西安地鐵一號線通過地裂縫對策研究
摘 要：西安地鐵一號線受四條活動地裂縫的影響，本文通過對西安地鐵通過的地裂縫的的特點的分析，提出了幾種地下工程通過活動地裂縫的方法。地鐵結(jié)構(gòu)采用這些方法后能夠適應(yīng)地裂縫的變形發(fā)展，在地裂縫活動的情況下維持地面交通和地鐵的正常運營。因地鐵工程針對地裂縫的處理問題在世界范圍內(nèi)的報道很少見，象西安地鐵所遇如此特征的地裂縫更是世界罕見，本文提出的處理方法也不盡完善，旨在拋磚引玉。
主題詞：地鐵、地裂縫、對策研究
一、前言
規(guī)劃的西安地鐵一號線呈東西向展布，橫穿城區(qū)，西起西郊三橋鎮(zhèn)，沿棗園路、大慶路、蓮湖路、西五路、東五路、長樂路至東王紡織城，線路全長20.87km，其中地下線路長14.28km，地面線0.75km，高架線路5.84km，設(shè)車站15座。地鐵線路基本沿西安東西交通主干道行進，沿線地勢東高西低，平均坡降約2‰。自西而東依次通過渭河支流氵皂河沖洪積平原、黃土梁洼、渭河支流浐河沖積平原三個次級地貌單元。
西安是我國地裂縫災(zāi)害最典型、最嚴重的城市。西安市的地裂縫最早發(fā)現(xiàn)于1959年， 1976年以后，發(fā)育規(guī)模和活動強度急劇增大。 1977年后開始有組織地調(diào)查研究。經(jīng)過多年的研究，查明地裂縫是基底斷裂活動在地表的反映。 近年來，過量開采地下水，造成地面沉降，大大加劇和激發(fā)了地裂縫的活動；到1989年，已基本查清的城、郊區(qū)主要地裂縫有10條，最長10公里，合計總長40公里，地裂區(qū)面積150平方公里。
二、地質(zhì)構(gòu)造及影響一號線的地裂縫、地面沉降現(xiàn)狀
（一）、地質(zhì)構(gòu)造
西安市位于渭河斷陷盆地中段南部，西安凹陷的東南隅。西安凹陷是渭河斷陷盆地中的沉積中心之一，周邊為四條深大斷裂帶所切圍，其東邊界為長安－臨潼斷裂，西為啞柏斷裂，南為秦嶺山前斷裂，北為渭河斷裂，凹陷內(nèi)新生代地層厚逾7000m，其中第四系地層厚達500~1000m。區(qū)內(nèi)構(gòu)造形跡主要表現(xiàn)為隱伏斷裂構(gòu)造，按其走向可分為EW向、NE向和NW向三組，現(xiàn)將與西安市地鐵一號線較為密切的斷裂構(gòu)造分述如下：
1．渭河南岸斷裂
是渭河斷裂的南岸分支，在西安市北郊渭河一級階地前緣呈隱伏狀態(tài)通過，距西安城區(qū)約5~6km，屬區(qū)域深大斷裂，走向東西，北傾，是正斷層性質(zhì)，該斷裂與其它方向斷裂交匯部位，歷史上曾發(fā)生過多次地震，最大震級達6.75級(1568年，草灘)，近期也有小震發(fā)生，如1976年發(fā)生在草灘的2.9級地震，表明該斷裂帶第四紀以來仍有活動。
2．長安－臨潼斷裂
為隱伏斷裂，位于西安市東南部，距城區(qū)3～8km，由間隔約2km的三條平行正斷層組成，產(chǎn)狀NE40°～50°E/68°～80°N。該斷裂帶為西安凹陷與驪山凸起的分界線，屬區(qū)域性深大斷裂，新生代以來活動強烈，現(xiàn)今仍有明顯活動跡象，其活動速度2～2.4mm/a。
3．浐灞河斷裂
為隱伏斷裂，經(jīng)等駕坡、動物園呈北西向橫穿東部城區(qū)，68°～75°北傾，第四紀活動不明顯。
4．浐灞河斷裂
為隱伏斷裂，沿浐河、灞河河谷發(fā)育，走向近南北，西傾，第四紀以來活動不明顯。
5．西安斷層組
屬長安－臨潼斷裂的次級派生斷裂，走向北東，南傾，切斷了晚更新世黃土層底部的古土壤層。是西安地裂縫發(fā)育的基礎(chǔ)，對西安地鐵工程影響較大。
（二）地裂縫、地面沉降
1．地裂縫
西安市自50年代以來，發(fā)現(xiàn)地裂縫11條，大的地面沉降凹槽7個。西安地鐵一號線通過4條地裂縫（勞動公園地裂縫f3、西北大學(xué)地裂縫f4、和平門地裂縫f5、草場坡地裂縫f6），1個地面沉降凹槽（胡家廟沉降槽）。
西安地裂縫是在西安正斷層組的基礎(chǔ)上發(fā)育起來的，由南而北在黃土梁洼之間有規(guī)律排列，呈帶狀分布。產(chǎn)狀為NE60°～80°/70°～80°S。具有垂直錯位、水平拉裂、扭動三種變形性質(zhì)。其中以垂直錯動為主，也是造成工程危害的主要因素，年活動速率5～30mm，影響帶寬15～35m。深層地下水的過量開采，是地裂縫發(fā)展的誘發(fā)因素。
地裂縫的活動給西安市人民的生活和生產(chǎn)建設(shè)等造成了 極大的危害。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，地裂縫使132幢樓房破壞，其中21幢全部或部分拆毀。還有1057間平房（含民房、兩層樓一房、車間、校舍、倉庫等）毀壞或受損；主道路破壞60 處，地下管道10處，深水井3口，圍墻427堵，禮堂、蓄水池、游泳池、停車場等公共設(shè)施7處；受損村寨41個、 工廠91座，中小學(xué)及大專院校40所，其他企事業(yè)單位97處。僅樓房、平房損失估計（不含維修費）達2164.6萬元。若將其他損失費及維修費等計算在內(nèi)，則損失更大。
西安地鐵一號線通過的4條地裂縫的主要特征如表1：
西安地鐵一號線通過的地裂縫特征一覽表 表1
序號地裂縫編 號地裂縫名稱西安地鐵一號線通過地裂縫的位置地裂縫產(chǎn)狀地裂縫活動速率（mm/a）
1f3勞動公園地裂縫AK10+037～+071ⅡAK10+003～+025N30°E/80°S東段8.1～15.1西段9.0～13.0
2f4西北大學(xué)地裂縫AK14+468～+539N70°E/85°S西段6.9
3f5和平門地裂縫AK17+177～+262N45°E/80°S東段19.0～42.0
4f6草場坡地裂縫AK19+009～+073N50°E/80°S30
2、地面沉降
以康復(fù)路為中心兩側(cè)3km范圍內(nèi)，自1959年以來下沉降較大，約500~1800mm。地面沉降是過量開采深層地下水，使松散第四系含水層釋水嚴重所致，同時也促使了地裂縫的發(fā)展。
四條地裂縫與西安地鐵一號線的關(guān)系
三、國內(nèi)外地鐵工程地裂縫處理現(xiàn)狀
經(jīng)過網(wǎng)上搜索只找到很少的國外關(guān)于地鐵或地下工程對地裂縫的處理方法，國內(nèi)目前運營和在建的地鐵工程均無這方面的情況。國外某城市處理地裂縫的原理如圖2所示。它是利用結(jié)構(gòu)底部的蛇形彈簧來調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的高低以適應(yīng)地裂縫的變形，結(jié)構(gòu)可繞其兩端的鉸轉(zhuǎn)動，利用彈簧兩端的縱向運動調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的高低，這種結(jié)構(gòu)原理簡單新穎，但由于兩段結(jié)構(gòu)的錯臺不能太大，所以，它不適應(yīng)地裂縫有太大的變形。
四、西安地鐵一號線地裂縫處理設(shè)想
西安地鐵一號線區(qū)間共遇到四條地裂縫，這在國際上很少見，國內(nèi)也無先例。西安地鐵所遇四條地裂縫的運動狀態(tài)均呈三維運動，在上下兩盤錯動的同時伴隨有左右扭動和縱向遠離運動，運動狀態(tài)很復(fù)雜，但以上下相對錯動最為劇烈。其中運動較大的一條地裂縫，據(jù)以往的觀察，每年上下相對移動可達4cm左右。針對西安地鐵所遇地裂縫的嚴重性，如果不能很好的解決地裂縫的處理問題，將直接影響西安地鐵一號線的付諸實施。是地鐵項目成敗的關(guān)鍵，因此必須對地裂縫的影響及結(jié)構(gòu)對策作深入的專題研究。
根據(jù)常識，人類工程結(jié)構(gòu)在自然界的地殼運動面前是不堪一擊的，因此任何想以增強工程的堅固性或?qū)Φ亓芽p進行人工處理方法都是不現(xiàn)實的。西安活動地裂縫給西安市造成的諸多破壞已證實了這一點。所以，我們必須從工程結(jié)構(gòu)上多加思索，設(shè)想以工程結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計來適應(yīng)地裂縫的變形，以達到變相處理地裂縫的目的。
依據(jù)以上的想法，我們提出了三種適應(yīng)地裂縫變形的方法，三種方法的優(yōu)缺點比較見表2。
1．將地鐵隧道的斷面擴大（擴大的斷面應(yīng)滿足地鐵在服務(wù)年限內(nèi)能夠適應(yīng)地裂縫的變形），并將擴大斷面在地裂縫的影響帶內(nèi)分為許多段，段與段之間采用特殊的方法，使其可以自由上下移動，當(dāng)有變形發(fā)生時，利用擴大的空間，對線路進行人為的調(diào)整，以保證地鐵的正常運營。其縱斷面及平面布置如圖所示。其中，圖3是施工完成時的情況，圖4是地裂縫發(fā)生變形后的情況。
這種方式結(jié)構(gòu)較為簡單，不論地裂縫的變形發(fā)生在影響范圍內(nèi)的那一處，結(jié)構(gòu)均能適應(yīng)其變形。如果考慮足夠的變形空間，這種結(jié)構(gòu)可以適應(yīng)較大地裂縫變形，它的缺點是裂縫的變形在先，變形后才能進行人為的調(diào)整，對線路坡度的調(diào)整將影響正常的運營，而且地裂縫變形發(fā)生后將對地面交通及地下管線產(chǎn)生影響，嚴重時也將因的下管線破裂影響道地鐵的正常運營。
2．第二種設(shè)想是對地裂縫的一種自動適應(yīng)，這種結(jié)構(gòu)總的設(shè)想是把地裂縫影響的范圍分成好多段矩形結(jié)構(gòu)，在矩形結(jié)構(gòu)內(nèi)部布置千斤頂及簡支梁結(jié)構(gòu)，在矩形結(jié)構(gòu)的上方設(shè)置一個倒槽形的結(jié)構(gòu)，當(dāng)矩形結(jié)構(gòu)在地裂縫運動后產(chǎn)生上下錯動時，利用由自動測量儀器控制的千斤頂自動調(diào)整軌面高程及地面高程，保證地鐵的正常運營及地面交通的正常進行。矩形結(jié)構(gòu)有足夠的高度及寬度以適應(yīng)地裂縫在一定時間（約100年）的變形量。地裂縫發(fā)生變形后利用千斤頂?shù)男谐碳皦|塊調(diào)整地鐵軌面及地面高程。
當(dāng)?shù)亓芽p發(fā)生左右方向的相對移動時，可以調(diào)節(jié)千斤頂及墊塊的底座以適應(yīng)這種變形。實現(xiàn)這種想法的縱斷面及橫斷面布置如圖所示。其中，圖5是施工完成時的情況，圖6是地裂縫發(fā)生變形后的情況，這種想法的目的是在地裂縫發(fā)生變形時，結(jié)構(gòu)能夠自動的感知變形的狀態(tài)，并自動適應(yīng)這種變形，保證在地裂縫發(fā)生變形時，地鐵及地面交通的正常運營和地下管線的安全使用。
這種結(jié)構(gòu)有以下幾個特點，一是不論地裂縫的變形發(fā)生在影響帶的那一處，結(jié)構(gòu)均能夠自動適應(yīng)其變形；二是地裂縫變形發(fā)生后，在檢測設(shè)備的控制下，結(jié)構(gòu)能夠自動調(diào)整軌面高度及地面高度，維持地鐵的正常運營；它的缺點是工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及到多學(xué)科的問題，而且造價高。
3．第三種方法是借鑒國外地鐵處理地裂縫的方案，實現(xiàn)這種想法的縱斷面及橫斷面布置如圖所示，這種方法是利用結(jié)構(gòu)底部的蛇行彈簧對結(jié)構(gòu)的高度進行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)地裂縫的變形，保證地鐵運營的正常進行、地下管線的安全及地面交通的正常。其中，圖7是施工完成時的情況，圖8是地裂縫發(fā)生變形后的情況，
這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)較為簡單，控制靈活，投資較省，缺點是地裂縫的變形位置必須很明確，即兩段結(jié)構(gòu)相接觸處必須是地裂縫變形的位置，否則，地裂縫變形后結(jié)構(gòu)必將承受巨大的額外應(yīng)力，將造成結(jié)構(gòu)的破壞；另外，由于蛇形彈簧的抗力有限，上部結(jié)構(gòu)應(yīng)比較小巧，這樣的話，這種結(jié)構(gòu)將不能適應(yīng)較大的變形。
地鐵通過地裂縫方案比較 表2
比較項目方案實現(xiàn)難易效果適應(yīng)性造價
方案一簡單差差低
方案二較難最好最好高
方案三較簡單較好較好較高
五、結(jié)論
1．地裂縫最初是由自然界的地殼運動形成的，西安市地裂縫在近幾十年來的運動加劇卻主要是由于人為的因素。主要的原因是過量開采地下水所致。由于地下水長期過量開采，造成城市地下水持續(xù)下降，加劇了地面沉降和地裂縫的發(fā)展。可喜的是西安市政府已認識到這一問題的嚴重性，在2000年5月，陜西省政府作出了關(guān)停西安市規(guī)劃區(qū)自備井的決定，開始在城區(qū)內(nèi)禁止開采地下水。這一舉措使西安市的地裂縫的活動在近年來有減緩的趨勢。經(jīng)陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站的監(jiān)測，地裂縫的活動量在近年來明顯減少。這將極大地減輕地裂縫的活動帶來的危害。國內(nèi)其他地方因過量開采地下水引發(fā)的種種問題也常常見諸報端。因為過量開采地下水，華北已形成了世界上最大的地下漏斗，并引發(fā)了地面沉降等一系列環(huán)境問題。因此，全社會都應(yīng)當(dāng)認識到環(huán)境保護的重要性，保護好地下環(huán)境，極力減輕地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害的影響。
2．活動地裂縫的存在對工程結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個嚴重的挑戰(zhàn)，地裂縫的處理是一個復(fù)雜的系統(tǒng)問題，涉及到多學(xué)科的相互協(xié)調(diào)，今后應(yīng)在地裂縫的處理上多加以研究，以減少地裂縫的活動給人民的生命財產(chǎn)造成的損失。
參考文獻
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