劉江川，楊樹(shù)俊

(1．大西鐵路客運(yùn)專線有限責(zé)任公司，山西太原030027;2．鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300251)

大西客?？缭降亓芽p對(duì)策與工程措施研究

劉江川1，楊樹(shù)俊2

(1．大西鐵路客運(yùn)專線有限責(zé)任公司，山西太原030027;2．鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300251)

隨著我國(guó)高速鐵路的大規(guī)模建設(shè)，地裂縫對(duì)高速鐵路的影響逐漸顯現(xiàn)，成為一種設(shè)計(jì)與施工須考慮的新型地質(zhì)災(zāi)害，制約著高速鐵路的快速發(fā)展。汾渭地塹地裂縫十分發(fā)育，大西客專穿越地裂縫沒(méi)有成功經(jīng)驗(yàn)可借鑒，該工程建設(shè)須突破這一技術(shù)瓶頸。本文分析了大西客專沿線地裂縫成因，探討了降低地裂縫對(duì)工程結(jié)構(gòu)影響的思路，給出了地裂縫對(duì)高速鐵路工程危險(xiǎn)性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，確立了“剛?cè)峤Y(jié)合、適應(yīng)變形、預(yù)留調(diào)整、防治并舉”的對(duì)策，并推薦了橋梁、路基跨越地裂縫可采取的具體工程措施。

客運(yùn)專線 地裂縫 工程對(duì)策

1 概述

山西省是能源大省，既有南北同蒲鐵路幾乎承擔(dān)了大秦、豐沙大、京原、石太、侯月線全部的外運(yùn)貨物，運(yùn)能緊張。在汾渭地塹內(nèi)新建大同—太原—運(yùn)城—西安的客運(yùn)專線鐵路通道可以徹底解決既有同蒲線上突出的客貨爭(zhēng)線、壓客車保貨車的矛盾，而且該線在山西綜合運(yùn)輸體系中能起骨干作用，對(duì)加速山西地方經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展將發(fā)揮巨大的支撐作用。但是該客專鐵路建設(shè)需克服地裂縫的影響，根據(jù)山西地面沉降與地裂縫調(diào)查成果［1］，山西斷陷盆地及峨嵋臺(tái)地共有26個(gè)縣(市、區(qū))發(fā)現(xiàn)有地裂縫271條(帶)。其中小型地裂縫115條(帶)，占42.4%;中型地裂縫66條(帶)，占24.4%;特大型和大型地裂縫85條(帶)，占31.4%;巨型地裂縫5條(帶)，占1.8%。規(guī)模最大的為太原盆地祁縣白圭地裂縫帶，總長(zhǎng)度達(dá)22.4 km。由于地裂縫活動(dòng)已經(jīng)造成經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)十億元，在如此復(fù)雜的區(qū)域修建高標(biāo)準(zhǔn)鐵路是巨大挑戰(zhàn)。

地裂縫是地表巖土體在自然或人為因素作用下開(kāi)裂并在地面形成裂縫的一種地質(zhì)現(xiàn)象。當(dāng)這種現(xiàn)象發(fā)生在有人類活動(dòng)的地區(qū)時(shí)，便成為一種地質(zhì)災(zāi)害［2］。地裂縫成災(zāi)一般具有以下特征:過(guò)程的緩變性和累進(jìn)性;反復(fù)成災(zāi)，災(zāi)害過(guò)程常具有周期性變化;災(zāi)害強(qiáng)度分布的非均衡性和非對(duì)稱性;災(zāi)害效應(yīng)的方向性［3］。

地裂縫所產(chǎn)生的水平和豎直方向的位錯(cuò)，在一定范圍內(nèi)引起嚴(yán)重的地面不均勻沉降，可導(dǎo)致鐵路工程本體出現(xiàn)平面扭曲和豎直方向上的不均勻沉降，而對(duì)于高標(biāo)準(zhǔn)鐵路來(lái)講最難解決的問(wèn)題恰恰就是不均勻沉降。若要用工程措施消除地裂縫對(duì)工程結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不均勻沉降，就需準(zhǔn)確判斷地裂縫的位置、規(guī)模，分析其成因、活動(dòng)性，確定其影響范圍。

2 大西客專沿線區(qū)域工程地質(zhì)構(gòu)造

大西客專走行于汾渭地塹內(nèi)。汾渭地塹處于印度板塊、太平洋板塊與歐亞板塊相互作用交匯部位，同時(shí)又處于鄂爾多斯穩(wěn)定地塊和活動(dòng)的華北地塊的構(gòu)造復(fù)合部位，在區(qū)域構(gòu)造環(huán)境上具有明顯的特殊性和代表性，在中國(guó)大陸現(xiàn)代地殼變動(dòng)格局中具有特殊的地位和作用，總體呈北北東向，平面上呈“S”形展布。它由一系列盆地組成，自北而南分別為大同盆地、忻州盆地、太原盆地、臨汾盆地、運(yùn)城盆地、渭河盆地等。所有盆地均受兩側(cè)邊界斷裂控制，兩相鄰盆地間還存在橫向構(gòu)造隆起帶，盆地內(nèi)部發(fā)育NW向、近EW向、NNE向或NE向活斷層［4］。

盆地活動(dòng)構(gòu)造具有鮮明的特色:①盆地帶基底形態(tài)復(fù)雜，在巨厚的新生代沉積物下面隱伏著許多古潛山，古潛山兩側(cè)多受活動(dòng)斷裂控制，形成隱伏的地壘或隆起。多組斷裂相互穿插錯(cuò)動(dòng)時(shí)，由于活動(dòng)強(qiáng)烈程度的差異，又形成次一級(jí)潛伏的地塹或凹陷。②盆地帶結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由多個(gè)盆地雁列而成，其南北段盆地近EW向，由兩端向中部逐步轉(zhuǎn)為NE和NNE向，各大盆地之間由斷裂所圍限的隆起帶所分隔，各盆地內(nèi)部又可細(xì)分為2～3個(gè)或數(shù)個(gè)小盆地和小隆起，小盆地內(nèi)部還發(fā)育更次級(jí)陷凹或陷凸。③活動(dòng)構(gòu)造十分強(qiáng)烈，但具有差異性，本帶各盆地、控盆邊界斷裂及盆內(nèi)活動(dòng)斷裂始終在活動(dòng)中。④各盆地沉陷自上新世持續(xù)至今，但盆地兩側(cè)沉陷幅度差異較大，均是一側(cè)深一側(cè)淺，反映盆地底面或控盆斷裂面傾斜和斷塊的掀斜運(yùn)動(dòng)特征。不同盆地控盆邊界斷裂的活動(dòng)性存在明顯的差異性，同一盆地不同斷裂的活動(dòng)性具明顯的差異性，同一條斷裂的活動(dòng)性具有明顯的分段性。汾渭地塹構(gòu)造綱要圖見(jiàn)圖1。

圖1 汾渭地塹構(gòu)造綱要圖

圖2 汾渭地塹地質(zhì)構(gòu)造及地裂縫分布簡(jiǎn)圖

3 地裂縫成因分析

雖然根據(jù)前期勘察確定了大西客專沿線地裂縫的位置和規(guī)模，選線時(shí)也針對(duì)地裂縫的情況進(jìn)行了適當(dāng)繞避，但在太原、臨汾及運(yùn)城盆地內(nèi)仍然需要穿越具有一定規(guī)模的地裂縫21條，其中與線路交叉或隱伏交叉36處［5］。地裂縫的延伸方向與基底構(gòu)造方向保持著高度的一致性，說(shuō)明地裂縫的方向主要受基底構(gòu)造控制，汾渭地塹地質(zhì)構(gòu)造及地裂縫分布簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。

汾渭地塹各盆地地勢(shì)平坦。第四系沉積厚度大，其中大同盆地最大厚度達(dá)900 m，忻定盆地400 m，太原盆地600 m，臨汾盆地800 m，運(yùn)城盆地900 m，渭河盆地1 300 m。各盆地地下水資源豐富，成為工農(nóng)業(yè)及人民生活用水的主要源泉，同時(shí)也為地面沉降及地裂縫的發(fā)育埋下了隱患。

太原盆地地裂縫活動(dòng)性強(qiáng)，易發(fā)性高，個(gè)別地裂縫規(guī)模大，極具有研究?jī)r(jià)值。20世紀(jì)70年代以前，太原盆地中深層承壓水由于開(kāi)采量很小，承壓水位高于潛水，中深層承壓水通過(guò)越流向上頂托補(bǔ)給淺層潛水。70年代以后，太原盆地第四系孔隙水的開(kāi)采量不斷增加，地下水位下降，降落漏斗范圍逐年擴(kuò)大，使盆地內(nèi)第四系地下水系統(tǒng)的水動(dòng)力場(chǎng)發(fā)生根本變化。由于中深層承壓孔隙水的超采，承壓水位已普遍低于淺層孔隙水位，淺層孔隙潛水通過(guò)越流向下補(bǔ)給中深層孔隙承壓水成為盆地內(nèi)潛水的主要排泄途徑。太原盆地孔隙水地下水系統(tǒng)平水年的排泄量已大于補(bǔ)給量，人工開(kāi)發(fā)利用地下水，已成為太原盆地第四系中深層孔隙水的主要排泄方式。人類活動(dòng)改變了太原盆地地下水系統(tǒng)的水動(dòng)力場(chǎng)，該系統(tǒng)已由單純的自然系統(tǒng)變化為一個(gè)自然與人類活動(dòng)相互影響的復(fù)合系統(tǒng)。對(duì)比盆地區(qū)淺層和中深層孔隙水的多年動(dòng)態(tài)變化曲線(孝義市長(zhǎng)觀孔水位多年觀測(cè)曲線見(jiàn)圖3)，可以看出盆地區(qū)淺層孔隙水多年動(dòng)態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，中深層孔隙水呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，并存在1987—1988年、1991—1992年、1995—1997年三個(gè)明顯的下降期。

太原盆地地裂縫最早發(fā)現(xiàn)于20世紀(jì)70年代中期。早期的地裂縫主要發(fā)育于太原斷陷的東北部，以規(guī)模小、分布零散但覆蓋范圍廣(50 km2)為基本特征。之后，地裂縫活動(dòng)由東向西逐步擴(kuò)展，至70年代末期，太谷、祁縣的部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)也相繼出現(xiàn)了地裂縫。1980年以后，晉中地裂縫的活動(dòng)呈活躍趨勢(shì)，地裂縫發(fā)生頻率明顯加快，其發(fā)育規(guī)模和災(zāi)害程度也持續(xù)擴(kuò)展。尤其是榆次區(qū)北郊及東北部的地裂縫，自1978年在地表顯露后，先后經(jīng)歷了1987—1989年、1993—1994年、1996—1997年三個(gè)明顯的活躍期。太原盆地內(nèi)高鐵沿線的斷裂及地裂縫如圖4所示。地裂縫活躍期與中深層地下水明顯下降期對(duì)應(yīng)，并稍滯后于水位下降期。收集山西省地質(zhì)勘察院2003年的水位資料和高鐵沿線地裂縫勘察的淺層地下水位(埋深＜50 m)，結(jié)果列于表1。2003年的淺層和中層孔隙水(埋深50～200 m)等水位線圖分別見(jiàn)圖5、圖6。

圖3 孝義市長(zhǎng)觀孔水位多年動(dòng)態(tài)曲線

圖4 太原盆地內(nèi)高鐵沿線的斷裂及地裂縫示意

表1 太原盆地內(nèi)大西客專沿線地裂縫場(chǎng)地淺層地下水位對(duì)比m

圖5 太原盆地淺層孔隙水2003年等水位線

圖6 太原盆地中層孔隙水2003年等水位線

從表1可以看出，2003至2009年的6年間，各地裂縫場(chǎng)地的淺層地下水位均有不同程度的下降。其中以東觀變電站地裂縫場(chǎng)地的水位變化最大，達(dá)28 m，襄垣地裂縫場(chǎng)地的水位變化最小，為2 m。

從圖4、圖5和圖6可知，太原盆地高鐵沿線附近的淺層水位降落漏斗不明顯，而中層水位在平遙縣東北方向存在明顯的降落漏斗區(qū)，漏斗中心位于洪善一帶。新勝地裂縫(TY6)和襄垣地裂縫(TY7)位于該漏斗區(qū)內(nèi)或其邊緣。祁縣—太谷的沿線地裂縫走向與中層地下水位等值線方向一致，祁縣境內(nèi)的沿線地裂縫走向還與淺層地下水位等值線方向一致。大西客專沿線地裂縫走向主要受地下隱伏構(gòu)造控制，地下水位的活動(dòng)變化是地裂縫產(chǎn)生的根本原因，地表雨水與灌溉的沖刷是誘因。

4 工程對(duì)策及具體應(yīng)對(duì)措施的確定

4.1 工程對(duì)策

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于地裂縫的研究主要集中在地裂縫的成因、分布及特征方面，而對(duì)于地裂縫引起的工程災(zāi)害及其防治研究得相對(duì)較少，尤其是對(duì)地裂縫對(duì)高速鐵路工程的影響、危害及防治措施方面的研究幾乎是空白。

為了盡量減少地裂縫對(duì)大西客專工程結(jié)構(gòu)的影響，有關(guān)專家經(jīng)過(guò)多輪討論形成兩種防治思路:①如果通過(guò)工程措施防止土層不均勻性壓縮傳遞到地面結(jié)構(gòu)物上，或者通過(guò)調(diào)坡實(shí)現(xiàn)線路的平順性，即可避免地面不均勻沉降對(duì)軌道造成影響;②通過(guò)采取維護(hù)措施，盡可能減少地層環(huán)境的改變，有效避免地層受非結(jié)構(gòu)荷載壓縮造成的沉降傳遞到軌道上。本著以上思路，勘察設(shè)計(jì)期間對(duì)地裂縫進(jìn)行了更為深入的研究。首先，以與高速鐵路安全緊密相關(guān)的地裂縫的成因、活動(dòng)性和易發(fā)性三種因素為核心，提出了地裂縫對(duì)高速鐵路工程危險(xiǎn)性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表2—表4)，并將大西客專沿線已探明的地裂縫按該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級(jí)歸類［6-7］。其次，通過(guò)大型物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法相互印證，揭示了地裂縫與地面沉降對(duì)高速鐵路中路基工程和橋梁工程的破壞機(jī)理及特征。再次，結(jié)合地裂縫的危險(xiǎn)性分級(jí)以及地裂縫與線路的位置關(guān)系選取了適宜的工程形式。危險(xiǎn)性分級(jí)為Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ級(jí)的地裂縫采用橋梁跨越。東觀變電站和東六支這兩條危險(xiǎn)性分級(jí)為Ⅰ級(jí)的地裂縫，與線路交角＜22°，活動(dòng)性強(qiáng)，采用路基有砟軌道形式穿越。最后，通過(guò)數(shù)值模擬高速列車振動(dòng)作用下地裂縫的變形特征，得到了地裂縫上下盤各自的動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)變的影響范圍和深度，為地裂縫處理寬度和設(shè)防避讓距離提供了參照標(biāo)準(zhǔn)和科學(xué)依據(jù)。

表3 高鐵工程場(chǎng)地地裂縫的易發(fā)性評(píng)價(jià)

表4 高鐵工程場(chǎng)地地裂縫對(duì)高速鐵路危險(xiǎn)性分級(jí)

4.2 具體應(yīng)對(duì)措施的確定

基于以上基礎(chǔ)工作，確立了“剛?cè)峤Y(jié)合、適應(yīng)變形、預(yù)留調(diào)整、防治并舉”的工程對(duì)策，并根據(jù)地裂縫的危險(xiǎn)性級(jí)別，研究了多種工程措施。所有工程措施都應(yīng)該加強(qiáng)地表防排水，避免地表水的滲漏加劇地裂縫的活動(dòng)，同時(shí)限制地下水超采，防止由于水位變化引起地裂縫的活動(dòng)性增強(qiáng)［8］。

橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)選取合理的孔跨，采用常規(guī)簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)跨越，墩臺(tái)距地裂縫預(yù)留足夠的安全距離，基礎(chǔ)需加強(qiáng)，樁基礎(chǔ)加長(zhǎng)配筋，加大橋墩墊石尺寸，采用可調(diào)支座，預(yù)留頂梁空間，同時(shí)設(shè)置縱向和橫向的防落梁措施(圖7、圖8)。

路基除了加強(qiáng)地表防排水措施外，對(duì)路基本體范圍內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了地裂明縫地段，在裂縫區(qū)地表2 m范圍內(nèi)換填改良土封閉層，防止地表水下滲形成地下徑流，阻止裂縫進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)對(duì)路基本體進(jìn)行防排水處理。路基基礎(chǔ)除了正常的地基加固外，針對(duì)地裂縫有剛性處理、柔性處理兩種措施。其中剛性處理主要是采用樁筏結(jié)構(gòu)(圖9(a))或樁板結(jié)構(gòu)(圖9(b))進(jìn)行地基處理;柔性處理(圖9(c))是采用樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)處理，樁頂采用水泥改良土加高強(qiáng)土工格柵，路基本體采用分層滿鋪土工格柵柔性結(jié)構(gòu)。對(duì)于活動(dòng)規(guī)模大、與線路相交角度小、活動(dòng)性太強(qiáng)的地裂縫，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和檢算，無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)很難滿足運(yùn)營(yíng)安全和平順性的要求，應(yīng)采用有砟軌道形式+柔性結(jié)構(gòu)措施通過(guò)。

圖7 橋梁支座布置示意(單位:mm)

圖8 橋梁梁端截面示意

圖9 路基加固措施示意(單位:m)

5 結(jié)語(yǔ)

由于地面沉降和地裂縫的發(fā)生都是地殼應(yīng)力發(fā)生變化的體現(xiàn)，很多時(shí)候工程措施很難克服其發(fā)生與發(fā)展，只能在工程上采取必要措施盡量適應(yīng)其發(fā)展，同時(shí)通過(guò)采取措施減少地層環(huán)境的突然變化，盡可能地延長(zhǎng)工程的使用壽命，保障行車安全，如限制線位兩側(cè)一定范圍內(nèi)超采地下水、不新增集中取水井、不新增重大建筑物等等。

另外，在地裂縫和地面沉降產(chǎn)生的外部條件孕育發(fā)展的時(shí)期實(shí)施監(jiān)測(cè)非常必要。這可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)該類地質(zhì)災(zāi)害的前兆，便于及時(shí)采取措施防止地裂縫和區(qū)域地面沉降繼續(xù)發(fā)展，也利于及時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，保證運(yùn)營(yíng)安全。

［1］山西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心．山西省地面沉降與地裂縫調(diào)查報(bào)告［R］．太原:山西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，2009．

［2］孟令超．山西斷陷盆地地裂縫成因機(jī)理研究［D］．西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2011．

［3］彭建兵，范文，李喜安，等．汾渭盆地地裂縫成因研究中的若干關(guān)鍵問(wèn)題［J］．工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2007，15(4):433-440．

［4］長(zhǎng)安大學(xué)．大西高鐵沿線地裂縫勘察報(bào)告［R］．西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2012．

［5］鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司．大同至西安鐵路可行性研究報(bào)告［R］．天津:鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2009．

［6］中華人民共和國(guó)鐵道部．鐵建設(shè)［2007］47號(hào)新建時(shí)速300—350公里客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2007．

［7］中華人民共和國(guó)鐵道部．TB 10621—2009高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2009．

［8］李國(guó)和，張建民，許再良，等．華北平原地面沉降對(duì)高速鐵路橋梁工程的影響［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2009，31(3):346-352．

Research on engineering countermeasures of crossing ground fissure by Datong-Xi'an passenger-dedicated railway

LIU Jiangchuan1，YANG Shujun2
(1．Daxi Railway Passenger Dedicated Line Co．，Ltd．，Taiyuan Shanxi 030027，China; 2．The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300251，China)

As high speed railway is applied on a large scale in China，ground fissure has become an increasingly challenging defect，which left untreated in project design or engineering construction，could prevail as a new geological disease that restrains the rapid development of the country's HSR．Ground fissure，a major defect in the graben area along the Fen and W ei rivers，poses a technical bottleneck for the construction of Datong-Xi'an passenger-dedicated railway，with no successful example to learn from．T he paper looks into the formation of such fissures and explores ways to overcome the defect influence to the project，while it provides the HSR criteria to evaluate the risks of ground fissure．On this basis，the paper proposes the application of both rigid and non-rigid materials，the adaptation to the deformation，as well as the integration of both precaution and afterward adjustment，while specific measures are tailored for bridge and subgrade engineering as well．

Passenger-dedicated railway;Ground fissure;Engineering approach

U238;U213.1+4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．27

1003-1995(2015)04-0101-06

(責(zé)任審編李付軍)

2014-10-02;

2014-11-15

鐵道部科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2010G003-E)

劉江川(1963—)，男，安徽碭山人，高級(jí)工程師。