西安云軌地裂縫專項勘察及影響范圍分析

孫常青 申 斌 孫振岳 張語濤

(1.北京城建勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，北京 100101；2. 城市軌道交通深基坑巖土工程北京市重點實驗室，北京 100101； 3.北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037)

0 引言

西安地裂縫是一種地區(qū)性的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象[1-2]，其因分布之廣泛、活動之劇烈、致災(zāi)之嚴(yán)重而聞名于全國乃至世界。汪 麗[3]、樊紅衛(wèi)[4]總結(jié)了西安地裂縫的災(zāi)害特征，分析了西安地裂縫可能引起的地鐵病害。門玉明和石玉玲[5]闡述了自從1977年以來西安地裂縫研究經(jīng)歷的三個階段，提出了地裂縫研究的若干重要科學(xué)問題。張 鵬等[6]將西安地裂縫二類勘察場地劃分為3個亞區(qū)，提出在不同亞區(qū)采用相應(yīng)的判斷地裂縫出露的標(biāo)志層以及勘察深度。宋彥輝等[7]分析了三類勘察場地隱伏地裂縫識別存在的問題。由于三類勘察場地地裂縫的隱伏性，地表較少有活動跡象，場地地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要為中更新統(tǒng)湖積粉質(zhì)黏土和砂類土，有時粗細(xì)粒旋回規(guī)律表現(xiàn)得不太清楚，給地裂縫勘察帶來了困難。因此采用綜合勘察手段進(jìn)行地裂縫專項勘察很有必要。地裂活動會引起兩側(cè)地層錯動，《西安地裂縫場地勘察與工程設(shè)計規(guī)程》(DBJ61—6—2006)[8]給出了一般地裂縫的影響區(qū)范圍，但地裂縫影響區(qū)范圍到底多大，還需要根據(jù)每個工程的實際情況通過數(shù)值模擬具體分析。鑒于此，本文通過綜合勘察方法查明了西安高新區(qū)云軌場地內(nèi)地裂縫的分布及其與云軌擬建線路的位置關(guān)系、產(chǎn)狀、活動性，并通過規(guī)范法及數(shù)值模擬法確定地裂縫影響范圍，對云軌橋梁通過地裂縫的結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工具有重要的意義。

1 工程概況

西安高新區(qū)云軌示范線(魚化寨站—緯二十八路站)項目起點地鐵三號線魚化寨站，途徑高新區(qū)軟件新城、丈八西社區(qū)、紫薇田園都市、出口加工B區(qū)、比亞迪廠區(qū),終點洨河公園站，線路全長約17.68 km,全部為高架線，設(shè)置車站17座，平均站間距1017.51 m。高架線擬采用鉆孔灌注樁，承臺埋深約 3.0 m，樁徑1 m 和 1.2 m，區(qū)間橋梁在滿足使用功能的前提下，一般區(qū)段采用長度為L=24 m的標(biāo)準(zhǔn)簡支軌道梁、圓形混凝土橋墩、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)?？缭揭话憬徊媛房跁r采用簡支鋼軌道梁(跨長L=45 m)，通過較大路口時采用大跨連續(xù)鋼軌道梁結(jié)構(gòu)形式跨越。

根據(jù)區(qū)域地裂縫資料，場地有7條地裂縫f4、f5、f6、f7、f8、f9、f′9與擬建云軌線路相交(見圖1)，具體位置尚不確定。地裂縫場地類型為三類，勘探標(biāo)志層埋藏深度在40～80 m的中更新統(tǒng)河湖相地層[6]。

圖1 場地內(nèi)地裂縫分布圖

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

擬建線路穿越地貌單元主要有皂河一級階地、皂河二級階地、皂河三級階地。

(1)工程地質(zhì)Ⅰ單元(皂河一級階地)：上部地層主要為第四系全新統(tǒng)的人工填土、沖洪積黃土狀土、沖積粉質(zhì)黏土、砂類土等；下部為第四系上更新統(tǒng)的沖積粉質(zhì)黏土、砂類土，第四系中更新統(tǒng)的沖、湖積粉質(zhì)黏土、砂類土。(見圖2)

(2)工程地質(zhì)Ⅱ單元(皂河二級階地)：上部地層主要為第四系全新統(tǒng)的人工填土、沖洪積黃土狀土；下部為第四系上更新統(tǒng)的風(fēng)積水上新黃土、殘積古土壤，沖積粉質(zhì)黏土及砂類土，中更新統(tǒng)的殘積古土壤、沖湖積粉質(zhì)黏土、砂類土。

(3)工程地質(zhì)Ⅲ單元(皂河三級階地)：上部地層主要為第四系全新統(tǒng)的人工填土；下部為第四系上更新統(tǒng)的風(fēng)積水上新黃土、殘積古土壤，沖積粉質(zhì)黏土及砂類土，中更新統(tǒng)的風(fēng)積水上老黃土、沖湖積粉質(zhì)黏土、砂類土。

線路沿線劃分為三個水文地質(zhì)單元：

(1)水文地質(zhì)Ⅰ單元(皂河一級階地)：地下水類型為第四系松散層孔隙潛水(二)，含水層為黃土狀土、砂類土和粉質(zhì)黏土。地下水埋深為5.8～18.3 m，水位標(biāo)高為381.99～404.99 m。

(2)水文地質(zhì)Ⅱ單元(皂河二級階地)：地下水類型為第四系松散層孔隙潛水(二)，含水層為新黃土、砂類土和粉質(zhì)黏土。地下水埋深為14.6～24.3 m，水位標(biāo)高為397.54～405.29 m。

(3)水文地質(zhì)Ⅲ單元(皂河三級階地)：地下水類型為第四系松散層孔隙潛水(二)，含水層為新黃土、砂類土和粉質(zhì)黏土。地下水埋深為20.2～24.2 m，水位標(biāo)高為396.07～401.86 m。

圖2 擬建線路工程地質(zhì)及水文地質(zhì)分區(qū)圖

3 地裂縫專項勘察

為查明場地內(nèi)地裂縫與擬建線路相交的具體位置、產(chǎn)狀及其活動性，采用資料收集與地面調(diào)查、物探(高密度電法、地微動探測)、工程地質(zhì)鉆探等綜合勘察手段，以f5地裂縫為例進(jìn)行說明。

3.1 資料收集與地面調(diào)查

f5地裂縫(丈八路—和平門—灞橋熱電廠)總體走向NE70°，傾向SE，傾角約80°，發(fā)育帶最大寬度達(dá)110 m，總長度15.8 km。該地裂縫西段活動比較弱,東段活動強(qiáng)烈，形變量大，破壞較為嚴(yán)重。擬建線路與f5地裂縫西段相交，位置為云水一路與魚斗路十字南約 120 m，近東西走向。

f5地裂縫西段平均活動速率介于 0.1～1.0 mm/a，活動性弱，發(fā)育程度弱，處于穩(wěn)定階段。

3.2 物探方法

f5地裂縫專項勘察采用了高密度電法和地微動探測兩種物探手段。

3.2.1 工作原理

(1)高密度電法

高密度電法的物理前提是地下介質(zhì)間的導(dǎo)電性差異[9]。和常規(guī)電阻率法一樣，它通過A、B電極向地下供電流I，然后在M、N極間測量電位差ΔU，從而求得該記錄點的視電阻率值ρs=K×ΔU/I。 根據(jù)實測的視電阻率剖面，進(jìn)行計算、處理、分析，獲得地層中電阻率的分布情況，從而劃分地層、圈閉異常等。

(2)地微動探測

地微動[10-11]是指對天然場源微動信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理提取Rayleigh波頻散信息，通過反演該信息獲得地下介質(zhì)橫波速度結(jié)構(gòu)，分析地質(zhì)體與周圍介質(zhì)的波速差異，從而查明或解決有關(guān)工程地質(zhì)問題的一種物探技術(shù)。

3.2.2 物探工作量布置

針對f5地裂縫的現(xiàn)場條件，在里程K2+700—K3+020范圍內(nèi)布設(shè)1條長320 m的高密度測線，在里程K2+745—K2+910范圍內(nèi)布設(shè)5個地微動勘探臺陣，具體布線方式見圖3。

圖3 f5地裂縫高密度電法測線以及地微動探測布線示意圖

3.2.3 物探結(jié)果解析

圖4為f5地裂縫視電阻率剖面圖，探測結(jié)果表明在距離測線起點110～120 m出現(xiàn)錯斷低阻異常，故推測可能是由于地裂縫產(chǎn)生的響應(yīng)。以此異常為基礎(chǔ)，進(jìn)一步布設(shè)地微動勘探點，并得到速度譜剖面見圖5。

圖4 f5地裂縫視電阻率剖面圖

圖5 f5地裂縫地微動速度譜

據(jù)圖5可知，在距測線起點65～75 m，深度55 m以下出現(xiàn)低速異常區(qū)域，和高密度視電阻率剖面顯示的異常相對應(yīng)，故推測可能是由于地裂縫產(chǎn)生的響應(yīng)。

綜合f5地裂縫視電阻率剖面圖和地微動速度譜的響應(yīng)特征，推測在距離高密度測線起點約110～120 m的范圍內(nèi)、距離地微動剖面起點65～75 m范圍內(nèi)為f5地裂縫穿過的位置，里程范圍為K2+810—K2+820。

3.3 工程地質(zhì)鉆探

3.3.1 鉆探布置

依據(jù)f5地裂縫物探成果，對推測地裂縫穿過的位置進(jìn)行鉆探驗證，并查明f5地裂縫在線路附近的分布情況及與線路相交的坐標(biāo)。按照《西安地裂縫場地勘察與工程設(shè)計規(guī)程》(DBJ61—6—2006)三類場地，鉆探剖面上鉆孔間距一般按40～80 m布置，在發(fā)現(xiàn)異常的孔位之間進(jìn)行加密鉆探，使最終加密孔間距不大于10 m，孔深均為80 m。f5地裂縫鉆探驗證共鉆探10個鉆孔，勘探點平面位置見圖6。

圖6 f5裂縫勘探點位置平面圖

3.3.2 鉆探結(jié)果分析

鉆孔VDLF03及其以北地層、鉆孔TSZ18及其以南地層中更新世地層沉積穩(wěn)定，細(xì)粒相和粗粒相交替沉積，且層位穩(wěn)定，起伏較??；而鉆孔VDLF03與TSZ18之間(VDLF03與TSZ18孔間距10.0 m)地層沉積韻律較亂，主要為沉積旋回出現(xiàn)明顯錯斷和厚度變化(見圖7)。

圖7 f5地裂縫剖面圖

3.4 f5地裂縫綜合判定結(jié)果

f5地裂縫活動性弱，處于穩(wěn)定階段，從圖7剖面鉆孔VDLF03與TSZ18之間穿過，大致走向近NE，傾向SE，傾角約80°。地裂縫兩側(cè)地層錯斷，上盤(南東盤)下降，較下盤(北西盤)接受較厚的沉積。與擬建線路相交的具體坐標(biāo)見表1。

4 f5地裂縫影響范圍分析

4.1 規(guī)范法確定地裂縫影響范圍

根據(jù)《西安地裂縫場地勘察與工程設(shè)計規(guī)程》(DBJ61—6—2006)，地裂縫的影響區(qū)范圍分主變形區(qū)和微變形區(qū)(見圖 8)。一般地裂縫影響寬度為上盤 0～20 m，其中主變形區(qū) 0～6 m，微變形區(qū) 6～20 m；下盤 0～12 m，其中主變形區(qū) 0～4 m，微變形區(qū) 4～12 m。依據(jù)建筑物的重要性類別、建筑結(jié)構(gòu)形式和地裂縫的活動性質(zhì)規(guī)定了地裂縫場地建筑物的最小避讓距離見表 2[8]。本工程按二類建筑物確定避讓距離是上盤 20 m，下盤 12 m，即要求橋墩基礎(chǔ)避開微變形區(qū)。

圖8 地裂縫影響區(qū)范圍示意圖[8]

表2 地裂縫場地建筑物最小避讓距離 m

4.2 數(shù)值模擬確定的地裂縫影響范圍

(1)有限元模型

本工程地裂縫場地為三類場地。為了確定地裂縫的影響范圍，進(jìn)行了二維有限元數(shù)值模擬計算。模型尺寸為120 m×80 m，f5隱伏地裂縫傾角為80°，模型共計 9627 個單元，9826 個節(jié)點，有限元計算模型如圖 9 所示。模型除地裂縫帶采用接觸單元模擬外，其他部位均采用實體單元模擬，按照以上尺寸對模型整體劃分網(wǎng)格，地裂縫經(jīng)過處兩側(cè)網(wǎng)格單元加密，從而提高分析精確度。

圖9 地裂縫活動有限元模型(單位：m)

(2)材料本構(gòu)模型及參數(shù)

數(shù)值計算中土體材料選用理想的彈塑性模型，服從莫爾-庫倫屈服準(zhǔn)則，計算參數(shù)見表3、表4。

表3 有限元模型土體材料參數(shù)表

表4 地裂縫計算參數(shù)

(3)邊界條件

有限元模型左、右兩側(cè)邊界約束水平方向的位移，模型的上部為自由邊界，下盤底部邊界約束垂直方向的位移，保持不動，而上盤底部初始時約束垂直方向的位移，然后分步設(shè)定強(qiáng)制向下的位移s=10 cm，20 cm， 30 cm，40 cm 和 50 cm 模擬地裂縫上盤的下降過程。

(4)計算工況

高新區(qū)云軌設(shè)計年限100年，根據(jù)f5地裂縫活動速率，計算得到地裂縫在100年的垂直位錯量最大不超過50 cm。因此本次計算模型采取50 cm作為最大沉降量。

本次模擬采用增量沉降工況見表5，分析在各個步驟增量 10 cm下地表豎向位移曲線。

表5 增量沉降計算工況

圖10為地裂縫上盤底部發(fā)生不同沉降量時地表豎向位移曲線，從圖中可以看出，地裂縫兩側(cè)存在著較為明顯的差異沉降，地表沉降變形從下盤到上盤具有逐漸增大的趨勢， 曲線近似呈反“S”形；豎向變形梯度在下盤距地裂縫20 m、上盤距地裂縫30 m范圍內(nèi)較大，此范圍以外曲線變形梯度迅速減小，差異沉降變形亦逐漸減小。隨著地裂縫垂直位錯量Sz的增大，地表沉降變形逐漸增大，曲線由平緩逐漸變得陡峭，表現(xiàn)出“牽引撓曲”的現(xiàn)象。

圖10 地表豎向位移曲線

依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB 50007—2011)，取各類建筑物的地基變形允許傾斜值最嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn) 2‰[12]，以控制安全避讓距離，即地裂縫上、下盤平均傾斜值超過 2‰的區(qū)域為地裂縫影響區(qū)范圍。地裂縫不同垂直位錯量Sz作用下地表(地基)平均傾斜值見表6。由表6可知，地裂縫上盤地表平均傾斜值明顯大于下盤。當(dāng)Sz=10 cm時，地表平均傾斜值大于2‰的區(qū)域為上、下盤分別距地裂縫12 m和9 m范圍內(nèi)；當(dāng)Sz=20 cm時，地表平均傾斜值大于2‰的區(qū)域為上、下盤分別距地裂縫21 m和9 m范圍內(nèi)；當(dāng)Sz=30 cm、40 cm和50 cm時，地表(地基)平均傾斜值大于 2‰的區(qū)域未見明顯的變化，均為上盤距離地裂縫21 m，下盤距離地裂縫12 m范圍內(nèi)。據(jù)此得出地裂縫上盤影響區(qū)寬度D1=21 m，下盤影響區(qū)寬度D2=12 m，地裂縫活動的影響區(qū)范圍為33 m，即D=D1+D2=33 m。由此可知，f5地裂縫主變形區(qū)上盤最小避讓距離為21 m，下盤最小避讓距離為12 m。

表6 地裂縫地表變形平均傾斜值(絕對值) ‰

5 云軌地裂縫的防治措施建議

(1)采取避讓或就輕原則，云軌線路選線上在保證造價合理的情況下，線路走向應(yīng)該盡量避讓地裂縫，選取走向平行通過地裂縫下盤(穩(wěn)定盤)以達(dá)到避讓目的或者近垂直地裂縫走向通過，減少地裂縫影響范圍。

(2)在地裂縫活動影響范圍內(nèi)，加強(qiáng)橋梁樁基礎(chǔ)設(shè)計，擬采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑、樁長比線路上其他部位適當(dāng)加大，同時加強(qiáng)樁、承臺和墩身的配筋。

(3)對簡支橋梁的跨長及結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，在簡支梁與墩臺連接部位設(shè)置可調(diào)支座。

(4)加強(qiáng)地裂縫活動性以及橋梁結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測。由于隱伏地裂縫活動很難預(yù)知，需要對隱伏地裂縫區(qū)域所涉及的地表、橋梁結(jié)構(gòu)、道床、軌道等實時監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時采取有效的工程措施，預(yù)防隱伏地裂縫活動對線路造成的損失。

6 結(jié)論

(1)通過進(jìn)行地裂縫專項勘察，查明了西安高新區(qū)云軌示范工程一期工程沿線隱伏地裂縫與擬建線路相交的具體位置、產(chǎn)狀、活動性。

(2)數(shù)值法確定地裂縫活動影響區(qū)范圍上盤21 m和下盤12 m，與規(guī)范法規(guī)定的一般地裂縫影響寬度為上盤 0～20 m、下盤0～12 m基本一致。

(3)線路應(yīng)該選擇最佳方式通過地裂縫，優(yōu)化橋梁以及樁基設(shè)計，同時加強(qiáng)地裂縫以及橋梁的變形監(jiān)測，以減輕隱伏地裂縫對西安云軌工程建設(shè)以及運營的影響。