高烈度地震山區(qū)鐵路減災(zāi)選線技術(shù)

邱燕玲， 姚令侃，2，3， 朱 穎， 魏永幸

（1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031；2.高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031；3.抗震工程技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031；4.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都610031）

高烈度地震山區(qū)鐵路減災(zāi)選線技術(shù)

邱燕玲1， 姚令侃1，2，3， 朱 穎4， 魏永幸4

（1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031；2.高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031；3.抗震工程技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031；4.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都610031）

為從源頭上減輕高烈度地震山區(qū)的鐵路災(zāi)害，針對(duì)選線設(shè)計(jì)中廊道方案選擇和空間定線，從風(fēng)險(xiǎn)調(diào)控的理念，研究了減災(zāi)選線技術(shù).采用斷裂構(gòu)造地貌理論，對(duì)活動(dòng)斷裂塑造的地貌格局和強(qiáng)震災(zāi)害效應(yīng)進(jìn)行了綜合分析，得出了廊道方案選擇原則.根據(jù)波動(dòng)理論，對(duì)蘆山、汶川地震等表現(xiàn)出的地震波傳播的地形效應(yīng)進(jìn)行分析，提出了空間定線要點(diǎn).研究結(jié)果表明：逆斷層下盤撓曲盆地、正斷層上盤斷陷盆地、走滑斷層斷陷盆地和拉分盆地，均是鐵路廊道方案可利用的地貌單元.確定大段落線路高程時(shí)，可不考慮高程放大效應(yīng)；峽谷地形線路應(yīng)避免布置在地震波入射方向一側(cè)；近場區(qū)線路應(yīng)選擇在地震波傳播的迎坡向，遠(yuǎn)場區(qū)在背坡向；應(yīng)盡量避免設(shè)置小半徑曲線，凸曲線應(yīng)避免設(shè)置深路塹或高大支擋工程.

鐵路選線設(shè)計(jì)；地震；山區(qū)；風(fēng)險(xiǎn)調(diào)控

21世紀(jì)以來，相隔不到5年，四川境內(nèi)就相繼發(fā)生了“5·12”汶川大地震和“4·20”蘆山地震.這2次地震中，災(zāi)區(qū)公路、鐵路震害嚴(yán)重.而且，交通阻斷極大地阻礙、延緩了救援隊(duì)伍和工程機(jī)械進(jìn)入災(zāi)區(qū)，加大了救援難度，成為搶通保通工作的巨大障礙.選線設(shè)計(jì)事關(guān)整個(gè)鐵路設(shè)計(jì)的全局，高烈度地震山區(qū)選線不僅是從源頭上減輕災(zāi)害的首要環(huán)節(jié)，也是在節(jié)省工程投資和減輕未來地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的矛盾中統(tǒng)籌規(guī)劃的多目標(biāo)決策過程.必須從廊道方案選擇到空間定線的各環(huán)節(jié)系統(tǒng)貫徹風(fēng)險(xiǎn)調(diào)控的理念，而支撐該理念實(shí)施的理論與技術(shù)研究亟待開展.

目前國家標(biāo)準(zhǔn)和鐵路行業(yè)規(guī)范并未設(shè)定不能修建鐵路的禁區(qū)，是否采用通過高烈度地震區(qū)的方案，仍應(yīng)通過技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等多方面因素綜合比選后決定.若從全局考慮認(rèn)定通過高烈度地震區(qū)為最有利的方案時(shí)，除按規(guī)范進(jìn)行工程抗震設(shè)計(jì)外，更重要的是在選線設(shè)計(jì)各階段都應(yīng)貫徹風(fēng)險(xiǎn)調(diào)控的理念，最大限度地減少地震風(fēng)險(xiǎn).鐵路選線設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容，從整體到局部依次分為走向選擇、空間定線、工程布置3個(gè)環(huán)節(jié).有關(guān)工程布置階段的減災(zāi)對(duì)策已另文介紹［1-2］.本文的目的即在上述2次地震大量實(shí)震資料的支持下，研究反映山區(qū)地震地形效應(yīng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，提出走向選擇、空間定線這2個(gè)環(huán)節(jié)的風(fēng)險(xiǎn)調(diào)控原則和方法.

1 基于斷裂構(gòu)造地貌學(xué)的鐵路廊道方案選擇原則

選線設(shè)計(jì)中，走向選擇即確定線路的基本交通廊道，是鐵路線路設(shè)計(jì)中最根本的問題，線路走向是否合理，直接關(guān)系到鐵路本身的工程投資和運(yùn)營效果.地形決定了選線條件，并在很大程度上影響鐵路的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn).高烈度地震山區(qū)多為新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的造山帶，強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使區(qū)域地形地貌陡峻，地形條件往往成為該區(qū)域線路的控制性因素.

1.1 斷裂構(gòu)造與地形廊道

在地形陡峭的山區(qū)，常常會(huì)鑲嵌一些寬谷或線狀分布的盆地，這些在崇山峻嶺中鑲嵌的平緩、順直的盆地，在歷史上一般已自然演化形成為經(jīng)濟(jì)據(jù)點(diǎn)和交通廊道，成為鐵路應(yīng)利用的有利地形，鐵路從此通過也符合服務(wù)地方，滿足社會(huì)、經(jīng)濟(jì)要求的宗旨.此外，崩塌、滑坡、泥石流是山區(qū)鐵路常年遭受的山地災(zāi)害，其發(fā)生頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地震，利用山區(qū)盆地布線還能有效地減輕鐵路服務(wù)期內(nèi)的山地災(zāi)害.

但這些盆地往往是活動(dòng)斷裂塑造的地貌，它們沿?cái)嗔褞Х植迹桥c斷裂相關(guān)的構(gòu)造盆地.可以將這類構(gòu)造盆地分為撓曲類盆地、伸展類盆地和走滑類盆地三大類，分別沿逆斷層、正斷層和走滑斷層走向分布（圖1）.

圖1 與斷裂相關(guān)的構(gòu)造盆地Fig.1 Fault-related tectonic basins

撓曲類盆地是在擠壓性造山過程中，巖石圈褶皺沖斷，在俯沖、擠壓和逆沖負(fù)荷作用下巖石圈彎曲沉降并充填而形成的盆地.在造山帶前緣，這種撓曲類盆地稱為前陸盆地（圖2（a）），規(guī)模一般較大，隨著遠(yuǎn)離造山帶，撓曲作用減弱，并在前緣隆起.如成都盆地是龍門山前陸盆地，龍泉山則是成都盆地的前緣隆升［3］.隨著逆沖帶向前擴(kuò)展，前陸盆地被卷入褶皺中，造山帶不斷加厚并向前陸推進(jìn)，原前陸盆地被推覆掩蓋、破裂萎縮，有可能在造山帶內(nèi)部殘留小盆地，如雅江盆地就是前陸盆地邊緣的殘留盆地［4］.

伸展類盆地是在引張作用下，地殼和巖石圈伸展、減薄而形成的盆地.斷陷盆地是由斷層所圍限的陷落盆地，在平面上沿?cái)鄬泳€呈狹長條狀分布，在剖面上受斷層圍限方式控制，單側(cè)有斷裂形成楔形斷陷盆地（圖2（b）），雙側(cè)有斷裂形成槽形斷陷盆地（圖2（c））.盆地內(nèi)堆積有較厚的第四紀(jì)松散沉積物，山區(qū)盆地中，斷陷盆地規(guī)模一般較大.

沿大型走滑斷裂帶附近形成的各種類型的盆地統(tǒng)稱為走滑類盆地.如果是純的走向滑動(dòng)斷層，斷層在剖面上直立，在平面上呈直線，不可能產(chǎn)生張性或壓性分量，斷裂兩側(cè)巖體守恒，不能形成盆地.山區(qū)廣泛發(fā)育的走滑斷裂對(duì)調(diào)節(jié)造山帶的差異壓縮和伸展具有重要作用，有一定的傾向分量，這就形成了山嶺和盆地地貌.

由于斷層兩側(cè)的反向水平運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)前進(jìn)方向受限，后方應(yīng)力虧損，在斷層末端產(chǎn)生分支正斷層，將剪切運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為局部拉張及垂直斷陷運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力調(diào)整而終止破裂，因而形成楔形斷陷盆地.單條走滑斷裂在地貌上表現(xiàn)為斷裂前端的隆起山嶺和末端的斷陷盆地.走滑斷層一般不會(huì)單獨(dú)出現(xiàn)，往往是多條走滑斷層羽列狀階步疊接組成走滑斷裂帶，由于2條羽列狀斷層之間相向運(yùn)動(dòng)，往往發(fā)育拉分盆地（圖2（d））.拉分盆地是沿走滑斷裂帶發(fā)育多且大的盆地，在右旋右階或左旋左階條件下形成，多呈菱形或矩形.拉分盆地的規(guī)模變化很大，大者長逾百千米，寬數(shù)十千米，小者長數(shù)百米，寬僅數(shù)十米.如甘孜盆地就是鮮水河斷裂帶和玉樹-甘孜斷裂帶形成的大型拉分盆地.

圖2 斷裂構(gòu)造盆地示意Fig.2 Schematic diagram of fault tectonic basins

可見，在山區(qū)，不同類型的斷層，塑造了各類構(gòu)造盆地，要利用這些地形條件有利的區(qū)域布線，就必須面對(duì)地震災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn).下面在對(duì)不同類型斷裂的活動(dòng)性和強(qiáng)震震害特征分析的基礎(chǔ)上，提出廊道方案選擇的原則.

1.2 基于地形和地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)綜合分析的廊道方案選擇原則

1.2.1 近逆斷層的廊道方案選擇原則

逆斷層活動(dòng)性的特點(diǎn)是高震級(jí)低頻率，需要較長時(shí)間累積應(yīng)力、應(yīng)變.強(qiáng)震作用下上下盤效應(yīng)明顯，上盤產(chǎn)生的地表變形和破壞范圍大，而下盤擠壓下陷，活動(dòng)性弱，破壞效應(yīng)沿主斷裂迅速衰減.如汶川地震觸發(fā)的崩塌滑坡，上盤在20 km后衰減，而下盤6 km后迅速衰減［6］.前陸盆地范圍很廣，一般線位具有遠(yuǎn)離斷裂帶的條件；若鐵路必須建在斷裂附近時(shí)，線位應(yīng)選擇在下盤的盆山過渡區(qū)域，這樣可相對(duì)減輕地震風(fēng)險(xiǎn).而對(duì)于前陸殘留盆地，已被卷入斷層上盤之中，地震破壞作用強(qiáng)烈，不建議選線利用.

1.2.2 利用正斷層斷陷盆地的廊道方案選擇原則

正斷層從地震破壞效應(yīng)來看，由于上盤效應(yīng)，地震破壞作用比下盤強(qiáng)，對(duì)線路是不利因素；但上盤的斷陷盆地在地形上有利，同時(shí)海拔較下盤低，可大幅度降低線路高程.由于正斷層以張性為主，斷層面的正應(yīng)力小，摩擦阻力低，正斷層僅需較小的應(yīng)變能即可位移，因此產(chǎn)生的地震能級(jí)較小.如有歷史記錄的正斷層地震超過7級(jí)的僅2次，最大一次是1959年Hebgen Lake Mw7.29級(jí)地震［7］.綜合考慮地震風(fēng)險(xiǎn)和地形條件，仍建議鐵路一般沿正斷層上盤斷陷盆地布線，并采用工程抗震設(shè)計(jì)抵御地震風(fēng)險(xiǎn).

當(dāng)雄-羊八井?dāng)嗔褞挥谀昵嗵乒爬綎|南麓，總體走向北東、南北展布，是班公湖-班戈-嘉黎地震帶中段的次一級(jí)地震構(gòu)造帶，主要由正斷層和左旋走滑斷層構(gòu)成，斷層傾角50°～66°.正斷層控制形成的地貌，由桑雄、谷露、當(dāng)雄、寧中、羊八井、吉達(dá)果6個(gè)盆地及其間的煙它、九子拉、當(dāng)雄南、寧中西南、羊八井南5個(gè)橫向隆起組成，全長240 km，寬5～25 km，是一條狹長的斷陷谷地帶［8］.青藏鐵路古露—羊八井段利用該斷陷盆地布線約150 km（圖3），該段線路地形平坦、工程簡易，并使線路高程控制在4 300～4 600 m內(nèi)（盆地兩側(cè)山地平均海拔高度達(dá)5 500 m），避免了海拔過高出現(xiàn)的多年凍土問題.這是利用正斷層上盤斷陷盆地選線的成功范例.

1.2.3 利用走滑斷層構(gòu)造盆地的廊道方案選擇原則

走滑斷層形成的斷陷盆地和拉分盆地往往孕育山區(qū)帶狀分布的寬谷地形.這些沿活動(dòng)斷裂帶間斷分布的盆地通常是被斷裂圍限的區(qū)域，其內(nèi)部巖層完整性較好，構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定，符合活動(dòng)性斷裂帶地區(qū)空間定線的“安全島”條件.但需注意的是，一般走滑斷層的發(fā)震頻率較高，也可能發(fā)生強(qiáng)震，為此提出采用簡易工程的風(fēng)險(xiǎn)調(diào)控策略.線路通過走滑類盆地，由于不受高程障礙的限制，只需注意繞避平面障礙，因此可大量采用路基工程，修建一條橋隧比例低、造價(jià)省、受災(zāi)后容易修復(fù)的線路，實(shí)現(xiàn)以簡易工程為主體通過走滑斷裂帶密集區(qū)的理念［9］.此外，走滑斷層的斷錯(cuò)地貌跡象明顯，如斷錯(cuò)水系、斷錯(cuò)階地、斷塞塘等，根據(jù)這些地貌標(biāo)志，容易準(zhǔn)確確定斷裂帶的位置，為定線階段避讓斷層提供較精確的信息.

圖3 青藏鐵路古露—羊八井段Fig.3 Gulu-Yangbajing section of Qinghai-Tibet railway

安寧河斷裂帶處于康滇地軸的軸部，斷裂帶分為東、西兩支，近南北向平行展布，2支間距約4～9 km，傾角60°～80°，晚更新世以來的主要活動(dòng)集中在東支斷裂上［10］.安寧河斷裂帶控制了現(xiàn)代地貌的發(fā)育，冕寧至德昌段，在2支斷裂之間的狹長地帶因兩側(cè)斷裂強(qiáng)烈活動(dòng)形成了典型的斷陷盆地［11］.成昆鐵路利用該盆地走線約90 km（圖4）.

圖4 成昆鐵路漫水灣—德昌段Fig.4 Manshuiwan-Dechang section of Chengdu-Kunming railway

安寧河流域是我國著名的泥石流密集分布區(qū)，鐵路漫水灣至德昌段沿線分布有泥石流溝53條，以溝谷型泥石流為主.由于該段河谷寬緩，谷寬平均達(dá)5 km，階地開闊，泥石流洪積扇可自由發(fā)育，泥石流動(dòng)能至洪積扇前緣已消減殆盡，而線路在大型洪積扇前緣通過.40余年的運(yùn)營實(shí)踐表明，該段的泥石流災(zāi)害比兩段毗鄰區(qū)段峽谷段的災(zāi)害少得多，應(yīng)該說是成功的鐵路選線設(shè)計(jì).

2 基于地震波傳播地形效應(yīng)的定線要點(diǎn)

廊道方案確定后，區(qū)間定線風(fēng)險(xiǎn)調(diào)控的重點(diǎn)是，盡量選擇在地震動(dòng)作用相對(duì)較弱的部位通過.發(fā)生在山區(qū)的宏觀震害現(xiàn)象表明，地震波在山區(qū)的傳播特性較平原地區(qū)復(fù)雜，地表地震動(dòng)除受表層土影響外，還受地形高差效應(yīng)的影響.

自1971年San Fernando地震在Pacoima壩左岸山體上記錄到高達(dá)1.25g加速度［12］以來（g為重力加速度），地震波的地形效應(yīng)一直是研究的前沿和熱點(diǎn)問題.目前還沒有定量估計(jì)地形效應(yīng)的方法，只是對(duì)一些典型地形得出了比較一致的定性結(jié)論，如地震動(dòng)在凸地形放大，在凹地形減小等.在缺乏地震監(jiān)測臺(tái)陣數(shù)據(jù)的情況下，地震觸發(fā)崩塌、滑坡為觀察地震宏觀地形效應(yīng)提供了一種途徑.雖然地震觸發(fā)崩塌、滑坡受斷裂、地形地貌以及巖性三大因素的影響，但在巖性相近的條件下，崩塌、滑坡的嚴(yán)重程度將直接反映斜坡地震動(dòng)的強(qiáng)度，即震中距和地形的綜合效應(yīng).因此地震觸發(fā)崩塌、滑坡的發(fā)育程度應(yīng)與地震地形效應(yīng)具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系.據(jù)此，通過對(duì)“4·20”蘆山地震崩塌、滑坡實(shí)震資料的分析，結(jié)合波動(dòng)理論，獲得了對(duì)地形效應(yīng)的認(rèn)識(shí)，提出基于地震地形效應(yīng)的定線要點(diǎn).

2.1 地震動(dòng)高程放大效應(yīng)與定線要點(diǎn)

地震動(dòng)沿一維高程的放大效應(yīng)一直是地形效應(yīng)中最受關(guān)注也是最富爭議的問題.國內(nèi)外都通過地形監(jiān)測臺(tái)陣獲得了一些反映地震動(dòng)沿山體高程變化的數(shù)據(jù)，如美國Kagel山、Josephine山［13］，山頂與山腳兩測點(diǎn)相比表現(xiàn)出放大效應(yīng)，希臘Sourpi山、法國Mont Saint Eynard［14］、我國自貢西山公園多個(gè)測點(diǎn)表現(xiàn)出放大效應(yīng)［15］，而美國Robinwood Ridge［16］、我國青川東山、獅子梁、桅桿梁及綿竹市九龍鎮(zhèn)清泉村山前斜坡［17］的監(jiān)測結(jié)果表明，加速度沿高程沒有明顯的放大效應(yīng).總體上看，這些監(jiān)測結(jié)果的結(jié)論并不一致，但基本還是給出了一個(gè)共性結(jié)論，即山頂對(duì)山底存在一種放大效應(yīng).

鐵路選線廊道方案選擇和確定大段落線路高程時(shí)，考慮的尺度是宏觀山勢(shì)或地勢(shì)臺(tái)階，高程效應(yīng)是否在區(qū)域性的尺度上體現(xiàn)，這才是鐵路選線關(guān)注的問題.采用震后遙感影像解譯并結(jié)合野外調(diào)查的方法，發(fā)現(xiàn)在3 300 km2蘆山地震災(zāi)區(qū)范圍內(nèi)，有1 792個(gè)崩塌、滑坡等地震次生斜坡山地災(zāi)害，海拔范圍為600～2 800 m.

采用空間分辨率為30 m的DEM進(jìn)行空間分析以獲取海拔高程信息，每200 m劃分一個(gè)高程區(qū)間，在IX、VIII、VII度區(qū)內(nèi)分別統(tǒng)計(jì)各高程區(qū)間的面積及區(qū)間內(nèi)的災(zāi)害面積，得各高程區(qū)間的災(zāi)害密度分布，見圖5.

從圖5可見，在蘆山地震災(zāi)區(qū)，災(zāi)害密度與區(qū)域性海拔高程并沒有明顯關(guān)系.

為了進(jìn)一步分析高程放大效應(yīng)對(duì)選線的影響，對(duì)單個(gè)山體進(jìn)行了詳細(xì)考察.縣道X074太平鎮(zhèn)中林村—大川鎮(zhèn)處于蘆山地震的Ⅷ、Ⅶ度區(qū)，線路總長30 km，是一條越嶺線，線路最高處埡口和中林村之間的海拔高差達(dá)550 m.線路通過地層為三疊系須家河組淺灰色厚層中粗粒、細(xì)粒巖屑砂巖，線路平面及沿線48處邊坡塌方災(zāi)害分布見圖6.

圖5 各高程區(qū)間災(zāi)害密度Fig.5 Disasters density in different elevation ranges

圖6 線路平面和邊坡塌方災(zāi)害分布Fig.6 Plan view of a road and distribution of landslides

圖7是邊坡塌方災(zāi)害的海拔與震中距的關(guān)系，圖8為按同一震中距（以1 km計(jì)）對(duì)線路邊坡塌方量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的結(jié)果.

圖7 邊坡塌方災(zāi)害的海拔與震中距的關(guān)系Fig.7 Relationship between landslide elevationand epicenter distance

可見，在震中距8 km（線路起點(diǎn)）至震中距10 km處，線路處于爬坡上升段，就線路高程而言，系單調(diào)增加，就震中距而言，基本上是逐步遠(yuǎn)離震中，但塌方量急劇下降，說明震中距是地震觸發(fā)災(zāi)害強(qiáng)度的控制因素；此后，線路高程繼續(xù)爬升至埡口，而后下坡至線路終點(diǎn)，該段線路邊坡塌方量變化不大，僅在震中距14和17 km處出現(xiàn)2個(gè)小峰值，從圖7看，2處峰值出現(xiàn)在線路分水嶺附近.

圖8 塌方量與震中距的關(guān)系Fig.8 Relationship between landslide volume and epicenter distance

綜上，蘆山地震實(shí)震資料表明，從大范圍看（研究區(qū)3 300 km2），區(qū)域性地震動(dòng)的強(qiáng)弱程度與海拔高程并無密切的關(guān)系；對(duì)于寬厚山體或大地勢(shì)臺(tái)階，也不存在地震動(dòng)沿高程明顯遞增的規(guī)律性；但就單個(gè)山體而言，頂部地震動(dòng)大于底部的現(xiàn)象是存在的.因此，鐵路選線確定大段落線路高程時(shí)，可不考慮高程放大效應(yīng)；但一般不宜采用山脊線方案.此外，自然山體上部的陡緩轉(zhuǎn)折部位、單薄孤立山脊部位等確實(shí)對(duì)地震波具有放大作用的局部地形，這種發(fā)生在山體上部的“放大效應(yīng)”，個(gè)體工程布設(shè)時(shí)仍需加以考慮.如路橋工程上方的斜坡面存在條形山脊或陡緩轉(zhuǎn)折變化部位時(shí)，由于這種地形易觸發(fā)崩塌、滑坡，抗震設(shè)防需考慮對(duì)高位坡體的防護(hù).

2.2 山體坡向效應(yīng)與定線要點(diǎn)

崩塌、滑坡等邊坡塌方方向主要受斜坡坡面方向控制，但在地震波傳播的方向上，坡向效應(yīng)也有所體現(xiàn).文獻(xiàn)［18］從汶川地震航衛(wèi)片圖分析中指出，在與發(fā)震斷裂帶近于垂直的溝谷斜坡中，地震波傳播背坡面一側(cè)滑坡發(fā)育的密度明顯大于迎坡面一側(cè)，并將這種現(xiàn)象稱為“背坡向”效應(yīng)，這種現(xiàn)象在1999年我國臺(tái)灣集集Mw7.6級(jí)地震和2005年巴基斯坦Kashmir Mw7.6級(jí)地震中也有體現(xiàn)［18］.

蘆山地震是盲逆斷層［19］，震源為一點(diǎn)源.按地震波傳播方向?qū)?zāi)害點(diǎn)的塌方方向進(jìn)行處理，即確定塌方災(zāi)害點(diǎn)相對(duì)震中的塌方方向.如圖9，繪出震中和災(zāi)害點(diǎn)的射線及其切線方向，以90°劃分成4個(gè)區(qū)域：A區(qū)域是背坡向，C區(qū)域是迎坡向，B、D區(qū)域?yàn)榍邢?從總體統(tǒng)計(jì)（表1）來看，發(fā)生在各個(gè)方向的災(zāi)害數(shù)量基本相同，迎坡向和背坡向沒有明顯差異.但從各方向?yàn)?zāi)害發(fā)生的面積來看，背坡向是迎坡向的1.27倍，說明背坡向發(fā)生的災(zāi)害一般規(guī)模更大.

圖9 災(zāi)害點(diǎn)相對(duì)震中的塌方方向Fig.9 Landslide relative direction to the epicenter

當(dāng)考慮震中距的因素后，有以下規(guī)律：發(fā)生在地震波傳播背坡向的大型塌方震中距較小，發(fā)生在迎坡向的大型塌方震中距較大，這一規(guī)律對(duì)規(guī)模越大的災(zāi)害點(diǎn)越顯著（表2）.

表1 蘆山地震災(zāi)害點(diǎn)相對(duì)震中的塌方方向統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of landslide relative direction to the epicenter of Lushan earthquake

表2 迎、背坡向大型塌方的平均震中距Tab.2 The average distance of large landslides for facing and backing to the epicenter

對(duì)表2中的現(xiàn)象可進(jìn)行理論解釋.雖然體波的入射方向很難確定，但總體來看，因地殼介質(zhì)的密度由地表往下隨地層深度而增大，根據(jù)斯內(nèi)爾定律，地震波由下往上傳播時(shí)，其入射方向?qū)⒅饾u接近于垂直地表，因此體波一般以陡傾角出射地面.在體波陡傾入射時(shí)，地震波傳播方向的迎坡面和背坡面山體兩側(cè)會(huì)有不同的振動(dòng)響應(yīng).如圖10（a），P波是振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的拉壓波，拉應(yīng)變下巖體產(chǎn)生的破裂面與波的振動(dòng)方向垂直；S波是振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直的剪切波，剪應(yīng)變作用下巖體產(chǎn)生的破裂面與波的振動(dòng)方向平行.因此，對(duì)直射波和反射波，P波的拉應(yīng)力和S波的剪應(yīng)力都使背坡面易于產(chǎn)生順坡向的裂隙.

圖10 地震波的山體坡向效應(yīng)Fig.10 Slope effect of seismic waves

上述“背坡向”效應(yīng)是體波作用效應(yīng)，發(fā)生在體波占地震波主要能量成分的近場區(qū).隨著地震波在地表的傳播，面波逐漸累積并轉(zhuǎn)變?yōu)榈卣鸩芰康闹饕煞?在面波起主要作用的遠(yuǎn)場區(qū)，沿地表傳播的面波傳入迎坡面后，在山頂部位發(fā)生復(fù)雜的傳播過程——主要分為兩部分，一部分反射回迎坡面，另一部分傳向背坡面；在背坡面?zhèn)鞑サ拿娌ㄔ谏侥_發(fā)生波型轉(zhuǎn)換，一部分轉(zhuǎn)為體波向下傳播，另一部分面波向后傳播（圖10（b））.迎坡面振動(dòng)將更為強(qiáng)烈.

綜上，體波占地震波主要能量的近場區(qū)，線路應(yīng)選擇迎坡向；在面波占地震波主要能量的遠(yuǎn)場區(qū)，線路應(yīng)選擇背坡向.

2.3 峽谷地形屏蔽效應(yīng)與定線要點(diǎn)

早在1970年就發(fā)現(xiàn)峽谷地形對(duì)地震波有屏蔽效應(yīng).當(dāng)?shù)卣鸩ㄍㄟ^峽谷地形時(shí)，在峽谷兩側(cè)產(chǎn)生的波場是不對(duì)稱的，地震波入射方向一側(cè)的振幅更大，而在峽谷另一側(cè)減弱.前蘇聯(lián)蘇拉克河峽谷是切割上白堊統(tǒng)石灰?guī)r巖層的Ⅴ形對(duì)稱峽谷，深度為250 m，最大寬度300 m，在峽谷的奇爾凱伊堤壩閘門區(qū)兩側(cè)布有10個(gè)觀察點(diǎn).圖11是峽谷兩側(cè)高200 m的觀測點(diǎn)在1970-12-24地震中速度時(shí)程的頻譜分析結(jié)果［20］，對(duì)比地震波入射的右側(cè)，峽谷左側(cè)繞射側(cè)屏蔽了高頻成分的地震波.

圖11 峽谷兩側(cè)觀測點(diǎn)速度時(shí)程的頻譜分析［20］Fig.11 Frequency spectrum analysis of wave velocity-time history recorded on both sides of a canyon

在蘆山地震中，峽谷地形的這種屏蔽效應(yīng)體現(xiàn)得很明顯，崩塌災(zāi)害的分布與地形地質(zhì)條件有很密切的關(guān)系.塌方災(zāi)害點(diǎn)連續(xù)、密集的地段主要分布在硬巖深切峽谷段，主要有銅頭-朱沙峽谷、一線天峽谷、金雞峽、小關(guān)子-穆平峽谷.其中，銅頭-朱沙峽谷、一線天峽谷、金雞峽的地層為大溪礫巖組厚層塊狀粗礫巖.大溪礫巖組形成的寬厚狀山體沿大川-雙石斷裂下盤一側(cè)帶狀分布，在山體橫向上由水系切割成3段峽谷（圖12）.地震波的傳播方向沿山系方向，由于相對(duì)于震中的位置關(guān)系，在銅頭-朱沙峽谷、一線天峽谷，地震波的傳播方向是由左向右；而在金雞峽，地震波的傳播方向是由右向左.災(zāi)害解譯統(tǒng)計(jì)（表3）表明，入射側(cè)的塌方災(zāi)害明顯大于繞射側(cè).

圖12 峽谷地形研究區(qū)域Fig.12 Study area in the canyon

表3 峽谷段兩側(cè)災(zāi)害對(duì)比Tab.3 The comparison of slope failures on two sides of canyons

可用波動(dòng)理論對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行解釋：沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ腞ayleigh波遇到峽谷地形障礙時(shí)，由于波的衍射作用，Rayleigh波的長周期成分能夠穿過地形障礙向后傳播，而短周期成分在峽谷的波入射一側(cè)發(fā)生反射，或轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛳聜鞑サ捏w波，因而峽谷地形在空間上阻斷了Rayleigh波的傳播.這種空間阻斷效應(yīng)是由波長和地形尺度決定的，波長越短，地形尺度越大，這種效應(yīng)越明顯.峽谷地形主要屏蔽了地面振幅相對(duì)較強(qiáng)的Rayleigh波，使地面振動(dòng)振幅減小.

選線通過峽谷地形時(shí)，根據(jù)上述規(guī)律，應(yīng)避免選擇在峽谷入射方向一側(cè).

2.4 臨空面效應(yīng)與曲線定線要點(diǎn)

無論從宏觀震害調(diào)查、強(qiáng)震觀測、理論計(jì)算還是從模型試驗(yàn)結(jié)果看，局部多臨空面的突出地形對(duì)地震波的影響明顯.如汶川縣的地形在海拔1 500～2 500 m之間，廣泛發(fā)育中山山脊和夷平面臺(tái)地，是三維臨空的地形、凸出臺(tái)地、孤立山包最為發(fā)育的地區(qū)，崩塌、滑坡發(fā)生的密度最大.海拔超過2 500 m的山體，這3種地貌較不發(fā)育，崩塌、滑坡災(zāi)害發(fā)生率降低［6］.

這種臨空面造成的震動(dòng)放大效應(yīng)在線路工程上也有反映.汶川地震中，紫坪鋪至映秀段的59個(gè)路塹墻，位于平曲線上凸出側(cè)的毀壞比率高達(dá)35.3%，明顯高于直線段的24.2%和凹陷側(cè)的11.1%［21］.

綜上，鐵路選線在區(qū)間定線的平面設(shè)計(jì)階段，應(yīng)盡量避免設(shè)置小半徑曲線；此外，凸曲線側(cè)要避免設(shè)置深路塹或高大支擋工程.

3 結(jié)束語

高烈度地震區(qū)傳統(tǒng)的鐵路選線設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在工程布置環(huán)節(jié)，即工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，對(duì)選線這一從源頭上減災(zāi)的重要措施有所忽略.為此，對(duì)于選線設(shè)計(jì)走向選擇、空間定線兩項(xiàng)基本工作內(nèi)容，應(yīng)研究高烈度地震山區(qū)減災(zāi)選線技術(shù).本文獲得的主要結(jié)論：逆斷層下盤撓曲盆地、正斷層上盤斷陷盆地、走滑斷層斷陷盆地和拉分盆地，均是鐵路廊道方案可利用的地貌單元.空間定線時(shí)，區(qū)域性地震動(dòng)的強(qiáng)弱程度與海拔無關(guān)，寬厚山體或大地勢(shì)臺(tái)階不存在地震動(dòng)沿高程遞增的規(guī)律，確定大段落線路高程時(shí)可不考慮高程放大效應(yīng)；峽谷地形線路應(yīng)避免布置在地震波入射方向一側(cè)；近場區(qū)線路應(yīng)選擇布置在地震波傳播的迎坡向，遠(yuǎn)場區(qū)在背坡向；應(yīng)盡量避免設(shè)置小半徑曲線，凸曲線側(cè)要避免設(shè)置深路塹或高大支擋工程.

面對(duì)本世紀(jì)以來大地震頻發(fā)的態(tài)勢(shì)，選線人員在確定通過高地震烈度區(qū)的線路時(shí)特別慎重.目前國家地震部門和鐵路行業(yè)規(guī)范并未設(shè)定不能修建鐵路的禁區(qū)，是否采用通過高烈度地震區(qū)的方案，仍應(yīng)通過技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等多方面因素綜合比選后決定.為此，提出高烈度山區(qū)鐵路選線理念：不設(shè)禁區(qū)，綜合比選，按規(guī)設(shè)防，風(fēng)險(xiǎn)調(diào)控.本文從定線角度提出了一些風(fēng)險(xiǎn)調(diào)控的技術(shù)措施.從選線到個(gè)體工程設(shè)計(jì)全過程建立地震風(fēng)險(xiǎn)調(diào)控的理念和技術(shù)體系，應(yīng)是高地震烈度山區(qū)鐵路設(shè)計(jì)的發(fā)展方向.

構(gòu)造地貌是指受構(gòu)造內(nèi)動(dòng)力作用控制，通過內(nèi)外地質(zhì)動(dòng)力相互作用奠定的能夠反映一定構(gòu)造特征的地貌形式.地貌與構(gòu)造的關(guān)系、構(gòu)造地貌發(fā)生和發(fā)展過程都是構(gòu)造地貌學(xué)的基本研究內(nèi)容.地形選線是鐵路選線設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，若進(jìn)一步從原生構(gòu)造地貌尺度獲得對(duì)選線作業(yè)區(qū)地形成因的認(rèn)識(shí)，在構(gòu)造地貌學(xué)的時(shí)空間尺度上考慮區(qū)域穩(wěn)定性和地貌格局，指導(dǎo)選線設(shè)計(jì)，無疑是選線設(shè)計(jì)思維境界的提升.對(duì)基于斷裂地貌的鐵路廊道方案選擇原則的研究，企盼產(chǎn)生拋磚引玉之效.

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（中、英文編輯：付國彬）

Disaster Reduction Techniques of Railway Route Selection in Mountainous Regions with High Earthquake Intensity

QIU Yanling1， YAO Lingkan1，2，3， ZHU Ying4， WEI Yongxing4
（1.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；2.MOE Key Laboratory of High-Speed Railway Engineering，Chengdu 610031，China；3.Sichuan Key Laboratory of Seismic Engineering and Technology，Chengdu 610031，China；4.China Railway Eryuan Engineering Group，Chengdu 610031，China）

To reduce earthquake-induced disasters of railway in mountainous regions with a high earthquake intensity from fountainhead，the disaster reduction techniques of the selection of transportation corridors and the space layout of railway lines，were researched based on the concept of risk control.From the fault tectonic geomorphology theory，landform patterns formed by active faults and seismic disasters were analyzed，and the selection principles of transportation corridors were obtained.From the wave motion theory，the topography effects of seismic wave propagation reflected in the Lushan and Wenchuan earthquakes were analyzed，and the key points of line space layout were worked out.The research result shows that lexural basin on footwall of reversed faults，rift basin on hanging wall of normal faults，and rift basin and pull-apart basin on strike-slip faults are available geomorphic units of railway corridors.Elevation amplification effect may not be considered in the route elevation determination of large sections.Canyon routes shall be avoided laying in the incident side of seismic waves.Earthquake near-field routes shall be selected along the hillside facing wave propagationdirection，while far-field routes in the opposite side.Sharp curves must be avoided，moreover，deep cutting slopes and tall retaining structures shall be avoided layouting in the convex side of a curve.

railway route selection；earthquake；mountain zone；risk control

U212.3

A

0258-2724（2014）06-0972-09

10.3969／j.issn.0258-2724.2014.06.007

2013-10-28

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（41030742）；鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2011G019-B）

邱燕玲（1986－），女，博士研究生，研究方向?yàn)殍F路公路工程勘察設(shè)計(jì)新技術(shù)，E-mail：aggieqiuyanling＠126.com

姚令侃（1953－），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殍F路公路工程災(zāi)害防治及安全技術(shù)，E-mail：yaolk＠home.swjtu.edu.cn

邱燕玲，姚令侃，朱穎，等.高烈度地震山區(qū)鐵路減災(zāi)選線技術(shù)［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，49（6）：972-980.