山西中南部鐵路通道跨沂沭斷裂帶工程地質(zhì)選線

謝 猛，錢國玉，杜文山

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055)

在山西中南部鐵路通道(沂水至莒縣段)的方案研究中，遇到以下問題。

(1)線路橫跨我國東部最大的活動斷裂——郯廬斷裂［1］的中段沂沭斷裂帶［2，3］。公元前 70 年的諸城 7級地震、1668年的郯城8?2級地震均發(fā)生在該區(qū)域。據(jù)觀測［3］，從1970年到2010年6月，該區(qū)域共發(fā)生ML2.0級以上地震4112次，其中2.0～2.9級地震3582次，3.0～3.9級地震462次，4.0～4.9級地震59次，5.0～5.9級地震7次，6.0～6.9級地震2次。因此，沂沭斷裂帶的地震活動具有強度大、頻度低、復(fù)發(fā)周期長的特點［3，9］，是控制選線的關(guān)鍵因素之一。

(2)方案研究區(qū)位于以隱伏斷裂為主的區(qū)域內(nèi)，給地面調(diào)查和勘探工作的策劃和實施帶來很大困難。

(3)300 kN軸重的新建重載鐵路選線，在我國尚屬首次［3］，選線質(zhì)量直接關(guān)系到工程建設(shè)和運營期間的可行性和安全性，尤其是在沂沭斷裂帶這樣復(fù)雜的構(gòu)造區(qū)內(nèi)，必須堅持地質(zhì)選線［4］的理念。

綜合考慮以上問題和選線的具體要求，提出“以遙感構(gòu)造判釋［5-8］為先導(dǎo)的綜合勘察選線方法”。

1 地質(zhì)背景

1.1 地質(zhì)構(gòu)造

沂沭斷裂帶產(chǎn)生于太古代，一直活動至今，由5條深大斷裂組成，從東到西依次為:昌邑—大店斷裂(F1)、安丘—莒縣斷裂(F5)、白芬子—浮萊山斷裂(F2)、沂水—湯頭斷裂(F3)、葛溝—鄌郚斷裂(F4)［2，9，10］。中生代以來，沂沭斷裂帶形成“兩塹夾一壘”的構(gòu)造格局，總的特征表現(xiàn)［2，3，9，10］如下。

(1)區(qū)域性構(gòu)造帶。沂沭斷裂帶的所有特征都是由5條主干斷裂所組成的一個總的構(gòu)造帶來表現(xiàn)的，所反映的特點是有一定寬度的“一個帶”，而不是“一條線”或“一個面”。

(2)活動性強。第四紀時期，沂沭斷裂帶的5條主干斷裂均有不同程度的活動，在晚更新世晚期及全新世以來，以F5斷裂活動最為明顯。

(3)切割深度大。在沂沭斷裂帶內(nèi)部及兩側(cè)，分布有很多基性、超基性的巖體，時代有新有老，且來源都較深，為斷裂切割深的表現(xiàn)。

(4)力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜。沂沭斷裂帶同時兼有“壓、張、扭”3種性質(zhì)，而且這3種性質(zhì)在各條斷裂中均以聯(lián)合的形式出現(xiàn)，力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜。

(5)幾何要素變化大。走向上，各條主干斷裂都呈明顯的舒緩波狀。傾向上的變化主要表現(xiàn)為:第一，同一斷裂的不同地段傾向不一致，但總體上傾角都較陡;第二，同一剖面上不同深度的傾向和傾角均有變化。

(6)分段性。主要表現(xiàn)在:第一，沿斷裂帶走向分布有一系列“串珠狀”的斷陷盆地;第二，中部“地壘”的高程自北向南呈“階梯式”逐漸下降，并伴隨有縱向破裂;第三，各條斷裂在不同段落的表現(xiàn)形式和性質(zhì)也有差異。

1.2 地層巖性

沂沭斷裂帶內(nèi)的地層包括:第四系全新統(tǒng)(Q4)、更新統(tǒng)(Q3～Q1);上第三系上新統(tǒng)(N2);白堊系上統(tǒng)王氏組(K2w)，下統(tǒng)大盛組(K1d)、青山組(K1q)、萊陽組(K1l);奧陶系下統(tǒng)馬家溝組(O2m);寒武系上統(tǒng)鳳山組(ε3f)、長山組(ε3c)、崮山組(ε3g)，寒武系中統(tǒng)張夏組(ε2z)、徐莊組(ε2x)，寒武系下統(tǒng)毛莊組(ε1mmj)、饅頭組(ε1mm2);震旦系土門組(Zt);太古界沂水群(Ar)。此外，在中生代燕山晚期和元古代早期，區(qū)內(nèi)的侵入活動較強烈，酸性、中性、基性的侵入巖均有出露。

2 選線原則及工作方法

2.1 選線原則

線路在研究區(qū)內(nèi)的總體走向為南東向，與北北東走向的沂沭斷裂帶斜交，所以，要使線路避開所有斷裂是不現(xiàn)實的，只能致力于減輕其對工程的影響程度，鑒于此，制定以下選線原則。

(1)線路應(yīng)在查清沂沭斷裂帶性質(zhì)和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，選擇相對穩(wěn)定的區(qū)域通過。

(2)線路應(yīng)繞避主干斷裂及其影響區(qū)。斷裂活動的繼承性是沂沭斷裂帶的顯著特征［2］，地震沿既有斷裂發(fā)生的可能性很大，因此，線路應(yīng)繞避沂沭斷裂的主干斷裂及其影響區(qū)，難以繞避時，應(yīng)在其較窄處，以簡易工程大角度通過。

(3)線路應(yīng)避開新構(gòu)造運動活躍的區(qū)域。第四紀新斷陷［9，10］是新構(gòu)造運動的活動特征之一，也是地震活動分布的密集地帶，穩(wěn)定性差，線路應(yīng)予以繞避。

(4)線路應(yīng)選擇在地形平坦開闊或緩坡地段通過，繞避山坡變形嚴重、成片的人工開挖地段、順層等可能發(fā)生滑坡、崩塌等抗震不利的地段。

(5)重點工程必須置于“安全島”內(nèi)［4，9］。大中橋、隧道、車站、高填深挖等不易修復(fù)的大型建筑物應(yīng)避開主干斷裂及其影響區(qū)、斷裂的密集處、交匯處以及新構(gòu)造活動活躍的區(qū)域，特殊結(jié)構(gòu)、高墩、大跨橋梁不應(yīng)跨越主干斷裂。此外，不宜在松散的山坡堆積層上設(shè)置高橋、深挖路塹以及高填、半挖半填的路基。

(6)在地質(zhì)條件及技術(shù)條件許可的情況下，還應(yīng)考慮經(jīng)濟效益、社會效益以及路網(wǎng)的和合理性等方面的因素。

2.2 工作思路和方法

沂沭斷裂帶綜合勘察選線的基本思路，見圖1。

圖1 沂沭斷裂帶綜合勘察選線工作思路

(1)遙感判釋

遙感判釋主要用于宏觀構(gòu)造格架分析，確定主干斷裂的位置及影響范圍，并指導(dǎo)地面調(diào)查和勘探驗證工作的策劃和實施。選用的遙感影像如下所述。

①ETM+(Landsat 7 ETM+)影像［11，12］:為多光譜遙感影像，信息豐富，地面分辨率為15 m，攝影時間2003年。使用過程中，根據(jù)判釋目標的不同，選擇恰當(dāng)?shù)倪b感圖像處理方法［8，12-14］。

②GE(Google Earth)影像［15，16］:該影像同時整合了多種衛(wèi)星影像和地形資料，更新較快，且為免費資源，可對ETM+影像進行必要的補充。

③航片:框幅式航片，相幅23 cm×23 cm，攝影時間2009年。

使用方法:首先，通過ETM+影像和GE影像確定各條主干斷裂的宏觀位置，然后，利用航片，通過色調(diào)、紋理特征以及線狀的負地形［8］，確定斷裂的影響范圍。判釋過程中，兩種不同高度層次的遙感信息應(yīng)進行相互驗證和反復(fù)的對比分析。

(2)地面調(diào)查

針對研究區(qū)內(nèi)斷裂隱伏、露頭少、覆蓋層厚的特點，首先，通過遙感判釋，確定各條主干斷裂的位置和影響范圍;然后，通過地面調(diào)查，獲得各條斷裂的類型、幾何要素、力學(xué)性質(zhì)等信息。

(3)勘探驗證

對遙感判釋和地面調(diào)查不明確，而又控制線路方案的區(qū)域，采用物探、鉆探等方法進一步查明和驗證。通過物探，可以獲得隱伏斷裂的位置、幾何要素、基巖埋深及風(fēng)化層厚度等信息，并為后續(xù)驗證鉆孔的布置提供依據(jù)。鉆探，是驗證地面調(diào)查及物探成果的有效手段，鉆孔的布置，應(yīng)在地面調(diào)查和物探的基礎(chǔ)上，根據(jù)進一步的驗證需要來確定。

3 選線勘察及方案比選

3.1 宏觀構(gòu)造格架

ETM+影像上，沂沭斷裂帶“兩塹夾一壘”的構(gòu)造格架清晰，5條主干斷裂均為北北東向展布，呈現(xiàn)較平直或略有彎曲的線狀影像，見圖2。

圖2 研究區(qū)ETM+影像遙感判釋

3.2 F1斷裂

F1斷裂為研究區(qū)東側(cè)“地塹”的東邊界，控制“響水河以北方案”、“響水河以南方案”、“莒縣北設(shè)站方案”和“不經(jīng)莒縣方案”的比選，見圖3。

3.2.1 遙感判釋

ETM+影像上，響水河以南，F(xiàn)1斷裂東西兩側(cè)色調(diào)差異顯著，東側(cè)主要為淺灰夾淺綠色調(diào)，斑塊狀影紋，為緩丘地貌，西側(cè)為暗色調(diào)，地勢平坦;響水河以北至莒縣以東，由于受地表水(沭河)沖積層覆蓋的影響，ETM+影像的色調(diào)從東到西過渡均勻，F(xiàn)1斷裂在該區(qū)域內(nèi)隱伏，影響寬度由南向北呈“束狀”發(fā)散，見圖3。

“莒縣斷陷盆地”位于莒縣以東，整體形態(tài)為一個近似的“菱形”，為第四紀新斷陷［9，10］。ETM+ 影像上，莒縣斷陷盆地的色調(diào)較周圍區(qū)域略淺，整體為青色，中心偏西區(qū)域色調(diào)較淺，向東、南、北三個方向色調(diào)逐漸變深，過渡為青綠色，反應(yīng)了斷陷盆地內(nèi)部“半弧形”的空間形態(tài)［7］，見圖 3。

3.2.2 地面調(diào)查

根據(jù)遙感判釋，F(xiàn)1斷裂在研究區(qū)的南段出露較好，向北逐漸隱伏，因此，地面調(diào)查主要集中在研究區(qū)的南段。在小嶺村及前小河村附近發(fā)現(xiàn)F1斷裂露頭，傾向約 300°，傾角約 630°，正斷層，為多期活動斷裂［3］，見圖 4。

圖3 F1斷裂ETM+影像遙感判釋圖

圖4 研究區(qū)F1斷裂露頭

3.2.3 勘探驗證

物探采用直流電測深法，分別沿響水河南、北2個方案布置2條測線。解譯得到:F1斷裂東西兩側(cè)地層的視電阻率差異顯著，斷裂整體傾向東，傾角陡立，約70°。根據(jù)地面調(diào)查和物探解譯成果，布置驗證鉆孔7孔/233 m。圖5為響水河南、北2個方案穿F1斷裂影響區(qū)鉆探揭露的地層剖面。

圖5 F1斷裂影響區(qū)地層剖面

從圖5可知，F(xiàn)1斷裂影響區(qū)內(nèi)第四紀覆蓋層厚度大于90 m，影響寬度從南向北逐漸增大，證實了莒縣斷陷盆地的存在。此外，通過物探和鉆探驗證，查明了F1斷裂的性質(zhì)、影響范圍以及“莒縣斷陷盆地”南側(cè)的東、西邊界，為方案研究提供了依據(jù)。

3.2.4 方案比選

表1為F1斷裂影響區(qū)內(nèi)的方案比較表。

表1 F1斷裂影響區(qū)方案比較

3.3 F5、F2 斷裂

F5斷裂位于研究區(qū)東側(cè)的“地塹”內(nèi)，F(xiàn)2斷裂為“地壘”的東邊界，分別控制“響水河以北方案”、“響水河以南方案”和“不經(jīng)莒縣方案”的比選，見圖6。

3.3.1 遙感判釋

ETM+影像上，F(xiàn)5斷裂影響區(qū)為帶狀的暗色調(diào)，南部狹窄，向北逐漸寬泛，構(gòu)造行跡清晰，總體走向為北北東向，局部有錯動，沭河的發(fā)育受其控制，局部河道急轉(zhuǎn)，為F5斷裂活動性的表現(xiàn)。F2斷裂東西兩側(cè)色調(diào)差異明顯，東側(cè)地勢平坦，西側(cè)為緩丘，斷裂影響區(qū)整體表現(xiàn)為暗色調(diào)，條帶狀紋理，總體走向為北北東向，呈“束狀”發(fā)育，南部收斂，北部發(fā)散，見圖6。

圖6 F5、F2斷裂ETM+影像遙感判釋

3.3.2 地面調(diào)查

研究區(qū)內(nèi)F5斷裂北側(cè)隱伏，南側(cè)構(gòu)造行跡清晰。地面調(diào)查期間，在中泉村和毛家屯村附近發(fā)現(xiàn)斷裂露頭，斷裂傾向300～320°，傾角約66°，為逆斷層。圖7為F5斷裂露頭及斷裂泉。

3.3.3 勘探驗證

為了進一步查明F5斷裂的性質(zhì)和影響范圍，結(jié)合遙感判釋及地面調(diào)查成果，分別沿“響水河以南方案”和“不經(jīng)莒縣方案”布置2條/1.85 km物探(高密度電法)測線。但是，由于測區(qū)內(nèi)地表水系發(fā)育，加之F5主干斷裂及其次生斷裂的相互影響，物探解譯效果較差。

驗證鉆孔布置了10孔/583 m，鉆探揭露泥巖、砂巖、粉砂巖、礫巖等，層理雜亂，局部夾斷層泥、糜棱巖等，分布無規(guī)律，為F5斷裂多期運動影響所致，見圖8。

3.3.4 方案比選

圖7 F5斷裂露頭及斷裂泉出露點

圖8 F5斷裂影響區(qū)地層剖面

從平面角度分析，F(xiàn)5斷裂在研究區(qū)內(nèi)“南窄北寬”，選線的宏觀思路是將線路盡量向南側(cè)展布，據(jù)此，推薦“不經(jīng)莒縣方案”，然而，如果從縱斷面角度分析，“不經(jīng)莒縣方案”從研究區(qū)西側(cè)的“地壘”進入F5斷裂影響區(qū)以后，地面高程下降較快，而跨越沭河以后，地面高程又明顯抬升，若要將線路高程的降低幅度控制在一定范圍內(nèi)，線路就必須以橋梁形式通過F5斷裂影響區(qū);若將線路高程盡可能“壓低”，使線路以路基形式穿F5斷裂影響區(qū)，這將導(dǎo)致線路以較大的“挖方”通過F1、F2斷裂影響區(qū)，同時，考慮到F5斷裂控制著區(qū)內(nèi)壞河、柳青河、沭河等眾多地表水的發(fā)育，線路不可能完全以路基形式通過，因此，推薦“響水河以北方案”和“響水河以南方案”。

響水河南、北2個方案穿F5斷裂影響區(qū)的長度及角度相當(dāng)，地質(zhì)條件相當(dāng)，推薦方案應(yīng)在這2個方案中選擇，并通過優(yōu)化平、縱斷面，使線路盡量以路基形式穿F5斷裂影響區(qū)，同時，應(yīng)兼顧F1、F2斷裂影響區(qū)內(nèi)的工程設(shè)置情況。

3.4 F3、F4 斷裂

F3、F4斷裂分別為研究區(qū)西側(cè)“地塹”的東、西邊界?？刂啤败炜h北設(shè)站方案”、“穿大學(xué)城方案”、“繞避大學(xué)城方案”和“長隧道方案”的比選，見圖9。

3.4.1 遙感判釋

ETM+影像上，F(xiàn)3斷裂總體走向為北北東向，斷裂兩側(cè)色調(diào)差異明顯，線狀影像清晰。F4斷裂的總體走向也為北北東向，南部發(fā)散，北部收斂，南北兩側(cè)均呈現(xiàn)“斷續(xù)狀”的線狀影像，中部隱伏，此外，在F4斷裂影響區(qū)的南側(cè)，集中分布了大量的、短的線狀影紋，為F4斷裂的次生斷裂，走向與主干斷裂正交或斜交，分布無規(guī)律，見圖9。

圖9 F3、F4斷裂ETM+影像遙感判釋

3.4.2 地面調(diào)繪

(1)F3斷裂

在遙感判釋的指導(dǎo)下，有針對性地開展地面調(diào)查工作，很快發(fā)現(xiàn)了F3斷裂露頭，進一步確定了F3斷裂的性質(zhì):傾向 270°～320°，傾角 55°～65°，以左行壓扭為主，正斷層，且為多期活動斷裂［3］。圖10為F3斷裂露頭及斷裂泉。

(2)F4斷裂

地面調(diào)查期間未見F4主干斷裂露頭，但發(fā)現(xiàn)大量小斷裂，其破碎帶內(nèi)部巖性混亂，呈土夾碎粒狀，局部被磨蝕成較光滑的透鏡體及圓餅狀，結(jié)構(gòu)和構(gòu)造性質(zhì)均無法識別，現(xiàn)場測量的斷裂幾何要素信息與遙感判釋成果不吻合，判斷為F4斷裂的次生斷裂。

3.4.3 勘探驗證

沿“繞避大學(xué)城方案”平行布置了3條穿F4主干斷裂的物探(高密度電法)測線，間距50 m，3條測線剖面的視電阻率在F4主干斷裂附近均呈“臺階”狀異常，證實了F4主干斷裂的存在，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合遙感判釋及地面調(diào)查成果，布置F3、F4斷裂的驗證鉆孔共9孔/183 m。圖11為“繞避大學(xué)城方案”穿F3、F4斷裂的地層剖面。

圖10 F3斷裂露頭及斷裂泉出露點

圖11 F3、F4斷裂影響區(qū)地層剖面

鉆探揭露的F4斷裂破碎帶物質(zhì)，成分為砂質(zhì)灰?guī)r和頁巖，泥質(zhì)膠結(jié)，巖心斷裂面含角礫，礫徑大小不一，礫面光滑，擠壓現(xiàn)象明顯，并呈定向排列，據(jù)此可判斷F4斷裂為壓扭性斷裂，見圖12。

3.4.4 方案比選

表2為F3、F4斷裂影響區(qū)的方案比較。

圖12 鉆探揭露的F4斷裂破碎帶物質(zhì)

表2 F3、F4斷裂影響區(qū)方案比較

4 結(jié)語

(1)針對山西中南部鐵路通道(沂水至莒縣段)方案研究中遇到的問題和選線的具體要求，提出“以遙感構(gòu)造判釋為先導(dǎo)的綜合勘察選線方法”，并制定了具體的選線原則、工作思路和方法。

(2)充分挖掘了ETM+影像和航片中的地質(zhì)信息，并通過兩種不同高度層次遙感信息的對比分析和相互驗證，對地面調(diào)查和勘探驗證工作的策劃和實施起到了很好的指導(dǎo)作用，有效減少了地面工作的盲目性，縮短了勘測周期，提高了方案研究的效率和質(zhì)量。

(3)采用遙感判釋、地面調(diào)查、物探、鉆探等綜合勘察方法，查明了研究區(qū)內(nèi)沂沭斷裂帶5條主干斷裂的位置、特征和影響范圍，以及“莒縣斷陷盆地”南側(cè)的東、西邊界，為方案研究提供了科學(xué)、可靠的地質(zhì)依據(jù)。

(4)通過比較5條主干斷裂對各比選方案的影響范圍及程度，并對各方案中橋、隧、站等重點工程的設(shè)置情況以及路網(wǎng)的合理性進行綜合評價，最終確定的“繞避大學(xué)城方案”和“響水河以南方案”均走行在沂沭斷裂帶的相對穩(wěn)定區(qū)域，受各種不利因素影響小，重點工程均避開了主干斷裂的影響區(qū)，同時，線路繞避了沂水大學(xué)城，也可帶動莒縣的經(jīng)濟發(fā)展，是各方案中的最優(yōu)方案。

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