徐繼山，盧全中，2，付恒陽

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

重點實驗室，陜西 西安 710054；3.長安大學(xué) 地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西 西安 710054）

地裂縫是一種常見的自然現(xiàn)象。在自然營力作用下巖土層發(fā)生變形，當(dāng)力的作用與積累超過巖土層內(nèi)部的結(jié)合力時，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。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、地下停車場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。長期以來，人們對西安地裂縫的研究主要集中在成因機制，空間分布規(guī)律和活動特征等方面、在地裂縫對地下工程的影響相互作用機理以及防治對策方面的研究成果相對較少［1］。由于國家有關(guān)地質(zhì)災(zāi)害危險性評估的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尚處于征求意見稿階段，所以當(dāng)前執(zhí)行的技術(shù)依據(jù)為國土資源部在2004年第69號文件中發(fā)布的《地質(zhì)災(zāi)害危險性評估技術(shù)要求（試行）》［5］。對于西安地裂縫這一特定區(qū)域、特定災(zāi)種并沒有提出系統(tǒng)的分析方法和防治對策，有關(guān)地裂縫災(zāi)害的工程危險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對隧道工程的影響因素和致災(zāi)特點、地裂縫活動與隧道施工活動的疊加效應(yīng)，以及相關(guān)的評估理論方法。最后針對地裂縫災(zāi)害特征以及工程特點提出若干防治措施。

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）。其活動方式是蠕動。主要表現(xiàn)為主地裂縫南側(cè)下降，北側(cè)相對上升。

1.2 西安地鐵四號線隧道工程概況

地鐵四號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34.3km，共設(shè)車站28座。線路先后通過了西安市雁塔區(qū)、碑林區(qū)、新城區(qū)以及未央?yún)^(qū)等4個行政區(qū)。連通航天產(chǎn)業(yè)基地、曲江新區(qū)及經(jīng)開區(qū)等3個開發(fā)區(qū)。四號線全線擬一期建設(shè)，全線采用地下線敷設(shè)方式。西安地鐵四號線隧道為線性工程，不可避免地穿越西安地裂縫，共計13條，17個交點。

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)造運動強烈，發(fā)育有不同時期、不同規(guī)模與不同方向的多組活動斷裂。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兩個次一級構(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塬（Ⅰ～Ⅲ級）、黃土臺塬前緣的沖洪積平原、渭河階地（Ⅰ～Ⅱ級）和黃土臺塬間的河流階地（Ⅰ～Ⅴ級）（圖1）。西安市主要位于臨潼-長安斷裂上盤的黃土塬前沖洪積平原區(qū)。在渭河盆地中部兩個次一級構(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，具有較強的濕陷性，對地裂縫活動有一定影響。

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采層。20世紀(jì)70～90年代中期，由于長期過量開采，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，地下水開采量大幅減少，承壓水頭趨于穩(wěn)定，個別地段還出現(xiàn)回升。

3 地裂縫災(zāi)害危險性綜合評估

在綜合分析地質(zhì)災(zāi)害危險性現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢的基礎(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)害危害程度與危險性大小區(qū)帶。評估主要分定性、定量兩個方面進行，具體說來：

3.1 危險性綜合評估的定性分析

根據(jù)試驗研究，地裂縫活動對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，給地鐵的正常運行造成安全隱患。（2）滲漏水。滲漏水問題是地裂縫活動造成的間接危害。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型地質(zhì)災(zāi)害，它也是引起地裂縫超?；顒拥闹饕蛩亍Ｆ湮：π赃h(yuǎn)不及突發(fā)性災(zāi)害明顯。但如果沉降速率過大也會改變地鐵的原設(shè)計縱、橫坡率，影響地鐵的正常營運。根據(jù)上述地裂縫、地面沉降地質(zhì)災(zāi)害的特點及對擬建地鐵工程的危害情況，綜合確定綜合評估分區(qū)采取表1。

3.2 危險性分區(qū)范圍定量計算方法

從現(xiàn)場實際調(diào)查來看，西安地裂縫與地鐵四號線的夾角近似為正交情況（偶現(xiàn)小角度相交）。根據(jù)正交試驗結(jié)果可以得出，在地裂縫活動時，地鐵隧道受到的變形破壞范圍和強度，隨著上、下盤位錯量的加大而變大［9］，上盤的影響范圍要大于下盤?？紤]到地裂縫對地鐵隧道的影響最為直接也最為嚴(yán)重。本文針對地裂縫的情況進行危險性分區(qū)范圍定量計算。具體的計算參考《西安地裂縫場地勘察與工程設(shè)計規(guī)程》（DBJ 61-6-2006）和《西安地裂縫對地鐵工程的危害及其防治措施研究》（長安大學(xué)、中鐵第一勘察設(shè)計院、西安地下鐵道有限公司，2009）的研究成果（圖3）。

表1 地裂縫危險性綜合定性評價Table 1 Comprehensive assessment of ground fissures’risk

根據(jù)計算，地裂縫對地鐵的影響長度為：

L=K（d1/sinθ1+d3/tgθ3+d2/sinθ2）

圖3 地裂縫對地鐵的影響范圍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)這一計算方法，結(jié)合每條地裂縫的特點，可以計算得出地鐵四號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 擬建地鐵四號線地質(zhì)災(zāi)害危險性綜合評估結(jié)果Table 3 The result of assessment of ground fissures’hazard on subway line 4

續(xù)表

3.3 評估結(jié)果

根據(jù)上面危險性的定性評價及范圍的定量計算，最終將整個評估區(qū)劃分為3個危險性等級，35個區(qū)段.具體情況如表3所示。

通過對分區(qū)結(jié)果的分析，可以發(fā)現(xiàn)：（1）由于評估區(qū)域危險性分區(qū)等級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 個不同地段）的影響。地裂縫活動性在線路上體現(xiàn)南、北弱、中間強的規(guī)律。最強的區(qū)段為 f5～f9。（2）地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重、危險性大的（Ⅰ級）區(qū)段有5個（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％，約占評估區(qū)總面積的0.6％。（3）地質(zhì)災(zāi)害危害程度較大、危險性中等的（Ⅱ級）區(qū)段有9個（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％，約占評估區(qū)總面積的0.9％。（4）地質(zhì)災(zāi)害危害程度輕微、危險性小的有21個區(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％，占評估區(qū)總面積的1.2％。區(qū)段內(nèi)沒有地裂縫或地裂縫活動性小，地面沉降影響也較小，對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引起地鐵隧道的縱向彎曲變形，使得隧道開裂破壞。同時還會加劇地裂縫的活動。而大的地裂縫活動對建筑物的破壞具有不可抵御性。因此對于地鐵四號線過地裂縫活動強烈或地面沉降大的路段時，必須采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣矸乐篂?zāi)害的發(fā)生。其防治方法主要有三種：空間避讓、時間避讓、地基避讓。防治原則要化“被動適應(yīng)”為“主動預(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理的研究和分析，西安市城郊區(qū)過量抽取深層承壓水，引起土層孔隙水壓力降低、含水層、粘土層固結(jié)壓密和土體松動壓密是地面沉降和地裂縫超?；顒拥闹饕?，其活動量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)測總站的監(jiān)測資料表明：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。因此建議政府出臺政策，更明確規(guī)定地鐵沿線及周邊范圍禁止開采地下水。同時加強地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。應(yīng)特別強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)測網(wǎng)，實現(xiàn)自動監(jiān)控報警，及時處理。

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內(nèi)乃至世界是無此先例的。在理論分析、數(shù)值計算的基礎(chǔ)上，制定應(yīng)對西安特殊的地質(zhì)災(zāi)害的結(jié)構(gòu)措施。其基本思想就是在設(shè)置變形縫的同時適當(dāng)擴大地裂縫影響范圍內(nèi)的襯砌斷面，主動適應(yīng)地裂縫變形，避免災(zāi)害發(fā)生。因此，對于四號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立單元、分別進行治理。在地裂縫活動較強烈的區(qū)段，采用分段柔性接頭隧道以適應(yīng)地裂縫對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、地裂縫的活動量等因素有很大的關(guān)系，建議對涉及到的地裂縫進行詳細(xì)的勘察，并加強隧道圍巖強度、涌水量、基坑突水等情況的監(jiān)測評價［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（不包括長安地裂縫）。西安地鐵四號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13條，17個交點。給地鐵隧道的施工質(zhì)量、治理措施提出了較高要求。

（2）地裂縫活動對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）地裂縫對地鐵隧道造成的危險區(qū)可分成17個地段、35個區(qū)段。地裂縫活動性在線路上體現(xiàn)南、北弱、中間強的規(guī)律。其中，危險性大的有5個區(qū)段，危險性中等的有9個區(qū)段，危險性小的有21個區(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采地下水。同時加強地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，應(yīng)特別強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)測網(wǎng)，實現(xiàn)自動監(jiān)控報警，及時處理。

（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立單元、分別進行治理。在地裂縫活動較強烈的區(qū)段，采用分段柔性接頭隧道以適應(yīng)地裂縫對隧道造成的較大變形。

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