西安云轨地裂缝专项勘察及影响范围分析

孙常青 申 斌 孙振岳 张语涛

(1.北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100101；2. 城市轨道交通深基坑岩土工程北京市重点实验室，北京 100101； 3.北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037)

0 引言

西安地裂缝是一种地区性的地质灾害现象[1-2]，其因分布之广泛、活动之剧烈、致灾之严重而闻名于全国乃至世界。汪 丽[3]、樊红卫[4]总结了西安地裂缝的灾害特征，分析了西安地裂缝可能引起的地铁病害。门玉明和石玉玲[5]阐述了自从1977年以来西安地裂缝研究经历的三个阶段，提出了地裂缝研究的若干重要科学问题。张 鹏等[6]将西安地裂缝二类勘察场地划分为3个亚区，提出在不同亚区采用相应的判断地裂缝出露的标志层以及勘察深度。宋彦辉等[7]分析了三类勘察场地隐伏地裂缝识别存在的问题。由于三类勘察场地地裂缝的隐伏性，地表较少有活动迹象，场地地层结构复杂，主要为中更新统湖积粉质黏土和砂类土，有时粗细粒旋回规律表现得不太清楚，给地裂缝勘察带来了困难。因此采用综合勘察手段进行地裂缝专项勘察很有必要。地裂活动会引起两侧地层错动，《西安地裂缝场地勘察与工程设计规程》(DBJ61—6—2006)[8]给出了一般地裂缝的影响区范围，但地裂缝影响区范围到底多大，还需要根据每个工程的实际情况通过数值模拟具体分析。鉴于此，本文通过综合勘察方法查明了西安高新区云轨场地内地裂缝的分布及其与云轨拟建线路的位置关系、产状、活动性，并通过规范法及数值模拟法确定地裂缝影响范围，对云轨桥梁通过地裂缝的结构设计及施工具有重要的意义。

1 工程概况

西安高新区云轨示范线(鱼化寨站—纬二十八路站)项目起点地铁三号线鱼化寨站，途径高新区软件新城、丈八西社区、紫薇田园都市、出口加工B区、比亚迪厂区,终点洨河公园站，线路全长约17.68 km,全部为高架线，设置车站17座，平均站间距1017.51 m。高架线拟采用钻孔灌注桩，承台埋深约 3.0 m，桩径1 m 和 1.2 m，区间桥梁在满足使用功能的前提下，一般区段采用长度为L=24 m的标准简支轨道梁、圆形混凝土桥墩、钻孔灌注桩基础。跨越一般交叉路口时采用简支钢轨道梁(跨长L=45 m)，通过较大路口时采用大跨连续钢轨道梁结构形式跨越。

根据区域地裂缝资料，场地有7条地裂缝f4、f5、f6、f7、f8、f9、f′9与拟建云轨线路相交(见图1)，具体位置尚不确定。地裂缝场地类型为三类，勘探标志层埋藏深度在40～80 m的中更新统河湖相地层[6]。

图1 场地内地裂缝分布图

2 工程地质及水文地质条件

拟建线路穿越地貌单元主要有皂河一级阶地、皂河二级阶地、皂河三级阶地。

(1)工程地质Ⅰ单元(皂河一级阶地)：上部地层主要为第四系全新统的人工填土、冲洪积黄土状土、冲积粉质黏土、砂类土等；下部为第四系上更新统的冲积粉质黏土、砂类土，第四系中更新统的冲、湖积粉质黏土、砂类土。(见图2)

(2)工程地质Ⅱ单元(皂河二级阶地)：上部地层主要为第四系全新统的人工填土、冲洪积黄土状土；下部为第四系上更新统的风积水上新黄土、残积古土壤，冲积粉质黏土及砂类土，中更新统的残积古土壤、冲湖积粉质黏土、砂类土。

(3)工程地质Ⅲ单元(皂河三级阶地)：上部地层主要为第四系全新统的人工填土；下部为第四系上更新统的风积水上新黄土、残积古土壤，冲积粉质黏土及砂类土，中更新统的风积水上老黄土、冲湖积粉质黏土、砂类土。

线路沿线划分为三个水文地质单元：

(1)水文地质Ⅰ单元(皂河一级阶地)：地下水类型为第四系松散层孔隙潜水(二)，含水层为黄土状土、砂类土和粉质黏土。地下水埋深为5.8～18.3 m，水位标高为381.99～404.99 m。

(2)水文地质Ⅱ单元(皂河二级阶地)：地下水类型为第四系松散层孔隙潜水(二)，含水层为新黄土、砂类土和粉质黏土。地下水埋深为14.6～24.3 m，水位标高为397.54～405.29 m。

(3)水文地质Ⅲ单元(皂河三级阶地)：地下水类型为第四系松散层孔隙潜水(二)，含水层为新黄土、砂类土和粉质黏土。地下水埋深为20.2～24.2 m，水位标高为396.07～401.86 m。

图2 拟建线路工程地质及水文地质分区图

3 地裂缝专项勘察

为查明场地内地裂缝与拟建线路相交的具体位置、产状及其活动性，采用资料收集与地面调查、物探(高密度电法、地微动探测)、工程地质钻探等综合勘察手段，以f5地裂缝为例进行说明。

3.1 资料收集与地面调查

f5地裂缝(丈八路—和平门—灞桥热电厂)总体走向NE70°，倾向SE，倾角约80°，发育带最大宽度达110 m，总长度15.8 km。该地裂缝西段活动比较弱,东段活动强烈，形变量大，破坏较为严重。拟建线路与f5地裂缝西段相交，位置为云水一路与鱼斗路十字南约 120 m，近东西走向。

f5地裂缝西段平均活动速率介于 0.1～1.0 mm/a，活动性弱，发育程度弱，处于稳定阶段。

3.2 物探方法

f5地裂缝专项勘察采用了高密度电法和地微动探测两种物探手段。

3.2.1 工作原理

(1)高密度电法

高密度电法的物理前提是地下介质间的导电性差异[9]。和常规电阻率法一样，它通过A、B电极向地下供电流I，然后在M、N极间测量电位差ΔU，从而求得该记录点的视电阻率值ρs=K×ΔU/I。 根据实测的视电阻率剖面，进行计算、处理、分析，获得地层中电阻率的分布情况，从而划分地层、圈闭异常等。

(2)地微动探测

地微动[10-11]是指对天然场源微动信号进行数据处理提取Rayleigh波频散信息，通过反演该信息获得地下介质横波速度结构，分析地质体与周围介质的波速差异，从而查明或解决有关工程地质问题的一种物探技术。

3.2.2 物探工作量布置

针对f5地裂缝的现场条件，在里程K2+700—K3+020范围内布设1条长320 m的高密度测线，在里程K2+745—K2+910范围内布设5个地微动勘探台阵，具体布线方式见图3。

图3 f5地裂缝高密度电法测线以及地微动探测布线示意图

3.2.3 物探结果解析

图4为f5地裂缝视电阻率剖面图，探测结果表明在距离测线起点110～120 m出现错断低阻异常，故推测可能是由于地裂缝产生的响应。以此异常为基础，进一步布设地微动勘探点，并得到速度谱剖面见图5。

图4 f5地裂缝视电阻率剖面图

图5 f5地裂缝地微动速度谱

据图5可知，在距测线起点65～75 m，深度55 m以下出现低速异常区域，和高密度视电阻率剖面显示的异常相对应，故推测可能是由于地裂缝产生的响应。

综合f5地裂缝视电阻率剖面图和地微动速度谱的响应特征，推测在距离高密度测线起点约110～120 m的范围内、距离地微动剖面起点65～75 m范围内为f5地裂缝穿过的位置，里程范围为K2+810—K2+820。

3.3 工程地质钻探

3.3.1 钻探布置

依据f5地裂缝物探成果，对推测地裂缝穿过的位置进行钻探验证，并查明f5地裂缝在线路附近的分布情况及与线路相交的坐标。按照《西安地裂缝场地勘察与工程设计规程》(DBJ61—6—2006)三类场地，钻探剖面上钻孔间距一般按40～80 m布置，在发现异常的孔位之间进行加密钻探，使最终加密孔间距不大于10 m，孔深均为80 m。f5地裂缝钻探验证共钻探10个钻孔，勘探点平面位置见图6。

图6 f5裂缝勘探点位置平面图

3.3.2 钻探结果分析

钻孔VDLF03及其以北地层、钻孔TSZ18及其以南地层中更新世地层沉积稳定，细粒相和粗粒相交替沉积，且层位稳定，起伏较小；而钻孔VDLF03与TSZ18之间(VDLF03与TSZ18孔间距10.0 m)地层沉积韵律较乱，主要为沉积旋回出现明显错断和厚度变化(见图7)。

图7 f5地裂缝剖面图

3.4 f5地裂缝综合判定结果

f5地裂缝活动性弱，处于稳定阶段，从图7剖面钻孔VDLF03与TSZ18之间穿过，大致走向近NE，倾向SE，倾角约80°。地裂缝两侧地层错断，上盘(南东盘)下降，较下盘(北西盘)接受较厚的沉积。与拟建线路相交的具体坐标见表1。

4 f5地裂缝影响范围分析

4.1 规范法确定地裂缝影响范围

根据《西安地裂缝场地勘察与工程设计规程》(DBJ61—6—2006)，地裂缝的影响区范围分主变形区和微变形区(见图 8)。一般地裂缝影响宽度为上盘 0～20 m，其中主变形区 0～6 m，微变形区 6～20 m；下盘 0～12 m，其中主变形区 0～4 m，微变形区 4～12 m。依据建筑物的重要性类别、建筑结构形式和地裂缝的活动性质规定了地裂缝场地建筑物的最小避让距离见表 2[8]。本工程按二类建筑物确定避让距离是上盘 20 m，下盘 12 m，即要求桥墩基础避开微变形区。

图8 地裂缝影响区范围示意图[8]

表2 地裂缝场地建筑物最小避让距离 m

4.2 数值模拟确定的地裂缝影响范围

(1)有限元模型

本工程地裂缝场地为三类场地。为了确定地裂缝的影响范围，进行了二维有限元数值模拟计算。模型尺寸为120 m×80 m，f5隐伏地裂缝倾角为80°，模型共计 9627 个单元，9826 个节点，有限元计算模型如图 9 所示。模型除地裂缝带采用接触单元模拟外，其他部位均采用实体单元模拟，按照以上尺寸对模型整体划分网格，地裂缝经过处两侧网格单元加密，从而提高分析精确度。

图9 地裂缝活动有限元模型(单位：m)

(2)材料本构模型及参数

数值计算中土体材料选用理想的弹塑性模型，服从莫尔-库伦屈服准则，计算参数见表3、表4。

表3 有限元模型土体材料参数表

表4 地裂缝计算参数

(3)边界条件

有限元模型左、右两侧边界约束水平方向的位移，模型的上部为自由边界，下盘底部边界约束垂直方向的位移，保持不动，而上盘底部初始时约束垂直方向的位移，然后分步设定强制向下的位移s=10 cm，20 cm， 30 cm，40 cm 和 50 cm 模拟地裂缝上盘的下降过程。

(4)计算工况

高新区云轨设计年限100年，根据f5地裂缝活动速率，计算得到地裂缝在100年的垂直位错量最大不超过50 cm。因此本次计算模型采取50 cm作为最大沉降量。

本次模拟采用增量沉降工况见表5，分析在各个步骤增量 10 cm下地表竖向位移曲线。

表5 增量沉降计算工况

图10为地裂缝上盘底部发生不同沉降量时地表竖向位移曲线，从图中可以看出，地裂缝两侧存在着较为明显的差异沉降，地表沉降变形从下盘到上盘具有逐渐增大的趋势， 曲线近似呈反“S”形；竖向变形梯度在下盘距地裂缝20 m、上盘距地裂缝30 m范围内较大，此范围以外曲线变形梯度迅速减小，差异沉降变形亦逐渐减小。随着地裂缝垂直位错量Sz的增大，地表沉降变形逐渐增大，曲线由平缓逐渐变得陡峭，表现出“牵引挠曲”的现象。

图10 地表竖向位移曲线

依据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)，取各类建筑物的地基变形允许倾斜值最严格的标准 2‰[12]，以控制安全避让距离，即地裂缝上、下盘平均倾斜值超过 2‰的区域为地裂缝影响区范围。地裂缝不同垂直位错量Sz作用下地表(地基)平均倾斜值见表6。由表6可知，地裂缝上盘地表平均倾斜值明显大于下盘。当Sz=10 cm时，地表平均倾斜值大于2‰的区域为上、下盘分别距地裂缝12 m和9 m范围内；当Sz=20 cm时，地表平均倾斜值大于2‰的区域为上、下盘分别距地裂缝21 m和9 m范围内；当Sz=30 cm、40 cm和50 cm时，地表(地基)平均倾斜值大于 2‰的区域未见明显的变化，均为上盘距离地裂缝21 m，下盘距离地裂缝12 m范围内。据此得出地裂缝上盘影响区宽度D1=21 m，下盘影响区宽度D2=12 m，地裂缝活动的影响区范围为33 m，即D=D1+D2=33 m。由此可知，f5地裂缝主变形区上盘最小避让距离为21 m，下盘最小避让距离为12 m。

表6 地裂缝地表变形平均倾斜值(绝对值) ‰

5 云轨地裂缝的防治措施建议

(1)采取避让或就轻原则，云轨线路选线上在保证造价合理的情况下，线路走向应该尽量避让地裂缝，选取走向平行通过地裂缝下盘(稳定盘)以达到避让目的或者近垂直地裂缝走向通过，减少地裂缝影响范围。

(2)在地裂缝活动影响范围内，加强桥梁桩基础设计，拟采用钻孔灌注桩基础，桩径、桩长比线路上其他部位适当加大，同时加强桩、承台和墩身的配筋。

(3)对简支桥梁的跨长及结构进行优化设计，在简支梁与墩台连接部位设置可调支座。

(4)加强地裂缝活动性以及桥梁结构变形监测。由于隐伏地裂缝活动很难预知，需要对隐伏地裂缝区域所涉及的地表、桥梁结构、道床、轨道等实时监测，根据监测结果及时采取有效的工程措施，预防隐伏地裂缝活动对线路造成的损失。

6 结论

(1)通过进行地裂缝专项勘察，查明了西安高新区云轨示范工程一期工程沿线隐伏地裂缝与拟建线路相交的具体位置、产状、活动性。

(2)数值法确定地裂缝活动影响区范围上盘21 m和下盘12 m，与规范法规定的一般地裂缝影响宽度为上盘 0～20 m、下盘0～12 m基本一致。

(3)线路应该选择最佳方式通过地裂缝，优化桥梁以及桩基设计，同时加强地裂缝以及桥梁的变形监测，以减轻隐伏地裂缝对西安云轨工程建设以及运营的影响。