蘇 勇

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司， 天津 300142)

我國是多地震國家，斷裂結(jié)構(gòu)縱橫交錯，分布廣泛。鐵路工程中經(jīng)常遇到，成為工程穩(wěn)定性的隱患。斷裂帶分為活動斷裂帶與非活動斷裂帶兩大類，活動斷裂帶是指晚更新世(1～12萬年)以來曾經(jīng)活動，未來仍可能活動的斷裂帶，與地震的發(fā)生具有密切的關(guān)系。

大同至張家口高速鐵路東接京都“北大門”張家口，西連晉北“煤都”大同，呈東西向連結(jié)了晉北和冀北地區(qū)，是晉北與北京、河北省交流的快速客運通道及華北北部地區(qū)鐵路快速客運網(wǎng)主要客運干線，設(shè)計速度250 km/h，線路長度141.3 km，全線控制性工程為長13.4 km的大梁山隧道。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及《地震安全性評價報告》，本區(qū)位于I級構(gòu)造單元中朝準地臺的3個Ⅱ級構(gòu)造單元內(nèi)蒙地軸、山西臺隆與燕山臺褶帶的交接處，位于汾渭斷陷帶的北段。汾渭斷陷帶的主要活動斷裂大部分為新生代斷陷盆地的邊界斷裂，它們控制了盆地的形成和發(fā)展，同時也決定著整個斷陷帶的構(gòu)造變形和其地震活動，主要由張家口斷陷、大同斷陷組成。

影響本線的主要斷裂為懷安鎮(zhèn)盆地南緣斷裂、天鎮(zhèn)-陽高盆地北緣斷裂和恒山北麓斷裂。

1 活動斷裂帶線路選線思路

活動性斷裂帶地區(qū)選線設(shè)計應根據(jù)活動斷裂帶的分布、埋深、類型、性質(zhì)、交叉關(guān)系等，原則上盡量避開，無法避開時應采用大角度穿越，從斷裂影響范圍小的地帶通過，避開斷裂交匯帶。線路穿越活動斷裂帶應降低拉坡，盡量采用路基通過隧道、橋梁應盡量避開活動斷裂帶影響范圍。盡量在斷裂帶寬度較窄的地段以簡易工程大角度通過，盡量不設(shè)難以修復的大型建筑物。且除斷裂帶以外，還應考慮線路接軌條件、運輸組織、節(jié)省投資等。

2 活動斷裂帶線路方案比較

陽高-天鎮(zhèn)盆地北緣斷裂為云門山山前斷裂的東段，長約58 km，斷裂總體走向北東，傾向南東，傾角50°～80°，正斷層。云門山山前斷裂西起大同鎮(zhèn)川堡，向東經(jīng)陽高孫仁堡、天鎮(zhèn)榆林口、瓦窯口、夏家溝，止于一傾坡一帶，全長約90 km，大致以采涼山東麓斷裂為界，分為東西兩段。

陽高-天鎮(zhèn)盆地北緣斷裂兩側(cè)地貌反差明顯，北部山區(qū)強烈抬升，南側(cè)盆地下降，盆嶺相對高差 500～700 m。該斷裂是一條全新世活動斷裂，斷裂活動最強烈的時期在晚更新世晚期，全新世以來的活動相對減弱。

陽高-天鎮(zhèn)盆地北緣斷裂位于大梁山南麓山前，盆地與山地的交界地帶，與線路相交，對鐵路有一定影響。

2.1 穿越斷裂方案

在懷安至天鎮(zhèn)段，斷裂帶在大梁山山麓南緣范圍內(nèi)有兩處不連續(xù)的構(gòu)造，將斷裂帶分為3段，結(jié)合陽高-天鎮(zhèn)盆地北緣斷裂的具體位置、寬度等條件，由西至東研究了3個穿越斷裂帶的方案，平面布置示意如圖1所示。

圖1 線路穿越活動斷裂帶方案示意圖

2.2 繞避斷裂方案

根據(jù)陽高-天鎮(zhèn)盆地北緣斷裂帶的走向及位置，結(jié)合大梁山山脈的情況及接軌呼張鐵路的走向，研究繞避斷裂帶方案，平面示意如圖2所示。

圖2 線路繞避活動斷裂帶方案示意圖

繞避方案由CK 77+000引出，跨越京包鐵路后折向東與既有京包鐵路并通道，線位繞避活動斷裂南側(cè)，依次跨既有京包鐵路、247省道及京新高速公路，至CIK 31+600自東端引入張呼鐵路懷安站。正線總長度 42.65 km，北京、呼和方向聯(lián)絡(luò)線共計15.3 km。

2.3 繞避斷裂與穿越斷裂方案對比

繞避斷裂方案在工程風險和實施難度上具有一定優(yōu)勢，但與穿越斷裂方案相比，主要有以下方面的劣勢：

①工程技術(shù)及經(jīng)濟方面

繞避斷裂方案正線長度42.65 km，較穿越斷裂方案長10.5 km；且增加聯(lián)絡(luò)線15.3 km，工程投資增加約18.2億元。工程投資較大，且線路繞行較遠，線形差。

②與張呼鐵路懷安站接軌方面

張呼鐵路懷安站為在建工程，已預留本線從該站西咽喉引入的條件；繞避斷裂方案只能接入張呼鐵路懷安站東咽喉，對呼張鐵路在建工程造成影響，并產(chǎn)生廢棄工程。

③運輸組織方面

繞避斷裂方案不經(jīng)過懷安站，北京-大同方向列車在懷安縣境內(nèi)為通過列車，懷安旅客乘車不便；呼和-大同方向列車雖經(jīng)過懷安站，但繞行長度較穿越斷裂方案長約10 km。

結(jié)合遠期旅客列車開行方案，北京-大同為客流主要交流方向，列車對數(shù)遠大于呼和-大同方向，繞避斷裂方案難以兼顧懷安旅客乘車，在運輸組織方面遠差于穿越斷裂方案。

綜上分析，雖然繞避斷裂方案在工程實施難度及風險性上較穿越斷裂方案有一定優(yōu)勢，但該方案在運輸組織、工程投資及與在建張呼鐵路懷安站接軌方面，均具有較大的劣勢，故不采用該方案。

(1)穿越斷裂各方案簡介

①方案一：西方案

方案基本位于該段航空線的西側(cè)，斷裂范圍CⅢK 68+650～CⅢK 68+821，寬度約171 m。采用路基半填半挖形式穿越斷裂范圍，方案起迄里程為 CⅢK 46+800～ CⅢK 75+000，線路長度 26.894 km，隧道長度13.535 km，橋隧比93.1%。其中隧道南出口橋梁最大高度為70 m，橋高超過50 m段落約3.86 km。

②方案二：中方案

方案基本位于該段航空線附近，斷裂范圍CK 68+810～CK 68+975，寬度約165 m，采用隧道形式穿越斷裂范圍，方案起迄里程為CK 46+800～CK 75+000，線路長度26.74 km，隧道長度 13.395 km，橋隧比96.28%。其中隧道南出口橋梁最大高度為20 m。

③方案三：東方案

方案位于該段航空線東側(cè)，斷裂范圍CⅣK 65+404～CⅣK 65+696，寬度約292 m。采用路基填方形式穿越斷裂范圍。方案起迄里程為CⅣK 46+800～CⅣK 75+000，線路長度26.92 km，隧道長度12.8 km，橋隧比94.6%。其中隧道南出口橋梁最大高度為74.5 m，橋高超過50 m段落約2.65 km。

(2)方案優(yōu)缺點分析

3個方案優(yōu)缺點對比分析如表1所示。

表1 穿越活動斷裂帶方案優(yōu)缺點分析表

從表1可以看出，方案二線位從活動斷裂的較窄地段以隧道方案快速通過，通過斷裂后，線路縱斷面跨越京包鐵路范圍內(nèi)橋梁高度最低，且工程投資最省，隧道穿越活動斷裂帶采用斷面擴挖、結(jié)構(gòu)加強、圍巖加固等措施可有效提高抗震性，降低工程風險，故穿越活動斷裂帶方案推薦方案二。

2.4 路基穿越斷裂與隧道穿越斷裂方案比較

(1)隧道穿越斷裂方案

根據(jù)大梁山越嶺隧道前后的地勢走向、起伏，確定大梁山隧道進出口位置。由于斷裂平面位置的地面標高較高，采用隧道方案穿越斷裂。隧道CK 68+810～CK 68+975段通過F11正斷層，該斷層總體走向NW，產(chǎn)狀186∠65°，斷距大于 15 m，斷層寬3 m，破碎帶寬約200 m。節(jié)理裂隙發(fā)育，斷層帶內(nèi)巖石破碎，斷層泥，碎裂角礫巖發(fā)育，并伴有高嶺土蝕變及褐鐵礦化。膠結(jié)一般，導水性中等。工程地震安全性評價判釋為全新世活動斷裂帶。

隧道抗震措施主要有斷面擴挖、結(jié)構(gòu)加強、圍巖加固等，通過該斷層擬采取以下措施：

①隧道預留斷面凈空：隧道內(nèi)輪廓結(jié)構(gòu)斷面考慮預留凈空30 cm，采用加寬有砟斷面，斷面內(nèi)輪廓如圖3所示。

②隧道支護措施加強：根據(jù)GB 50111-2006《鐵路工程抗震設(shè)計》要求，隧道通過斷層破碎帶段加強襯砌，襯砌支護參數(shù)如表2所示。

圖3 活動斷裂帶隧道預留凈空加寬有砟斷面圖(cm)

③隧道抗震設(shè)防加密變形縫：根據(jù)TB 10621-2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》要求，隧道抗震設(shè)防段應設(shè)置變形縫，變形縫間距不宜大于20 m。隧道內(nèi)每隔兩板襯砌臺車(16～20 m)設(shè)置1道變形縫，變形縫與施工縫統(tǒng)一設(shè)置。水溝電纜槽變形縫與襯砌變形縫對齊。

④隧道施工前，應進行超前地質(zhì)預報，探明斷層破碎帶寬度、巖性、水文等地質(zhì)情況，采用超前帷幕注漿進行圍巖加固，改善襯砌與圍巖的密切程度，減少結(jié)構(gòu)自振的影響，提高抗震性能。同時加強活動斷裂帶監(jiān)測和預警，預防地震災害的發(fā)生。

(2)路基穿越斷裂方案

線路平面位置同隧道穿越斷裂方案，抬高縱斷面標高，以路基形式穿越斷裂。由于線路縱斷面標高在隧道出口處抬高約32 m，隧道出口至大里程端，橋梁平均高度由20 m增加為50 m，橋梁工程增加較大。線路縱斷面如圖4所示。

表2 活動斷裂帶隧道復合式襯砌參數(shù)表

圖4 隧道穿越斷裂與路基穿越斷裂方面縱斷面示意圖

(3)方案優(yōu)缺點對比

兩方案優(yōu)缺點對比分析如表3所示。綜上分析，隧道穿越斷裂方案雖然工程風險性、穩(wěn)定性相對較差，但橋梁高度較低，隧道縱坡較大有利于排水，且工程投資較少，故推薦隧道穿越斷裂方案。

3 結(jié)論

做好高速鐵路跨越活動斷裂帶選線設(shè)計十分重要，是做好后續(xù)設(shè)計的前提。高速鐵路跨越活動斷裂帶選線首先應根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及《地震安全性評價報告》進行活動斷裂的確認鑒定判識工作，判定活動斷裂帶的分布、埋深、類型、性質(zhì)及與線位的交叉關(guān)系等。原則上線路選線應盡量避開活動斷裂，無法避開時應采用大角度穿越，從斷裂影響范圍小的地帶通過，避開斷裂交匯帶。線路穿越活動斷裂帶應降低縱坡，盡量采用易修復的路基通過，隧道、橋梁應盡量避開活動斷裂影響范圍，穿越活動斷裂帶時應采用有砟軌道。經(jīng)比選無法避開隧道時，應采用斷面擴挖、結(jié)構(gòu)加強、圍巖加固、監(jiān)測預警等措施，提高隧道抗震性，降低工程風險，確保工程安全。

表3 路基、隧道穿越活動斷裂帶方案優(yōu)缺點

注：比較范圍CK 62+700～CK 74+300