫活動(dòng)與隧道施工活動(dòng)的疊加效應(yīng)，以及相關(guān)的評(píng)估理論方法。最后針對(duì)地裂縫災(zāi)害特征以及工程特點(diǎn)提出若干防治措施。

1 研究背景

1.1 西安地裂縫發(fā)育概況

西安地裂縫是一種地區(qū)性的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。目前西安共發(fā)育有14條地裂縫，分布面積約250km2。西安地裂縫由主裂縫、次生地裂縫和分支地裂縫組成，總體走向 NE-NEE，近似平行于臨潼 -長(zhǎng)安斷裂，傾向SE-SSE，平面形態(tài)呈不等間距平行排列［3］。在平面上和剖面上具有很好的延伸連續(xù)性。與其他區(qū)域地裂縫不同的是，西安地裂縫大都發(fā)育在特定的構(gòu)造地貌部位，即“梁崗”地貌的南側(cè)陡坡上（梁間洼地的北側(cè)邊緣）。其活動(dòng)方式是蠕動(dòng)。主要表現(xiàn)為主地裂縫南側(cè)下降，北側(cè)相對(duì)上升。

1.2 西安地鐵四號(hào)線隧道工程概況

地鐵四號(hào)線是西安市軌道交通線網(wǎng)中南北方向的主骨架線。南起航天產(chǎn)業(yè)基地，北至草灘。線路全長(zhǎng)34.3km，共設(shè)車站28座。線路先后通過(guò)了西安市雁塔區(qū)、碑林區(qū)、新城區(qū)以及未央?yún)^(qū)等4個(gè)行政區(qū)。連通航天產(chǎn)業(yè)基地、曲江新區(qū)及經(jīng)開(kāi)區(qū)等3個(gè)開(kāi)發(fā)區(qū)。四號(hào)線全線擬一期建設(shè)，全線采用地下線敷設(shè)方式。西安地鐵四號(hào)線隧道為線性工程，不可避免地穿越西安地裂縫，共計(jì)13條，17個(gè)交點(diǎn)。

2 地質(zhì)背景

2.1 地質(zhì)構(gòu)造

西安市位于渭河盆地東南隅。該盆地夾持于鄂爾多斯地塊與秦嶺斷隆之間。是典型的斷陷盆地［7］。盆地內(nèi)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，發(fā)育有不同時(shí)期、不同規(guī)模與不同方向的多組活動(dòng)斷裂。將渭河盆地切割成大小不等、形態(tài)各異的構(gòu)造斷塊。西安即位于盆地中部?jī)蓚€(gè)次一級(jí)構(gòu)造單元—西安斷陷與驪山斷隆的交接部位。分別被渭河斷裂、臨潼-長(zhǎng)安斷裂、皂河斷裂和浐河斷裂所切圍（圖2）。

圖1 西安地區(qū)地貌與地裂縫分布略圖Fig.1 Distribution of Topography and ground fissures in Xi’an

圖2 西安地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造Fig.2 Geological structure in Xi’an

2.2 地形地貌特征

西安地區(qū)地貌類型單元自南而北可分為黃土臺(tái)塬（Ⅰ～Ⅲ級(jí)）、黃土臺(tái)塬前緣的沖洪積平原、渭河階地（Ⅰ～Ⅱ級(jí)）和黃土臺(tái)塬間的河流階地（Ⅰ～Ⅴ級(jí)）（圖1）。西安市主要位于臨潼-長(zhǎng)安斷裂上盤的黃土塬前沖洪積平原區(qū)。在渭河盆地中部?jī)蓚€(gè)次一級(jí)構(gòu)造單元-西安斷陷和驪山斷隆交接部位的西北側(cè)，發(fā)育有獨(dú)特的黃土梁洼地貌。其構(gòu)造特征明顯：⑴十余條黃土梁和洼地呈NEE向平行展布。單條黃土梁長(zhǎng)約6～11km，平均寬度600m，各黃土梁之間以800～1500m間距相間排列。⑵黃土梁和洼地的剖面形態(tài)均不對(duì)稱。黃土梁南高北低，南陡北緩；洼地北深南淺，兩者組成簸箕型盆地和“南仰北俯”的斷塊型式的盆嶺地貌。⑶據(jù)人工地震和鉆孔資料，每條黃土梁南側(cè)陡坡下，都對(duì)應(yīng)發(fā)育著一條南傾南降的隱伏正斷層。

2.3 地層巖性特征

西安斷陷內(nèi)沉積有巨厚的新生界地層。基底由太古界、元古界變質(zhì)巖和燕山期侵入巖構(gòu)成。新生界厚達(dá)7000余米，在西安附近厚約4000～5000m。其中第四系厚約300～1000m。第三系主要由河湖相沉積的碎屑巖組成，巖性以泥巖、細(xì)砂巖、含礫砂巖及礫巖為主。第四系以湖積、洪積、沖積、沖洪積、風(fēng)積為主，巖性多為砂、礫石、粉質(zhì)粘土、粘土、黃土。在西安城郊區(qū)300m深度范圍內(nèi)主要為下更新統(tǒng)沖、湖積中細(xì)砂與粉質(zhì)粘土互層。中更新統(tǒng)沖、洪積粉質(zhì)粘土和黃土狀土夾薄層砂。地表為上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土。在水平方向上，東南郊粉質(zhì)粘土、黃土與黃土狀土層較厚、砂層薄少，而西北郊處砂層較厚。粘性土易失水壓密，對(duì)地裂縫和地面沉降有較大影響。風(fēng)成黃土大孔隙發(fā)育，具有較強(qiáng)的濕陷性，對(duì)地裂縫活動(dòng)有一定影響。

2.4 水文地質(zhì)條件

按含水介質(zhì)和埋藏條件，西安地區(qū)地下含水層可分為松散巖類孔隙潛水、淺層承壓水、深層承壓水。上部潛水含水層埋深小于50m；中部淺層承壓含水層，埋深40～80m；下部深層承壓含水層埋深100～300m。淺層承壓含水層與深層承壓含水層之間普遍分布厚約90m的粉質(zhì)粘土隔水層。由于潛水及淺層承壓水被嚴(yán)重污染，所以很少被開(kāi)采利用，水位下降緩慢。深層承壓水的水質(zhì)良好。是各單位自備水源井的主要開(kāi)采層。20世紀(jì)70～90年代中期，由于長(zhǎng)期過(guò)量開(kāi)采，使該含水層的承壓水水頭下降了數(shù)十米。90年代中期黑河引水工程竣工以來(lái)，地下水開(kāi)采量大幅減少，承壓水頭趨于穩(wěn)定，個(gè)別地段還出現(xiàn)回升。

3 地裂縫災(zāi)害危險(xiǎn)性綜合評(píng)估

在綜合分析地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，圍繞本工程致災(zāi)嚴(yán)重的主要災(zāi)害類型——地裂縫和地面沉降，結(jié)合擬建工程自身的特點(diǎn)及重要性，綜合考慮、科學(xué)合理地劃分地質(zhì)災(zāi)害危害程度與危險(xiǎn)性大小區(qū)帶。評(píng)估主要分定性、定量?jī)蓚€(gè)方面進(jìn)行，具體說(shuō)來(lái)：

3.1 危險(xiǎn)性綜合評(píng)估的定性分析

根據(jù)試驗(yàn)研究，地裂縫活動(dòng)對(duì)地鐵隧道可能造成直接的、間接的破壞［8］。表現(xiàn)在：（1）變形破壞。由于地裂縫與地鐵隧道直接相交，其活動(dòng)將不可避免地造成隧道襯砌變形裂損或破壞、鐵軌路基及軌道變形破壞，給地鐵的正常運(yùn)行造成安全隱患。（2）滲漏水。滲漏水問(wèn)題是地裂縫活動(dòng)造成的間接危害。由于地鐵隧道被地裂縫破壞變形其隔水性隨之降低，造成地下水、地表水的滲入等不利影響。（3）地面沉降。西安地面沉降是緩慢漸進(jìn)型地質(zhì)災(zāi)害，它也是引起地裂縫超常活動(dòng)的主要因素。其危害性遠(yuǎn)不及突發(fā)性災(zāi)害明顯。但如果沉降速率過(guò)大也會(huì)改變地鐵的原設(shè)計(jì)縱、橫坡率，影響地鐵的正常營(yíng)運(yùn)。根據(jù)上述地裂縫、地面沉降地質(zhì)災(zāi)害的特點(diǎn)及對(duì)擬建地鐵工程的危害情況，綜合確定綜合評(píng)估分區(qū)采取表1。

3.2 危險(xiǎn)性分區(qū)范圍定量計(jì)算方法

從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查來(lái)看，西安地裂縫與地鐵四號(hào)線的夾角近似為正交情況（偶現(xiàn)小角度相交）。根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果可以得出，在地裂縫活動(dòng)時(shí)，地鐵隧道受到的變形破壞范圍和強(qiáng)度，隨著上、下盤位錯(cuò)量的加大而變大［9］，上盤的影響范圍要大于下盤。考慮到地裂縫對(duì)地鐵隧道的影響最為直接也最為嚴(yán)重。本文針對(duì)地裂縫的情況進(jìn)行危險(xiǎn)性分區(qū)范圍定量計(jì)算。具體的計(jì)算參考《西安地裂縫場(chǎng)地勘察與工程設(shè)計(jì)規(guī)程》（DBJ 61-6-2006）和《西安地裂縫對(duì)地鐵工程的危害及其防治措施研究》（長(zhǎng)安大學(xué)、中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院、西安地下鐵道有限公司，2009）的研究成果（圖3）。

表1 地裂縫危險(xiǎn)性綜合定性評(píng)價(jià)Table 1 Comprehensive assessment of ground fissures’risk

根據(jù)計(jì)算，地裂縫對(duì)地鐵的影響長(zhǎng)度為：

L=K（d1/sinθ1+d3/tgθ3+d2/sinθ2）

圖3 地裂縫對(duì)地鐵的影響范圍Fig.3 Effect of ground fissure on subway

式中K為安全系數(shù)。考慮到地鐵為百年大計(jì)的重要工程，安全系數(shù)可取2～3。根據(jù)地裂縫規(guī)程（DBJ 61-6-2006）及試驗(yàn)研究結(jié)果，綜合取 d1=14m，d2=20m，安全系數(shù)取K=2。如果有次生地裂縫，d1、d2從次生地裂縫起算。根據(jù)這一計(jì)算方法，結(jié)合每條地裂縫的特點(diǎn)，可以計(jì)算得出地鐵四號(hào)線所涉及到的每條地裂縫的影響寬度如表2所示。

表2 四號(hào)線地鐵受地裂縫的影響寬度Table 2 The width of subway line 4 effected by ground fissures

表3 擬建地鐵四號(hào)線地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性綜合評(píng)估結(jié)果Table 3 The result of assessment of ground fissures’hazard on subway line 4

續(xù)表

3.3 評(píng)估結(jié)果

根據(jù)上面危險(xiǎn)性的定性評(píng)價(jià)及范圍的定量計(jì)算，最終將整個(gè)評(píng)估區(qū)劃分為3個(gè)危險(xiǎn)性等級(jí)，35個(gè)區(qū)段.具體情況如表3所示。

通過(guò)對(duì)分區(qū)結(jié)果的分析，可以發(fā)現(xiàn)：（1）由于評(píng)估區(qū)域危險(xiǎn)性分區(qū)等級(jí)主要決定于地裂縫災(zāi)害的影響。從北往南，地鐵依次受 f1、f2、f3、f4、f5、f6、f7、f8、f9、f10、f13、fc1、fc5、fc6共 14 條地裂縫（17 個(gè)不同地段）的影響。地裂縫活動(dòng)性在線路上體現(xiàn)南、北弱、中間強(qiáng)的規(guī)律。最強(qiáng)的區(qū)段為 f5～f9。（2）地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重、危險(xiǎn)性大的（Ⅰ級(jí)）區(qū)段有5個(gè)（區(qū)段10、區(qū)段12、區(qū)段14、區(qū)段16和區(qū)段18），面積0.22 km2，占地裂縫影響區(qū)段總面積的20.2％，約占評(píng)估區(qū)總面積的0.6％。（3）地質(zhì)災(zāi)害危害程度較大、危險(xiǎn)性中等的（Ⅱ級(jí)）區(qū)段有9個(gè)（區(qū)段2、區(qū)段4、區(qū)段20、區(qū)段22、區(qū)段26、區(qū)段28、區(qū)段 30、區(qū)段32和區(qū)段 34），面積約0.35 km2，占地裂縫影響區(qū)段總面積的34.0％，約占評(píng)估區(qū)總面積的0.9％。（4）地質(zhì)災(zāi)害危害程度輕微、危險(xiǎn)性小的有21個(gè)區(qū)段（區(qū)段1、區(qū)段3、區(qū)段5、區(qū)段 6、區(qū)段 7、區(qū)段 8、區(qū)段 9、區(qū)段 11、區(qū)段 13、區(qū)段15、區(qū)段 17、區(qū)段 19、區(qū)段 21、區(qū)段 23、區(qū)段 24、區(qū)段25、區(qū)段27、區(qū)段29、區(qū)段31、區(qū)段33和區(qū)段35），總面積約38.23 km2，約占評(píng)估區(qū)總面積的98.5％；其中屬于地裂縫影響區(qū)的區(qū)段總面積為0.48km2，占地裂縫發(fā)育區(qū)段總面積的45.8％，占評(píng)估區(qū)總面積的1.2％。區(qū)段內(nèi)沒(méi)有地裂縫或地裂縫活動(dòng)性小，地面沉降影響也較小，對(duì)擬建地鐵工程影響較小。

4 地裂縫災(zāi)害的工程防治措施

由于大的地面沉降會(huì)引起地鐵隧道的縱向彎曲變形，使得隧道開(kāi)裂破壞。同時(shí)還會(huì)加劇地裂縫的活動(dòng)。而大的地裂縫活動(dòng)對(duì)建筑物的破壞具有不可抵御性。因此對(duì)于地鐵四號(hào)線過(guò)地裂縫活動(dòng)強(qiáng)烈或地面沉降大的路段時(shí)，必須采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)防止災(zāi)害的發(fā)生。其防治方法主要有三種：空間避讓、時(shí)間避讓、地基避讓。防治原則要化“被動(dòng)適應(yīng)”為“主動(dòng)預(yù)防”，將損失降到最低［10］。

4.1 減緩地質(zhì)災(zāi)害的措施建議

根據(jù)西安地裂縫和地面沉降形成機(jī)理的研究和分析，西安市城郊區(qū)過(guò)量抽取深層承壓水，引起土層孔隙水壓力降低、含水層、粘土層固結(jié)壓密和土體松動(dòng)壓密是地面沉降和地裂縫超常活動(dòng)的主要原因，其活動(dòng)量70％ ～90％是由于抽汲承壓水引起的［6］。據(jù)省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站的監(jiān)測(cè)資料表明：1999年西安市城郊區(qū)70％地區(qū)地下水承壓水位有所回升，一般回升0.84～2.5 m，最大上升3.81 m。2002年以后，市區(qū)所有承壓水停采，市區(qū)內(nèi)承壓水位上升。東部上升1～3m，承壓水下降的漏斗中心水位也稍有回升。地面沉降和地裂縫的發(fā)展也得到了有效的控制。因此建議政府出臺(tái)政策，更明確規(guī)定地鐵沿線及周邊范圍禁止開(kāi)采地下水。同時(shí)加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。應(yīng)特別強(qiáng)化和加密地鐵穿越區(qū)域的地裂縫、地面沉降、地下水的專業(yè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)控報(bào)警，及時(shí)處理。

4.2 適應(yīng)地質(zhì)災(zāi)害的結(jié)構(gòu)措施建議

西安地鐵隧道工程所遇地裂縫群在國(guó)內(nèi)乃至世界是無(wú)此先例的。在理論分析、數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上，制定應(yīng)對(duì)西安特殊的地質(zhì)災(zāi)害的結(jié)構(gòu)措施。其基本思想就是在設(shè)置變形縫的同時(shí)適當(dāng)擴(kuò)大地裂縫影響范圍內(nèi)的襯砌斷面，主動(dòng)適應(yīng)地裂縫變形，避免災(zāi)害發(fā)生。因此，對(duì)于四號(hào)線既有與地裂縫大角度相交、又有小角度相交的情況，可以借鑒美國(guó)加利福尼亞州的Los Angeles地鐵隧道穿越Hollywood活斷層的處理方法［2］，把跨越地裂縫的地鐵隧道段分成若干獨(dú)立單元、分別進(jìn)行治理。在地裂縫活動(dòng)較強(qiáng)烈的區(qū)段，采用分段柔性接頭隧道以適應(yīng)地裂縫對(duì)隧道造成的較大變形［3，12］。鑒于處理方法與地鐵地裂縫的交角、地裂縫的活動(dòng)量等因素有很大的關(guān)系，建議對(duì)涉及到的地裂縫進(jìn)行詳細(xì)的勘察，并加強(qiáng)隧道圍巖強(qiáng)度、涌水量、基坑突水等情況的監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)［11］，科學(xué)合理施工。

5 結(jié)論

（1）西安市區(qū)共發(fā)育14條地裂縫（不包括長(zhǎng)安地裂縫）。西安地鐵四號(hào)線隧道為貫穿南北的大規(guī)模的線性工程，不可避免地穿越西安地裂縫，共計(jì)13條，17個(gè)交點(diǎn)。給地鐵隧道的施工質(zhì)量、治理措施提出了較高要求。

（2）地裂縫活動(dòng)對(duì)地鐵隧道可能造成直接的、間接的破壞。主要表現(xiàn)為：變形破壞、滲漏水以及地面沉降。

（3）地裂縫對(duì)地鐵隧道造成的危險(xiǎn)區(qū)可分成17個(gè)地段、35個(gè)區(qū)段。地裂縫活動(dòng)性在線路上體現(xiàn)南、北弱、中間強(qiáng)的規(guī)律。其中，危險(xiǎn)性大的有5個(gè)區(qū)段，危險(xiǎn)性中等的有9個(gè)區(qū)段，危險(xiǎn)性小的有21個(gè)區(qū)段。

（4）適應(yīng)地質(zhì)災(zāi)害的結(jié)構(gòu)措施建議為：應(yīng)明確規(guī)定在地鐵沿線及周邊范圍禁止開(kāi)采地下水。同時(shí)加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，應(yīng)特別強(qiáng)化和加密地鐵穿越區(qū)域的地裂縫、地面沉降、地下水的專業(yè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)控報(bào)警，及時(shí)處理。

（5）適應(yīng)地質(zhì)災(zāi)害的結(jié)構(gòu)措施建議為：把跨越地裂縫的地鐵隧道段分成若干獨(dú)立單元、分別進(jìn)行治理。在地裂縫活動(dòng)較強(qiáng)烈的區(qū)段，采用分段柔性接頭隧道以適應(yīng)地裂縫對(duì)隧道造成的較大變形。

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