摘　要：为进一步研究西安地裂缝，给地铁沿线地裂缝的防灾减灾提供科学依据，通过野外地质环境和地质灾害调查，着重查明了西安地铁三号线沿线地裂缝的活动情况和发育特征，并根据与地铁线路的具体交汇特点，将其划分成１２个区段进行了详细描述；分析了近年来各区段地裂缝的年活动量及地铁工程的施工与运营对地裂缝活动的影响，并预测了其活动趋势；采用定量计算的方法确定了地裂缝对地铁的影响范围，并在综合分析地铁危害特点的基础上确定了地裂缝与线路相交段的危险性等级。分析结果表明：沿线地裂缝具有成带性和定向性的特点，并且总体有持续发展和进一步连续贯通的活动趋势；其中７个区段地裂缝对地铁的潜在威胁较为严重，应予以高度重视。

关键词：西安地铁；地裂缝；发育特征；活动趋势；危险性分级

 

      地裂缝是西安典型的地质灾害，凡地裂缝通过的地方，地表破碎，建筑物开裂，道路变形，地下管道错断，古迹文物受损。地裂缝的不断发展已严重影响了西安市的建设用地和城市规划，对地铁工程的施工与安全运营有较大威胁，特别是与地铁直接相交的地裂缝，会给地铁隧道结构带来严重的危害，且与线路小角度斜交时，会导致地铁隧道结构变形破坏不对称，并随着沉降的扩展，首先发生扭转变形，然后发生弯曲和剪切变形破坏^［１］。以往对西安地裂缝的研究，主要涉及到展布特征、活动规律和成因机制等方面；而关于新建的西安地铁三号线沿线的地裂缝分布、发育特征，则缺乏针对性，对其活动趋势也涉及较少，且地裂缝危险性范围划分也主要局限于定性认识的层面。这一现状已远不能满足地铁三号线建设的实际需求。鉴于此，在对西安地铁三号线沿线地裂缝详细调查的基础上，本文重点就其分段活动特征及危害特点进行分析总结，预测了沿线各段地裂缝的活动趋势，并采用定量方法确定了地裂缝对地铁的影响范围，最终分析出与地铁相交段的地裂缝的危险性等级。本文相关研究成果，不仅对西安地铁三号线通过地裂缝地段的设计、施工和安全运营具有重要的指导意义，而且对同类型构造性地裂缝与线性工程相互作用机理的理论研究也具有重要的理论参考价值。

 

      西安地裂缝是一种地区性的地质灾害现象，其活动时间之久、规模之大，世界罕见。拟建中的西安城市地铁工程和高架桥工程，因要穿越１０余条地裂缝带，一直是重大的潜在地质灾害问题^［２］。目前为止已发现１４条地裂缝，总体走向ＮＥ－ＮＥＥ，近似平行于临潼－长安断裂，由南而北呈带状有规律排列；现场调查及建筑场地勘察发现的地裂缝分布面积约为２５０ｋｍ^２，总长度约为１６０ｋｍ，其中，地表出露 约 为７０ ｋｍ，单 条 地 裂 缝 地 表 出 露 最 长 为１４．５ｋｍ，最短为２ｋｍ^{［３－８］}。西安地铁三号线一期工程始于西安市西南部鱼化寨，终于东北部国际港务区，共设２４座车站（图１），是西安市西南到东北方１　沿线地裂缝发育特征西安地裂缝是一种地区性的地质灾害现象，其活动时间之久、规模之大，世界罕见。拟建中的西安城市地铁工程和高架桥工程，因要穿越１０余条地裂缝带，一直是重大的潜在地质灾害问题^［２］。目前为止已发现１４条地裂缝，总体走向ＮＥ－ＮＥＥ，近似平行于临潼－长安断裂，由南而北呈带状有规律排列；现场调查及建筑场地勘察发现的地裂缝分布面积约为２５０ｋｍ^２，总长度约为１６０ｋｍ，其中，地表出露 约 为７０ ｋｍ，单 条 地 裂 缝 地 表 出 露 最 长 为１４．５ｋｍ，最短为２ｋｍ^{［３－８］}。西安地铁三号线一期工程始于西安市西南部鱼化寨，终于东北部国际港务区，共设２４座车站（图１），是西安市西南到东北方向重要的交通通道。沿线地势平坦开阔，总体中间高、两端低，平均坡度约为２‰，主要的不良地质问题为地裂缝，局部有饱和软黄土、砂土液化、人工填土、湿陷性黄土等，对工程建设存在着不同程度的影响^［９］。

      通过野外调查和勘探，根据与地铁线路的分布交汇特征，将由东北向西南穿越地铁三号线的ｆ_１、ｆ_２、ｆ_３、ｆ_４、ｆ_５、ｆ_６和ｆ_７共７条地裂缝划分为１２个区段（ｆ_４分东、中、西３段，ｆ_５、ｆ_６和ｆ_７分东西２段），总体ＮＥＥ走向，沿线路由南北而呈带状排列，其分布具有成带性、定向性的特点（图１）。其中与三号线呈大角度相交的有ｆ_１、ｆ_２、ｆ_３、ｆ_４－东段、ｆ_５－西段、ｆ_６－西段、ｆ_６－东段、ｆ_７－东段，小角度相交的有ｆ_４－中段、ｆ_５－东段，近平行相交的有ｆ_４－西段、ｆ_７－西段，沿线各段地裂缝目前的活动状态与破坏等发育特征详见下页表１。

      注：Ｎ为北方；Ｗ为西方；Ｅ为东方；Ｓ为南方；ＮＥ７５°代表方位角为北偏东７５°；其他依次类推。

 

      根据地裂缝的平均活动速率与活动程度特征，可将沿线地裂缝的活动性分为：①活动性强，速率大于２０ｍｍ／年（在线路上有明显变形破损现象）；②活动性中等，速率为５～２０ ｍｍ／年 （在 线路两侧５００ｍ以内有变形破坏现象）；③活动性弱，速率小于５ｍｍ／年（在线路５００ｍ以外有变形现象）。依据地裂缝活动实际观测资料（陕西省地质环境监测总站），结合沿线附近地面、房屋的破裂情况推算分析及地裂缝钻探、槽探资料，通过地铁三号线及其附近的地裂缝的活动性见表２。

      历年西安地裂缝与地面沉降监测数据表明，不同地裂缝带或同条地裂缝带不同地段的活动量具有明显差别^［１０］。根据最新的西安地裂缝对点活动量监测数据绘制的沿线地裂缝活动趋势（下页图２）表明，三号线沿线地裂缝一直在活动，且部分区段逐年递增，整体有持续发展的趋势，影响范围仍在继续扩大，并且沿线东段、南段地裂缝带活动相对较强，而西段、北段地裂缝带活动则相对较弱，总体具有东强西弱、南强北弱的活动特点。西安市的地面沉降在时间上存在先增大后减小的趋势^［１１］；随着地下水资源管理的落实，西安市政府已控制开采地铁沿线周围的地下水。目前，沿线地裂缝总体处于稳定阶段，活动趋缓，未来出现快速活动的可能性较小，不会再出现２０世纪９０年代那么大的活动量，活动强度也将随之减弱，但局部仍具有波动现象。沿线各段地裂缝的活动趋势如图２所示。

      地裂缝２００５～２００８年间，该地裂缝年均活动量最大为４．３５ｍｍ。据实地调查，目前该地裂缝的活动强度也较弱，预测其发展的可能性小。

      地裂缝近期以来，该地裂缝年均活动量虽然都小于３ｍｍ，但每年的累积活动量在缓慢增加，且目前此段地裂缝已造成附近建筑物开裂，预测有持续发展的可能。

      地裂缝近几 年，该 地 裂 缝 年 均 活 动 量 基 本 都 小 于３ｍｍ，活动强度微弱，走势曲线平缓，但鉴于其过去有强烈的活动，预测其活动有变强的可能。

      地裂缝①ｆ_４西段：近期年均活动量为０．６２ｍｍ，活动强度微弱，地裂缝处于平静期，但该段地裂缝影响宽度较大，破坏现象明显，预测会进一步发展；②ｆ_４中段：年均活动量小于１ｍｍ，活动强度微弱，走势曲线较平稳，活动变强的可能性不大；③ｆ_４东段：年活动量较小，目前趋于稳定，且地裂缝之间的黄土梁洼段没有地裂缝，预测不会出现大的活动。

      地裂缝①ｆ_５西段：近期年均活动量都小于１．４２ｍｍ，活动强度微弱，处于稳定活动期；②ｆ_５东段：该段地裂缝的贯通性好，活动强烈，活动量逐年稳定递增，且目前破坏现象严重，推测该段地裂缝将进一步活动发展。

      地裂缝①ｆ_６西段：地裂缝活动较为强烈，２００６、２００７、２００８年的活动量分别为－１１．９８ｍｍ、－１２．６４ｍｍ、－２６．７６ｍｍ，活动量逐年递增，目前地裂缝的贯通性好，活动性大，将持续发展；②ｆ_６东段：２００５～２００８年的累积活动量为－１２．１０ｍｍ，目前地裂缝活动性大，活动量亦在逐年增加，有持续发展的可能。

      地裂缝①ｆ_７西段：２００５～２００８年间地裂缝年均活动量为２．８２ｍｍ，２００８年较上年增加了８．２３ｍｍ，目前该段地裂缝活动性大，且与线路３次小角度斜交，情况复杂，综合影响宽度大，有继续发展增大的趋势；②ｆ_７东段：２００７、２００８年的活动量分别为－３．１ｍｍ、－６．５９ｍｍ，活动量逐年增加，且目前贯通性好，有持续发展的可能。

      地裂缝的形成及活动演化主要与构造活动及人类活动的影响有关，根据对沿线地裂缝平面分段特征及其历史活动资料的分析可知，地裂缝的活动强度与规模受人类活动因素的影响日趋明显。随着市政府中心北移，西安市对东北郊区的建设步伐加快，人为活动的强度势必随之增加，这部分城区的沉降速率也在逐渐加大，不可避免地会引起西安市东北郊区的地裂缝活动发展^［１２］；而西安地裂缝作为构造运动的一种反应，与地下生长断层密切相关，是一种客观存在，就其在空间上的水平变化而言，沿线地裂缝已经在局部地段向两侧延伸，其结果必然导致分段地裂缝具有连续贯通的总体发展趋势。

      地层结构及岩土体的工程地质性质对各段地裂缝的活动有较为明显的影响。钻探结果表明，沿线地裂缝变形带的土体裂隙多，工程性质较差，施工时可能会造成基坑坑壁或隧道局部坍塌，而且基底还可能出现不均匀沉降，易加剧地裂缝活动，对地铁的建设和运营构成潜在威胁^［１３］。

      因工程部位及地质环境的差异，地铁沿线地裂缝的致灾机理也不一致，具体表现为：①地表工程段（广运潭大道－国际港务区段），线路结构主要为高架线，开挖高架桥梁墩基础对地层的扰动小，工程运营阶段对地质环境的影响也较小，预测其加剧地裂缝发展的可能性较小；②地下工程段（鱼化寨—广运潭大道段），主要为地下车站及区间隧道，在强透水层地段施工时，可能导致地下涌水，从而引起湿陷性黄土层的地面沉陷，有引发地裂缝的重新活动和扩展的可能；③对于地下水位较浅或有饱和软黄土分布的局部梁洼段，车站及地裂缝段施工期间的地表排水和雨水下渗，可能导致地面不均匀沉降，进而加剧邻近地裂缝的活动；④工程建成后，地铁穿越地裂缝带产生的震动会影响地层的稳定性，可能促使局部地段地下水位壅高，随之引发结构物上浮和地表沉陷等问题，从而加剧地裂缝的发展。

 

      地裂缝灾害危险性等级划分是在综合分析沿线地裂缝活动现状和未来发展趋势的基础上，依据其对地铁三号线的危害特点及与线路的位置关系，同时结合工程自身的重要性，全面权衡、准确合理地划分地质灾害危害程度与危险性大小区带^［１４］。强的地裂缝活动对地铁线路的破坏极大，且不可抗拒，在不采取工程措施的情况下，沿线地裂缝对地铁工程的危害包括：隧道结构和衬砌变形开裂、地下供水与输气等管道接头处损坏、铁轨路基及轨道变形破坏和地铁隧道沿裂缝带渗水漏水。根据上述沿线地裂缝灾害的特点，以及对地铁工程可能造成的危害，综合分析判定，对与地铁相交的地裂缝段进行危险性分级，其中危险性大为第Ⅰ级，中等为第Ⅱ级，小为第Ⅲ级，分级结果见表３。

      地裂缝对地铁工程的影响范围的定量计算，可参考《西安地裂缝场地勘察与工程设计规程》（ＤＢＪ６１—６—２００６）和《西安地裂缝对地铁工程的危害及其防治措施研究》的研究成果，设地裂缝与地铁以（θ_１、θ_２、θ_３）角度相交，下盘对地铁的影响范围为ｄ_１，上盘对地铁的影响范围为ｄ_２，地铁上下行线的距离为ｄ_３（图３），则地铁受地裂缝影响的长度Ｌ为

      Ｌ＝Ｋ［ｄ_１／ｓｉｎ（θ_１）＋ｄ_３／ｔａｎ（θ）＋ｄ_２／ｓｉｎ（θ_２）］

式中：Ｋ为安全系数，考虑到地铁工程的重要性，综合取ｄ_１＝１４ｍ，ｄ_２＝２０ｍ，安全系数Ｋ取为２，如果有次生地裂缝，ｄ_１、ｄ_２从次生地裂缝起算。

      根据这一计算方法，结合每条地裂缝的发育特征，最 终 确 定 了 地 铁 三 号 线 受 地 裂 缝 影 响 的 长度（表４）。

      根据上述地裂缝危险性等级划分方法，最终确定与西安地铁三号线相交的１２个区段地裂缝中，综合危险性为Ⅰ级的有７段，危险性为Ⅱ级的有３段，危险性为Ⅲ级的有２段（表４）。根据沿线地裂缝的灾害特点，结合工程布设及施工要求，认为：①地裂缝危害程度轻微、危险性小的场地，适宜建设本工程；②地裂缝危害程度较大、危险性中等的场地，在对其进行必要的防治措施后，基本适宜建设本工程；③地裂缝危害程度严重、危险性大的场地，建设地铁的适宜性差，防治难度较大，应在专门研究的基础上，采取有效稳妥、针对性较强的工程结构措施，待适应其变形后方可跨越^［１５］。

 

      （１）详细描述了西安地铁三号线沿线１２个区段地裂缝的活动情况和发育特征，且总体分布具有成带性、定向性的特点。

      （２）分析了近期各段地裂缝的年活动量，认为沿线地裂缝总体有持续发展和进一步连续贯通的活动趋势。

      （３）对地铁工程的施工与运营可能加剧的地裂缝活动趋势进行了预测，认为地上工程段引发和加剧地裂缝活动的可能性小，而地下工程段则可能引发和加剧地裂缝灾害。

      （４）采用定量计算的方法，确定了地裂缝对地铁的影响范围，并在分析地铁危害特点的基础上，确定了地裂缝与线路相交段的危险性等级；结果表明，其中７个区段地裂缝对地铁的潜在威胁较为严重。

      （５）沿线地裂缝多处与线路小角度斜交或近乎平行，需进一步详细勘察和试验研究，以供沿线地裂缝的针对性防治参考。