西安跨地貌單元地裂縫場地工程勘察與設(shè)計

趙振財 高存喜 劉亮 唐競 寇楊軍 史禮文

(西北綜合勘察設(shè)計研究院，陜西西安 710003)

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，包括已出露地表的地裂縫和未在地表出露的隱伏地裂縫［2，11］。目前已發(fā)現(xiàn)14條，均分布在黃土梁南側(cè)、洼地北側(cè)，面積約150 km2，地裂縫出露總長度72 km，延伸長約103 km，單條地裂縫地表出露最長14.5 km，最短2 km［1］。地裂縫向東西兩側(cè)延伸，東過灞河，西過皂河［4］。西安地裂縫已成為城市建設(shè)的主要地質(zhì)災(zāi)害之一。

我們把跨兩個或兩個以上地貌單元的地裂縫場地稱為跨地貌單元地裂縫場地，該種地裂縫在勘察設(shè)計方面具有地層復(fù)雜、標(biāo)志層不統(tǒng)一、分析研究難度大等特點。

本文以西安某工程項目為例，通過收集擬建場地附近工程地質(zhì)、地裂縫研究資料，對場地及其附近進行詳細(xì)的地面調(diào)查，了解場地及其附近區(qū)域構(gòu)造、地貌形態(tài)、地裂縫地表活動現(xiàn)狀，進行系統(tǒng)的綜合分析。同時采用野外鉆探方法，查明三級階地上更新統(tǒng)紅褐色古土壤(二類標(biāo)志層)或二級階地中更新統(tǒng)河湖相堆積(三類標(biāo)志層)的厚層淺灰色粘性土、砂土和碎石土產(chǎn)狀、錯斷位置、斷距等，確定地裂縫的平面展布位置、活動性及勘探精度修正值Δk。評價地裂縫對場地穩(wěn)定性的影響，確定建筑物的合理避讓距離，為地裂縫場地的總體規(guī)劃和設(shè)計施工提供依據(jù)。并對該類地裂縫場地的勘察設(shè)計提出幾點具有借鑒意義的建議。

1 西安地裂縫特征與成因

1.1 西安地裂縫特征

地裂縫是指過量開采利用地下水或強烈地震時，因地下斷裂帶的錯動使地層發(fā)生位移或錯動，并在地面上形成開裂［3］。其主要特征如下:

1)在分布與活動方面，西安地裂縫表現(xiàn)為規(guī)模大，常呈帶狀分布，總體走向 NE ～NEE，近似平行于臨潼—長安斷裂［1，10］;傾向SE ～SSE，與臨潼—長安斷裂傾向相反［1］，彼此以 0.6 km ～1.5 km的間距近平行的展布于市區(qū)。它們大都沿著黃土梁的南側(cè)坡下展布。目前發(fā)現(xiàn)的地裂縫都是傾滑張破裂，裂縫南傾，傾角75°～85°［5］，主要表現(xiàn)為主地裂縫的南盤(上盤)下降，北盤(下盤)相對上升［11］。“活動”速率以5 mm/年 ～30 mm/年居多，最大者逾50 mm/年，標(biāo)志層(古土壤)被錯斷。其活動速率與抽取深層承壓水密切相關(guān)。西安市地裂縫剖面特征如圖1所示。

2)地層特征方面，在西安地裂縫場地的揭露地層中，第三系主要由河湖相沉積的泥巖和砂、礫巖組成。第四系以沖、洪積和風(fēng)積為主，巖性多為砂、礫石、粉質(zhì)粘土、粘土和黃土。在水平方向上，東南郊的粉質(zhì)粘土、黃土與黃土狀土層較厚，砂層較薄，而西北郊處砂層較厚。粘性土易失水壓密，對地裂縫和地面沉降有較大影響。風(fēng)成黃土大孔隙發(fā)育，具有較為強烈的濕陷性和自重濕陷性，加劇了地裂縫活動在地表的顯現(xiàn)［8］。

圖1 西安地區(qū)地裂縫剖面特征圖[6]

3)在水文地質(zhì)條件方面，目前西安地裂縫的研究資料說明，潛水的開采量較小，沒有改變其動態(tài)類型，不是產(chǎn)生西安地面沉降的主要原因。多年來承壓水的過量汲取，水位大幅度降低，使得含水系統(tǒng)釋水壓密，是產(chǎn)生西安地面沉降的主要原因［7］，也是西安地裂縫在地表顯露和“活動”強化的主要誘因，這在降落漏斗附近非常顯著。

1.2 西安地裂縫成因

首先，西安斷塊和驪山斷塊的掀斜是伸展作用和重力作用的結(jié)果［7］，NW向的伸展應(yīng)變是掀斜的基礎(chǔ)，重力是掀斜的條件，重力作用對非直立張性斷裂的作用能使斷塊發(fā)生有規(guī)律的掀斜。這就是臨潼—長安斷裂上盤發(fā)育一系列陡傾正斷層，即西安地裂縫產(chǎn)生的構(gòu)造原因［9］。

其次，過量開采深層承壓水，產(chǎn)生不均勻地面沉降的條件下，隱伏地裂縫會出現(xiàn)活動，在地表形成破裂［10］，是地裂縫在地面的反映。地裂縫大都發(fā)育在特定的構(gòu)造地貌部位，即黃土梁南側(cè)陡坡上，黃土梁間洼地的北側(cè)邊緣。

地裂縫的成因機制極其復(fù)雜，除了上述兩個重要因素外，其他諸如地貌界限、地層巖性條件(不均勻、濕陷等)、降雨及地表水入滲、建筑荷載及動荷載等也對地裂縫的活動顯現(xiàn)有一定影響作用［2-6］。

2 工程實例

本地裂縫場地位于西安市東郊紡織城堡子村盤道，根據(jù)《西安城市工程地質(zhì)圖集》、現(xiàn)場調(diào)查和鉆探結(jié)果，勘察場地東部處在浐河三級階地上，淺層普遍分布第四紀(jì)晚更新世棕紅～棕褐色古土壤，屬二類場地;場地西部處在浐河二級階地上，缺失二類標(biāo)志層(古土壤)，為三類場地。

2.1 地層巖性與水文地質(zhì)條件

本場地揭露的地層主要由第四紀(jì)全新世人工填土、沖洪積黃土狀土和沖積圓礫，第四紀(jì)晚更新世風(fēng)積黃土、殘積古土壤、沖積粉質(zhì)粘土和砂土、第四紀(jì)中更新世沖積粉質(zhì)粘土、砂土和碎石土組成。

各層地基土厚度及層底標(biāo)高如表1所示。

表1 場地地層厚度及層底標(biāo)高統(tǒng)計表 m

本場地地下水屬潛水類型，主要由大氣降水和地下徑流補給，以自然蒸發(fā)和地下徑流排泄為主?？辈炱陂g屬平水期，鉆孔測得穩(wěn)定水位埋深約為12.20 m～15.80 m，相應(yīng)標(biāo)高為398.10 m～403.40 m。

2.2 地裂縫場地的工程勘察

為查明地裂縫經(jīng)過本場地的確切位置，本次勘察采用工程地質(zhì)資料收集、地面調(diào)查和鉆探相結(jié)合的勘察方法。

外業(yè)勘察沿垂直于地裂縫的可能展布方向上共布置勘探剖面9條，其中場地東部(二類場地)布置勘探剖面5條，勘探線間距為 14.0 m ～29.0 m，勘探點間距為3.99 m ～28.77 m，勘探點深度為15.0 m～60.0 m;場地西部(三類場地)布置勘探剖面4條，勘探線間距為59.0 m ～62.0 m，勘探點間距為4.62 m ～40.37 m，勘探點深度為15.0 m ～74.0 m。

本地裂縫場地的二類標(biāo)志層判斷地裂縫錯斷位置的工程地質(zhì)剖面圖如圖2所示。從圖2可以看出，⑤古土壤層明顯被地裂縫錯斷，具有南側(cè)⑤古土壤層下降，厚度增大，北側(cè)相對上升的特征，是判定地裂縫的二類標(biāo)志地層。

圖2 二類標(biāo)志層（⑤古土壤）判別地裂縫剖面圖

圖3和圖4為三類標(biāo)志層判別地裂縫錯段位置的工程地質(zhì)剖面圖。本場地西側(cè)的三類場地(浐河二級階地)缺失二類標(biāo)志層，判別地裂縫錯段位置的標(biāo)志層選取中更新世河湖相堆積的厚層淺灰色粘性土和砂土(三類標(biāo)志地層)，由圖3和圖4可見，③圓礫層和⑧粗砂層分布不連續(xù)，明顯被地裂縫錯斷，具有南側(cè)下降，北側(cè)相對上升特征，是判定地裂縫的三類標(biāo)志地層之一。

圖3 三類標(biāo)志層（③圓礫）判別地裂縫剖面圖

圖4 三類標(biāo)志層（⑧粗砂）判別地裂縫剖面圖

根據(jù)鉆探結(jié)果，本場地附近的地裂縫總體走向約為NE11°～NE35°，場地東部(三級階地)的二類標(biāo)志地層⑤古土壤、西部(二級階地)的三類標(biāo)志地層③圓礫、⑧粗砂和⑩圓礫分布不連續(xù)，明顯被地裂縫錯斷，地裂縫南側(cè)(上盤)下降，北側(cè)(下盤)相對上升，二類標(biāo)志層⑤古土壤的垂直斷距約為1.85 m～3.47 m，三類標(biāo)志層③圓礫、⑧粗砂和⑩圓礫的垂直斷距大于12 m。破裂面南傾。樁基設(shè)計時地裂縫傾角可按80°考慮。

地裂縫兩側(cè)二類標(biāo)志地層⑤古土壤、三類標(biāo)志地層③圓礫、⑧粗砂和⑩圓礫厚度、層底標(biāo)高和高差詳見表2。

表2 地裂縫兩側(cè)標(biāo)志地層分布特征一覽表

為便于設(shè)計，根據(jù)本次勘察揭露的二類標(biāo)志地層⑤古土壤、三類標(biāo)志層③圓礫和⑧粗砂錯斷位置，結(jié)合西安地裂縫空間展布特征，自上述標(biāo)志地層底部按80°傾角推算至地面的控制點坐標(biāo)詳見表3。

2.3 地裂縫場地的工程設(shè)計

表3 地裂縫地面控制點坐標(biāo)一覽表

據(jù)西安地裂縫場地多年的勘察設(shè)計經(jīng)驗，地裂縫場地中的建(構(gòu))筑物在設(shè)計時宜采取以合理避讓為主、結(jié)構(gòu)措施為輔的綜合規(guī)劃設(shè)計思路，這是防止地裂縫危害既經(jīng)濟又有效的方法。

本次勘察結(jié)果顯示，地裂縫對擬建橋梁的影響范圍如圖5所示。由圖5可見，擬建橋梁處在西安地裂縫上盤的主變形區(qū)之外，可按一般場地進行設(shè)計，不考慮地裂縫的影響。

圖5 地裂縫對擬建橋梁影響范圍示意圖

地裂縫對擬建廣場的影響范圍如圖6所示。擬建廣場北部跨地裂縫，設(shè)計時，應(yīng)合理調(diào)整總平面圖規(guī)劃布局，并采取適宜的結(jié)構(gòu)措施，以增強其整體剛度與強度，體型力求簡單。

圖6 地裂縫對擬建廣場影響范圍示意圖

擬建廣場基礎(chǔ)底面外緣(采用樁基時則為樁端外緣)至地裂縫的最小避讓距離應(yīng)符合相關(guān)規(guī)程規(guī)定，即對于地裂縫南盤(上盤)布置的三類建筑，最小避讓距離為6.0 m，北盤(下盤)為4.0 m［6］。必要時可通過召開專門會議，研究確定擬建建(構(gòu))筑物與地裂縫的合理距離。

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié)論

1)本場地地裂縫橫跨浐河二級階地和三級階地，從擬建場地北側(cè)附近隱伏經(jīng)過，其歷史活動性相對較強。隨著經(jīng)濟活動的發(fā)展很可能會重新活動。

2)本場地附近的地裂縫總體走向約為NE11°～NE35°，南盤(上盤)下降，北盤(下盤)相對上升，二類標(biāo)志地層⑤古土壤的層底垂直斷距約為1.85 m～3.47 m，三類標(biāo)志地層⑦粉質(zhì)粘土、⑧粗砂、⑨粉質(zhì)粘土和⑩圓礫的層底垂直斷距一般大于12 m，破裂面南傾。樁基設(shè)計時地裂縫傾角可按80°考慮。

3)西安地裂縫的地面控制點坐標(biāo)可按文中表3使用。

4)擬建橋梁處在西安地裂縫上盤的主變形區(qū)之外，可按一般場地進行設(shè)計。擬建廣場北部跨地裂縫，且處在地貌單元分界線上，應(yīng)合理調(diào)整總平面圖規(guī)劃布局，并應(yīng)采取結(jié)構(gòu)措施，且應(yīng)加強監(jiān)測。必要時可通過召開專門會議，研究確定合理避讓距離。

3.2 建議

1)對跨地貌單元地裂縫場地的勘察，首先應(yīng)通過資料收集分析，合理地對地貌界線做出初步判別后，有針對性的布置勘察方案，并在地貌界線處做重點勘察。2)地裂縫勘察時，要加強地層的野外鑒別，為分析地裂縫的錯段位置掌握好第一手資料。3)對于場地施工條件限制的影響，應(yīng)在后期補充勘察，準(zhǔn)確分析確定地裂縫的地面控制點坐標(biāo)。4)由于西安地裂縫場地大多處在城區(qū)及市郊，勘察設(shè)計工作前期應(yīng)和地下管線設(shè)施的相關(guān)管理部門做好溝通工作，充分考慮地裂縫活動對路面、地下管線設(shè)施(如天然氣管道、光纜、電纜等)造成的突然性破壞，且須有相對的應(yīng)急預(yù)案。

［1］李新生，王萬平，王 靜，等.西安地裂縫兩盤地層巖土物理力學(xué)性質(zhì)研究［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2008(2):73.

［2］石玉玲，門玉明，彭建兵，等.西安市地裂縫對長安路立交橋致災(zāi)機理調(diào)查研究［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2009(5):25-27.

［3］聶智亞.西安市地裂縫災(zāi)害的勘察統(tǒng)計分析與防治［J］.工程技術(shù)，2011(1):55-56.

［4］梁永恒，邵生俊，王桃桃.西安地裂縫活動現(xiàn)狀及地鐵隧道建設(shè)應(yīng)對措施［J］.巖土力學(xué)，2009(3):48-49.

［5］姜規(guī)模，吳群昌，李安定.西安市長安地裂縫場地勘察與工程設(shè)計探討［J］.礦產(chǎn)勘察，2012(9):81-82.

［6］DBJ 61-6-2006，西安地裂縫場地勘察與工程設(shè)計規(guī)程［S］.

［7］朱立峰，李益朝，劉 芳，等.西安地裂縫活動特征及勘察思路探討［J］.西北地質(zhì)，2005(5):11-13.

［8］長安大學(xué)工程設(shè)計研究院.西安市地鐵一號線工可階段f6地裂縫勘察報告［R］.西安:長安大學(xué)工程設(shè)計研究院，2008.

［9］王景明.地裂縫及其災(zāi)害的理論與應(yīng)用［M］.西安:陜西科技出版社，2000.

［10］易學(xué)發(fā)，蘇 剛，王衛(wèi)東.西安地裂縫帶的基本特征與形成機制［J］.地震地質(zhì)，1997(7):64-66.

［11］張家明.西安地裂縫研究［M］.西安:西北大學(xué)出版社，1990.