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。地鐵結構采用這些方法后能夠適應地裂縫的變形發展，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
規劃的西安地鐵一號線呈東西向展布，橫穿城區，西起西郊三橋鎮，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害最典型、最嚴重的城市。西安市的地裂縫最早發現于1959年， 1976年以后，發育規模和活動強度急劇增大。 1977年后開始有組織地調查研究。經過多年的研究，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，大大加劇和激發了地裂縫的活動；到1989年，已基本查清的城、郊區主要地裂縫有10條，最長10公里，合計總長40公里，地裂區面積150平方公里。
二、地質構造及影響一號線的地裂縫、地面沉降現狀
（一）、地質構造
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，凹陷內新生代地層厚逾7000m，其中第四系地層厚達500~1000m。區內構造形跡主要表現為隱伏斷裂構造，按其走向可分為EW向、NE向和NW向三組，現將與西安市地鐵一號線較為密切的斷裂構造分述如下：
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通過，距西安城區約5~6km，屬區域深大斷裂，走向東西，北傾，是正斷層性質，該斷裂與其它方向斷裂交匯部位，歷史上曾發生過多次地震，最大震級達6.75級(1568年，草灘)，近期也有小震發生，如1976年發生在草灘的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3～8km，由間隔約2km的三條平行正斷層組成，產狀NE40°～50°E/68°～80°N。該斷裂帶為西安凹陷與驪山凸起的分界線，屬區域性深大斷裂，新生代以來活動強烈，現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，經等駕坡、動物園呈北西向橫穿東部城區，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。是西安地裂縫發育的基礎，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，發現地裂縫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上發育起來的，由南而北在黃土梁洼之間有規律排列，呈帶狀分布。產狀為NE60°～80°/70°～80°S。具有垂直錯位、水平拉裂、扭動三種變形性質。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，是地裂縫發展的誘發因素。
地裂縫的活動給西安市人民的生活和生產建設等造成了 極大的危害。據調查統計，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、停車場等公共設施7處；受損村寨41個、 工廠91座，中小學及大專院校40所，其他企事業單位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，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
以康復路為中心兩側3km范圍內，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展。
四條地裂縫與西安地鐵一號線的關系


三、國內外地鐵工程地裂縫處理現狀
經過網上搜索只找到很少的國外關于地鐵或地下工程對地裂縫的處理方法，國內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。它是利用結構底部的蛇形彈簧來調節結構的高低以適應地裂縫的變形，結構可繞其兩端的鉸轉動，利用彈簧兩端的縱向運動調節結構的高低，這種結構原理簡單新穎，但由于兩段結構的錯臺不能太大，所以，它不適應地裂縫有太大的變形。

四、西安地鐵一號線地裂縫處理設想
西安地鐵一號線區間共遇到四條地裂縫，這在國際上很少見，國內也無先例。西安地鐵所遇四條地裂縫的運動狀態均呈三維運動，在上下兩盤錯動的同時伴隨有左右扭動和縱向遠離運動，運動狀態很復雜，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鍵，因此必須對地裂縫的影響及結構對策作深入的專題研究。
根據常識，人類工程結構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對地裂縫進行人工處理方法都是不現實的。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，我們必須從工程結構上多加思索，設想以工程結構的特殊設計來適應地裂縫的變形，以達到變相處理地裂縫的目的。
依據以上的想法，我們提出了三種適應地裂縫變形的方法，三種方法的優缺點比較見表2。
1．將地鐵隧道的斷面擴大（擴大的斷面應滿足地鐵在服務年限內能夠適應地裂縫的變形），并將擴大斷面在地裂縫的影響帶內分為許多段，段與段之間采用特殊的方法，使其可以自由上下移動，當有變形發生時，利用擴大的空間，對線路進行人為的調整，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是地裂縫發生變形后的情況。
這種方式結構較為簡單，不論地裂縫的變形發生在影響范圍內的那一處，結構均能適應其變形。如果考慮足夠的變形空間，這種結構可以適應較大地裂縫變形，它的缺點是裂縫的變形在先，變形后才能進行人為的調整，對線路坡度的調整將影響正常的運營，而且地裂縫變形發生后將對地面交通及地下管線產生影響，嚴重時也將因的下管線破裂影響道地鐵的正常運營。

2．第二種設想是對地裂縫的一種自動適應，這種結構總的設想是把地裂縫影響的范圍分成好多段矩形結構，在矩形結構內部布置千斤頂及簡支梁結構，在矩形結構的上方設置一個倒槽形的結構，當矩形結構在地裂縫運動后產生上下錯動時，利用由自動測量儀器控制的千斤頂自動調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。矩形結構有足夠的高度及寬度以適應地裂縫在一定時間（約100年）的變形量。地裂縫發生變形后利用千斤頂的行程及墊塊調整地鐵軌面及地面高程。
當地裂縫發生左右方向的相對移動時，可以調節千斤頂及墊塊的底座以適應這種變形。實現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是地裂縫發生變形后的情況，這種想法的目的是在地裂縫發生變形時，結構能夠自動的感知變形的狀態，并自動適應這種變形，保證在地裂縫發生變形時，地鐵及地面交通的正常運營和地下管線的安全使用。
這種結構有以下幾個特點，一是不論地裂縫的變形發生在影響帶的那一處，結構均能夠自動適應其變形；二是地裂縫變形發生后，在檢測設備的控制下，結構能夠自動調整軌面高度及地面高度，維持地鐵的正常運營；它的缺點是工程結構復雜，涉及到多學科的問題，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，這種方法是利用結構底部的蛇行彈簧對結構的高度進行調節，以適應地裂縫的變形，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是地裂縫發生變形后的情況，
這種結構的優點是結構較為簡單，控制靈活，投資較省，缺點是地裂縫的變形位置必須很明確，即兩段結構相接觸處必須是地裂縫變形的位置，否則，地裂縫變形后結構必將承受巨大的額外應力，將造成結構的破壞；另外，由于蛇形彈簧的抗力有限，上部結構應比較小巧，這樣的話，這種結構將不能適應較大的變形。

地鐵通過地裂縫方案比較 表2
比較項目方案實現難易效果適應性造價
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下降，加劇了地面沉降和地裂縫的發展。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停西安市規劃區自備井的決定，開始在城區內禁止開采地下水。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。經陜西省地質環境監測總站的監測，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。國內其他地方因過量開采地下水引發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，并引發了地面沉降等一系列環境問題。因此，全社會都應當認識到環境保護的重要性，保護好地下環境，極力減輕地質環境災害的影響。
2．活動地裂縫的存在對工程結構設計是一個嚴重的挑戰，地裂縫的處理是一個復雜的系統問題，涉及到多學科的相互協調，今后應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造成的損失。

參考文獻
[1]《鐵路隧道設計規范》 (TB1003-2001)
[2]《地下鐵道設計規范》 (GB50157-92)
[3]《地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘測規范》(GB50307-1999)
[4]《西安地鐵一號線工程可行性研究報告》2001.4