張玉璽

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，陜西西安　710043)

The Application of Xian Ground Fracture Third-class Ground Survey Method in Metro Survey

ZHANG Yu-xi

西安地裂縫三類場地勘察方法在地鐵勘察中的應(yīng)用

張玉璽

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，陜西西安710043)

The Application of Xian Ground Fracture Third-class Ground Survey Method in Metro Survey

ZHANG Yu-xi

摘要地裂縫作為一種城市地質(zhì)災(zāi)害對城市工程建設(shè)有著較大危害，西安三類場地地裂縫是其中勘察難度較大的一類。以地鐵工程中的地裂縫勘察為項目依托，采用多種手段相結(jié)合的綜合勘察方法，以地層層位變化、土層物理性質(zhì)差異、地下水位差異作為切入點來系統(tǒng)分析該類地裂縫，發(fā)現(xiàn)并判定其位置，為工程建設(shè)提供重要依據(jù)。

關(guān)鍵詞地裂縫地鐵工程沉積層土體性質(zhì)地下水

地裂縫作為西安地區(qū)典型的城市地質(zhì)災(zāi)害，對地鐵工程建設(shè)形成較大的威脅，其中三類場地又是地裂縫場地勘察中難度較大的一類。以西安市地鐵六號線勘察為項目背景，對三類場地的地裂縫進(jìn)行了綜合勘察、系統(tǒng)分析。

1三類地裂縫場地概況

1.1　西安地裂縫簡述

西安地裂縫是西安市城市建設(shè)的主要地質(zhì)災(zāi)害之一，分布廣泛、活動劇烈。自上世紀(jì)50年代以來，在西安城區(qū)發(fā)現(xiàn)的地裂縫多達(dá)14條，面積達(dá)155 km2，與地面沉降范圍基本一致。地裂縫發(fā)育在臨潼-長安斷裂的上盤，并與其活動密切相關(guān)，所有地裂縫的總體走向均與臨潼-長安斷裂大致平行。西安地裂縫主體屬“正斷層型”活動，南盤(上盤)相對下降、北盤(下盤)相對上升，活動方式主要為蠕動，地層錯距隨地層年代的增加而增加。

據(jù)已有地表監(jiān)測資料，西安地裂縫有垂向位移、水平拉張和水平扭動共3個方向的活動。其中以垂向位移最為強烈，活動速率5～30 mm/a，最大為56 mm/a；水平拉張居中，為2～10 mm/a；水平扭動最小，為1～2 mm/a。

此外，長安區(qū)已發(fā)現(xiàn)幾條地裂縫，由于勘察、研究工作較少，其成因、分布、活動特征等有待進(jìn)一步研究。

1.2　三類地裂縫場地勘察現(xiàn)狀

根據(jù)地裂縫場地勘探標(biāo)志層的不同，西安地裂縫場地可分為三類，對不符合一類、二類場地條件的地裂縫場地都可屬三類場地，三類場地標(biāo)志層為埋藏深度40～80 m的中更新統(tǒng)河湖相地層或60～500 m深度內(nèi)可連續(xù)追索的6個人工地震反射層組。三類場地其標(biāo)志層埋藏深度大，地表痕跡難以識別，在目前為止的工程建設(shè)過程中，對三類地裂縫場地的勘察方法中，雖然進(jìn)行了很多探索性的嘗試，也積累了較多的經(jīng)驗方法，但三類場地的地裂縫勘察仍然是難度較大的工作，還沒有較為成熟的經(jīng)驗應(yīng)用于工程實踐。

2三類地裂縫場地勘察方法

2.1　勘察方案

勘察之前，需在充分搜集已有相關(guān)地裂縫觀測、勘察、研究資料的基礎(chǔ)上，制定詳盡、可行、有針對性的勘察方案。本項目勘察分兩階段進(jìn)行，在前一階段的地裂縫專題勘察中，采用地表調(diào)查、物探普查和鉆探初步驗證的常規(guī)勘察方法，初步判定地裂縫的存在、位置和走向。工可階段的勘察中，需進(jìn)一步確定其與工程的位置關(guān)系及詳細(xì)發(fā)育特征，采用以鉆探為主、對比研究、綜合分析的方法進(jìn)行專項勘察。

(1) 勘探場地類型及勘探標(biāo)志

f③地裂縫穿越地段為皂河一級階地，地層結(jié)構(gòu)上部為第四系全新統(tǒng)黃土狀土及粉質(zhì)黏土，下部為上更新統(tǒng)及中更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土夾砂層，屬三類場地，勘探目的層是埋深40～80 m的中更新統(tǒng)河湖相地層，通過分析河湖相地層的沉積旋回和每一沉積旋回地層的平面分布特征和空間分布差異來判斷隱伏地裂縫的準(zhǔn)確位置。

(2) 確定地裂縫場地的勘探范圍

依據(jù)《西安地裂縫場地勘察與工程設(shè)計規(guī)程》，并結(jié)合西安地鐵建設(shè)經(jīng)驗，確定f③地裂縫影響范圍為上盤(南盤)20 m、下盤(北盤)12 m，考慮到初判地裂縫走向與線路走向的夾角，其影響范圍長度為50 m。

(3)勘察方案及完成工作量

本次勘察沿地鐵方案右線布置了勘探剖面，剖面長度約50 m，鉆探孔深80 m，采取先控制、后加密的原則，在發(fā)現(xiàn)異常的孔位之間進(jìn)行加密勘探，使最終的加密孔間距不大于10 m，共完成鉆探481.1 m/6孔。

2.2　地質(zhì)概況

場地位于皂河一級階地，屬沖、洪積地貌，地形起伏不大，地勢平坦開闊，地面高程一般為416.0～421.0 m。主要地層為第四系全新統(tǒng)填土、黃土狀土、細(xì)砂、中粗砂等，厚 10～20 m。上更新統(tǒng)地層為粉質(zhì)黏土、砂類土等，厚 15～40 m；中更新統(tǒng)地層為粉質(zhì)黏土及砂類土等，厚度大于 50 m。主要地層特征描述如下。

(1)2-2第四系全新統(tǒng)粉質(zhì)黏土(Q4al+pl)：黃褐色，平均液性指數(shù)IL=0.43，可塑為主，局部夾有軟弱層，土質(zhì)較均，含黑色斑點，偶見姜石或蝸牛殼。

(2)3-3第四系上更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土(Q3al+pl)：顏色較雜，以淺灰色、棕黃色、黃褐色為主，平均液性指數(shù)IL=0.34，可塑為主，局部夾軟弱層，土質(zhì)較均，含鐵錳質(zhì)斑點及鈣質(zhì)結(jié)核，局部鈣質(zhì)結(jié)核富集。

(3)4-3第四系中更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土(Q2al+l)：色雜，以深灰色、青灰色、灰黑色為主，平均液性指數(shù)IL=0.20，硬塑為主，土質(zhì)較均，含鐵錳質(zhì)斑點及零星鈣質(zhì)結(jié)核，局部鈣質(zhì)結(jié)核富集，典型巖芯可見暗色礦物顆粒。

場地地下水為第四系松散層孔隙潛水，埋深3.7～9.3 m之間，地下水位與季節(jié)、氣候，地下水賦存、補給及排泄有密切的關(guān)系，每年的7～10月為雨季，大氣降水豐沛，水位明顯抬升，冬季降水減少，地下水位隨之下降。

2.3　分析方法

考慮到三類地裂縫場地的特點，勘察中采用多種手段相結(jié)合進(jìn)行勘察，采用的主要分析方法如下。

(1)初步分析地層平面分布特征和空間分布差異

場地中更新統(tǒng)地層埋深于30 m以下，主要為深灰色河湖相成因的粉質(zhì)黏土，夾有不同粒徑、顏色的砂層。地裂縫兩側(cè)，該組地層有一定的差異性，局部可發(fā)現(xiàn)層位高程差，可作為判定地裂縫位置的重要依據(jù)。層位劃分主要依據(jù)兩點，一是同為中更新統(tǒng)的粉質(zhì)黏土層，通過巖芯可看出呈多期沉積的差異，不同時期水環(huán)境下的沉積有明顯的不同，顏色可呈現(xiàn)為灰綠、深灰、灰黑等；不同期地層沉積形成時物質(zhì)來源的差異性，導(dǎo)致其顆粒和礦物也具有差異性，仔細(xì)對比同一鉆孔不同層位、不同鉆孔相近深度巖芯，可找出這種差異性，進(jìn)而作為劃分層位的依據(jù)。

(2)地裂縫影響范圍巖土物理指標(biāo)分析

根據(jù)已有西安市地鐵沿線地裂縫勘察研究成果，一般情況下，地裂縫上下盤側(cè)、變形帶內(nèi)，受蠕動變形擠壓等動力作用，土層的物理性質(zhì)會產(chǎn)生一定的差異性，對比其主要物理指標(biāo)，常可作為判定地裂縫存在和位置的依據(jù)。為此，提高取樣和試驗精度十分關(guān)鍵，因目的土層埋深大，土層堅硬，采用常規(guī)的靜壓取土的方式難以實施，故鉆探過程中，采用三重管套取試樣的方法來保證高等級的土試樣，同時嚴(yán)格按照土工試驗規(guī)范和最高標(biāo)準(zhǔn)，保證試驗的精度和準(zhǔn)確性。根據(jù)土工試驗成果，f③地裂縫影響范圍(主變形區(qū))和正常區(qū)主要地層的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行差異性分析比較見表1。

表1　地裂縫主變形區(qū)和正常區(qū)常規(guī)物理指標(biāo)對比

通過表1對比可以看出，在2-2、3-3土層中，主變形區(qū)和正常區(qū)部分物理指標(biāo)有一定的差異性，考慮到場地地下水位較高，主要土層皆位于地下水位以下，變形帶土體裂縫趨于閉合，同時受地表水影響減弱，從而使變形帶內(nèi)外巖土物理力學(xué)性質(zhì)差異變小，其物理指標(biāo)的差異僅作為參考依據(jù)之一。

因地裂縫變形帶內(nèi)受蠕動變形擠壓等動力作用，土體的物理力學(xué)性質(zhì)會產(chǎn)生差異，含水層土體性質(zhì)的差異會影響地下水位，故地下水位的差異處，往往揭示著地裂縫的存在，可以作為判斷地裂縫位置的重要依據(jù)。

2.4　勘察成果

該處為三類場地地裂縫，該地裂縫錯斷了中更新統(tǒng)湖相地層，錯距2～3 m，南盤下降、北盤上升，傾向SE，傾角約80°，走向N68°～73°E；下盤(南盤)地下水位高程413.78 m、上盤(北盤)地下水位高程415.12 m，上、下盤地下水位埋深相差約1.4 m。鉆探成果進(jìn)一步驗證了初步勘察的成果，該處地裂縫通過的位置進(jìn)一步精確化，滿足勘探孔間距不大于10 m的精度要求。

3工程措施建議

針對地鐵工程和場地地裂縫的特點，提出如下工程措施建議：

(1)地裂縫影響范圍段落采用暗挖法施工。同時，根據(jù)地裂縫活動特點及影響寬度，在地裂縫帶內(nèi)設(shè)沉降縫，預(yù)留凈空變形量，做好沉降縫處的防水、止水工作；加強結(jié)構(gòu)剛度，預(yù)留軌道、接觸網(wǎng)調(diào)整空間。

(2)采用暗挖施工通過地裂縫帶時，須進(jìn)行施工降水。場地條件不具備外圍降水時，應(yīng)設(shè)隔水帷幕進(jìn)行坑道內(nèi)降水，同時應(yīng)采取有效措施防止地下水沿坑道底部的地裂縫涌入。

(3)為避免因地裂縫活動產(chǎn)生的不均勻沉降，或因地下水沿地裂縫滲入隧道內(nèi)軟化地基造成基底可能出現(xiàn)的不均勻沉降，應(yīng)加強各類支護(hù)措施。

(4)地裂縫變形帶的土體裂隙多、工程性質(zhì)相對較差，施工時可能會造成基坑坑壁或隧道局部坍塌，也可能出現(xiàn)沿裂縫帶的集中滲水現(xiàn)象，需加強防水、防滲措施。

(5)地裂縫段部分地層可能存在緩慢變形，天然氣管道、污水管、下水道等會因地層錯動，造成接頭處泄漏易燃易爆及有毒氣體，施工中必須加強通風(fēng)和監(jiān)測，做好應(yīng)急預(yù)案，確保施工和管道等運行的安全。

(6)在地鐵施工過程中及今后運營期間應(yīng)建立長期的變形監(jiān)測網(wǎng)，對跨越地裂縫的活動速率進(jìn)行實時監(jiān)測，確保地鐵線路施工及運營的安全。

(7)勘探過程中所確定的地裂縫位置為投影在平面的位置，應(yīng)在施工過程中地質(zhì)驗槽后，確定地裂縫在洞身的準(zhǔn)確位置。

4結(jié)論

采用多種勘察手段相結(jié)合的綜合勘察方法，對于查清三類場地地裂縫的位置和性質(zhì)是必要和可行的，這其中采用鉆探手段查清地層層位的差異性是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為此需采用針對性的鉆探、取樣和試驗手段。

本次研究只是對西安三類地裂縫場地勘察的一次初步探索，仍然存在以下問題需要進(jìn)一步研究：

(1)本次針對地鐵工程三類場地地裂縫是根據(jù)項目進(jìn)程特點由不同單位分階段進(jìn)行的，時間上延續(xù)了近一年，此過程中，豐、枯水季地下水位有一定的差異性，會對分析地裂縫兩側(cè)地下水位的差異性有一定的干擾。建議對同一地裂縫的勘察研究工作由同一單位完成，并及時、集中開展工作。也可根據(jù)工程需要，有針對性的分階段開展工作并進(jìn)行對比研究。

(2)可以從地裂縫形成的地質(zhì)成因作為突破口開展研究，根據(jù)地形、地貌，綜合分析其形成的內(nèi)因和外因，再結(jié)合工程實際，研究其危害程度。

(3)考慮到三類地裂縫場地勘察的難度，宜在勘察過程開展的同時，結(jié)合監(jiān)測手段相輔助，其成果既可以幫助勘察過程中的研究分析，又可以為識別其活動性提供依據(jù)，指導(dǎo)后續(xù)的設(shè)計與施工。

參考文獻(xiàn)

[1]中鐵第一勘察設(shè)計院.西安市地鐵六號線一期工程(南客站～勞動南路)D6KC-1標(biāo)段初步勘察階段南客站～側(cè)坡站區(qū)間巖土工程勘察報告[R].西安：中鐵第一勘察設(shè)計院，2013

[2]長安大學(xué)工程設(shè)計研究院.西安市地鐵六號線工可階段沿線地裂縫勘察報告[R].西安：長安大學(xué)工程設(shè)計研究院，2013

[3]DBJ61—6—2006，J10821—2006西安地裂縫場地勘察與工程設(shè)計規(guī)程 [S].

[4]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50307—2012城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2012

[5]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.(JGJ/T87—2012建筑工程地質(zhì)勘探與取樣技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011

[6]李忠生，等.構(gòu)造地裂縫的成因與地震勘探[J].煤田地質(zhì)與勘探，2004，32(4)：54-56

[7]李新生，等.西安地裂縫兩盤地層巖土物理力學(xué)性質(zhì)研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2008(2)：58-61

[8]苗康運，等.西安地裂縫構(gòu)造成因機制及地震勘查思路探討[J].勘察科學(xué)技術(shù)，2008(5)：7-10

中圖分類號：P642.26

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-7479(2015)01-0065-03

作者簡介：張玉璽(1984—)，男，2009年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)，工學(xué)碩士，工程師。

收稿日期：2014-11-02