渭北盆缘地裂缝对银西铁路的影响及工程对策探讨

夏万云

(中铁第一勘察设计院集团有限公司， 西安　710043)

渭北盆缘地裂缝对银西铁路的影响及工程对策探讨

夏万云

(中铁第一勘察设计院集团有限公司， 西安710043)

摘要：渭北盆缘是陕西省除西安市外的第二大地裂缝密集区，地裂缝广泛分布，地裂缝灾害较为严重。新建银西铁路穿越该地裂缝地区，对线路通过的渭北盆缘地裂缝发育特征及成因机理进行了分析研究，总结得出该区地裂缝分布密集且其活动具有垂直差异性、水平张裂性、强度南北差异性等特征，对不同成因的地裂缝进行分类分析并提出合理的绕避与防治措施，为铁路的建设及防治工程提供了更详尽的理论依据。

关键词：银西铁路；地裂缝；发育特征；成因机理；工程对策

1概述

陕西省作为华夏文明的发祥地之一，在数千年的历史发展长河中，从西汉起，就成为中国与世界各国进行经济、文化交流的中心。紧随西部大开发步伐，陕西省经济、建设步入了高速发展阶段，但一系列危害工程建设和人居安全的地质灾害问题也越发明显，最显著的地质灾害便是地裂缝[1]。

新建银西铁路所经三原、泾阳地区是属渭北盆缘，地裂缝分布十分密集的地带，该区地裂缝形态多样，成因复杂，目前地裂缝活动仍在继续，且部分地裂缝有加剧的趋势，这给铁路的建设及建成后的安全运营留下了安全隐患。地裂缝场地修建铁路势必产生诸多工程难题[2]，因此，查明地裂缝的分布规律、分析其成因机制、把握其活动特性、寻找其防治对策显得尤为重要，不仅对银西铁路的建设非常有必要，同时为今后相关铁路规划、设计、建设提供借鉴。

2区域地质背景

2.1断陷盆地的形成

渭北盆缘位于渭河盆地与鄂尔多斯台缘褶皱带的接触部位，为渭河断陷盆地之中的乾礼凸起。该盆地北接鄂尔多斯台地，南临秦岭褶皱带，东缘为山西隆起带，西端与鄂尔多斯西南边界弧形断裂束相接，是亚洲大陆新生代典型的断陷构造盆地，作为中国大陆典型的新生代断陷盆地，地壳活动非常强烈[3]。随着印度板块持续向欧亚板块的推挤，甘青块体持续隆升并向渭河地区推移，造成本区区域上的新构造运动十分强烈且复杂，主要表现为鄂尔多斯台地隆起、秦岭上帝强烈隆升运动，以及渭河盆地强烈沉陷运动[4]。

渭河盆地北缘构造结构复杂，经历了多期次的构造运动，自白垩纪末，始新世初的喜山运动，在上地幔隆起和地壳的水平延伸背景下，先存的断裂系由逆冲转为反向倾滑，成为铲式伸展断裂，主伸展断裂的伸展滑脱作用导致了岩石圈的顺层开裂，进而引起上地壳沿着主伸展断裂的滑脱而拉伸、下陷，并接受第三纪、第四纪沉积，形成了渭河断陷盆地。该盆地内普遍发育了巨厚的黄土堆积地层，基底断裂构造较发育，其特点多为北升南降，呈高角度阶梯式不对称的块状断裂。

2.2断陷盆地基底构造

渭河断陷盆地为一近期仍在发展的断陷盆地，岩石圈出现破坏—搬运—堆积，在盆地内形成厚达千米至数千米的新生代覆盖层，覆盖层中的变形破裂迹象明显的受深部断裂构造影响，这种不同构造单元镶嵌的交接带，构成了一副强烈分异的破裂格局，为后期盆地的形成和发展奠定了基础。新建银西铁路主要位于渭河断裂以北，长安-临潼断裂以西，主要位于高陵断陷、泾阳次断阶、兴平-牛家村次断阶上，断块之间的断层持续活动，牵动上盘土体开裂变形，从而为地裂缝的形成提供了构造条件。

2.3主要断裂及其活动性

地裂缝的形成与断裂构造(图1)活动密切相关，随着印度板块向欧亚板块的推挤，造成了西安地区新构造运动十分强烈和复杂，主要表现为鄂尔多斯台地面状隆起，秦岭山地强烈隆升以及渭河盆地强烈沉陷，该区断裂活动性，表明渭河盆地边缘断裂以正断层为主。

图1　渭北盆地断裂构造

新建银西铁路西安枢纽货车第二双线主要走行于渭河盆地北部边缘以南的冲洪积平原和黄土台塬上，该区发育多条断裂带，断裂带发育特征详见表1。

表1　断裂带发育特征

3渭北盆缘地裂缝分布及特征

3.1地裂缝分布

渭北盆缘构造结局复杂，地裂缝广泛分布，自20世纪60年代出现地裂缝活动以来，地裂缝灾害日趋严重，其活动存在不定期性[5]，已成为了危害铁路工程建设的主要地质灾害之一。新建银西铁路西安枢纽货运第二双线途经泾阳、三原县，沿线地裂缝广泛分布，尤其在北山山前地裂缝非常发育，对铁路规划影响很大。该区地裂缝主要集中在泾河以东、关中环线以北，口镇—关山断裂以南的三角区域内，且主要分布在口镇—关山断裂四周，与断层的走向有着很好的一致性和密切关系，是陕西省除西安市区外的第二大地裂缝密集区。

3.2地裂缝基本特征

渭北盆缘地裂缝从成因上可分为构造地裂缝与非构造地裂缝，且以构造地裂缝为主，地裂缝与断层、节理、构造应力场、地震等构造作用密切相关，在空间展布、发生时期、活动特征上具有一定规律，其主要特征主要表现为该区地裂缝存在水平张裂性和垂直差异性。

3.2.1构造性

地裂缝的构造性主要表现为两个方面，一是渭北盆地边缘地裂缝的延伸方向大多呈现近东西向，与口镇—关山断裂带走向基本一致；二是渭北盆地边缘地裂缝主要沿口镇—关山断裂带附近分布。

3.2.2垂直差异性

渭北盆缘地裂缝一般做正断层式的活动，其上盘总是相对于下盘向下运动，其垂直差异性主要表现为地裂缝的主变形区和微变形区的宽度及影响范围随着地层埋深的增加而减小[6]。

3.2.3水平张裂性

地裂缝的水平张裂运动速率一般较垂直差异运动小，根据野外调查及浅表探槽显示，地裂缝的水平张开量随着地层埋深而减小，说明随着地层埋深的增加，地裂缝水平张裂逐渐较小直至趋于零。

3.2.4活动强度

地裂缝的活动性具有强弱之分，其活动强度具体表现为其南北差异，越靠近盆地北部边缘，越接近口镇—关山断裂带其活动性越强，约往南远离口镇—关山断裂带，其活动性越弱。

4银西铁路沿线典型地裂缝

4.1泾阳县口镇地震台地裂缝

泾阳县口镇地震台地裂缝发育于嵯峨山与山前洪积扇的交接地带，地势上整体呈北高南低，该地裂缝位于口镇—关山断裂带上，属构造地裂缝，该地裂缝约出现于20世纪60年代，地裂缝总体走向为EW向，与口镇—关山断裂带走向一致[7]。为进一步查明地裂缝情况，垂直该地裂缝布置一探槽，由探槽剖面图(图2)可以看出，裂缝近似直立或向北倾斜，即倾斜于口镇—关山断裂方向，与断裂的剖面组合呈“y”形，倾角约80°，发育带最多张开宽度约100 cm，可见深度约5 m，总长度约180 m，为中型裂缝，呈折线型断续分布，大部分以串珠状陷穴形式出现，个别地方裂缝沿走向方向连续(图3，裂缝明显，张开量较大，无充填)。

图2　泾阳县口镇地震台地裂缝探槽东侧剖面

图3　口镇地震台地裂缝地表开裂实景

图4　泾阳县蒋路乡蒙沟村张家组地裂缝探槽剖面

4.2泾阳县蒋路乡蒙沟村张家组地裂缝

泾阳县蒋路乡蒙沟村张家组地裂缝发育于嵯峨山山前台塬地带，起始于蒙沟村张家组沟谷处，地势上整体呈北高南低，属构造地裂缝，该地裂缝出现于1986年，地裂缝总体走向为NEE～NWW，为进一步查明地裂缝情况，垂直该地裂缝布置一探槽，开挖的探槽长约20 m，宽约8 m，深约11 m。从探槽剖面(图4)可以看出，该处地裂缝倾角多较陡，大多数近似直立且均向北倾，倾角60°～90°，倾向于口镇—关山断裂方向，与口镇—关山断裂剖面组合呈“y”形，地表开裂最宽处达50～60 cm，可见深度5～6 m，总长度约800 m。该地裂缝呈折线型断续分布，大部分以一系列串珠状陷穴形式出现，部分地带以裂沟式裂缝发育，主裂缝造成窑洞开裂，该裂缝窑洞其上部1 m左右的砖瓦错断塌陷，墙壁表层约15 cm已经脱落(图5)。

图5　张家组地裂缝造成地窑开裂

4.3泾阳县蒋路乡山庄村西北组地裂缝

泾阳县蒋路乡山庄村西北组地裂缝发育于山前洪积扇，地势上整体呈北高南低，属非构造地裂缝，该地裂缝出现于1996年，地裂缝总体走向为N60°E，倾角近直立，地表开裂宽度约130 cm，往深处逐渐缩小，至10 m深度时裂缝宽度约18 cm，裂缝呈线性断续分布，以串珠状陷穴的形式出现，总长度约150 m(图6)。

图6　蒋路乡山庄村地裂缝

5渭北盆缘地裂缝成因机理分析

5.1构造应力

研究表明，该区地裂缝类型众多，成因复杂，但大型地裂缝多是在构造及地下水开采等多因素共同作用下形成的[4]，并且构造作用往往是导致地裂缝形成的直接控制因素。泾阳地区最大水平主应力方向约N70°E，最小水平应力方向约N20°W，而该区地裂缝走向整体以NE、NW为主，实际上是继承了黄土中的一对共轭剪节理，反映了该类地裂缝与地应力之间的紧密联系，地裂缝的这一共轭关系也正好说明渭河盆地地应力特征，即北东-南西挤压，而北西-南东引张，在区域构造应力场的作用下，黄土初始破裂形成节理，当地表水入渗时，节理周边黄土强度降低，节理进一步开裂扩展，通达地表形成宽大的地裂缝。由此表明盆地北部边缘区域的构造应力为地裂缝的形成提供了充足的动力。

5.2地震作用

渭北盆地位于渭河盆地与鄂尔多斯台塬褶皱带的接触部位，其构造历史背景复杂，位于华北地震区汾渭地堑系地震带，地震活动强度大，频率高，现代地震活跃。在1978年4月、8月和10月口镇—关山断裂带上盘发生群震3次，共有小震37次，最大地震Ms=2.2级，震源深度5 km，在地震后有新的地裂缝出现，且地裂缝延展方向与口镇—关山断裂带延展方向一致，表明地裂缝的发展与地震活动密切相关。

5.3地层结构

渭北盆缘地裂缝集中区主要位于汾渭断陷，新生代以来沉积厚度大于7 000 m，第四系以来主要接受渭河河流冲积堆积，地表主要为河流冲积黄土或黄土状土，具有低塑性、大孔隙、垂直节理发育等物理力学性质且由于黄土具有独特的水敏性(湿陷性)特征。地表水沿孔隙、裂缝进入土体后，主要沿垂直方向渗透，直至遇见隔水层，使得上部黄土层的大量亲水矿物溶解，土体结构发生破坏而发生湿陷下沉，进而引起上部土层开裂，从而形成地裂缝。

5.4水的诱发与加剧作用

水作用是引起地裂缝活动的主要诱发原因[8]，水文条件的变化引起土体的物理、化学及力学性质的变化，从而改变土体的应力场和变形场，当应力超过土体的极限强度时，土体发生破坏，产生裂缝，裂缝发展贯通到地表进而形成地裂缝，据统计，泾阳地裂缝70%左右是在农田灌溉中出现的，20%在暴雨时出现。地表水沿地裂缝带的入渗，可能形成塌陷和陷穴[9]，会进一步加剧地裂缝的发展。因此，说明水的作用在诱发与加剧地裂缝活动中起着重要的作用。

6铁路工程绕避处理措施

由于地裂缝活动会引起地裂缝带和影响带范围内工程结构的变形和应力集中，受工程结构刚度的影响，地裂缝对工程结构的影响范围可能更大，为保证工程结构的安全和稳定，应在地裂缝影响带范围之外的更大区域采取相应的结构加强措施进行设防，设防宽度根据地裂缝的分级和地裂缝影响带宽度确定[10]。

对于由活动断裂带引起的地裂缝密集区，由于地裂缝分布于活动断裂带附近且活动性强烈，且有继续发展的趋势，铁路工程应优先选择绕避，其绕避距离以活动断裂带的避让距离为准；对于单独的活动性强烈的地裂缝可采用简支桥梁，其两端应设置可调支座，预留变形量；桥梁墩台位置应避开地裂缝的主带，在影响带内设置墩台时，根据地裂缝的影响深度，应采用加宽墩台基础，加密、加长桩基；对于活动性较小的地裂缝，建议采用道砟路基，并在跨地裂缝地段对道床加厚加宽处理。

7结论

地裂缝的破坏是个缓慢而长期的过程，查明渭北盆缘地裂缝的分布规律、分析其成因机制、把握其活动特性、寻找其防治对策对银西铁路的建设具有举足轻重的作用。本文分析总结出渭北盆缘地裂缝具有与活动断裂走向的一致性且沿活动断裂带两侧分布等特点，其成因为构造应力、地震作用、黄土结构特点及地下水共同作用的结果，更好地总结和认识盆缘地裂缝的展布特点与发展规律，为银西铁路的建设及防治工程提供了更详尽的理论依据。

参考文献：

[1]黄强兵，彭建兵，等.地裂缝活动对土体应力与变形影响的试验研究[J].岩土力学，2009(4)：903-908.

[2]吴明，彭建兵，等.地裂缝场地铁路客运专线路堤动力响应分析[J].铁道标准设计，2014(8)：18-22.

[3]陈志新，袁志伟，彭建兵，等.渭河盆地地裂缝发育基本特征[J].工程地质学报，2007(4)：441-447.

[4]彭建兵，张勤，黄强兵，等.西安地裂缝灾害[M].北京：科学出版社，2012(29):335.

[5]唐晓岚.西安地铁地裂缝带接触网技术研究[J].铁道标准设计，2012(8)：101-105.

[6]樊红卫.西安地铁2号线穿越地裂缝的技术措施[J].都市快轨交通，2008(4)：19-30.

[7]卢全中，陈志新，等.渭河盆地北缘断裂及地裂缝专题研究[R].西安：长安大学，2013:39.

[8]李团社.西安地铁穿越地裂缝带线路与轨道工程方案研究[J].铁道工程学报，2009(12)：81-85.

[9]陈志新.地裂缝成灾机理及防御对策[J].西安工程学院学报，2002(2)：18-22.

[10]黄强兵，彭建兵，等.地铁隧道斜交穿越地裂缝带的纵向设防长度[J].铁道学报，2010(2) ：73-78.

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

中图分类号：U212.22

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.06.006

文章编号：1004-2954(2015)06-0023-04

作者简介：夏万云(1981—)，男，工程师，2005年毕业于成都理工大学勘察技术与工程专业，工学学士，E-mail：113497464@qq.com。

基金项目：铁一院“渭河盆地北部边缘断裂及地裂缝专题研究”项目基金(院地勘合作协议2013第01号)

收稿日期：2014-09-18； 修回日期：2014-09-28