渭北盆緣地裂縫對銀西鐵路的影響及工程對策探討

夏萬云

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

渭北盆緣地裂縫對銀西鐵路的影響及工程對策探討

夏萬云

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

摘要：渭北盆緣是陜西省除西安市外的第二大地裂縫密集區(qū)，地裂縫廣泛分布，地裂縫災(zāi)害較為嚴(yán)重。新建銀西鐵路穿越該地裂縫地區(qū)，對線路通過的渭北盆緣地裂縫發(fā)育特征及成因機(jī)理進(jìn)行了分析研究，總結(jié)得出該區(qū)地裂縫分布密集且其活動(dòng)具有垂直差異性、水平張裂性、強(qiáng)度南北差異性等特征，對不同成因的地裂縫進(jìn)行分類分析并提出合理的繞避與防治措施，為鐵路的建設(shè)及防治工程提供了更詳盡的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：銀西鐵路；地裂縫；發(fā)育特征；成因機(jī)理；工程對策

1概述

陜西省作為華夏文明的發(fā)祥地之一，在數(shù)千年的歷史發(fā)展長河中，從西漢起，就成為中國與世界各國進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、文化交流的中心。緊隨西部大開發(fā)步伐，陜西省經(jīng)濟(jì)、建設(shè)步入了高速發(fā)展階段，但一系列危害工程建設(shè)和人居安全的地質(zhì)災(zāi)害問題也越發(fā)明顯，最顯著的地質(zhì)災(zāi)害便是地裂縫[1]。

新建銀西鐵路所經(jīng)三原、涇陽地區(qū)是屬渭北盆緣，地裂縫分布十分密集的地帶，該區(qū)地裂縫形態(tài)多樣，成因復(fù)雜，目前地裂縫活動(dòng)仍在繼續(xù)，且部分地裂縫有加劇的趨勢，這給鐵路的建設(shè)及建成后的安全運(yùn)營留下了安全隱患。地裂縫場地修建鐵路勢必產(chǎn)生諸多工程難題[2]，因此，查明地裂縫的分布規(guī)律、分析其成因機(jī)制、把握其活動(dòng)特性、尋找其防治對策顯得尤為重要，不僅對銀西鐵路的建設(shè)非常有必要，同時(shí)為今后相關(guān)鐵路規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)提供借鑒。

2區(qū)域地質(zhì)背景

2.1斷陷盆地的形成

渭北盆緣位于渭河盆地與鄂爾多斯臺(tái)緣褶皺帶的接觸部位，為渭河斷陷盆地之中的乾禮凸起。該盆地北接鄂爾多斯臺(tái)地，南臨秦嶺褶皺帶，東緣為山西隆起帶，西端與鄂爾多斯西南邊界弧形斷裂束相接，是亞洲大陸新生代典型的斷陷構(gòu)造盆地，作為中國大陸典型的新生代斷陷盆地，地殼活動(dòng)非常強(qiáng)烈[3]。隨著印度板塊持續(xù)向歐亞板塊的推擠，甘青塊體持續(xù)隆升并向渭河地區(qū)推移，造成本區(qū)區(qū)域上的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)十分強(qiáng)烈且復(fù)雜，主要表現(xiàn)為鄂爾多斯臺(tái)地隆起、秦嶺上帝強(qiáng)烈隆升運(yùn)動(dòng)，以及渭河盆地強(qiáng)烈沉陷運(yùn)動(dòng)[4]。

渭河盆地北緣構(gòu)造結(jié)構(gòu)復(fù)雜，經(jīng)歷了多期次的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，自白堊紀(jì)末，始新世初的喜山運(yùn)動(dòng)，在上地幔隆起和地殼的水平延伸背景下，先存的斷裂系由逆沖轉(zhuǎn)為反向傾滑，成為鏟式伸展斷裂，主伸展斷裂的伸展滑脫作用導(dǎo)致了巖石圈的順層開裂，進(jìn)而引起上地殼沿著主伸展斷裂的滑脫而拉伸、下陷，并接受第三紀(jì)、第四紀(jì)沉積，形成了渭河斷陷盆地。該盆地內(nèi)普遍發(fā)育了巨厚的黃土堆積地層，基底斷裂構(gòu)造較發(fā)育，其特點(diǎn)多為北升南降，呈高角度階梯式不對稱的塊狀斷裂。

2.2斷陷盆地基底構(gòu)造

渭河斷陷盆地為一近期仍在發(fā)展的斷陷盆地，巖石圈出現(xiàn)破壞—搬運(yùn)—堆積，在盆地內(nèi)形成厚達(dá)千米至數(shù)千米的新生代覆蓋層，覆蓋層中的變形破裂跡象明顯的受深部斷裂構(gòu)造影響，這種不同構(gòu)造單元鑲嵌的交接帶，構(gòu)成了一副強(qiáng)烈分異的破裂格局，為后期盆地的形成和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。新建銀西鐵路主要位于渭河斷裂以北，長安-臨潼斷裂以西，主要位于高陵斷陷、涇陽次斷階、興平-牛家村次斷階上，斷塊之間的斷層持續(xù)活動(dòng)，牽動(dòng)上盤土體開裂變形，從而為地裂縫的形成提供了構(gòu)造條件。

2.3主要斷裂及其活動(dòng)性

地裂縫的形成與斷裂構(gòu)造(圖1)活動(dòng)密切相關(guān)，隨著印度板塊向歐亞板塊的推擠，造成了西安地區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)十分強(qiáng)烈和復(fù)雜，主要表現(xiàn)為鄂爾多斯臺(tái)地面狀隆起，秦嶺山地強(qiáng)烈隆升以及渭河盆地強(qiáng)烈沉陷，該區(qū)斷裂活動(dòng)性，表明渭河盆地邊緣斷裂以正斷層為主。

圖1　渭北盆地?cái)嗔褬?gòu)造

新建銀西鐵路西安樞紐貨車第二雙線主要走行于渭河盆地北部邊緣以南的沖洪積平原和黃土臺(tái)塬上，該區(qū)發(fā)育多條斷裂帶，斷裂帶發(fā)育特征詳見表1。

表1　斷裂帶發(fā)育特征

3渭北盆緣地裂縫分布及特征

3.1地裂縫分布

渭北盆緣構(gòu)造結(jié)局復(fù)雜，地裂縫廣泛分布，自20世紀(jì)60年代出現(xiàn)地裂縫活動(dòng)以來，地裂縫災(zāi)害日趨嚴(yán)重，其活動(dòng)存在不定期性[5]，已成為了危害鐵路工程建設(shè)的主要地質(zhì)災(zāi)害之一。新建銀西鐵路西安樞紐貨運(yùn)第二雙線途經(jīng)涇陽、三原縣，沿線地裂縫廣泛分布，尤其在北山山前地裂縫非常發(fā)育，對鐵路規(guī)劃影響很大。該區(qū)地裂縫主要集中在涇河以東、關(guān)中環(huán)線以北，口鎮(zhèn)—關(guān)山斷裂以南的三角區(qū)域內(nèi)，且主要分布在口鎮(zhèn)—關(guān)山斷裂四周，與斷層的走向有著很好的一致性和密切關(guān)系，是陜西省除西安市區(qū)外的第二大地裂縫密集區(qū)。

3.2地裂縫基本特征

渭北盆緣地裂縫從成因上可分為構(gòu)造地裂縫與非構(gòu)造地裂縫，且以構(gòu)造地裂縫為主，地裂縫與斷層、節(jié)理、構(gòu)造應(yīng)力場、地震等構(gòu)造作用密切相關(guān)，在空間展布、發(fā)生時(shí)期、活動(dòng)特征上具有一定規(guī)律，其主要特征主要表現(xiàn)為該區(qū)地裂縫存在水平張裂性和垂直差異性。

3.2.1構(gòu)造性

地裂縫的構(gòu)造性主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面，一是渭北盆地邊緣地裂縫的延伸方向大多呈現(xiàn)近東西向，與口鎮(zhèn)—關(guān)山斷裂帶走向基本一致；二是渭北盆地邊緣地裂縫主要沿口鎮(zhèn)—關(guān)山斷裂帶附近分布。

3.2.2垂直差異性

渭北盆緣地裂縫一般做正斷層式的活動(dòng)，其上盤總是相對于下盤向下運(yùn)動(dòng)，其垂直差異性主要表現(xiàn)為地裂縫的主變形區(qū)和微變形區(qū)的寬度及影響范圍隨著地層埋深的增加而減小[6]。

3.2.3水平張裂性

地裂縫的水平張裂運(yùn)動(dòng)速率一般較垂直差異運(yùn)動(dòng)小，根據(jù)野外調(diào)查及淺表探槽顯示，地裂縫的水平張開量隨著地層埋深而減小，說明隨著地層埋深的增加，地裂縫水平張裂逐漸較小直至趨于零。

3.2.4活動(dòng)強(qiáng)度

地裂縫的活動(dòng)性具有強(qiáng)弱之分，其活動(dòng)強(qiáng)度具體表現(xiàn)為其南北差異，越靠近盆地北部邊緣，越接近口鎮(zhèn)—關(guān)山斷裂帶其活動(dòng)性越強(qiáng)，約往南遠(yuǎn)離口鎮(zhèn)—關(guān)山斷裂帶，其活動(dòng)性越弱。

4銀西鐵路沿線典型地裂縫

4.1涇陽縣口鎮(zhèn)地震臺(tái)地裂縫

涇陽縣口鎮(zhèn)地震臺(tái)地裂縫發(fā)育于嵯峨山與山前洪積扇的交接地帶，地勢上整體呈北高南低，該地裂縫位于口鎮(zhèn)—關(guān)山斷裂帶上，屬構(gòu)造地裂縫，該地裂縫約出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，地裂縫總體走向?yàn)镋W向，與口鎮(zhèn)—關(guān)山斷裂帶走向一致[7]。為進(jìn)一步查明地裂縫情況，垂直該地裂縫布置一探槽，由探槽剖面圖(圖2)可以看出，裂縫近似直立或向北傾斜，即傾斜于口鎮(zhèn)—關(guān)山斷裂方向，與斷裂的剖面組合呈“y”形，傾角約80°，發(fā)育帶最多張開寬度約100 cm，可見深度約5 m，總長度約180 m，為中型裂縫，呈折線型斷續(xù)分布，大部分以串珠狀陷穴形式出現(xiàn)，個(gè)別地方裂縫沿走向方向連續(xù)(圖3，裂縫明顯，張開量較大，無充填)。

圖2　涇陽縣口鎮(zhèn)地震臺(tái)地裂縫探槽東側(cè)剖面

圖3　口鎮(zhèn)地震臺(tái)地裂縫地表開裂實(shí)景

圖4　涇陽縣蔣路鄉(xiāng)蒙溝村張家組地裂縫探槽剖面

4.2涇陽縣蔣路鄉(xiāng)蒙溝村張家組地裂縫

涇陽縣蔣路鄉(xiāng)蒙溝村張家組地裂縫發(fā)育于嵯峨山山前臺(tái)塬地帶，起始于蒙溝村張家組溝谷處，地勢上整體呈北高南低，屬構(gòu)造地裂縫，該地裂縫出現(xiàn)于1986年，地裂縫總體走向?yàn)镹EE～NWW，為進(jìn)一步查明地裂縫情況，垂直該地裂縫布置一探槽，開挖的探槽長約20 m，寬約8 m，深約11 m。從探槽剖面(圖4)可以看出，該處地裂縫傾角多較陡，大多數(shù)近似直立且均向北傾，傾角60°～90°，傾向于口鎮(zhèn)—關(guān)山斷裂方向，與口鎮(zhèn)—關(guān)山斷裂剖面組合呈“y”形，地表開裂最寬處達(dá)50～60 cm，可見深度5～6 m，總長度約800 m。該地裂縫呈折線型斷續(xù)分布，大部分以一系列串珠狀陷穴形式出現(xiàn)，部分地帶以裂溝式裂縫發(fā)育，主裂縫造成窯洞開裂，該裂縫窯洞其上部1 m左右的磚瓦錯(cuò)斷塌陷，墻壁表層約15 cm已經(jīng)脫落(圖5)。

圖5　張家組地裂縫造成地窯開裂

4.3涇陽縣蔣路鄉(xiāng)山莊村西北組地裂縫

涇陽縣蔣路鄉(xiāng)山莊村西北組地裂縫發(fā)育于山前洪積扇，地勢上整體呈北高南低，屬非構(gòu)造地裂縫，該地裂縫出現(xiàn)于1996年，地裂縫總體走向?yàn)镹60°E，傾角近直立，地表開裂寬度約130 cm，往深處逐漸縮小，至10 m深度時(shí)裂縫寬度約18 cm，裂縫呈線性斷續(xù)分布，以串珠狀陷穴的形式出現(xiàn)，總長度約150 m(圖6)。

圖6　蔣路鄉(xiāng)山莊村地裂縫

5渭北盆緣地裂縫成因機(jī)理分析

5.1構(gòu)造應(yīng)力

研究表明，該區(qū)地裂縫類型眾多，成因復(fù)雜，但大型地裂縫多是在構(gòu)造及地下水開采等多因素共同作用下形成的[4]，并且構(gòu)造作用往往是導(dǎo)致地裂縫形成的直接控制因素。涇陽地區(qū)最大水平主應(yīng)力方向約N70°E，最小水平應(yīng)力方向約N20°W，而該區(qū)地裂縫走向整體以NE、NW為主，實(shí)際上是繼承了黃土中的一對共軛剪節(jié)理，反映了該類地裂縫與地應(yīng)力之間的緊密聯(lián)系，地裂縫的這一共軛關(guān)系也正好說明渭河盆地地應(yīng)力特征，即北東-南西擠壓，而北西-南東引張，在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的作用下，黃土初始破裂形成節(jié)理，當(dāng)?shù)乇硭霛B時(shí)，節(jié)理周邊黃土強(qiáng)度降低，節(jié)理進(jìn)一步開裂擴(kuò)展，通達(dá)地表形成寬大的地裂縫。由此表明盆地北部邊緣區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)力為地裂縫的形成提供了充足的動(dòng)力。

5.2地震作用

渭北盆地位于渭河盆地與鄂爾多斯臺(tái)塬褶皺帶的接觸部位，其構(gòu)造歷史背景復(fù)雜，位于華北地震區(qū)汾渭地塹系地震帶，地震活動(dòng)強(qiáng)度大，頻率高，現(xiàn)代地震活躍。在1978年4月、8月和10月口鎮(zhèn)—關(guān)山斷裂帶上盤發(fā)生群震3次，共有小震37次，最大地震Ms=2.2級，震源深度5 km，在地震后有新的地裂縫出現(xiàn)，且地裂縫延展方向與口鎮(zhèn)—關(guān)山斷裂帶延展方向一致，表明地裂縫的發(fā)展與地震活動(dòng)密切相關(guān)。

5.3地層結(jié)構(gòu)

渭北盆緣地裂縫集中區(qū)主要位于汾渭斷陷，新生代以來沉積厚度大于7 000 m，第四系以來主要接受渭河河流沖積堆積，地表主要為河流沖積黃土或黃土狀土，具有低塑性、大孔隙、垂直節(jié)理發(fā)育等物理力學(xué)性質(zhì)且由于黃土具有獨(dú)特的水敏性(濕陷性)特征。地表水沿孔隙、裂縫進(jìn)入土體后，主要沿垂直方向滲透，直至遇見隔水層，使得上部黃土層的大量親水礦物溶解，土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞而發(fā)生濕陷下沉，進(jìn)而引起上部土層開裂，從而形成地裂縫。

5.4水的誘發(fā)與加劇作用

水作用是引起地裂縫活動(dòng)的主要誘發(fā)原因[8]，水文條件的變化引起土體的物理、化學(xué)及力學(xué)性質(zhì)的變化，從而改變土體的應(yīng)力場和變形場，當(dāng)應(yīng)力超過土體的極限強(qiáng)度時(shí)，土體發(fā)生破壞，產(chǎn)生裂縫，裂縫發(fā)展貫通到地表進(jìn)而形成地裂縫，據(jù)統(tǒng)計(jì)，涇陽地裂縫70%左右是在農(nóng)田灌溉中出現(xiàn)的，20%在暴雨時(shí)出現(xiàn)。地表水沿地裂縫帶的入滲，可能形成塌陷和陷穴[9]，會(huì)進(jìn)一步加劇地裂縫的發(fā)展。因此，說明水的作用在誘發(fā)與加劇地裂縫活動(dòng)中起著重要的作用。

6鐵路工程繞避處理措施

由于地裂縫活動(dòng)會(huì)引起地裂縫帶和影響帶范圍內(nèi)工程結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力集中，受工程結(jié)構(gòu)剛度的影響，地裂縫對工程結(jié)構(gòu)的影響范圍可能更大，為保證工程結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定，應(yīng)在地裂縫影響帶范圍之外的更大區(qū)域采取相應(yīng)的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施進(jìn)行設(shè)防，設(shè)防寬度根據(jù)地裂縫的分級和地裂縫影響帶寬度確定[10]。

對于由活動(dòng)斷裂帶引起的地裂縫密集區(qū)，由于地裂縫分布于活動(dòng)斷裂帶附近且活動(dòng)性強(qiáng)烈，且有繼續(xù)發(fā)展的趨勢，鐵路工程應(yīng)優(yōu)先選擇繞避，其繞避距離以活動(dòng)斷裂帶的避讓距離為準(zhǔn)；對于單獨(dú)的活動(dòng)性強(qiáng)烈的地裂縫可采用簡支橋梁，其兩端應(yīng)設(shè)置可調(diào)支座，預(yù)留變形量；橋梁墩臺(tái)位置應(yīng)避開地裂縫的主帶，在影響帶內(nèi)設(shè)置墩臺(tái)時(shí)，根據(jù)地裂縫的影響深度，應(yīng)采用加寬墩臺(tái)基礎(chǔ)，加密、加長樁基；對于活動(dòng)性較小的地裂縫，建議采用道砟路基，并在跨地裂縫地段對道床加厚加寬處理。

7結(jié)論

地裂縫的破壞是個(gè)緩慢而長期的過程，查明渭北盆緣地裂縫的分布規(guī)律、分析其成因機(jī)制、把握其活動(dòng)特性、尋找其防治對策對銀西鐵路的建設(shè)具有舉足輕重的作用。本文分析總結(jié)出渭北盆緣地裂縫具有與活動(dòng)斷裂走向的一致性且沿活動(dòng)斷裂帶兩側(cè)分布等特點(diǎn)，其成因?yàn)闃?gòu)造應(yīng)力、地震作用、黃土結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及地下水共同作用的結(jié)果，更好地總結(jié)和認(rèn)識(shí)盆緣地裂縫的展布特點(diǎn)與發(fā)展規(guī)律，為銀西鐵路的建設(shè)及防治工程提供了更詳盡的理論依據(jù)。

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Approach to the effects of Weibei Basin Margin Ground Fissure on Yinxi Railway and Engineering Countermeasures

XIA Wan-yun

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

Abstract：Weibei basin margin is the second largest fissure-concentrated region in shaanxi province next to Xi’an with widely distributed fissures and harmful effects. The newly built railway of Xi’an to Yinchuan passes through the resign. The analysis and study of the development characteristics and genetic mechanism of the region conclude that the ground fissures are densely distributed and their movements are of vertical difference， horizontal tension break with striking difference in strength between north and south. The ground fissures with different causes are classified and analyzed， and reasonable bypassing and preventive measures are proposed， which may serve for future construction and prevention of such railway projects.

Key words：Yinchuan-Xi’an Railway; Ground fissures; Development characteristics; Genetic mechanism; Engineering countermeasure

中圖分類號：U212.22

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.06.006

文章編號：1004-2954(2015)06-0023-04

作者簡介：夏萬云(1981—)，男，工程師，2005年畢業(yè)于成都理工大學(xué)勘察技術(shù)與工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：113497464@qq.com。

基金項(xiàng)目：鐵一院“渭河盆地北部邊緣斷裂及地裂縫專題研究”項(xiàng)目基金(院地勘合作協(xié)議2013第01號)

收稿日期：2014-09-18； 修回日期：2014-09-28