北京市平原區(qū)地裂縫對(duì)鐵路工程影響分析

劉　威　闞京梁

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 天津　300251)

1　概述

地裂縫是一種十分隱蔽的地質(zhì)災(zāi)害類型。巖土體在內(nèi)外力作用下發(fā)生變形，當(dāng)力的作用與積累超過巖土層內(nèi)部的結(jié)合力時(shí)，巖土層發(fā)生破裂，其連續(xù)性遭到破壞，形成裂隙。多數(shù)情況下，深部地層因圍壓作用，多呈閉合狀態(tài)；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(xiàn)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(yán)重。

某擬建鐵路起于北京市的東北部平原區(qū)，經(jīng)懷柔向東進(jìn)入密云與平谷交界的低山區(qū)，接河北省的興隆縣中低山區(qū)，全長(zhǎng)105.8 km。線路通過的北京市朝陽(yáng)區(qū)、順義區(qū)，第四系沖洪積平原地裂縫災(zāi)害比較嚴(yán)重。在大量現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合鉆探、槽探、綜合物理勘探、化學(xué)勘探等綜合地質(zhì)勘探，對(duì)擬建工程穿越的平原區(qū)地裂縫特征及其工程影響進(jìn)行了初步的分析，為擬建鐵路建設(shè)方案提出相應(yīng)了工程措施及建議。

2　北京市平原區(qū)地裂縫分布及特征

北京地區(qū)地裂縫古已有之，并且常在地震時(shí)，與砂土液化伴生出現(xiàn)。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展，人們對(duì)地下水等資源的需求和開采日益增長(zhǎng)，這在很大程度上加劇了地裂縫災(zāi)害的發(fā)展。

近年來，北京市平原區(qū)發(fā)生地裂縫的位置相對(duì)集中在順義區(qū)及朝陽(yáng)區(qū)與順義區(qū)交界位置。賈三滿[1-2]、羅勇[3]、趙忠海[4]、楊濤[5]等人進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查研究，總結(jié)北京平原區(qū)主要地裂縫有：高麗營(yíng)地裂縫、羊坊地裂縫、廟卷地裂縫、北小營(yíng)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(guān)系密切，見圖1。

圖1　近年平原區(qū)地裂縫發(fā)育分布

北京市平原區(qū)主要地裂縫的特征表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

①地裂縫均發(fā)生在斷裂發(fā)育的位置，地裂縫走向與斷裂的走向基本一致。

②地裂縫發(fā)生位置多集中于北京平原區(qū)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(xù)延伸，長(zhǎng)度1.0～2.5 km不等，分布寬度較大，表現(xiàn)為張裂縫，裂縫一般40～50 mm，最大可達(dá)500 mm，裂縫主要發(fā)育在地表30 m范圍內(nèi)。

④地裂縫帶兩側(cè)大都發(fā)生相對(duì)的垂直位移，地表發(fā)生明顯的差異性沉降。表現(xiàn)為地裂縫帶范圍內(nèi)的建筑物開裂及錯(cuò)動(dòng)跡象，地裂縫兩側(cè)出現(xiàn)差異沉降，局部出現(xiàn)塌陷洞等，如圖2、圖3。

圖2　3號(hào)探槽房屋開裂與地層錯(cuò)動(dòng)位置關(guān)系照片

⑤地裂縫帶在地表的破壞及發(fā)展情況具有一定的周期性。

⑥地裂縫帶分布區(qū)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(diào)查發(fā)現(xiàn)，擬建鐵路線路兩側(cè)建筑物裂縫和地表裂縫105處。分析裂縫破壞的方向性、連續(xù)性和強(qiáng)度等特征，結(jié)合斷裂構(gòu)造位置和地面沉降區(qū)的位置，綜合考慮地裂縫的歷史發(fā)展情況，根據(jù)地裂縫的定義和特征，確定屬于地裂縫導(dǎo)致的破壞為41處，主要位于順義區(qū)廟卷、朝陽(yáng)區(qū)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(xiàn)裂縫破壞，但多為零星分布，相互之間不連續(xù)，無方向性，裂縫強(qiáng)度也相對(duì)較弱，地裂縫特征不明顯。

圖3　3號(hào)探槽揭示地層錯(cuò)動(dòng)與墻體開裂對(duì)照

在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，對(duì)影響工程的三處地裂縫進(jìn)行了鉆探、槽探、綜合物理勘探、化學(xué)勘探等，取得了一定的成果。現(xiàn)結(jié)合前人資料、野外調(diào)查及綜合地質(zhì)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(zhǎng)2 km；地面開口西寬東窄，寬度為20～1 000 mm；垂直錯(cuò)動(dòng)距離在3 m深的地層范圍內(nèi)達(dá)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(xiàn)為地表產(chǎn)生裂縫和地面上建筑物的破壞，地裂縫的開裂深度主要發(fā)生于10 m以上地層，工作中沒有發(fā)現(xiàn)明顯的裂縫扭動(dòng)變形。

3.2　北甸地裂縫

北甸地裂縫走向北西，長(zhǎng)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(fā)生于10 m以上地層，在地表表現(xiàn)為建筑物的破壞；在淺部地層為氡氣、地質(zhì)雷達(dá)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(cè)深法揭示基巖斷裂和第四紀(jì)地層錯(cuò)動(dòng)。整個(gè)異常帶和地層錯(cuò)動(dòng)以及基巖斷裂連續(xù)穩(wěn)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(zhǎng)約2 km，主變形帶寬度40 m；影響帶寬度483 m。裂縫長(zhǎng)約2 km，寬10～50 mm，開裂深度主要發(fā)生于10 m以上地層。本段裂縫在地表表現(xiàn)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(cè)深法揭示基巖斷裂和第四系地層錯(cuò)動(dòng)。

4　地裂縫危害及防治措施

4.1　對(duì)擬建工程的危害分析

地裂縫對(duì)鐵路工程的危害主要體現(xiàn)為其對(duì)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(shí)，并不是沿著原有方向使橋體發(fā)生破壞，而是在橋體相對(duì)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(xù)延伸，一般導(dǎo)致橋梁垂直錯(cuò)動(dòng)，造成一定的高差，或是使得橋欄發(fā)生水平錯(cuò)動(dòng)[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(yán)重時(shí)形成高低不平的臺(tái)階狀陡坎，對(duì)于高速運(yùn)行的車輛存在著極大的安全隱患。

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

4.2　工程措施建議

地裂縫災(zāi)害的防治原則應(yīng)符合地質(zhì)災(zāi)害減緩與防御兩條原則。參考國(guó)內(nèi)外對(duì)地裂縫進(jìn)行防治的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，建議采取以下防治措施。

(1)避讓措施

對(duì)地裂縫實(shí)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(chǔ)應(yīng)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(shí)，應(yīng)合理選擇工程類型，優(yōu)先采用變形適應(yīng)能力強(qiáng)的工程類型，在地裂縫發(fā)育最窄的地帶，以大角度方式通過。以橋梁通過地裂縫時(shí)，宜采用大孔跨跨過地裂縫的變形帶，將橋梁墩臺(tái)基礎(chǔ)置于安全距離以外的相對(duì)穩(wěn)定位置。

根據(jù)本工程實(shí)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(guó)內(nèi)外地面沉降及地裂縫減災(zāi)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，從地基、基礎(chǔ)、材料和結(jié)構(gòu)等多個(gè)方面采取相應(yīng)的減災(zāi)措施。如預(yù)留變形量、加強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度、采用可調(diào)高支座和可調(diào)扣件等。

(4)加強(qiáng)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(qū)域內(nèi)禁止新增開采井，控制沿線一定范圍內(nèi)地下水過量開采，防止地下水水位大幅下降，并盡量恢復(fù)地下水天然水位，減緩地面沉降。

(5)開展針對(duì)軌道工程的地面沉降和地裂縫的變形監(jiān)測(cè)

在地裂縫危險(xiǎn)性大區(qū)開展針對(duì)軌道工程的地面沉降和地裂縫專門變形監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋墩變形和軌道變形情況，密切關(guān)注鐵路工程的不均勻變形、縱橫向軌道平整度、變形等指標(biāo)，并制定相關(guān)的預(yù)警處理方案，及時(shí)采取有效的處理措施。

5　結(jié)束語(yǔ)

地裂縫對(duì)線性工程尤其是高速運(yùn)行軌道工程的影響較為復(fù)雜，其破壞形式和機(jī)理是工程設(shè)計(jì)和建設(shè)中重要的依據(jù)。由于地裂縫形成機(jī)理不同，其運(yùn)動(dòng)特征不同，對(duì)線性工程破壞的機(jī)理和強(qiáng)度也不同，因此需要采用相應(yīng)的繞避方案或針對(duì)性的處理措施。

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

[2]賈三滿,王海剛,葉超,等.北京地區(qū)地裂縫勘察方法研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2011,19:642

[3]羅勇,賈三滿,趙波,等.廟卷地裂縫勘查與評(píng)價(jià)∥[C]“北京地質(zhì)災(zāi)害與防災(zāi)減災(zāi)”論壇論文集.北京：北京地質(zhì)災(zāi)害與防災(zāi)減災(zāi)論壇組委會(huì)，2009

[4]趙忠海.北京地區(qū)地裂縫災(zāi)害的分布特征及起成因探討[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù),2006,17(3)：75-78

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

[6]石玉玲,門玉明,彭建兵,等.西安市地裂縫對(duì)長(zhǎng)安路立交橋致災(zāi)機(jī)理調(diào)查研究[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),2009(2)