北京市平原區地裂縫對鐵路工程影響分析

劉　威　闞京梁

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司， 天津　300251)

1　概述

地裂縫是一種十分隱蔽的地質災害類型。巖土體在內外力作用下發生變形，當力的作用與積累超過巖土層內部的結合力時，巖土層發生破裂，其連續性遭到破壞，形成裂隙。多數情況下，深部地層因圍壓作用，多呈閉合狀態；而淺部地層因圍壓作用力減少，又具一定的自由空間，裂隙一般較寬，表現為地裂縫。地裂縫具有較大的隱蔽性，所造成的危害及隱患更加嚴重。

某擬建鐵路起于北京市的東北部平原區，經懷柔向東進入密云與平谷交界的低山區，接河北省的興隆縣中低山區，全長105.8 km。線路通過的北京市朝陽區、順義區，第四系沖洪積平原地裂縫災害比較嚴重。在大量現場調查的基礎上，結合鉆探、槽探、綜合物理勘探、化學勘探等綜合地質勘探，對擬建工程穿越的平原區地裂縫特征及其工程影響進行了初步的分析，為擬建鐵路建設方案提出相應了工程措施及建議。

2　北京市平原區地裂縫分布及特征

北京地區地裂縫古已有之，并且常在地震時，與砂土液化伴生出現。近年來，隨著經濟建設的迅速發展，人們對地下水等資源的需求和開采日益增長，這在很大程度上加劇了地裂縫災害的發展。

近年來，北京市平原區發生地裂縫的位置相對集中在順義區及朝陽區與順義區交界位置。賈三滿[1-2]、羅勇[3]、趙忠海[4]、楊濤[5]等人進行了詳細的調查研究，總結北京平原區主要地裂縫有：高麗營地裂縫、羊坊地裂縫、廟卷地裂縫、北小營地裂縫、北彩地裂縫、順義地裂縫、北甸地裂縫和孫河地裂縫。其中，廟卷地裂縫、北甸地裂縫和孫河地裂縫與本次工程關系密切，見圖1。

圖1　近年平原區地裂縫發育分布

北京市平原區主要地裂縫的特征表現在以下幾個方面：

①地裂縫均發生在斷裂發育的位置，地裂縫走向與斷裂的走向基本一致。

②地裂縫發生位置多集中于北京平原區沉降漏斗及其邊緣，或地面沉降過渡帶附近。

③地裂縫多呈帶狀，斷續延伸，長度1.0～2.5 km不等，分布寬度較大，表現為張裂縫，裂縫一般40～50 mm，最大可達500 mm，裂縫主要發育在地表30 m范圍內。

④地裂縫帶兩側大都發生相對的垂直位移，地表發生明顯的差異性沉降。表現為地裂縫帶范圍內的建筑物開裂及錯動跡象，地裂縫兩側出現差異沉降，局部出現塌陷洞等，如圖2、圖3。

圖2　3號探槽房屋開裂與地層錯動位置關系照片

⑤地裂縫帶在地表的破壞及發展情況具有一定的周期性。

⑥地裂縫帶分布區附近過量開采地下水。

3　擬建鐵路沿線地裂縫分布及特征

野外調查發現，擬建鐵路線路兩側建筑物裂縫和地表裂縫105處。分析裂縫破壞的方向性、連續性和強度等特征，結合斷裂構造位置和地面沉降區的位置，綜合考慮地裂縫的歷史發展情況，根據地裂縫的定義和特征，確定屬于地裂縫導致的破壞為41處，主要位于順義區廟卷、朝陽區北甸和孫河，將擬建鐵路沿線的地裂縫分別定名為廟卷地裂縫、北甸地裂縫和孫河地裂縫。其余64處雖然出現裂縫破壞，但多為零星分布，相互之間不連續，無方向性，裂縫強度也相對較弱，地裂縫特征不明顯。

圖3　3號探槽揭示地層錯動與墻體開裂對照

在野外調查的基礎上，對影響工程的三處地裂縫進行了鉆探、槽探、綜合物理勘探、化學勘探等，取得了一定的成果?，F結合前人資料、野外調查及綜合地質勘探資料，將以上三處地裂縫特征分述如下。

3.1　廟卷地裂縫

廟卷地裂縫長2 km；地面開口西寬東窄，寬度為20～1 000 mm；垂直錯動距離在3 m深的地層范圍內達到300 mm；主變形帶位寬度為50 m，影響帶寬度為246 m，平面位置及走向與張喜莊斷裂相近，在垂向上，表現為地表產生裂縫和地面上建筑物的破壞，地裂縫的開裂深度主要發生于10 m以上地層，工作中沒有發現明顯的裂縫扭動變形。

3.2　北甸地裂縫

北甸地裂縫走向北西，長500～800 m，裂縫寬度10～20 mm，主變形帶寬度40 m；影響帶寬度476 m。地裂縫的開裂深度主要發生于10 m以上地層，在地表表現為建筑物的破壞；在淺部地層為氡氣、地質雷達和淺層地震揭示的帶狀異常；在深部為可控源音頻大地電磁測深法揭示基巖斷裂和第四紀地層錯動。整個異常帶和地層錯動以及基巖斷裂連續穩定，從地表以下向北傾。

3.3　孫河地裂縫

孫河地裂縫走向北東，長約2 km，主變形帶寬度40 m；影響帶寬度483 m。裂縫長約2 km，寬10～50 mm，開裂深度主要發生于10 m以上地層。本段裂縫在地表表現為建筑物的破壞，淺部地層為氡氣和淺層地震揭示的帶狀異常，在深部，可控源音頻大地電磁測深法揭示基巖斷裂和第四系地層錯動。

4　地裂縫危害及防治措施

4.1　對擬建工程的危害分析

地裂縫對鐵路工程的危害主要體現為其對橋梁、路基和隧道工程的破壞。

(1)橋梁工程

地裂縫穿過橋體時，并不是沿著原有方向使橋體發生破壞，而是在橋體相對薄弱的部位找到突破，通過橋體以后，裂縫又沿著原有方向繼續延伸，一般導致橋梁垂直錯動，造成一定的高差，或是使得橋欄發生水平錯動[6]。

(2)路基工程

在路基工程上，裂縫一般都是沿著原有方向通過，并在路基上形成裂縫，嚴重時形成高低不平的臺階狀陡坎，對于高速運行的車輛存在著極大的安全隱患。

地裂縫主要由構造控制，局部改變不會導致地裂縫發育方向的改變，但是在局部強度和剛度比較大的情況下可以局部改變其發展方向。這也是路基工程上的破壞往往是沿著地裂縫發育方向破壞，而橋體的破壞往往發生在強度和剛度薄弱部分的原因。

4.2　工程措施建議

地裂縫災害的防治原則應符合地質災害減緩與防御兩條原則。參考國內外對地裂縫進行防治的先進經驗，結合項目實際情況，建議采取以下防治措施。

(1)避讓措施

對地裂縫實行避讓是保證工程安全的普遍性原則。若線路無法避讓，基礎應避開地裂縫通過位置和主變形帶，盡量避開地裂縫影響帶。

(2)合理選擇工程類型

無法避讓時，應合理選擇工程類型，優先采用變形適應能力強的工程類型，在地裂縫發育最窄的地帶，以大角度方式通過。以橋梁通過地裂縫時，宜采用大孔跨跨過地裂縫的變形帶，將橋梁墩臺基礎置于安全距離以外的相對穩定位置。

根據本工程實際情況，建議采用路基方式通過地裂縫及其影響帶，軌道形式選用有砟軌道。

(3)采取一定的工程措施

參考國內外地面沉降及地裂縫減災的相關經驗，結合項目實際情況，從地基、基礎、材料和結構等多個方面采取相應的減災措施。如預留變形量、加強結構剛度、采用可調高支座和可調扣件等。

(4)加強沿線地下水開采管理與控制

建議地下水管理部門采取一定的地下水開采限制措施，沿線一定區域內禁止新增開采井，控制沿線一定范圍內地下水過量開采，防止地下水水位大幅下降，并盡量恢復地下水天然水位，減緩地面沉降。

(5)開展針對軌道工程的地面沉降和地裂縫的變形監測

在地裂縫危險性大區開展針對軌道工程的地面沉降和地裂縫專門變形監測，實時監測橋墩變形和軌道變形情況，密切關注鐵路工程的不均勻變形、縱橫向軌道平整度、變形等指標，并制定相關的預警處理方案，及時采取有效的處理措施。

5　結束語

地裂縫對線性工程尤其是高速運行軌道工程的影響較為復雜，其破壞形式和機理是工程設計和建設中重要的依據。由于地裂縫形成機理不同，其運動特征不同，對線性工程破壞的機理和強度也不同，因此需要采用相應的繞避方案或針對性的處理措施。

[1]賈三滿，劉明坤，田芳，等.北京地區地裂縫分類及防治措施[J].城市地質,2011,6(2):4-7

[2]賈三滿,王海剛,葉超,等.北京地區地裂縫勘察方法研究[J].工程地質學報,2011,19:642

[3]羅勇,賈三滿,趙波,等.廟卷地裂縫勘查與評價∥[C]“北京地質災害與防災減災”論壇論文集.北京：北京地質災害與防災減災論壇組委會，2009

[4]趙忠海.北京地區地裂縫災害的分布特征及起成因探討[J].地質災害與環境保護,2006,17(3)：75-78

[5]楊濤，宮輝力，趙文吉，等.北京順義區地裂縫分布特征及成因分析[J].自然災害學報,2010(6)

[6]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機理調查研究[J].中國地質災害與防治學報,2009(2)