大西客专跨越地裂缝对策与工程措施研究

刘江川，杨树俊

(1．大西铁路客运专线有限责任公司，山西太原030027;2．铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251)

大西客专跨越地裂缝对策与工程措施研究

刘江川1，杨树俊2

(1．大西铁路客运专线有限责任公司，山西太原030027;2．铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251)

随着我国高速铁路的大规模建设，地裂缝对高速铁路的影响逐渐显现，成为一种设计与施工须考虑的新型地质灾害，制约着高速铁路的快速发展。汾渭地堑地裂缝十分发育，大西客专穿越地裂缝没有成功经验可借鉴，该工程建设须突破这一技术瓶颈。本文分析了大西客专沿线地裂缝成因，探讨了降低地裂缝对工程结构影响的思路，给出了地裂缝对高速铁路工程危险性分级标准，确立了“刚柔结合、适应变形、预留调整、防治并举”的对策，并推荐了桥梁、路基跨越地裂缝可采取的具体工程措施。

客运专线 地裂缝 工程对策

1 概述

山西省是能源大省，既有南北同蒲铁路几乎承担了大秦、丰沙大、京原、石太、侯月线全部的外运货物，运能紧张。在汾渭地堑内新建大同—太原—运城—西安的客运专线铁路通道可以彻底解决既有同蒲线上突出的客货争线、压客车保货车的矛盾，而且该线在山西综合运输体系中能起骨干作用，对加速山西地方经济和社会发展将发挥巨大的支撑作用。但是该客专铁路建设需克服地裂缝的影响，根据山西地面沉降与地裂缝调查成果［1］，山西断陷盆地及峨嵋台地共有26个县(市、区)发现有地裂缝271条(带)。其中小型地裂缝115条(带)，占42.4%;中型地裂缝66条(带)，占24.4%;特大型和大型地裂缝85条(带)，占31.4%;巨型地裂缝5条(带)，占1.8%。规模最大的为太原盆地祁县白圭地裂缝带，总长度达22.4 km。由于地裂缝活动已经造成经济损失达数十亿元，在如此复杂的区域修建高标准铁路是巨大挑战。

地裂缝是地表岩土体在自然或人为因素作用下开裂并在地面形成裂缝的一种地质现象。当这种现象发生在有人类活动的地区时，便成为一种地质灾害［2］。地裂缝成灾一般具有以下特征:过程的缓变性和累进性;反复成灾，灾害过程常具有周期性变化;灾害强度分布的非均衡性和非对称性;灾害效应的方向性［3］。

地裂缝所产生的水平和竖直方向的位错，在一定范围内引起严重的地面不均匀沉降，可导致铁路工程本体出现平面扭曲和竖直方向上的不均匀沉降，而对于高标准铁路来讲最难解决的问题恰恰就是不均匀沉降。若要用工程措施消除地裂缝对工程结构产生的不均匀沉降，就需准确判断地裂缝的位置、规模，分析其成因、活动性，确定其影响范围。

2 大西客专沿线区域工程地质构造

大西客专走行于汾渭地堑内。汾渭地堑处于印度板块、太平洋板块与欧亚板块相互作用交汇部位，同时又处于鄂尔多斯稳定地块和活动的华北地块的构造复合部位，在区域构造环境上具有明显的特殊性和代表性，在中国大陆现代地壳变动格局中具有特殊的地位和作用，总体呈北北东向，平面上呈“S”形展布。它由一系列盆地组成，自北而南分别为大同盆地、忻州盆地、太原盆地、临汾盆地、运城盆地、渭河盆地等。所有盆地均受两侧边界断裂控制，两相邻盆地间还存在横向构造隆起带，盆地内部发育NW向、近EW向、NNE向或NE向活断层［4］。

盆地活动构造具有鲜明的特色:①盆地带基底形态复杂，在巨厚的新生代沉积物下面隐伏着许多古潜山，古潜山两侧多受活动断裂控制，形成隐伏的地垒或隆起。多组断裂相互穿插错动时，由于活动强烈程度的差异，又形成次一级潜伏的地堑或凹陷。②盆地带结构复杂，由多个盆地雁列而成，其南北段盆地近EW向，由两端向中部逐步转为NE和NNE向，各大盆地之间由断裂所围限的隆起带所分隔，各盆地内部又可细分为2～3个或数个小盆地和小隆起，小盆地内部还发育更次级陷凹或陷凸。③活动构造十分强烈，但具有差异性，本带各盆地、控盆边界断裂及盆内活动断裂始终在活动中。④各盆地沉陷自上新世持续至今，但盆地两侧沉陷幅度差异较大，均是一侧深一侧浅，反映盆地底面或控盆断裂面倾斜和断块的掀斜运动特征。不同盆地控盆边界断裂的活动性存在明显的差异性，同一盆地不同断裂的活动性具明显的差异性，同一条断裂的活动性具有明显的分段性。汾渭地堑构造纲要图见图1。

图1 汾渭地堑构造纲要图

图2 汾渭地堑地质构造及地裂缝分布简图

3 地裂缝成因分析

虽然根据前期勘察确定了大西客专沿线地裂缝的位置和规模，选线时也针对地裂缝的情况进行了适当绕避，但在太原、临汾及运城盆地内仍然需要穿越具有一定规模的地裂缝21条，其中与线路交叉或隐伏交叉36处［5］。地裂缝的延伸方向与基底构造方向保持着高度的一致性，说明地裂缝的方向主要受基底构造控制，汾渭地堑地质构造及地裂缝分布简图见图2。

汾渭地堑各盆地地势平坦。第四系沉积厚度大，其中大同盆地最大厚度达900 m，忻定盆地400 m，太原盆地600 m，临汾盆地800 m，运城盆地900 m，渭河盆地1 300 m。各盆地地下水资源丰富，成为工农业及人民生活用水的主要源泉，同时也为地面沉降及地裂缝的发育埋下了隐患。

太原盆地地裂缝活动性强，易发性高，个别地裂缝规模大，极具有研究价值。20世纪70年代以前，太原盆地中深层承压水由于开采量很小，承压水位高于潜水，中深层承压水通过越流向上顶托补给浅层潜水。70年代以后，太原盆地第四系孔隙水的开采量不断增加，地下水位下降，降落漏斗范围逐年扩大，使盆地内第四系地下水系统的水动力场发生根本变化。由于中深层承压孔隙水的超采，承压水位已普遍低于浅层孔隙水位，浅层孔隙潜水通过越流向下补给中深层孔隙承压水成为盆地内潜水的主要排泄途径。太原盆地孔隙水地下水系统平水年的排泄量已大于补给量，人工开发利用地下水，已成为太原盆地第四系中深层孔隙水的主要排泄方式。人类活动改变了太原盆地地下水系统的水动力场，该系统已由单纯的自然系统变化为一个自然与人类活动相互影响的复合系统。对比盆地区浅层和中深层孔隙水的多年动态变化曲线(孝义市长观孔水位多年观测曲线见图3)，可以看出盆地区浅层孔隙水多年动态相对稳定，中深层孔隙水呈现明显下降趋势，并存在1987—1988年、1991—1992年、1995—1997年三个明显的下降期。

太原盆地地裂缝最早发现于20世纪70年代中期。早期的地裂缝主要发育于太原断陷的东北部，以规模小、分布零散但覆盖范围广(50 km2)为基本特征。之后，地裂缝活动由东向西逐步扩展，至70年代末期，太谷、祁县的部分乡镇也相继出现了地裂缝。1980年以后，晋中地裂缝的活动呈活跃趋势，地裂缝发生频率明显加快，其发育规模和灾害程度也持续扩展。尤其是榆次区北郊及东北部的地裂缝，自1978年在地表显露后，先后经历了1987—1989年、1993—1994年、1996—1997年三个明显的活跃期。太原盆地内高铁沿线的断裂及地裂缝如图4所示。地裂缝活跃期与中深层地下水明显下降期对应，并稍滞后于水位下降期。收集山西省地质勘察院2003年的水位资料和高铁沿线地裂缝勘察的浅层地下水位(埋深＜50 m)，结果列于表1。2003年的浅层和中层孔隙水(埋深50～200 m)等水位线图分别见图5、图6。

图3 孝义市长观孔水位多年动态曲线

图4 太原盆地内高铁沿线的断裂及地裂缝示意

表1 太原盆地内大西客专沿线地裂缝场地浅层地下水位对比m

图5 太原盆地浅层孔隙水2003年等水位线

图6 太原盆地中层孔隙水2003年等水位线

从表1可以看出，2003至2009年的6年间，各地裂缝场地的浅层地下水位均有不同程度的下降。其中以东观变电站地裂缝场地的水位变化最大，达28 m，襄垣地裂缝场地的水位变化最小，为2 m。

从图4、图5和图6可知，太原盆地高铁沿线附近的浅层水位降落漏斗不明显，而中层水位在平遥县东北方向存在明显的降落漏斗区，漏斗中心位于洪善一带。新胜地裂缝(TY6)和襄垣地裂缝(TY7)位于该漏斗区内或其边缘。祁县—太谷的沿线地裂缝走向与中层地下水位等值线方向一致，祁县境内的沿线地裂缝走向还与浅层地下水位等值线方向一致。大西客专沿线地裂缝走向主要受地下隐伏构造控制，地下水位的活动变化是地裂缝产生的根本原因，地表雨水与灌溉的冲刷是诱因。

4 工程对策及具体应对措施的确定

4.1 工程对策

目前国内外关于地裂缝的研究主要集中在地裂缝的成因、分布及特征方面，而对于地裂缝引起的工程灾害及其防治研究得相对较少，尤其是对地裂缝对高速铁路工程的影响、危害及防治措施方面的研究几乎是空白。

为了尽量减少地裂缝对大西客专工程结构的影响，有关专家经过多轮讨论形成两种防治思路:①如果通过工程措施防止土层不均匀性压缩传递到地面结构物上，或者通过调坡实现线路的平顺性，即可避免地面不均匀沉降对轨道造成影响;②通过采取维护措施，尽可能减少地层环境的改变，有效避免地层受非结构荷载压缩造成的沉降传递到轨道上。本着以上思路，勘察设计期间对地裂缝进行了更为深入的研究。首先，以与高速铁路安全紧密相关的地裂缝的成因、活动性和易发性三种因素为核心，提出了地裂缝对高速铁路工程危险性分级标准(表2—表4)，并将大西客专沿线已探明的地裂缝按该标准进行分级归类［6-7］。其次，通过大型物理模型试验和数值模拟方法相互印证，揭示了地裂缝与地面沉降对高速铁路中路基工程和桥梁工程的破坏机理及特征。再次，结合地裂缝的危险性分级以及地裂缝与线路的位置关系选取了适宜的工程形式。危险性分级为Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ级的地裂缝采用桥梁跨越。东观变电站和东六支这两条危险性分级为Ⅰ级的地裂缝，与线路交角＜22°，活动性强，采用路基有砟轨道形式穿越。最后，通过数值模拟高速列车振动作用下地裂缝的变形特征，得到了地裂缝上下盘各自的动应力和动应变的影响范围和深度，为地裂缝处理宽度和设防避让距离提供了参照标准和科学依据。

表3 高铁工程场地地裂缝的易发性评价

表4 高铁工程场地地裂缝对高速铁路危险性分级

4.2 具体应对措施的确定

基于以上基础工作，确立了“刚柔结合、适应变形、预留调整、防治并举”的工程对策，并根据地裂缝的危险性级别，研究了多种工程措施。所有工程措施都应该加强地表防排水，避免地表水的渗漏加剧地裂缝的活动，同时限制地下水超采，防止由于水位变化引起地裂缝的活动性增强［8］。

桥梁结构应选取合理的孔跨，采用常规简支结构跨越，墩台距地裂缝预留足够的安全距离，基础需加强，桩基础加长配筋，加大桥墩垫石尺寸，采用可调支座，预留顶梁空间，同时设置纵向和横向的防落梁措施(图7、图8)。

路基除了加强地表防排水措施外，对路基本体范围内已经出现了地裂明缝地段，在裂缝区地表2 m范围内换填改良土封闭层，防止地表水下渗形成地下径流，阻止裂缝进一步发展，同时对路基本体进行防排水处理。路基基础除了正常的地基加固外，针对地裂缝有刚性处理、柔性处理两种措施。其中刚性处理主要是采用桩筏结构(图9(a))或桩板结构(图9(b))进行地基处理;柔性处理(图9(c))是采用桩网结构处理，桩顶采用水泥改良土加高强土工格栅，路基本体采用分层满铺土工格栅柔性结构。对于活动规模大、与线路相交角度小、活动性太强的地裂缝，经过试验和检算，无砟轨道结构很难满足运营安全和平顺性的要求，应采用有砟轨道形式+柔性结构措施通过。

图7 桥梁支座布置示意(单位:mm)

图8 桥梁梁端截面示意

图9 路基加固措施示意(单位:m)

5 结语

由于地面沉降和地裂缝的发生都是地壳应力发生变化的体现，很多时候工程措施很难克服其发生与发展，只能在工程上采取必要措施尽量适应其发展，同时通过采取措施减少地层环境的突然变化，尽可能地延长工程的使用寿命，保障行车安全，如限制线位两侧一定范围内超采地下水、不新增集中取水井、不新增重大建筑物等等。

另外，在地裂缝和地面沉降产生的外部条件孕育发展的时期实施监测非常必要。这可以及时发现该类地质灾害的前兆，便于及时采取措施防止地裂缝和区域地面沉降继续发展，也利于及时启动应急预案，保证运营安全。

［1］山西省地质环境监测中心．山西省地面沉降与地裂缝调查报告［R］．太原:山西省地质环境监测中心，2009．

［2］孟令超．山西断陷盆地地裂缝成因机理研究［D］．西安:长安大学，2011．

［3］彭建兵，范文，李喜安，等．汾渭盆地地裂缝成因研究中的若干关键问题［J］．工程地质学报，2007，15(4):433-440．

［4］长安大学．大西高铁沿线地裂缝勘察报告［R］．西安:长安大学，2012．

［5］铁道第三勘察设计院集团有限公司．大同至西安铁路可行性研究报告［R］．天津:铁道第三勘察设计院集团有限公司，2009．

［6］中华人民共和国铁道部．铁建设［2007］47号新建时速300—350公里客运专线铁路设计暂行规定［S］．北京:中国铁道出版社，2007．

［7］中华人民共和国铁道部．TB 10621—2009高速铁路设计规范(试行)［S］．北京:中国铁道出版社，2009．

［8］李国和，张建民，许再良，等．华北平原地面沉降对高速铁路桥梁工程的影响［J］．岩土工程学报，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

(责任审编李付军)

2014-10-02;

2014-11-15

铁道部科技研究开发计划项目(2010G003-E)

刘江川(1963—)，男，安徽砀山人，高级工程师。