西安火車站北站房及高架候車室地裂縫的勘察、評價及對策

王　旭

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，西安　710043)

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西安火車站北站房及高架候車室地裂縫的勘察、評價及對策

王旭

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，西安710043)

摘要：西安地裂縫是西安地區(qū)典型的地質(zhì)災(zāi)害。f3地裂縫通過北站房及高架候車室擬建場地，其活動對站房安全有較大影響。查明其位置、評價其影響、并提出對策是防治地裂縫災(zāi)害的關(guān)鍵。介紹西安地裂縫的基本特征及成因機(jī)理，對擬建場地f3地裂縫的勘察概況做了說明，并通過對已有觀測數(shù)據(jù)和地裂縫活動特征的分析，估算地裂縫未來的活動速率。在此基礎(chǔ)上分析地裂縫對建筑物的危害，提出防治對策。

關(guān)鍵詞：站房；高架候車室；地裂縫；活動速率；防治措施

西安站是全國鐵路客運特等站，是西安的交通樞紐之一，也是城市主要客流集散地。新建北站房及高架候車室是西安站改擴(kuò)建工程的重要內(nèi)容之一，對提高西安站的旅客運輸能力，提升西安城市形象有著重要的意義。f3地裂縫通過北站房及高架候車室擬建場地，其活動對站房安全有較大影響。查明其位置、評價其影響、并提出對策是本文的重點。

1西安地裂縫概述

1.1西安地裂縫的基本特征

西安地裂縫是西安市較為典型的地質(zhì)災(zāi)害，目前西安發(fā)現(xiàn)的地裂縫達(dá)14條之多。平面上，地裂縫的總體走向NE70°～80°，與長安臨潼斷裂近似平行，傾向相反。各地裂縫帶間呈1.0～1.5 km不等間距排列，地裂縫向東西兩側(cè)延伸，東過灞河，西過皂河，見圖1。

圖1　西安地質(zhì)地貌略圖[1]

西安地裂縫在剖面上的形態(tài)一般為上寬下窄的楔形，向下逐漸變窄，最深達(dá)300余m。裂面粗糙，個別裂面有滑動擦痕。主地裂縫傾向南東，南盤下降、北盤相對上升，傾角較陡，一般約為80°。

西安由于地面沉降形成的由數(shù)條NE向的黃土梁及梁間洼地組成黃土梁洼地貌，地裂縫總是發(fā)育在梁間洼地的北側(cè)邊緣。

西安地裂縫的運動分為南傾南降的垂直運動、水平張引和水平扭動。其中垂直位移最大，工程上只考慮垂直位移的影響。西安地裂縫垂直位移產(chǎn)生不均勻沉降是其主要危害，主要表現(xiàn)在房屋建筑、道路橋梁及地下管線的破壞。

1.2西安地裂縫的成因機(jī)理

根據(jù)最新的分析研究成果[2]，西安地裂縫是內(nèi)外動力耦合作用的結(jié)果。即斷層活動伴生了地裂縫，抽取地下水加劇了地裂縫的活動及發(fā)展。

2北站房及高架候車室附近的f3地裂縫勘察概況

擬建場地的f3地裂縫為新近發(fā)現(xiàn)地裂縫。以往研究資料均未提及該處地裂縫的存在，僅地鐵4號線勘察時，對該處f3地裂縫的走向提出了新的說明。

2.1地裂縫的場地類型

根據(jù)地面調(diào)查結(jié)果，西安站附近的f3地裂縫地表鮮有破壞，呈隱伏狀態(tài)。鉆探揭示場地內(nèi)埋藏有第四系中更新統(tǒng)古土壤層。由上述兩個條件得出擬建場地為地裂縫二類場地，需采用鉆探為主的勘察方法。

2.2勘察成果

鐵一院的最新勘察成果顯示[3]，布置的10條勘探剖面均揭示了古土壤層的錯段，古土壤層底面最小錯斷距離為2.8 m，錯斷明顯，證明了地裂縫的存在。剖面確定該段f3地裂縫走向自太華路立交向西北方向延伸，經(jīng)自強(qiáng)社區(qū)篤臣巷，向東南至西安客運段(圖2、圖3)。

圖2　擬建場地地裂縫平面

圖3　地裂縫典型剖面

3地裂縫的活動速率估算

擬建場地的f3地裂縫為新近發(fā)現(xiàn)地裂縫，缺乏監(jiān)測資料，估算其活動速率的基本思路是通過研究地裂縫活動速率的發(fā)展規(guī)律，分析擬建場地周邊地裂縫的活動速率，比照地表破裂情況，估算活動速率。

3.1西安地裂縫所處的發(fā)展階段

西安地裂縫的活動加劇與過量抽取地下水有密切的聯(lián)系。根據(jù)地裂縫活動速率的監(jiān)測、研究資料[4-5](陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站、長安大學(xué))，1990年～1996年期間，西安地裂縫處于異?；顒悠?，活動速率一般可達(dá)10～40 mm/年。1996年至今，黑河引水工程竣工，加之西安市采取了限采承壓水和逐步封井的有效措施，區(qū)域承壓水位正在逐漸回升，西安地裂縫的活動速率大幅度減緩。西安地裂縫可分為如下發(fā)展階段[6](圖4)。

圖4　西安地裂縫發(fā)展階段劃分

(1)A階段(發(fā)生階段)：為地裂縫活動的開始階段，其特征是活動速率較小。

(2)B階段(加速發(fā)展階段)：地裂縫活動強(qiáng)烈，其活動速率快速增大。

(3)C階段(活動階段)：地裂縫活動的成熟階段，地裂縫活動速率達(dá)到頂點。

(4)D階段(減速階段)：由于限制承壓水開采，西安地裂縫的活動速率急劇減小。

(5)E階段(穩(wěn)定階段)：地裂縫活動速率很小，逐漸趨于穩(wěn)定。

西安火車站附近的工程建設(shè)趨于緩慢，鐵路附近早已禁止開采地下水，因此該段地裂縫符合地裂縫發(fā)展的一般規(guī)律，處于穩(wěn)定階段，地裂縫活動速率較低。西安部分地裂縫平均活動速率見表1。

表1　西安部分地裂縫平均活動速率[4-5]

3.2西安站附近f3地裂縫的活動速率預(yù)測

相比較于其他地裂縫，f3地裂縫的平均活動速率是較低的。特別是近年來地裂縫活動呈減弱趨勢，呈穩(wěn)定狀態(tài)。但f3地裂縫各段的活動速率是不同的，活動速率差距亦較大。如：華清路北原農(nóng)機(jī)公司院子及其車間水泥地面裂開，形成北高南低的臺階狀地形陡坎，陡坎高度約30 cm。曾建點觀測(已破壞多年)，1990年左右， 地裂縫的活動速率為15 mm/年；估算高峰活動速率達(dá)27.8 mm/年;2000年以后小于10 mm/年。而f3地裂縫在北大街附近的活動速率1990年至2005的活動速率均小于5 mm/年。

根據(jù)地面調(diào)查結(jié)果，擬建場地發(fā)現(xiàn)3處破裂。(1)自強(qiáng)社區(qū)篤臣巷自強(qiáng)食品廠院內(nèi)地表破裂，多次修補(bǔ)。4層框架結(jié)構(gòu)建筑墻體出現(xiàn)開裂。(2)西安鐵路局西安客車車輛段南側(cè)2層磚混結(jié)構(gòu)建筑，墻體破裂，經(jīng)過修補(bǔ)。(3)三站臺地下通道入口處，出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，如圖5、圖6所示。

表2　f3地裂縫各段活動速率與地表破壞情況

圖5　客車段墻體開裂

圖6　三站臺開裂

場地內(nèi)發(fā)現(xiàn)的3處破裂點，呈不連續(xù)狀態(tài)，破裂房屋仍正常使用；西安站站臺及股道未發(fā)現(xiàn)較大病害，未影響西安站的正常運營。由此可知，擬建場地內(nèi)f3地裂縫曾在高峰期活動過，而現(xiàn)今活動速率較小，呈穩(wěn)定狀態(tài)。

從西安地裂縫的總體發(fā)展趨勢來看，地裂縫的活動速率呈明顯減小趨勢，未來若干年內(nèi)，西安城市供水均為地表水供應(yīng)，所以西安地裂縫加速發(fā)展的可能性極小。由于西安地面沉降趨于穩(wěn)定，深層次孔隙水消散后，地層在一定程度上固結(jié)，恢復(fù)水位后即使再一次發(fā)生地裂縫活動，其最大活動速率不會超過歷史最大水平。

因此，通過對比表2，擬建場地的f3地裂縫的活動速率處于平均水平，2005年以后的活動速率小于5 mm/年。預(yù)留一定的安全儲備，可按5 mm/年進(jìn)行設(shè)計，未來100年內(nèi)最大垂直位移量為500 mm。

4地裂縫活動對北站房及高架候車室的危害分析

地裂縫的危害主要是由于地裂縫的南盤下降引起的。地裂縫活動引起的地表變形是以蠕動變形為主，但隨時間的推移，其累積破壞逐漸增大，導(dǎo)致建筑物的變形日益破壞嚴(yán)重。基礎(chǔ)的不均勻沉降將導(dǎo)致建筑物的變形、開裂。

北站房的結(jié)構(gòu)形式與高架候車室的結(jié)構(gòu)形式是不同的。站房作為大型建筑一般是框架結(jié)構(gòu)，建筑物下部直接受基礎(chǔ)支撐。其破壞模式主要為地基下沉彎曲，上部結(jié)構(gòu)受剪破壞。彭建兵等將這種破壞模式分為3種，正向剪切破壞、反向彎曲破壞及懸臂梁破壞[2]。由于站房面積較大，其破壞為正向彎剪破壞。站房跨越地裂縫的變形影響區(qū)，由于地裂縫下盤主變形區(qū)垂直位移較大，最先破壞，形成裂縫1，主變形區(qū)外垂直位移較小，造成沉降差，形成裂縫2(圖7)。

圖7　站房破壞形式

高架候車室下部由立柱支撐，立柱下部由基礎(chǔ)支撐。最先表現(xiàn)為立柱與高架候車主體連接處破裂，立柱下沉，最后主體結(jié)構(gòu)錯斷。

5地裂縫防治措施探討

采取避讓措施是防治地裂縫災(zāi)害的最有效措施。研究表明，地裂縫變形區(qū)域以外的地表垂直位移是均勻、穩(wěn)定的。在地裂縫一側(cè)布置建筑物是安全可靠的。陜西省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《西安地裂縫場地勘察與工程設(shè)計規(guī)程》(DBJ61-6—2006，J10821—2006)[7](以下簡稱“《規(guī)程》”)根據(jù)觀測結(jié)果及工程建設(shè)經(jīng)驗，規(guī)定了建筑物在地裂縫兩側(cè)的最小避讓距離，見表3。

表3　地裂縫場地建筑物最小避讓距離　m

由于西安站北站房及高架候車室的功能及景觀需要，場地內(nèi)的地裂縫已難于完全繞避。鑒于西安地鐵穿越地裂縫的經(jīng)驗，北站房及高架候車室的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)以適應(yīng)地裂縫垂直位移為原則。筆者針對站房與高架候車室結(jié)構(gòu)形式的不同，提出以下方法。

5.1北站房的防治措施

(1)長約200 m的整體建筑跨越地裂縫，因彎矩較大，必然拉裂建筑。建筑設(shè)計上“化整為零”，優(yōu)化建筑功能設(shè)計，在地裂縫主變形區(qū)域可拆分成3個建筑物，使單個建筑物通過地裂縫的距離最短，減小受力彎矩。實踐表明，地裂縫從建筑物邊角通過時，對建筑幾乎無影響[8]。(2)優(yōu)化基礎(chǔ)形式，建議采用箱形基礎(chǔ)。箱形基礎(chǔ)可增大基礎(chǔ)的整體性，并擁有更大的抗彎剛度，亦可地裂縫上盤沉降時，形成懸臂結(jié)構(gòu)支撐上部結(jié)構(gòu)。同時在地裂縫上盤基礎(chǔ)底面埋設(shè)應(yīng)力計，預(yù)留注漿孔，在基底埋設(shè)應(yīng)力計，應(yīng)力明顯減小時，可在基底注漿加固(圖8)。(3)增加建筑物的剛度，增強(qiáng)其抵抗差異沉降的能力。

圖8　站房的防治措施示意

5.2高架候車室的防治措施(圖9)

由于高架候車室的結(jié)構(gòu)形式類似于橋梁結(jié)構(gòu)，除加強(qiáng)建筑剛度外，優(yōu)化基礎(chǔ)形式，可采取以下方式。(1)簡支結(jié)構(gòu)形式，在地裂縫附近將上部結(jié)構(gòu)分布成若干“節(jié)”，設(shè)置柔性連接，在支座處設(shè)置可調(diào)結(jié)構(gòu)。(2)為避免立柱本身破壞，立柱應(yīng)設(shè)置在《規(guī)范》規(guī)定的最小避讓距離以外。通過上述方式，即使地裂縫上盤下降，上部架構(gòu)在三維空間上是傾斜的，避免形成錯臺及破壞。

圖9　高架候車室的防治措施示意

5.3建立完善的預(yù)防機(jī)制

(1)應(yīng)建立變形監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)地基不均勻變形時，及時對地基進(jìn)行注漿或其他加固措施，防

止變形進(jìn)一步擴(kuò)大。

(2)限制過量開采地下水，保持地下水儲量的動探平衡，能有效減小地裂縫的活動。同時，應(yīng)進(jìn)行合理的防、排水設(shè)計，嚴(yán)禁地表水排入地裂縫中。

6結(jié)論

(1)西安地裂縫走向為NE向，傾向SE，傾角為80°；總體表現(xiàn)為南盤上升，北盤下降。

(2)地裂縫的勘察主要以標(biāo)志地層錯斷為依據(jù)，已查明f3地裂縫通過西安站北站房及高架候車室擬建場地，地裂縫對上述建筑物的危害較大，可能使建筑物拉裂、變形。

(3)擬建場地的地裂縫為新近發(fā)現(xiàn)地裂縫，無既有觀測資料。但通過其他地段的地裂縫的活動速率變化分析，地裂縫的活動發(fā)展總體是呈減弱趨勢的。擬建場地的f3地裂縫活動性較弱，未來的活動速率可按5 mm/年設(shè)計，未來100年內(nèi)的最大位移量為500 mm。

(4)西安站北站房及高架候車室的地裂縫防治，可采取“防”與“放”結(jié)合的方式。即：結(jié)構(gòu)上加強(qiáng)措施，增強(qiáng)建筑物抵御變形的能力；同時，結(jié)構(gòu)設(shè)計上需適應(yīng)變形的發(fā)展，柔性連接，預(yù)留變形空間。

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Investigation， Evaluation and Countermeasures of Ground Fissures in North Station Building and Overhead Waiting Room of Xi’an Railway Station

WANG Xu

(China Railway the First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)

Abstract：Ground fissures are typical geo-hazards in Xi’an area. f3 ground fissures through proposed construction site pose great potential effect on station buildings. This paper tries to identify their locations and assess their effects， and puts forward the countermeasures. Basic characteristics of ground fissures in Xi’an area are introduced and investigation of f3 ground fissures is illustrated. According to the analysis of monitoring data， future fissuring rate is estimated， the harm on buildings generated by active ground fissures is analyzed and countermeasures are proposed．

Key words：Station buildings; Overhead waiting room; Ground fissures; Activity rate; Countermeasures

中圖分類號：TU248； TU42

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.04.025

文章編號：1004-2954(2015)04-0102-04

作者簡介：王旭(1985—)，男，工程師，2009年畢業(yè)于北京交通大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail：ioriwang1985@163.com。

收稿日期：2014-11-20； 修回日期：2014-12-11