西安地铁四号线沿线地裂缝的灾害分析与对策研究

徐继山，卢全中，2，付恒阳

（1.长安大学 地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054；2.西部矿产资源与地质工程教育部

重点实验室，陕西 西安 710054；3.长安大学 地球科学与资源学院，陕西 西安 710054）

地裂缝是一种常见的自然现象。在自然营力作用下岩土层发生变形，当力的作用与积累超过岩土层内部的结合力时，其内在的连续性发生破坏，形成裂缝显露于地表［4］。地裂缝是一定地质历史的产物，其灾害特征具有的缓慢性、潜在性、瞬发性等特点。随着人类生存空间向地上、地下空间的拓展，城市大型工程如地铁、地下商场、地下停车场等建筑工事的配套建设，地面沉降、地裂缝、地表塌陷等非传统意义的地质灾种的影响日益凸显出来。长期以来，人们对西安地裂缝的研究主要集中在成因机制，空间分布规律和活动特征等方面、在地裂缝对地下工程的影响相互作用机理以及防治对策方面的研究成果相对较少［1］。由于国家有关地质灾害危险性评估的行业标准尚处于征求意见稿阶段，所以当前执行的技术依据为国土资源部在2004年第69号文件中发布的《地质灾害危险性评估技术要求（试行）》［5］。对于西安地裂缝这一特定区域、特定灾种并没有提出系统的分析方法和防治对策，有关地裂缝灾害的工程危险性理论研究尚显不足，给地铁隧道工程的研究、施工造成了不利因素。在这一背景下，文章选取西安市这一典型地裂缝发育区，探讨了西安市地裂缝的工程地裂缝活动对隧道工程的影响因素和致灾特点、地裂缝活动与隧道施工活动的叠加效应，以及相关的评估理论方法。最后针对地裂缝灾害特征以及工程特点提出若干防治措施。

1 研究背景

1.1 西安地裂缝发育概况

西安地裂缝是一种地区性的地质灾害现象。目前西安共发育有14条地裂缝，分布面积约250km2。西安地裂缝由主裂缝、次生地裂缝和分支地裂缝组成，总体走向 NE-NEE，近似平行于临潼 -长安断裂，倾向SE-SSE，平面形态呈不等间距平行排列［3］。在平面上和剖面上具有很好的延伸连续性。与其他区域地裂缝不同的是，西安地裂缝大都发育在特定的构造地貌部位，即“梁岗”地貌的南侧陡坡上（梁间洼地的北侧边缘）。其活动方式是蠕动。主要表现为主地裂缝南侧下降，北侧相对上升。

1.2 西安地铁四号线隧道工程概况

地铁四号线是西安市轨道交通线网中南北方向的主骨架线。南起航天产业基地，北至草滩。线路全长34.3km，共设车站28座。线路先后通过了西安市雁塔区、碑林区、新城区以及未央区等4个行政区。连通航天产业基地、曲江新区及经开区等3个开发区。四号线全线拟一期建设，全线采用地下线敷设方式。西安地铁四号线隧道为线性工程，不可避免地穿越西安地裂缝，共计13条，17个交点。

2 地质背景

2.1 地质构造

西安市位于渭河盆地东南隅。该盆地夹持于鄂尔多斯地块与秦岭断隆之间。是典型的断陷盆地［7］。盆地内构造运动强烈，发育有不同时期、不同规模与不同方向的多组活动断裂。将渭河盆地切割成大小不等、形态各异的构造断块。西安即位于盆地中部两个次一级构造单元—西安断陷与骊山断隆的交接部位。分别被渭河断裂、临潼-长安断裂、皂河断裂和浐河断裂所切围（图2）。

图1 西安地区地貌与地裂缝分布略图Fig.1 Distribution of Topography and ground fissures in Xi’an

图2 西安地区地质构造Fig.2 Geological structure in Xi’an

2.2 地形地貌特征

西安地区地貌类型单元自南而北可分为黄土台塬（Ⅰ～Ⅲ级）、黄土台塬前缘的冲洪积平原、渭河阶地（Ⅰ～Ⅱ级）和黄土台塬间的河流阶地（Ⅰ～Ⅴ级）（图1）。西安市主要位于临潼-长安断裂上盘的黄土塬前冲洪积平原区。在渭河盆地中部两个次一级构造单元-西安断陷和骊山断隆交接部位的西北侧，发育有独特的黄土梁洼地貌。其构造特征明显：⑴十余条黄土梁和洼地呈NEE向平行展布。单条黄土梁长约6～11km，平均宽度600m，各黄土梁之间以800～1500m间距相间排列。⑵黄土梁和洼地的剖面形态均不对称。黄土梁南高北低，南陡北缓；洼地北深南浅，两者组成簸箕型盆地和“南仰北俯”的断块型式的盆岭地貌。⑶据人工地震和钻孔资料，每条黄土梁南侧陡坡下，都对应发育着一条南倾南降的隐伏正断层。

2.3 地层岩性特征

西安断陷内沉积有巨厚的新生界地层。基底由太古界、元古界变质岩和燕山期侵入岩构成。新生界厚达7000余米，在西安附近厚约4000～5000m。其中第四系厚约300～1000m。第三系主要由河湖相沉积的碎屑岩组成，岩性以泥岩、细砂岩、含砾砂岩及砾岩为主。第四系以湖积、洪积、冲积、冲洪积、风积为主，岩性多为砂、砾石、粉质粘土、粘土、黄土。在西安城郊区300m深度范围内主要为下更新统冲、湖积中细砂与粉质粘土互层。中更新统冲、洪积粉质粘土和黄土状土夹薄层砂。地表为上更新统风积黄土。在水平方向上，东南郊粉质粘土、黄土与黄土状土层较厚、砂层薄少，而西北郊处砂层较厚。粘性土易失水压密，对地裂缝和地面沉降有较大影响。风成黄土大孔隙发育，具有较强的湿陷性，对地裂缝活动有一定影响。

2.4 水文地质条件

按含水介质和埋藏条件，西安地区地下含水层可分为松散岩类孔隙潜水、浅层承压水、深层承压水。上部潜水含水层埋深小于50m；中部浅层承压含水层，埋深40～80m；下部深层承压含水层埋深100～300m。浅层承压含水层与深层承压含水层之间普遍分布厚约90m的粉质粘土隔水层。由于潜水及浅层承压水被严重污染，所以很少被开采利用，水位下降缓慢。深层承压水的水质良好。是各单位自备水源井的主要开采层。20世纪70～90年代中期，由于长期过量开采，使该含水层的承压水水头下降了数十米。90年代中期黑河引水工程竣工以来，地下水开采量大幅减少，承压水头趋于稳定，个别地段还出现回升。

3 地裂缝灾害危险性综合评估

在综合分析地质灾害危险性现状和未来发展趋势的基础上，围绕本工程致灾严重的主要灾害类型——地裂缝和地面沉降，结合拟建工程自身的特点及重要性，综合考虑、科学合理地划分地质灾害危害程度与危险性大小区带。评估主要分定性、定量两个方面进行，具体说来：

3.1 危险性综合评估的定性分析

根据试验研究，地裂缝活动对地铁隧道可能造成直接的、间接的破坏［8］。表现在：（1）变形破坏。由于地裂缝与地铁隧道直接相交，其活动将不可避免地造成隧道衬砌变形裂损或破坏、铁轨路基及轨道变形破坏，给地铁的正常运行造成安全隐患。（2）渗漏水。渗漏水问题是地裂缝活动造成的间接危害。由于地铁隧道被地裂缝破坏变形其隔水性随之降低，造成地下水、地表水的渗入等不利影响。（3）地面沉降。西安地面沉降是缓慢渐进型地质灾害，它也是引起地裂缝超常活动的主要因素。其危害性远不及突发性灾害明显。但如果沉降速率过大也会改变地铁的原设计纵、横坡率，影响地铁的正常营运。根据上述地裂缝、地面沉降地质灾害的特点及对拟建地铁工程的危害情况，综合确定综合评估分区采取表1。

3.2 危险性分区范围定量计算方法

从现场实际调查来看，西安地裂缝与地铁四号线的夹角近似为正交情况（偶现小角度相交）。根据正交试验结果可以得出，在地裂缝活动时，地铁隧道受到的变形破坏范围和强度，随着上、下盘位错量的加大而变大［9］，上盘的影响范围要大于下盘。考虑到地裂缝对地铁隧道的影响最为直接也最为严重。本文针对地裂缝的情况进行危险性分区范围定量计算。具体的计算参考《西安地裂缝场地勘察与工程设计规程》（DBJ 61-6-2006）和《西安地裂缝对地铁工程的危害及其防治措施研究》（长安大学、中铁第一勘察设计院、西安地下铁道有限公司，2009）的研究成果（图3）。

表1 地裂缝危险性综合定性评价Table 1 Comprehensive assessment of ground fissures’risk

根据计算，地裂缝对地铁的影响长度为：

L=K（d1/sinθ1+d3/tgθ3+d2/sinθ2）

图3 地裂缝对地铁的影响范围Fig.3 Effect of ground fissure on subway

式中K为安全系数。考虑到地铁为百年大计的重要工程，安全系数可取2～3。根据地裂缝规程（DBJ 61-6-2006）及试验研究结果，综合取 d1=14m，d2=20m，安全系数取K=2。如果有次生地裂缝，d1、d2从次生地裂缝起算。根据这一计算方法，结合每条地裂缝的特点，可以计算得出地铁四号线所涉及到的每条地裂缝的影响宽度如表2所示。

表2 四号线地铁受地裂缝的影响宽度Table 2 The width of subway line 4 effected by ground fissures

表3 拟建地铁四号线地质灾害危险性综合评估结果Table 3 The result of assessment of ground fissures’hazard on subway line 4

续表

3.3 评估结果

根据上面危险性的定性评价及范围的定量计算，最终将整个评估区划分为3个危险性等级，35个区段.具体情况如表3所示。

通过对分区结果的分析，可以发现：（1）由于评估区域危险性分区等级主要决定于地裂缝灾害的影响。从北往南，地铁依次受 f1、f2、f3、f4、f5、f6、f7、f8、f9、f10、f13、fc1、fc5、fc6共 14 条地裂缝（17 个不同地段）的影响。地裂缝活动性在线路上体现南、北弱、中间强的规律。最强的区段为 f5～f9。（2）地质灾害严重、危险性大的（Ⅰ级）区段有5个（区段10、区段12、区段14、区段16和区段18），面积0.22 km2，占地裂缝影响区段总面积的20.2％，约占评估区总面积的0.6％。（3）地质灾害危害程度较大、危险性中等的（Ⅱ级）区段有9个（区段2、区段4、区段20、区段22、区段26、区段28、区段 30、区段32和区段 34），面积约0.35 km2，占地裂缝影响区段总面积的34.0％，约占评估区总面积的0.9％。（4）地质灾害危害程度轻微、危险性小的有21个区段（区段1、区段3、区段5、区段 6、区段 7、区段 8、区段 9、区段 11、区段 13、区段15、区段 17、区段 19、区段 21、区段 23、区段 24、区段25、区段27、区段29、区段31、区段33和区段35），总面积约38.23 km2，约占评估区总面积的98.5％；其中属于地裂缝影响区的区段总面积为0.48km2，占地裂缝发育区段总面积的45.8％，占评估区总面积的1.2％。区段内没有地裂缝或地裂缝活动性小，地面沉降影响也较小，对拟建地铁工程影响较小。

4 地裂缝灾害的工程防治措施

由于大的地面沉降会引起地铁隧道的纵向弯曲变形，使得隧道开裂破坏。同时还会加剧地裂缝的活动。而大的地裂缝活动对建筑物的破坏具有不可抵御性。因此对于地铁四号线过地裂缝活动强烈或地面沉降大的路段时，必须采取适当的措施来防止灾害的发生。其防治方法主要有三种：空间避让、时间避让、地基避让。防治原则要化“被动适应”为“主动预防”，将损失降到最低［10］。

4.1 减缓地质灾害的措施建议

根据西安地裂缝和地面沉降形成机理的研究和分析，西安市城郊区过量抽取深层承压水，引起土层孔隙水压力降低、含水层、粘土层固结压密和土体松动压密是地面沉降和地裂缝超常活动的主要原因，其活动量70％ ～90％是由于抽汲承压水引起的［6］。据省地质环境监测总站的监测资料表明：1999年西安市城郊区70％地区地下水承压水位有所回升，一般回升0.84～2.5 m，最大上升3.81 m。2002年以后，市区所有承压水停采，市区内承压水位上升。东部上升1～3m，承压水下降的漏斗中心水位也稍有回升。地面沉降和地裂缝的发展也得到了有效的控制。因此建议政府出台政策，更明确规定地铁沿线及周边范围禁止开采地下水。同时加强地质灾害监测网络建设。应特别强化和加密地铁穿越区域的地裂缝、地面沉降、地下水的专业监测网，实现自动监控报警，及时处理。

4.2 适应地质灾害的结构措施建议

西安地铁隧道工程所遇地裂缝群在国内乃至世界是无此先例的。在理论分析、数值计算的基础上，制定应对西安特殊的地质灾害的结构措施。其基本思想就是在设置变形缝的同时适当扩大地裂缝影响范围内的衬砌断面，主动适应地裂缝变形，避免灾害发生。因此，对于四号线既有与地裂缝大角度相交、又有小角度相交的情况，可以借鉴美国加利福尼亚州的Los Angeles地铁隧道穿越Hollywood活断层的处理方法［2］，把跨越地裂缝的地铁隧道段分成若干独立单元、分别进行治理。在地裂缝活动较强烈的区段，采用分段柔性接头隧道以适应地裂缝对隧道造成的较大变形［3，12］。鉴于处理方法与地铁地裂缝的交角、地裂缝的活动量等因素有很大的关系，建议对涉及到的地裂缝进行详细的勘察，并加强隧道围岩强度、涌水量、基坑突水等情况的监测评价［11］，科学合理施工。

5 结论

（1）西安市区共发育14条地裂缝（不包括长安地裂缝）。西安地铁四号线隧道为贯穿南北的大规模的线性工程，不可避免地穿越西安地裂缝，共计13条，17个交点。给地铁隧道的施工质量、治理措施提出了较高要求。

（2）地裂缝活动对地铁隧道可能造成直接的、间接的破坏。主要表现为：变形破坏、渗漏水以及地面沉降。

（3）地裂缝对地铁隧道造成的危险区可分成17个地段、35个区段。地裂缝活动性在线路上体现南、北弱、中间强的规律。其中，危险性大的有5个区段，危险性中等的有9个区段，危险性小的有21个区段。

（4）适应地质灾害的结构措施建议为：应明确规定在地铁沿线及周边范围禁止开采地下水。同时加强地质灾害监测网络建设，应特别强化和加密地铁穿越区域的地裂缝、地面沉降、地下水的专业监测网，实现自动监控报警，及时处理。

（5）适应地质灾害的结构措施建议为：把跨越地裂缝的地铁隧道段分成若干独立单元、分别进行治理。在地裂缝活动较强烈的区段，采用分段柔性接头隧道以适应地裂缝对隧道造成的较大变形。

［1］Lee C F，Zhang JM，Zhang Y X.Evolution and origin of the ground fissures in Xi’an，China［J］.Engineering Geology，1996，43：45-55.

［2］Stirbys Anthony F，Radwanski Z Richard，et al.Los Angeles Metro Rail project-geologic and geotechnical design and construction constraints［J］.Engineering Geology，1999，51：203-224.

［3］Shahidi A R，Vafaeian M.Analysis of longitudinal profile of the tunnels in active faulted zone and designing the flexible Lining （For Koohrang-Ⅲ Tunnel）［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2005，20：213-221.

［4］谢广林.地裂缝［M］.北京：地震出版社，1988：2-3.XIE Guanglin.Ground fissures［M］.Beijing：Seismological Press，1988：2-3.

［5］地质灾害危险性评估技术要求（试行）［S］.北京：国土资源部，2004.Technical requirements on assessment of geologic hazard［S］.Beijing：Ministry of Land and Resources，2004.

［6］张家明.西安地裂缝研究［M］.西安：西北大学出版社，1989：1-16.ZHANG Jiaming.Research on ground fissuring in the region of Xi’an［M］.Xi'an：Northwest University Press，1989：1-16.

［7］李永善.西安地裂缝［M］.西安：西安地震出版社，1986：1-4.LIYongshan.The ground fissures in Xi’an［M］.Xi'an：Seismological Press in Xi'an，1986：1-4.

［8］黄强兵，彭建兵，樊红卫.西安地裂缝对地铁隧道的危害及防治措施研究［J］.岩土工程学报，2009，31（5）：781-788.HUANG Qiangbing，PENG Jianbing，FAN Hongwei.Metro tunnel hazards induced by active ground Fissures in Xi'an and Relevant［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2009，31（5）：781-788.

［9］李凯玲，门玉明，严静平，等.地铁隧道正交穿越地裂缝的相互作用机制试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2011，30（3）：556-563.LIKailing，MEN Yuming，YAN Jingping.Test study of interaction mechanism under metro tunnel orthogonally crossing ground fissure［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011，30（3）：556-563.

［10］黄俊，张顶立，虞辰杰.地铁隧道开挖引起地表塌陷分析［J］.中国地质灾害与防治学报，2004，15（1）：65-69.HANG Jun，ZHANG Dingli，YU Chenjie.Analysis of ground subsidence caused by metro tunnel excavation［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2004，15（1）：65-69.（in Chinese））

［11］欧树召，郑健生，陈立根.广州地铁地质灾害危险性预测评估［J］.中国地质灾害与防治学报，2008，19（1）：50-58.OU Shuzhao，ZHENG Jiansheng，CHEN Ligen.Assessment of geological hazards along Guangzhou Subway［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2008，19（1）：50-58.

［12］黄强兵，彭建兵，门玉明等.分段柔性接头地铁隧道适应地裂缝大变形的模型试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2010，29（8）：1546-1554.HUANG Qiangbing，PENG Jianbing，MEN Yuming，et al.Model test study of sectional metro tunnel with flexible joints adapting large deformation of ground fissures［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29（8）：1546-1554.