毛斌

（鐵道部工程設(shè)計鑒定中心 副總工程師，北京 100844）

“5·12”汶川特大地震之后，政府在組織全國人民抗震救災(zāi)的同時，也對災(zāi)后恢復(fù)重建進行了總體規(guī)劃和布置。其中明確了修建成都至蘭州鐵路，國家發(fā)改委2009年初批準(zhǔn)該項目立項。

擬建的成蘭鐵路位于四川省和甘肅省境內(nèi)，線路走向自成都經(jīng)什邡、綿竹、茂縣、松潘至九寨溝，繼續(xù)向北延伸接軌于在建的蘭渝鐵路的哈達鋪站。線路溯岷江至源頭，橫切嘉陵江水系后再上至黃河水系的洮河。線路全長462 km，橋隧總長377 km，占81.6%。這個走向有約200 km基本與川西北斷塊“A”字形構(gòu)造中的岷江活動斷裂相重合。

關(guān)于區(qū)域性斷裂、活動斷裂，教科書上明確表述為：繞避、遠(yuǎn)離，或大角度相交，交叉跨越處選擇簡單的、易于搶修的工程。但成蘭線的初擬走向，受環(huán)保、地形條件等因素控制，有較長段落走行在活動斷裂之中。筆者因此想就活動斷裂區(qū)修建鐵路談?wù)勛约旱南敕ā?/p>

1 川西北斷塊構(gòu)造及成蘭鐵路工程地質(zhì)條件

我國的活動斷裂大致分為吉特提斯—喜馬拉雅和濱太平洋兩大體系。我國西部的活動斷裂屬于吉特提斯—喜馬拉雅體系，該區(qū)域活動斷裂規(guī)模巨大，以逆沖、逆掩和逆走滑活動為主，部分地區(qū)以走滑為主，以東西向和弧形為特征。具有現(xiàn)代活動性的龍門山斷裂帶、岷江斷裂帶和西秦嶺斷裂帶，在川西北形成一個“A”形構(gòu)造（如圖1）。

圖1 成蘭鐵路地形圖

成蘭鐵路從成都平原向青藏高原東部邊緣構(gòu)造強烈復(fù)合的高山峽谷區(qū)爬升。初擬的線路走向正好沿“A”構(gòu)造中的岷山斷裂帶而行，有約200 km與斷裂帶重合。在強烈的內(nèi)外動力作用下，線路通過區(qū)域具有構(gòu)造運動強烈，地震震級大，活動斷裂多，次生地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，巖體、岸坡穩(wěn)定性差，不良地質(zhì)規(guī)模大，地形起伏大的工程特點[1]，給工程建設(shè)造成極大困難，運營安全極為令人擔(dān)憂。

2 區(qū)域性大斷裂對工程的影響

在幾十年的鐵路建設(shè)中，我們無意或被迫將鐵路選線與大斷裂平行的代價是巨大的。最典型的是云南東川支線，隴海鐵路的寶天段和上世紀(jì)90年代建造的南昆鐵路的百板段工程。

小江大斷裂導(dǎo)致云南東川支線鐵路遭受泥石流。小江斷裂大約400 km長，斷層帶寬大約2 km。東川支線為開發(fā)東川銅礦而修建，線路長約97 km，1958年開工建設(shè)，歷時14年建成。線路基本沿小江大斷裂而行，受斷層影響，巖體極為破碎，自穩(wěn)能力甚差，在雨水等外力作用下極易坍塌，并形成泥石流。鐵路修建過程中就多次發(fā)生過泥石流，引起過60處約68 km的改線。通車幾十年來，泥石流沖毀橋梁、淤滿隧道，線路、路基等設(shè)施屢屢被沖毀，甚至出現(xiàn)了“橋淤改涵、涵滿改路、路淤改隧”的奇觀[2]。

渭河大斷裂導(dǎo)致隴海鐵路寶雞至天水段大量工程變更。渭河主干斷層長達100多km，斷裂寬度1～4 km，斷層內(nèi)分布有眾多大型滑坡、崩坍、泥石流溝等不良地質(zhì)體。施工期間變更量大，運營期間病害不斷，凡設(shè)計成隧道、高填深挖的地段幾乎全部改線，采用小填小挖的路基工程、橋梁跨越溝谷[3]。

南昆鐵路百色至板桃段大量工程變更。該段長約100 km，處于低山丘陵區(qū)，線路基本沿塘興—潞城—隆林大斷裂帶而行。施工中該段路塹和隧道進出口開挖后多數(shù)工點相繼出現(xiàn)邊坡坍塌、山體開裂，采取了局部改線、深路塹改隧道，剩余路塹工程采用預(yù)加固、分層開挖、分層加固的措施后而建成。僅19個路塹工點就增加約8 900萬元，平均每路基公里增加約1 300萬元，相當(dāng)于百色至威舍段區(qū)間路基工程概算指標(biāo)的3.6倍[4]。所幸，通車后雖也有維護投入，但運營安全還基本可控、正常。

以上三個鐵路建設(shè)中的典型實例和多年的工程實踐，使我們認(rèn)識到區(qū)域性大斷裂帶來的工程問題主要有如下的原因：

1）原巖受多期構(gòu)造運動影響，被強烈擠壓、強烈切割，巖體十分破碎，地下水發(fā)育，工程地質(zhì)條件極差，尤其對深路塹、隧道工程不利。采用常規(guī)的、一般的方法和措施難以順利建成。

2）軟質(zhì)巖地段的大斷裂給山體變形、失穩(wěn)提供了基礎(chǔ)條件。斷層破碎帶巖體結(jié)構(gòu)松散，為地表水的下滲、地下水的補給創(chuàng)造了條件，從而使巖體重量增加，同時在透水性相對較差的地帶形成過濕帶、地下水活躍帶或風(fēng)化作用相對明顯帶，斷層泥、壓碎片巖，特別是云母等的風(fēng)化物均為典型的易滑物質(zhì)，各種不利的結(jié)構(gòu)面（包括古滑動面）容易形成新的滑動面。只要有適當(dāng)?shù)恼T因，如人工開挖、降雨、地震、河流沖刷等因素，均可導(dǎo)致大面積山坡的變形失穩(wěn)。

3）區(qū)域性斷層的破碎物質(zhì)、滑坡、崩坍體，為泥石流的形成提供了豐富的物質(zhì)來源。

3 活動斷裂對鐵路工程的影響

活動斷裂具有區(qū)域大斷裂相同的工程性質(zhì)，除此之外還具有更強的主動破壞性。

3.1 產(chǎn)生地面位移和變形

活動斷層有蠕動和錯動兩種形式。有的活動斷裂年變化量小，對工程影響較小，而有的活動斷裂長期蠕變累積較大。如四川松潘1976年7.7級地震前的17年中，活動斷裂兩側(cè)垂直年變化率為9～26 mm，累計最大垂直變化0.5～0.7 m[5]。這個變化量鐵路工程是難以承受的。

據(jù)地震部門研究，青藏高原及其邊緣地帶活動斷層的錯位運動量最為顯著。岷山斷裂帶正處于這個區(qū)域內(nèi)。

當(dāng)發(fā)震斷裂發(fā)生強烈地震時，活動斷裂往往產(chǎn)生明顯的急速錯位。唐山地震活動斷裂兩側(cè)產(chǎn)生的最大垂直錯位1 m，最大水平錯動2.5 m；1970年通海7.7級地震，曲江斷裂水平位移2～2.7 m，垂直位移0.5 m[6]；1920年甘肅海原8.5級地震，發(fā)震斷裂水平錯動2 m，并產(chǎn)生一系列高差1 m左右的陡坎[7]。

3.2 活動斷裂可能誘發(fā)強烈地震

據(jù)統(tǒng)計，我國歷來超過7級的地震，80%位于活動斷裂上[8]，超過8級地震100%位于活動斷裂上，而地震對鐵路的破壞是毀滅性的。唐山地震時，距發(fā)震斷裂30～50 km的京山線上的193座大、中、小橋中的39.3%遭受震害[5]。地震的破壞是沿斷層分布并向兩側(cè)擴散，沿活動斷裂修建鐵路，增大了地震對鐵路的破壞范圍。同時，地段越長，發(fā)震時可能破壞地段運行列車的可能就越大，列車及旅客的安全威脅隨之增大。

3.3 活動斷裂往往誘發(fā)次生地質(zhì)災(zāi)害

區(qū)域性大斷裂導(dǎo)致巖體破碎，存有易滑面，形成地形起伏較大的地形特征，地震是產(chǎn)生災(zāi)害的外部因素之一?！?·12”汶川地震前，國土資源部曾對災(zāi)區(qū)的41縣的地質(zhì)災(zāi)害隱患進行過普察，存在有4 929處災(zāi)害隱患點，其中大型和特大型就達1 429處。初略估計汶川地震誘發(fā)滑坡、崩坍5萬余處以上，大型、特大型滑坡達數(shù)百處[9]。若鐵路被1976年四川松潘地震形成的疊溪海子處的巨型滑坡，“5·12”汶川地震形成的唐家山“堰塞湖”的巨型滑坡堆積物所掩埋的話，其搶修難度和搶修時間是可想而知的。

4 成蘭鐵路選線策略與建議

1）鑒于區(qū)域性斷裂帶來的工程建設(shè)難度，給運營留下的隱患，活動斷裂可能誘發(fā)地震給鐵路帶來的毀滅性的破壞，成蘭鐵路走向的選擇還是應(yīng)在堅持“政治選線、經(jīng)濟選線、地質(zhì)選線、環(huán)保選線”的原則下，綜合論證比選確定。

2）鑒于活動斷裂存在的緩慢變形和地震時的急劇變形，無論哪種情況發(fā)生，鐵路工程均難以克服，因此不應(yīng)在穿越活動斷裂時選擇隧道工程、高墩大跨等剛性結(jié)構(gòu)。

相對地面結(jié)構(gòu)而言，隧道對地層位移具有“追隨性”，受地震加速度的影響較小，地層—結(jié)構(gòu)之間相互作用相對較小?！?·12”地震中公路隧道雖也有大量破壞，出現(xiàn)了隧道襯砌開裂，形成貫通裂縫，嚴(yán)重地帶鋼筋扭曲，襯砌掉塊、錯臺，洞口邊仰坡開裂、垮塌，掩埋洞口等情況[9]，但出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)垮塌的情況較少，與橋梁的墩倒梁掉、路基的塌陷破壞而言，隧道工程的破壞對交通安全的危害要好得多。利用隧道工程的這一優(yōu)勢，是否可以設(shè)想：在不與活動斷裂相交，洞口不被大型滑坡、崩坍堆積物所掩埋，洞身置于山體塌陷破裂角之外的前提下，地形起伏較大的活動斷裂地段都以隧道通過。

至于破碎帶內(nèi)隧道工程的設(shè)計施工問題，借鑒隴海鐵路后期、南昆線百板段破碎軟質(zhì)巖的工程建設(shè)經(jīng)驗，加強結(jié)構(gòu)支護和施工管理是可以克服的。長隧帶來的施工和運營通風(fēng)問題，利用岷江河谷可多設(shè)輔助施工通道的有利條件解決工期和施工通風(fēng)問題，亦可布設(shè)通風(fēng)坑道解決運營通風(fēng)問題。

5 結(jié)束語

我們不僅要修建鐵路，還要保證鐵路的安全，長久地為人民、為區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展服務(wù)。隧道結(jié)構(gòu)具有抗震優(yōu)勢，但距活動斷裂中心多遠(yuǎn)，能達到破壞而結(jié)構(gòu)不失穩(wěn)呢？鐵路工程以哪種方式或在采取何種措施的條件下，可適當(dāng)靠近保護區(qū)而不對保護種類產(chǎn)生較大的影響，從而可使鐵路遠(yuǎn)離活動斷裂呢？類似這樣以前沒經(jīng)歷的問題，尚需我們共同研究解決。

[1]中國中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司.新建鐵路成都至蘭州線可行性研究報告[R]，2009

[2]鐵道第二勘察設(shè)計院.東川鐵路勘測設(shè)計總結(jié)[R].1980

[3]鐵道第一勘察設(shè)計院.改建鐵路隴海線寶雞至蘭州段增加第二線可研報告[R]

[4]鐵道第二勘察設(shè)計院.南昆鐵路[M].成都：電子科技大學(xué)出版社，2006

[5]何振寧.區(qū)域工程地質(zhì)與鐵路選線[M].北京：中國鐵道出版社，2004

[6]中國地震學(xué)會地震地質(zhì)專業(yè)委員會.中國活動斷裂[M].北京：地震出版社，1982

[7]李興唐，許兵等.區(qū)域地殼穩(wěn)定性研究理論與方法[M].北京：地質(zhì)出版社，1987

[8]張文佑.斷塊構(gòu)造導(dǎo)論[M].北京：石油工業(yè)出版社，1984

[9]李喬，趙世春等.汶川大地震工程震害分析[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2008