包銀鐵路經(jīng)烏海地區(qū)穿越活動斷裂地質(zhì)勘察選線研究

喬道勇

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司,天津 300251)

我國屬于地震多發(fā)國家，受太平洋板塊、印度板塊和菲律賓海板塊的擠壓，地震斷裂帶十分發(fā)育，縱橫交錯。按照活動性質(zhì)可將地震斷裂帶劃分為全新世活動斷裂帶與非活動斷裂帶兩類。其中全新世活動斷裂帶(以下簡稱活動斷裂帶)對工程影響最大，未來仍有活動的可能，且與地震的發(fā)生有密切的關(guān)系[1]。

1 工程概況

包銀鐵路是我國京蘭通道重要組成部分，是西北地區(qū)連通京津冀和東北地區(qū)的快速通道，對于國家“一帶一路”倡議有重要意義。線路起自內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市，向西經(jīng)烏拉特前旗，于磴口折向西南，經(jīng)巴彥淖爾市、烏海市至寧夏回族自治區(qū)銀川市。本文對其在烏海地區(qū)穿越活動斷裂帶地質(zhì)勘察選線進行研究[2]。

2 活動斷裂帶對鐵路工程的影響

活動斷裂帶對鐵路工程的影響主要表現(xiàn)在兩個方面：一是地震作用時,斷裂突發(fā)錯動，產(chǎn)生突發(fā)位移，其位移量與地震的震級與烈度相關(guān)，可達幾米至幾十米不等；二是斷裂帶內(nèi)巖體破碎松散，工程地質(zhì)條件差，受自身活動影響，極可能在斷裂帶周邊產(chǎn)生差異性升降運動，運動速率可達每年幾十毫米。

因此，準(zhǔn)確查明活動斷裂帶的破碎帶寬度、覆蓋層厚度，斷裂的性質(zhì)、位置、滑動速率等參數(shù)，進而對其活動性進行評價，是進行地質(zhì)選線的基礎(chǔ)，也是重中之重。

3 區(qū)域地質(zhì)概況

3.1 構(gòu)造單元劃分及特征

烏海地區(qū)位于中朝準(zhǔn)地臺(華北地臺)Ⅱ級構(gòu)造單元鄂爾多斯西緣拗陷中的桌子山—賀蘭山褶斷束，南部以牛首山固原深斷裂與祁連褶皺系相接，同時又屬于祁—呂—賀蘭山字形構(gòu)造脊柱北段及脊柱東側(cè)伊陜遁地邊緣區(qū)域，分異構(gòu)造作用明顯，構(gòu)造活動強烈，尤其是新生代的構(gòu)造作用使本區(qū)地殼進一步解體，進入強烈的斷塊差異活動的構(gòu)造演化時期[3]。

3.2 新構(gòu)造運動特征

對區(qū)域內(nèi)新運動特征進行分析研究，發(fā)現(xiàn)其活動特征明顯，活動方式主要表現(xiàn)為以下幾個方面：

(1)差異性升降運動：在區(qū)內(nèi)表現(xiàn)為顯著的地貌差異。山地、平原、高原三大地貌單元嚴(yán)格受構(gòu)造控制，差異性升降運動主要發(fā)生在鄂爾多斯斷陷周緣。

(2)斷裂活動：新生斷裂和古老繼承性斷裂活動是新構(gòu)造運動最直接可靠和最有利的證據(jù)。斷裂多以正斷層控制，主斷層面向塊體內(nèi)傾斜。斷陷垂直差異運動強烈，并在山前形成臺地和河流階地。

(3)地震活動：研究區(qū)內(nèi)是華北和西北地區(qū)主要的地震活動帶。地震活動為斷陷盆地及活動斷裂所控制，震源深度不大，一般發(fā)生在上部地殼。

(4)塊體內(nèi)部構(gòu)造穩(wěn)定，地層水平，主要以整體性抬升為主。

3.3 現(xiàn)代活動特征與應(yīng)力場

研究區(qū)域及其附近現(xiàn)代構(gòu)造活動較為強烈，其活動方式具有一定繼承性。隆起區(qū)以上升為主，斷陷區(qū)則有相對沉降，形變梯度明顯。

根據(jù)線路走行區(qū)域的震源機制解、大震形變帶及地形異變等資料，綜合判定近代應(yīng)力場主壓應(yīng)力軸方向總體為北東向，但南部地區(qū)略偏東，而北部地區(qū)略偏北。主張應(yīng)力方向為北西，總體走向為北西西。應(yīng)力場的P軸傾角為0°～34.5°，T軸傾角為1°～27°，推測該區(qū)域地殼應(yīng)力場是以水平力作用為主[4]。

4 活動斷裂帶綜合勘察

4.1 工程地質(zhì)調(diào)繪

在烏海地區(qū)疑似活動斷裂帶區(qū)域進行了工程地質(zhì)調(diào)繪，發(fā)現(xiàn)盆地與山地地貌的界線明顯。通過進一步調(diào)繪研究，發(fā)現(xiàn)黃河?xùn)|岸側(cè)蝕現(xiàn)象明顯強烈于西岸，并且在上更新統(tǒng)地層發(fā)現(xiàn)了疑似斷裂形成的錯斷痕跡，上覆全新統(tǒng)地層也同時被錯斷，具有明顯的全新世活動跡象。該現(xiàn)象雖在北部發(fā)現(xiàn)較少，但南部區(qū)域內(nèi)明顯分布較多，錯斷現(xiàn)象非常普遍。

在該區(qū)域共實測第四系有效剖面15條，研究發(fā)現(xiàn)剖面所測得斷裂走向整體呈北東向，錯斷30～40 cm，傾角整體較陡，約85°，如圖1所示。

圖1 實測剖面圖示意圖

4.2 綜合物探與化學(xué)探測

通過工程地質(zhì)調(diào)繪，可以初步圈定斷裂帶走行區(qū)域。在此區(qū)域內(nèi)再進行土壤氡、土壤汞的地球化學(xué)探測，從而可以快速得到更為精確的斷裂帶分布范圍。

斷裂帶測氡與汞示蹤的原理是:深部條件下生成的游離汞及多種汞化物對溫度、壓力變化非常敏感，在強大的壓力梯度和熱力梯度作用下，沿著斷裂破碎帶、斷層面和巖石空隙向地表遷移。同時，斷裂帶裂隙發(fā)育，連通性好，有利于氡的釋放與向上運移，從而造成斷裂帶處地表的氡氣濃度差異[5,6]。

對該區(qū)域進行土壤氡、土壤汞的地球化學(xué)探測，發(fā)現(xiàn)多處剖面中可監(jiān)測到相對高值數(shù)據(jù)出現(xiàn)，該結(jié)果與先期的野外地質(zhì)調(diào)查得出的實測斷裂剖面相互印證?？紤]到該區(qū)域全新世活動痕跡明顯，為準(zhǔn)確判斷其斷裂位置與性質(zhì)，在此區(qū)域布設(shè)了8條淺層地震測線，測線剖面上揭示反射波同相軸扭曲、錯斷明顯，推測該處為主斷裂位置，斷層傾向西(圖2)。

圖2 淺層地震剖面成果示意圖

4.3 地質(zhì)鉆探與槽探

為鑒定烏海工作區(qū)斷裂分布，沿地震測線布置鉆孔聯(lián)合剖面，共布置鉆孔12個。經(jīng)對聯(lián)合剖面研究，發(fā)現(xiàn)鉆孔中雖未揭示斷層現(xiàn)象，但多個剖面揭示的第四系全新統(tǒng)覆蓋層深度不連續(xù)，推斷為斷裂形成的錯斷。

在剖面揭示區(qū)域布置槽探，揭示全新統(tǒng)地層被錯斷，該區(qū)域斷裂為全新世活動斷裂，且通過對探槽內(nèi)的斷層分布的連線，基本確定了活動斷裂呈北東向分布。

4.4 綜合分析

通過綜合勘察，結(jié)合前人研究資料，判斷該斷裂為全新世活動斷裂，沿甘德爾山(舊稱崗德爾山)西麓至桌子山西麓呈北北東向分布，傾向北西，具體分布如圖3所示。依據(jù)其分布特點，劃分為由北至南3段：

圖3 全新世活動斷裂分布圖

a段：鳳凰嶺段，斷裂寬度約50 m，斷層走向北北東，局部發(fā)育小型東西走向斷層；

b段：甘德爾山西緣(鳳凰嶺與甘德爾山分界處至三道坎)，斷裂帶寬度50～130 m不等，由一系列走向相同的斷層組成。

c段：三道坎以南范圍內(nèi)，根據(jù)地球物理探測、地球化學(xué)探測結(jié)果和實際地質(zhì)調(diào)查，未發(fā)現(xiàn)本段存在活動斷裂跡象。

5 活動斷裂帶活動性分析

5.1 垂直運動速率

鉆孔剖面揭露了本斷層晚更新世以來的三次活動事件，其垂直活動錯距分別為2.2、1.4和2.5 m，活動時間依次為25.6 ka±0.11 ka、(35.6 ka±0.29 ka)～(41.7 ka±0.57 ka)、58.25 ka±7.13 ka[7]。標(biāo)準(zhǔn)鉆孔研究表明，該區(qū)域地質(zhì)歷史上也曾發(fā)生2次典型事件：第一次事件(110.95 ka±14.7 ka)～(177 ka±17 ka)，對應(yīng)孔深91.35～99.14 m；較晚的一次事件為(1.86 ka±0.025 ka)～(22.41 ka±0.07 ka)，對應(yīng)孔深5.55～25.23 m。Qh/Qp3及Qp3/Qp2界線落入這兩次沉積間斷內(nèi)?？紤]到烏海斷陷作為河套古大湖的一部分及黃河外流的特點，推斷烏海盆地的沉積加深及速率突變?yōu)闃?gòu)造作用造成，因此假定斷陷與沉積補償之間大致平衡，從而計算出烏海地區(qū)垂直錯斷速率大致在2 mm/a的量級。

同時，其新構(gòu)造的活動性具有分段特征。時間上，更新世向全新世期間有相對弱化的趨勢；空間上，以鳳凰嶺為界，北部地區(qū)(a段)活動性較強，南部(b、c段)較弱。

5.2 滑動速率

大量研究表明，利用GPS資料分析斷裂活動可取得較好的成果，也得到了很好的應(yīng)用。項目的工作區(qū)主體分布在內(nèi)蒙古地區(qū)，該區(qū)域形變測量和監(jiān)測的干擾因素較少，適于采用測量儀器對斷裂進行監(jiān)測和分析。同時，在鐵路線路周邊布設(shè)有較多的GPS連續(xù)站及流動站，利用GPS連續(xù)站及流動站2011—2016年數(shù)據(jù)，計算了鄂爾多斯塊體西緣的速度場，其結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，鄂爾多斯塊體西緣區(qū)域的速度場主要以西南方向為主，整體一致性較好。利用速度場，對其滑動速率進行了計算，見表1。

表1 滑動速率結(jié)果

圖4 鄂爾多斯塊體西緣的速度場成果示意圖

6 地質(zhì)選線研究

6.1 選線原則

《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(TB 10012—2019)規(guī)定[8]：“線路宜避開活動斷裂帶及地?zé)岙惓Вy以繞避時，應(yīng)對其進行專題研究，并應(yīng)在斷裂帶或異常帶較窄處以簡易工程大角度通過，不宜在斷裂帶內(nèi)設(shè)置大中橋、高橋、隧道、高填深挖等難以修復(fù)的大型建筑物”。

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011—2010)規(guī)定[9]：“對于抗震設(shè)防烈度小于8度；非全新世活動斷裂；抗震設(shè)防烈度為8度和9度時，隱伏斷裂的土層覆蓋厚度分別大于60 m和90 m時，可忽略斷裂錯動對地面的影響。否則，應(yīng)進行避讓”。最小避讓距離見表2。

表2 建筑與全新世活動斷裂最小避讓距離

同時，前人研究表明應(yīng)盡量避開主干斷裂及其影響帶，避免在活動斷裂帶上盤迂回展線，并選擇以簡單的路基、橋梁形式通過，減小修復(fù)難度[10，11]。

6.2 方案分析

該區(qū)域主要方案為穿越活動斷裂帶方案(方案Ⅰ)與并行活動斷裂帶方案(方案Ⅱ)。如圖5所示。

圖5 穿越活動斷裂帶方案設(shè)計

方案Ⅰ線路主要以路基形式斜交跨越活動斷裂帶。

方案Ⅱ以特大橋形式于斷裂上盤以小角度斜交跨越活動斷裂帶，并在斷裂上盤迂回展線約10 km，并行段橋梁、路基形式并存。

方案分析：

(1)方案Ⅰ、方案Ⅱ均位于斷裂活動性相對較弱的地區(qū)。

(2)方案Ⅰ相比方案Ⅱ與鐵路交叉角度更大，風(fēng)險性相對較小。

(3)方案Ⅱ長距離并行活動斷裂帶，在斷裂帶上盤迂回展線10 km，斷裂帶活動不確定性更強，整體評估風(fēng)險性高。

從地質(zhì)選線角度綜合分析，方案Ⅰ相比方案Ⅱ工程風(fēng)險更低，可靠性更高，安全性更好。建議采用方案Ⅰ，并采用有砟軌道。

7 結(jié)論

經(jīng)過現(xiàn)場踏勘與地球化學(xué)測試可得出以下結(jié)論：

(1)桌子山—甘德爾山西緣活動斷裂為全新世活動斷裂。

(2)從現(xiàn)場鉆探成果顯示：更新世向全新世期間構(gòu)造運動有相對弱化的趨勢，表現(xiàn)為垂直活動錯距較小。根據(jù)現(xiàn)場踏勘的實測剖面顯示：研究范圍的北部地區(qū)(a段)活動性較強，南部(b,c段)較弱。

(3)GPS速度場主要以西南方向為主，滑動速率為0.01 mm/a±0.29 mm/a，拉張速率為0.04 mm/a±0.26 mm/a。

(4)經(jīng)方案對比分析，建議線路采用方案Ⅰ并以易于修復(fù)的路基工程跨越活動斷裂帶，同時采用有砟軌道。