柏華軍

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,武漢 430063)

1 工程簡介

1.1 研究背景

我國地處環(huán)太平洋和歐亞兩大地震帶的交匯處，屬于地震多發(fā)國家，地震斷裂帶分布廣泛；隨著高速鐵路“八縱八橫”快速組網(wǎng)，高鐵橋梁鄰近斷層或跨越斷層將不可避免。已經(jīng)建成及正在建設(shè)的20條高速鐵路初步統(tǒng)計表明，京滬、石太、長昆、大西、津秦、青榮等高速鐵路，哈齊、長吉等城際鐵路，均跨越多條斷裂帶。高鐵穿越活動斷裂帶，將面臨地震活動或無震蠕滑等地質(zhì)災(zāi)害威脅，造成線路結(jié)構(gòu)損壞，甚至引起重大交通安全事故。文獻(xiàn)[1]報道了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。文獻(xiàn)[2]表明，汶川地震在地震近場區(qū)，尤其是斷裂帶，地表出現(xiàn)隆起、沉陷、斷裂、移位等強烈變形，橋梁、路基工程震害十分突出，通過斷裂帶的隧道也有損壞。因此，以徐連高鐵為例開展地震斷裂帶對高速鐵路工程的影響研究，以期為川藏鐵路等類似工程的設(shè)計提供技術(shù)參考和借鑒。

1.2 項目概況

徐州至連云港高速鐵路[3](以下簡稱“徐連高鐵”)位于江蘇省北部黃淮平原地區(qū)，全長約180.013 km。線路為東西走向，與南北走向的郯廬斷裂帶在新沂段大角度相交。整個斷裂帶寬度約24.58 km，涉及里程DK82+280～DK107+800。線路全部位于7度及以上地震區(qū)，其中有90.5 km位于8度(0.2g)高烈度區(qū)，占線路總長的50%，屬于典型的高烈度地震區(qū)跨地震斷裂帶高速鐵路(圖1)。

圖1 徐連高鐵線路平面布置

徐連高鐵線路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 徐連高鐵主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2 地震安全性評價

為保障高速鐵路的安全，開展了《郯廬斷裂帶對連云港至徐州客運專線工程影響評價專題》研究(簡稱“專題研究”)，評估其對無砟軌道高速鐵路工程的安全影響，并采取對應(yīng)工程處理措施。

郯城—廬江斷裂帶(簡稱郯廬斷裂帶)是我國東部一條規(guī)模巨大的巖石圈斷裂，南起長江北岸的廣濟地區(qū)，向北經(jīng)安徽、江蘇、山東，跨越渤海，經(jīng)東北三省，進入俄羅斯境內(nèi)，全長約2 400 km，總體走向N30°E，是中國東部地區(qū)地震活動強烈的地震帶。

徐連高鐵工程主要涉及郯廬斷裂帶濰坊—嘉山段，該段亦稱沂沭斷裂帶。沂沭斷裂帶[4-5]由5條平行的主干斷裂組成(圖2)，自東向西分別為昌邑—大店斷裂(f1)，白芬子—浮來山斷裂(f2)，沂水—湯頭斷裂(f3)，鄌郚—葛溝斷裂(f4)，安丘—莒縣斷裂(f5)。其中安丘—莒縣斷裂帶(f5)自北向南由3大段呈右階斜列組成：北段昌邑—安丘段，中段莒縣—郯城段，南段新沂—泗洪段。限于篇幅，地震危險性評價摘錄主要結(jié)論。

圖2 徐連高鐵線路與沂沭斷裂帶交匯處地質(zhì)圖

2.1 斷裂活動性分析

根據(jù)野外調(diào)查及文獻(xiàn)查閱綜合分析，專題研究認(rèn)為這5條斷層中僅f5為全新世活動斷層，斷裂以逆沖右旋走滑運動為主，局部為正斷右旋走滑運動性質(zhì)，1668年郯城8.5級地震就發(fā)生在該斷層上。安丘—莒縣斷裂(f5)多以壓性逆斷活動為主，局部顯示為張性正斷活動，斷層活動具有明顯的分段性。

其他4條為早-中更新世斷層，以正斷活動性為主。安丘—莒縣斷裂(f5)各次級斷裂活動強度對比見表2、表3。

表2 徐連高鐵附近沂沭斷裂帶各次級斷裂活動強度對比

表3 與鐵路相交的安丘—莒縣斷裂帶全新世活動參數(shù)

2.2 斷裂錯動評價

通過野外地質(zhì)調(diào)查、探槽開挖、斷錯地貌面測量，專題研究認(rèn)為安丘—莒縣斷裂地震斷層和地震形變帶展布基本一致，多呈扭動牽引地貌，郯城至新沂段主要為逆斷、逆掩斷層陡坎，坡度小。綜合分析認(rèn)為，高鐵穿越區(qū)僅f5為全新世活動斷裂，推測如果未來發(fā)生地震，具有地表錯斷的可能性，其未來地震地表垂直斷錯量1～2 m，水平位錯量2～4 m，垂直和水平位錯量比一般為1∶2；其他斷裂為非全新世活動斷裂，覆蓋層埋深大，在鐵路工程中可以不考慮地表錯斷的影響。

2.3 蠕滑變形評價

鐵路穿越區(qū)段為新沂—泗洪斷裂段，根據(jù)現(xiàn)場布置觀測點監(jiān)測，專題研究表明新沂-泗洪段其年平均垂直形變速率為0.01～0.21 mm/a；根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查、探槽開挖、斷錯地貌面測量，沂沭斷裂(圖3)地震斷層和地震形變帶展布基本一致，其垂直和水平位錯量比一般1∶2，推測該段的年平均水平形變速率為0.42 mm/a。

圖3 沂沭斷裂帶地質(zhì)略圖

2.4 工程地質(zhì)評價

根據(jù)GB18306—2015《中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖》[6]和GB18306—2015《中國地震動加速度反應(yīng)譜特征周期區(qū)劃圖》[5]確定本線地震動峰值加速度0.2g、抗震設(shè)防烈度8度，標(biāo)準(zhǔn)地震動反應(yīng)譜特征周期Tg=0.4 s，地震斷裂帶區(qū)域的場地類別為Ⅲ類。

3 郯廬斷裂帶對徐連高鐵影響

3.1 地表錯斷對鐵路工程的影響與危害

當(dāng)發(fā)生強烈地震時，活動斷裂往往產(chǎn)生明顯的急速位錯，引發(fā)地表錯動、破裂使鐵路線承受強烈的拉壓和剪切作用，有可能錯斷、拉斷軌道板和軌道，或使軌道產(chǎn)生褶皺屈曲。斷裂在錯動瞬間，釋放大量能量，以彈性波的形式引起地表強烈振動，從而導(dǎo)致建筑物和鐵路工程的破壞，這是比斷裂直接位錯更廣泛和常見的危害。專題研究預(yù)測該區(qū)域如果未來發(fā)生地震，將產(chǎn)生垂向位錯量1～2 m，水平位錯量2～4 m，這種錯動可能造成路基垮塌、橋梁墩臺嚴(yán)重變形等危害，導(dǎo)致中斷行車。其他斷裂為非全新世活動斷裂，覆蓋層埋深大，在鐵路工程中可以不考慮地表錯斷的影響。

3.2 長期蠕變對鐵路工程的影響

專題研究通過對沂沭斷裂帶跨斷層觀測資料分析，認(rèn)為高鐵穿越區(qū)段斷層年平均垂直形變速率為0.01～0.21 mm/a，年平均水平形變速率為0.42 mm/a。按照鐵路100年設(shè)計使用年限考慮，預(yù)測設(shè)計年限內(nèi)的垂直形變值為21 mm，水平的形變?yōu)?2 mm。

4 工程應(yīng)對措施

4.1 線路工程

文獻(xiàn)[4-11]表明，新的高速鐵路選線理念是更應(yīng)堅持“地質(zhì)選線”原則，高速鐵路跨越地震斷裂帶時優(yōu)先選擇繞避方案避讓，當(dāng)無法避讓時盡量采用大角度穿越地震帶，減小了地震斷裂上下盤效應(yīng)對上部工程的影響。

徐連高鐵選線時線路無法避免穿越郯廬斷裂帶時，結(jié)合新沂南站的選址，在DK83+380～DK84+370段采用大角度跨越地震斷裂帶，基本接近十字正交，如圖4所示。

圖4 徐連高鐵線路與郯廬斷裂帶位置關(guān)系

4.2 軌道工程

高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)主要有無砟軌道和有砟軌道兩種，前者軌道底座板采用混凝土結(jié)構(gòu)，軌道高程的調(diào)整僅僅通過扣件調(diào)節(jié)，調(diào)整量十分有限；后者道床為道砟結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)較大的變形可通過調(diào)整道砟的厚度來調(diào)整軌道的變形，適應(yīng)性很強，破壞后易于修復(fù)。

高速鐵路穿越地震斷裂帶時，為防止影響區(qū)的不確定性地基沉降，易于后期修復(fù)，優(yōu)先采用有砟軌道結(jié)構(gòu)。TB10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》[12]9.1.2-2條規(guī)定“活動斷裂帶不應(yīng)采用無砟軌道”。其條文解釋為活動斷裂帶等區(qū)域變形不易控制的特殊地質(zhì)條件地段，由于無砟軌道的調(diào)整能力有限，一旦受損，將影響正常運營甚至危及運營安全，采用有砟軌道結(jié)構(gòu)較為合理。

專題研究表明，f5由2條斷裂帶組成，f5-1與f5-2分別與線路相交于DK83+970、DK83+780。f5為全新世活動斷裂帶，存在地表破裂的可能性，需采取抗斷措施。根據(jù)國鐵集團鑒定中心審查意見，DK83+380～DK84+370設(shè)置為有砟軌道。

徐連高鐵設(shè)計時軌道結(jié)構(gòu)總體采用無砟軌道，跨越地震斷裂帶時采用有砟軌道。為提高道床的穩(wěn)定性，減少道砟飛濺和高速動車組的高頻振動導(dǎo)致道砟粉化，特別采取了新型的聚氨酯固化道床技術(shù)(圖5)，將離散的道砟固接成彈性整體，同時又可兼顧路基耐久性和后期可修復(fù)性。

圖5 聚氨酯固化道床示意

4.3 路基工程

文獻(xiàn)[13-15]表明，高速鐵路穿越地震斷裂帶時，優(yōu)先采用易于災(zāi)后修復(fù)、次生災(zāi)害較小路基工程穿越，避免高路堤、深路塹、陡坡路基等難以修復(fù)的重大工程。通過采用加寬路肩、選用優(yōu)質(zhì)填料、放緩邊坡、應(yīng)用非剛性路基、柔性分層加筋等措施，增加路基本體穩(wěn)定性。

根據(jù)《郯廬斷裂帶對連云港站至徐州客運專線鐵路工程影響評估專題》意見，在DK83+380～DK84+370段采用易修復(fù)的柔性路基工程方案穿越郯廬斷裂帶次級斷裂帶f5，采用加筋等措施提高抗錯斷能力，加寬路基面寬度，并加強路基變形監(jiān)測。根據(jù)鐵路總公司專家審查意見，路基設(shè)計時將標(biāo)準(zhǔn)路基兩側(cè)路肩各加寬1.1 m，即路基頂面整體寬度由13.6 m=(4.3+5+4.3) m變?yōu)?5.8 m=(5.4+5+5.4) m，并路基本體內(nèi)增加土工格柵的鋪設(shè)密度等措施，提高路基的整體穩(wěn)定性，同時增加災(zāi)后路基面的維修空間(圖6)。

圖6 路基加強段橫斷面布置(單位：m)

根據(jù)2017年5月17日工管中心組織的專家評審中關(guān)于DK83+300～DK84+370段有砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計意見，工程實施階段應(yīng)增強影響區(qū)段的沉降觀測，并對路基下方復(fù)合地基進行加強處理。

4.4 站房工程

高速鐵路為重要運輸通道，具有抗震救災(zāi)生命線通道的功能。根據(jù)GB50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[16]分類辦法，其中大型站房屬于甲類工程，需要進行避讓，相關(guān)工程避讓距離見表4。

同時，《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》3.10.3條規(guī)定建筑結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計時地震動水準(zhǔn)選定原則，指出對處于發(fā)震斷裂兩側(cè)10 km以內(nèi)的結(jié)構(gòu)，地震動參數(shù)應(yīng)計入近場影響，5 km以內(nèi)宜乘以增大系數(shù)1.5，5 km以外宜乘以不小于1.25的增大系數(shù)。

徐連高鐵距離地震斷裂帶最近車站為新沂南站(圖7)，站位中心里程DK86+500(車站范圍按兩側(cè)各650 m長度考慮)，距離地震斷裂帶影響范圍(DK83+380～DK84+370)外1 480 m，滿足最小避讓距離400 m要求，并預(yù)留足量的安全儲備。

圖7 新沂南站效果圖

4.5 橋梁工程

高速鐵路為控制沉降和節(jié)約用地以橋梁工程為主，因此在地震斷裂帶影響相對較小區(qū)域宜優(yōu)先采用橋梁結(jié)構(gòu)?？紤]到地震的不確定性，橋梁結(jié)構(gòu)宜優(yōu)先采用易于修復(fù)的簡支梁結(jié)構(gòu)，并在支座上設(shè)置縱橫向防落梁擋塊，避免因地震落梁造成交通中斷。

GB50111—2006《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》(2009年版)[17]7.1.3條規(guī)定：橋梁抗震設(shè)計時應(yīng)結(jié)合地形地質(zhì)條件，構(gòu)造特點、工程規(guī)模及震害經(jīng)驗等因素，確定橋型及墩臺基礎(chǔ)型式。當(dāng)橋梁必須穿越地震斷層時，宜采用小跨度、低墩高的簡支梁橋；7.4.1條規(guī)定：高烈度地震區(qū)有條件時可采用減隔震設(shè)計，采用減隔震設(shè)計的橋梁，應(yīng)滿足正常使用功能要求。

JTG/TB02-01—2008《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》[18]4.1.9條規(guī)定，當(dāng)考慮震斷裂錯動對橋梁的影響，A類橋梁應(yīng)盡量避開主斷裂，抗震設(shè)防烈度為8度和9度地區(qū)，其避開主斷裂的距離為橋墩邊緣至主斷裂帶外緣分別不宜小于300 m和500 m；A類以下橋梁宜采用跨徑較小、便于修復(fù)的結(jié)構(gòu)。

徐連高鐵在地震斷裂帶兩側(cè)(DK83+380～DK84+370范圍外)分別為東海特大橋和新沂特大橋，橋梁方案以32 m簡支箱梁為主，橋上鋪設(shè)無砟軌道，在跨越等級道路不得不采用連續(xù)梁結(jié)構(gòu)時，為減小地震對大跨度結(jié)構(gòu)的影響，采用了隔震支座，將傳統(tǒng)的抗震思路由硬抗和延續(xù)設(shè)計改為隔震設(shè)計，大大減小地震對橋梁的破壞作用。

限于篇幅，僅以東海特大橋跨S322省道為例，采用(40 m+168 m+40 m)系桿拱連續(xù)梁橋(圖8)，支座采用雙曲球面隔震支座(圖9)，并在縱橫向兩側(cè)設(shè)置防落梁擋塊(圖10)。

圖8 東海大橋(40+168+40) m系桿拱連續(xù)梁橋立面(單位：m)

圖9 雙曲球面隔震支座

圖10 防落梁擋塊

徐連高鐵全線有多處大跨度橋梁結(jié)構(gòu)均采用雙曲球面隔震支座，并委托同濟大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室開展專題研究，結(jié)果表明：采用隔震設(shè)計方案可將橋墩等下部結(jié)構(gòu)承受的地震力減少到設(shè)計可控范圍，并從抗震構(gòu)造措施角度對全線橋墩和樁基進行抗震加強設(shè)計。同時，針對液化沙土影響區(qū)，對樁基設(shè)計抗力進行加強，并對液化深度范圍的樁側(cè)摩阻力等地質(zhì)參數(shù)按折減考慮。

5 總結(jié)與建議

目前系統(tǒng)性研究關(guān)于高速鐵路跨越地震斷裂帶課題文獻(xiàn)很少，研究地震斷裂帶對高速鐵路工程的影響，積累工程經(jīng)驗，推廣既有成熟技術(shù)是十分必要而有意義的，以期為川藏鐵路等類似工程建設(shè)提供參考。通過徐連高鐵跨越郯廬斷裂帶為例進行研究，得到以下成果和建議。

(1)從徐連高鐵跨郯廬斷裂帶地質(zhì)安全評價入手，結(jié)合現(xiàn)有規(guī)范文獻(xiàn)，為減少斷裂帶對工程的影響，從線路、軌道、路基、站房、橋梁等多個專業(yè)角度采取針對性措施，綜合性很強，踐行“科研服務(wù)工程”宗旨，具有一定的學(xué)術(shù)價值。

(2)高速鐵路選線堅持“地質(zhì)選線，避讓為主”原則，徐連高鐵在無法避讓情況下采取“線路大角度穿越、站房設(shè)置避讓距離、選擇有砟軌道路基結(jié)構(gòu)，橋梁優(yōu)先簡支梁、大跨度結(jié)構(gòu)采取隔震措施”等綜合措施，在現(xiàn)有技術(shù)水平能力范圍科學(xué)合理應(yīng)對地震災(zāi)害。本文從工程抗震的角度展示我國高速鐵路的建設(shè)水平。

(3)專題研究表明，郯廬斷裂帶安丘—莒縣斷裂(f5)為全新世活動斷層；預(yù)測100年內(nèi)的垂直蠕滑變形為21 mm，水平蠕滑變形為42 mm，將超出無砟軌道的可調(diào)節(jié)范圍；推測其新沂—宿遷斷層段如果未來發(fā)生地震，地表垂直斷錯量達(dá)1～2 m，水平位錯量2～4 m，這種錯動可能造成路基垮塌、橋梁墩臺嚴(yán)重變形等危害，嚴(yán)重時導(dǎo)致中斷行車，應(yīng)加強抗錯動措施。

(4)徐連高鐵跨地震斷裂帶在線路無法繞避時，采用十字交叉方案跨越地震斷裂帶，在地震斷裂帶范圍內(nèi)優(yōu)先選擇更易修復(fù)的路基結(jié)構(gòu)和后期易于修復(fù)的有砟軌道結(jié)構(gòu)；地震斷裂帶范圍外橋梁優(yōu)先選擇易于修復(fù)簡支梁結(jié)構(gòu)，并對大跨度結(jié)構(gòu)采用隔震方案；同時將新沂南站設(shè)置在安全避讓距離外，對路基、橋梁和軌道進行針對性的加強設(shè)計，確保工程安全。

(5)考慮到地震工程的復(fù)雜性和不確定性，郯廬斷裂帶全新世活動斷層f5對徐連高鐵的運營具有極強的潛在危險性和不確定性，建議在該區(qū)域內(nèi)建立地震預(yù)警系統(tǒng)，加強對地震監(jiān)測和斷層處的位移監(jiān)測，為高速鐵路運行實時提供安全保障。

致謝：

感謝中鐵四院徐連高鐵設(shè)計團隊全體工程師對項目建設(shè)所做貢獻(xiàn)，特別是高文軍總工程師的技術(shù)指導(dǎo)和項目負(fù)責(zé)人譚宏高級工程師、賈厚華高級工程師提供的相關(guān)材料；感謝中國地震局地震預(yù)測研究所呂曉健團隊開展的地震預(yù)測和災(zāi)害評估工作；感謝上海申豐地質(zhì)新技術(shù)應(yīng)用研究所毛建偉團隊開展的地質(zhì)地震調(diào)查工作。拙文是大家共同努力的項目成果，集體智慧的結(jié)晶。