小江活動(dòng)斷裂對(duì)渝昆鐵路選線的影響及評(píng)價(jià)

張會(huì)剛 付開(kāi)隆 張廣澤 杜 義

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 成都610031；2.中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所, 北京 100085)

小江活動(dòng)斷裂對(duì)渝昆鐵路選線的影響及評(píng)價(jià)

張會(huì)剛1付開(kāi)隆1張廣澤1杜 義2

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 成都610031；2.中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所, 北京 100085)

擬建渝昆高速鐵路重要比選方案會(huì)澤至嵩明段平行小江活動(dòng)斷裂，地形地貌及地質(zhì)條件極為復(fù)雜。通過(guò)對(duì)內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)災(zāi)害(活動(dòng)斷裂及高烈度地震)、重力地質(zhì)災(zāi)害(滑坡、崩塌、泥石流、潛在不穩(wěn)定山體)以及施工地質(zhì)災(zāi)害(隧道軟巖大變形)等控制線路走向的重大工程地質(zhì)問(wèn)題分析，對(duì)比選方案進(jìn)行技術(shù)、風(fēng)險(xiǎn)等綜合性的比選。在充分論證斷裂活動(dòng)性及相關(guān)地震次生災(zāi)害的基礎(chǔ)上，充分應(yīng)用既有的研究成果資料進(jìn)行工程類比，把山區(qū)活動(dòng)斷裂影響帶劃分為近地表永久地質(zhì)變形帶、地震次生災(zāi)害影響帶、地震波影響帶，比選方案均有效繞避近地表永久地質(zhì)變形帶，在地震次生災(zāi)害影響帶或地震波影響帶通過(guò)，方案基本可行；選擇了施工風(fēng)險(xiǎn)及運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)可控的會(huì)澤-尋甸-嵩明方案作為重要比選方案。

高速鐵路； 活動(dòng)斷裂； 工程地質(zhì)問(wèn)題； 地質(zhì)選線

1 引言

近幾十年的鐵路建設(shè)過(guò)程中，我們也曾無(wú)意或被迫將鐵路選線與活動(dòng)斷裂結(jié)合起來(lái)[1]。其間有慘痛的教訓(xùn)、沉重的反思，如東川支線沿小江斷裂帶因地震及次生災(zāi)害泥石流影響出現(xiàn)“橋淤改涵、涵滿改路、路淤改隧”的奇觀。既有成昆鐵路平行安寧河斷裂帶段落以路基涵洞形式通過(guò)，工務(wù)部門(mén)定期對(duì)泥石流堆積物進(jìn)行清理與疏通；而成昆鐵路擴(kuò)能改造則充分考慮泥石流淤泥影響，以橋梁形式通過(guò)，工程環(huán)境大有改善。隨著鐵路路網(wǎng)密度的增大及覆蓋范圍的擴(kuò)展，鐵路線路不可避免地穿越或平行活動(dòng)斷裂。在穿越活動(dòng)斷裂方面做了一些有益的嘗試，活動(dòng)斷裂對(duì)鐵路選線及工程設(shè)置影響較大，爭(zhēng)議很大；但平行活動(dòng)斷裂嘗試甚少，對(duì)“繞避、遠(yuǎn)離”的程度缺少相應(yīng)的理論支撐。因此，探討小江活動(dòng)斷裂對(duì)渝昆鐵路選線的影響及評(píng)價(jià)具有重要的意義。

2 地形地貌及地質(zhì)構(gòu)造

2.1 地形地貌

東川至尋甸段宏觀以小江河谷南北深切，高山峻嶺東西對(duì)峙為特點(diǎn)的典型高原深切峽谷地貌，屬低緯度、高原區(qū)主體亞熱帶季風(fēng)氣候，因地形高差懸殊和不同氣流影響，構(gòu)成顯著的主體氣候和干、雨季分明的特點(diǎn)。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

線路地處揚(yáng)子亞板塊之滇東拗陷帶和康滇古隆起，因板塊碰撞擠壓表現(xiàn)為地殼強(qiáng)烈抬升成高原，地殼緊縮，加之川滇菱形塊體向南東的滑移，導(dǎo)致區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，伴隨產(chǎn)生了地應(yīng)力集中及地震、斷裂。

小江斷裂帶北端在巧家附近與則木河斷裂相連，南端止于紅河斷裂以北，全長(zhǎng)約450 km。自蒙姑向南分為東西兩支，大體平行向南偏西延伸，東、西支間隔15～20 km左右，近于平行展布。而東、西兩支斷裂又分別由數(shù)條次級(jí)斷層呈左階羽列組合而成。會(huì)澤—東川—尋甸—蒿明段線路比選方案平行或穿越小江活動(dòng)斷裂。

3 控制線路走向的重大工程地質(zhì)問(wèn)題

3.1 高烈度地震

小江活動(dòng)斷裂首先是深大斷裂，其次是活動(dòng)斷裂，因此，鐵路選線時(shí)，必須查明活動(dòng)斷裂其主斷裂及支斷裂活動(dòng)性及其影響帶，斷裂帶地震峰值加速度0.2～≥0.40 g。

3.2 斷裂活動(dòng)性

小江斷裂為深大活動(dòng)斷裂，自晚更新世早期以來(lái)一直左旋位移，如表1所示；小江斷裂帶曾發(fā)生過(guò)高烈度地震，如1733年?yáng)|川級(jí)地震、1713年尋甸級(jí)地震，1833年嵩明8級(jí)地震等多次強(qiáng)震。小江斷裂東川段具中等偏大應(yīng)力水平，中小地震活動(dòng)頻繁；華寧段具較低應(yīng)力水平，以小震活動(dòng)為主；宜良—嵩明段具較高應(yīng)力水平，潛在地震震級(jí)偏大，是未來(lái)發(fā)生7級(jí)以上大震的潛在危險(xiǎn)區(qū)[2]。

表1 小江斷裂分段活動(dòng)性

3.3 活動(dòng)斷裂影響帶

鐵路選線平行活動(dòng)斷裂明確規(guī)定“繞避、遠(yuǎn)離”，但安全距離有待于進(jìn)一步研究?；顒?dòng)斷裂影響帶通常分為近地表永久地質(zhì)變形帶[3]、地震次生災(zāi)害影響帶[4]、地震波(地震峰值加速度)影響帶[5]。

近地表永久地質(zhì)變形帶，即常規(guī)意義的活動(dòng)斷層“避讓帶寬度”問(wèn)題，是工程界關(guān)注和有效減輕地震災(zāi)害的科學(xué)問(wèn)題；地震部門(mén)選取具有一定代表性的海原斷裂帶、阿爾金斷裂帶探槽，探槽地質(zhì)表明永久地質(zhì)變形帶9～26 m，具有統(tǒng)計(jì)意義的活動(dòng)斷層永久變形帶或避讓帶寬度為斷層跡線兩側(cè)各 15 m，合計(jì)為30 m；汶川地震中距離破裂帶僅 30～50 m 的建(構(gòu))筑物基本未倒塌[6]。因此，工程意義上一般將近地表永久地質(zhì)變形帶為斷裂帶邊緣兩側(cè)各50 m，即100 m。

地震次生災(zāi)害影響帶是因地震而明顯加劇崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的范圍。綜合有關(guān)震后災(zāi)害調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，斷裂帶兩側(cè)0～5 km范圍內(nèi)次生地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量占總數(shù)50%～75%；5～10 km范圍地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)占20%～40%；大于10 km地質(zhì)災(zāi)害小于10%。地質(zhì)災(zāi)害強(qiáng)發(fā)育區(qū)主要在斷層上盤(pán)的7 km 范圍以內(nèi)；斷層上盤(pán)7～11 km范圍和下盤(pán) 0～5 km 范圍可劃為地質(zhì)災(zāi)害的中等發(fā)育區(qū)。因此，地震次生災(zāi)害影響帶在斷層性質(zhì)不明一般為11 km，該范圍內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害具規(guī)模大、災(zāi)害延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、反復(fù)性大的特點(diǎn)。大于11 km為地震波(地震峰值加速度)影響帶，災(zāi)害程度及其影響程度較弱，工程措施有相應(yīng)的規(guī)范遵循。

3.4 滑坡、崩塌等重力地質(zhì)災(zāi)害

沿線山高坡陡、溝谷深切，加之出露地層古老、受多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，巖體構(gòu)造節(jié)理發(fā)育、較為破碎，小江河谷兩側(cè)分布崩塌16處、滑坡224處。由于山坡對(duì)地震效應(yīng)的放大作用，地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)主要是深切河谷斜坡區(qū)，震后暴雨年地質(zhì)災(zāi)害的數(shù)量約為震前暴雨年的2倍，而對(duì)非暴雨年，震后地質(zhì)災(zāi)害的數(shù)量約為震前的 4～5倍[7]。

3.5 泥石流

小江斷裂兩支交匯東川區(qū)素有“世界泥石流天然博物館”之稱，其特點(diǎn)是密度集中、活動(dòng)頻繁、規(guī)模巨大，經(jīng)常造成江河堵塞、公路淤埋或損毀。東川有泥石流溝80條，泥石流災(zāi)害幾乎每年都有發(fā)生，大型災(zāi)害性泥石流5～11年至少發(fā)生1次，高頻率泥石流溝每年爆發(fā)泥石流5次以上。泥石流對(duì)擬建鐵路工程的影響主要為下切、沖、淤，分別對(duì)應(yīng)泥石流的形成區(qū)、流通區(qū)、堆積區(qū)。

3.6 潛在不穩(wěn)定山體

潛在不穩(wěn)定山體主要指“裂而未垮、松而未動(dòng)”的破碎山體及松散堆積體。該段地層巖層古老，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，加之小江活動(dòng)斷裂縱貫該區(qū)中部，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，地震頻繁且強(qiáng)度大，節(jié)理裂隙張開(kāi)度增大，脫離母巖形成“裂而未垮”的破碎山體；松散堆積體主要為小江河谷階地、泥石流堆積臺(tái)地、巖堆堆積體，其成分復(fù)雜、膠結(jié)程度低，因小江河水下切形成“松而未動(dòng)”堆積物，在地震或地表水作用下易形成不穩(wěn)定邊坡，成為泥石流的物源條件。

3.7 隧道軟巖大變形

東川設(shè)站后，會(huì)澤—東川間因尖山溝、蔣家溝、大橋河溝為高及極高風(fēng)險(xiǎn)泥石流溝，線位采取隧道下穿方案。該段以昆陽(yáng)群淺變質(zhì)板巖、千枚巖、粉砂巖為主，屬軟質(zhì)巖；最大主應(yīng)力方向?yàn)镹WW～NNW向， NWW地應(yīng)力對(duì)隧道徑向影響巨大。該段隧道長(zhǎng)25.2 km，其中軟巖地段長(zhǎng)度14.5 km，最大埋深800 m，具有隧道軟巖大變形地質(zhì)條件，其變形一般具有變形量大、徑向變形顯著、危害巨大、工程處理難度高的特點(diǎn)。

4 活動(dòng)斷裂對(duì)線路方案影響及評(píng)價(jià)

結(jié)合小江活動(dòng)斷裂影響帶的劃分，即近地表永久地質(zhì)變形帶、地震次生災(zāi)害影響帶、地震波影響帶分別討論對(duì)擬建渝昆鐵路會(huì)澤—嵩明段方案的影響，并進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4.1 東川支線方案

線路位于活動(dòng)斷裂東西兩支間，為地震次生災(zāi)害影響帶。西支為主動(dòng)盤(pán)，存在近地表永久地質(zhì)變形帶，為工程避讓帶寬度范圍；東支為被動(dòng)盤(pán)，影響相對(duì)較小。小江斷裂東西兩支間區(qū)域地震峰值加速度≥0.40 g，屬工程慎設(shè)計(jì)區(qū)，對(duì)工程設(shè)置要求地形簡(jiǎn)單、工程難度低；而該段地形以陡坡深切溝槽為主，工程設(shè)置以橋隧為主，不乏高墩大跨橋梁和縱坡起伏長(zhǎng)大隧道，因此，該方案可行性甚低，風(fēng)險(xiǎn)極大，投資極高，如表2、圖1所示。

表2 會(huì)澤—嵩明段比選方案工程地質(zhì)條件

圖1 渝昆鐵路會(huì)澤—嵩明段線路方案示意圖

4.2 東川方案

線路位于活動(dòng)斷裂被動(dòng)盤(pán)外側(cè)，屬地震次生災(zāi)害影響帶。僅東川站位附近地震峰值加速度≥0.40 g，屬工程慎設(shè)計(jì)區(qū)，但該段落工程以路基及矮橋?yàn)橹?。?huì)澤—東川若以橋梁形式上跨極高風(fēng)險(xiǎn)泥石流溝時(shí)，設(shè)計(jì)橋下凈空50～66 m，能滿足過(guò)流及淤積要求，泥石流不會(huì)對(duì)橋梁造成直接危害，但橋主跨需80～100 m。并且泥石流溝兩側(cè)分布大量滑坡、崩塌等重力地質(zhì)災(zāi)害和潛在不穩(wěn)定山體，工程處理難度大。若以長(zhǎng)隧方案下穿高風(fēng)險(xiǎn)泥石流溝，則需設(shè)置25.2 km長(zhǎng)隧，存在隧道軟巖大變形問(wèn)題，隧道需要分修。該方案基本可行，但施工風(fēng)險(xiǎn)及運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)大，投資巨大。

4.3 會(huì)澤—尋甸—嵩明方案

線路絕多數(shù)地段距離小江活動(dòng)斷裂西支約19 km，屬地震次生災(zāi)害影響帶邊緣與地震波影響帶過(guò)渡區(qū)域，地震峰值加速度以0.20～0.30 g為主，該段地形為高原丘陵和低山，地震次生災(zāi)害影響產(chǎn)生的崩塌、滑坡、泥石流數(shù)量甚少。方案僅在嵩明站位附近大角度穿越小江活動(dòng)斷裂，該段地形地貌條件簡(jiǎn)單，工程設(shè)置以簡(jiǎn)單橋梁為主。因此總的來(lái)說(shuō)，該方案可行，風(fēng)險(xiǎn)及投資可控。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)小江活動(dòng)斷裂影響帶與擬選方案空間展布關(guān)系的分析，分別闡述了小江活動(dòng)斷裂對(duì)鐵路選線的影響，從方案是否可行、風(fēng)險(xiǎn)及投資是否可控幾方面對(duì)擬選方案進(jìn)行了評(píng)價(jià)，最終以方案可行、風(fēng)險(xiǎn)及投資可控的方案開(kāi)展下一階段工作。

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Evaluation of the Effect of Xiaojiang Active Fault on Route Selection of Chongqing-Kunming High Speed Railway

ZHANG Huigang FU Kailong ZHANG Guangze DU Yi

(1.China Railway Eryuan Engineering Group CO., Ltd., Chengdu 610031, China;2.Institute of Crustal Dynamics, CEA, Beijing 100085,China)

The scheme for Huize-Songming section of Chongqing-Kunming high-speed railway, which parallels Xiaojiang active fault, is an important selection scheme for its complex topography and geological conditions. Major engineering geological problems that control railway trend, such as active faults, high seismic intensity, gravity geological hazard (landslip, collapse, debris flow, potential instable mountain), and construction geologic hazard (large deformation of tunnel soft rock),are analyzed and then the schemes are compared and selected. On the basis of fully demonstrating the activity of fault and the related seismic secondary disaster, this paper makes full use of existing research data of engineering analogy and divides the seismic impact zone into near surface permanent geological deformation zone, seismic secondary disaster zone and seismic wave impact zone in mountainous active faults. The alternatives are feasible for the detouring these zones. Considering the controllable construction and operation risks, the scheme of Huize-Xundian-Songming is chosen as an important alternative.

high speed railway; active fault; engineering geological problems; geology-route selection

2015-11-04

張會(huì)剛(1975-)，男，高級(jí)工程師。

1674—8247(2016)01—0060—04

P548

A