毛斌

（鐵道部工程設(shè)計(jì)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(guó)人民抗震救災(zāi)的同時(shí)，也對(duì)災(zāi)后恢復(fù)重建進(jìn)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(guó)家發(fā)改委2009年初批準(zhǔn)該項(xiàng)目立項(xiàng)。

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(dá)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(zhǎng)462 km，橋隧總長(zhǎng)377 km，占81.6%。這個(gè)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(dòng)斷裂相重合。

關(guān)于區(qū)域性斷裂、活動(dòng)斷裂，教科書(shū)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(jiǎn)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(zhǎng)段落走行在活動(dòng)斷裂之中。筆者因此想就活動(dòng)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(guó)的活動(dòng)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(guó)西部的活動(dòng)斷裂屬于吉特提斯—喜馬拉雅體系，該區(qū)域活動(dòng)斷裂規(guī)模巨大，以逆沖、逆掩和逆走滑活動(dòng)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(dòng)性的龍門(mén)山斷裂帶、岷江斷裂帶和西秦嶺斷裂帶，在川西北形成一個(gè)“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(qiáng)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(qiáng)烈的內(nèi)外動(dòng)力作用下，線路通過(guò)區(qū)域具有構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，地震震級(jí)大，活動(dòng)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(diǎn)[1]，給工程建設(shè)造成極大困難，運(yùn)營(yíng)安全極為令人擔(dān)憂。

2 區(qū)域性大斷裂對(duì)工程的影響

在幾十年的鐵路建設(shè)中，我們無(wú)意或被迫將鐵路選線與大斷裂平行的代價(jià)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(zhǎng)，斷層帶寬大約2 km。東川支線為開(kāi)發(fā)東川銅礦而修建，線路長(zhǎng)約97 km，1958年開(kāi)工建設(shè)，歷時(shí)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(guò)程中就多次發(fā)生過(guò)泥石流，引起過(guò)60處約68 km的改線。通車(chē)幾十年來(lái)，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(zhǎng)達(dá)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(yùn)營(yíng)期間病害不斷，凡設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(jìn)出口開(kāi)挖后多數(shù)工點(diǎn)相繼出現(xiàn)邊坡坍塌、山體開(kāi)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(kāi)挖、分層加固的措施后而建成。僅19個(gè)路塹工點(diǎn)就增加約8 900萬(wàn)元，平均每路基公里增加約1 300萬(wàn)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(chē)后雖也有維護(hù)投入，但運(yùn)營(yíng)安全還基本可控、正常。

以上三個(gè)鐵路建設(shè)中的典型實(shí)例和多年的工程實(shí)踐，使我們認(rèn)識(shí)到區(qū)域性大斷裂帶來(lái)的工程問(wèn)題主要有如下的原因：

1）原巖受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，被強(qiáng)烈擠壓、強(qiáng)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(duì)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(bǔ)給創(chuàng)造了條件，從而使巖體重量增加，同時(shí)在透水性相對(duì)較差的地帶形成過(guò)濕帶、地下水活躍帶或風(fēng)化作用相對(duì)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(dòng)面）容易形成新的滑動(dòng)面。只要有適當(dāng)?shù)恼T因，如人工開(kāi)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(lái)源。

3 活動(dòng)斷裂對(duì)鐵路工程的影響

活動(dòng)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(qiáng)的主動(dòng)破壞性。

3.1 產(chǎn)生地面位移和變形

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

據(jù)地震部門(mén)研究，青藏高原及其邊緣地帶活動(dòng)斷層的錯(cuò)位運(yùn)動(dòng)量最為顯著。岷山斷裂帶正處于這個(gè)區(qū)域內(nèi)。

當(dāng)發(fā)震斷裂發(fā)生強(qiáng)烈地震時(shí)，活動(dòng)斷裂往往產(chǎn)生明顯的急速錯(cuò)位。唐山地震活動(dòng)斷裂兩側(cè)產(chǎn)生的最大垂直錯(cuò)位1 m，最大水平錯(cuò)動(dòng)2.5 m；1970年通海7.7級(jí)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(jí)地震，發(fā)震斷裂水平錯(cuò)動(dòng)2 m，并產(chǎn)生一系列高差1 m左右的陡坎[7]。

3.2 活動(dòng)斷裂可能誘發(fā)強(qiáng)烈地震

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)歷來(lái)超過(guò)7級(jí)的地震，80%位于活動(dòng)斷裂上[8]，超過(guò)8級(jí)地震100%位于活動(dòng)斷裂上，而地震對(duì)鐵路的破壞是毀滅性的。唐山地震時(shí)，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?cái)鄬臃植疾⑾騼蓚?cè)擴(kuò)散，沿活動(dòng)斷裂修建鐵路，增大了地震對(duì)鐵路的破壞范圍。同時(shí)，地段越長(zhǎng)，發(fā)震時(shí)可能破壞地段運(yùn)行列車(chē)的可能就越大，列車(chē)及旅客的安全威脅隨之增大。

3.3 活動(dòng)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(guó)土資源部曾對(duì)災(zāi)區(qū)的41縣的地質(zhì)災(zāi)害隱患進(jìn)行過(guò)普察，存在有4 929處災(zāi)害隱患點(diǎn)，其中大型和特大型就達(dá)1 429處。初略估計(jì)汶川地震誘發(fā)滑坡、崩坍5萬(wàn)余處以上，大型、特大型滑坡達(dá)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(shí)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(lái)的工程建設(shè)難度，給運(yùn)營(yíng)留下的隱患，活動(dòng)斷裂可能誘發(fā)地震給鐵路帶來(lái)的毀滅性的破壞，成蘭鐵路走向的選擇還是應(yīng)在堅(jiān)持“政治選線、經(jīng)濟(jì)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(dòng)斷裂存在的緩慢變形和地震時(shí)的急劇變形，無(wú)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(dòng)斷裂時(shí)選擇隧道工程、高墩大跨等剛性結(jié)構(gòu)。

相對(duì)地面結(jié)構(gòu)而言，隧道對(duì)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(duì)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(kāi)裂，形成貫通裂縫，嚴(yán)重地帶鋼筋扭曲，襯砌掉塊、錯(cuò)臺(tái)，洞口邊仰坡開(kāi)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(duì)交通安全的危害要好得多。利用隧道工程的這一優(yōu)勢(shì)，是否可以設(shè)想：在不與活動(dòng)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(dòng)斷裂地段都以隧道通過(guò)。

至于破碎帶內(nèi)隧道工程的設(shè)計(jì)施工問(wèn)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(yàn)，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)支護(hù)和施工管理是可以克服的。長(zhǎng)隧帶來(lái)的施工和運(yùn)營(yíng)通風(fēng)問(wèn)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(wèn)題，亦可布設(shè)通風(fēng)坑道解決運(yùn)營(yíng)通風(fēng)問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

我們不僅要修建鐵路，還要保證鐵路的安全，長(zhǎng)久地為人民、為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)。隧道結(jié)構(gòu)具有抗震優(yōu)勢(shì)，但距活動(dòng)斷裂中心多遠(yuǎn)，能達(dá)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(hù)區(qū)而不對(duì)保護(hù)種類產(chǎn)生較大的影響，從而可使鐵路遠(yuǎn)離活動(dòng)斷裂呢？類似這樣以前沒(méi)經(jīng)歷的問(wèn)題，尚需我們共同研究解決。

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

[2]鐵道第二勘察設(shè)計(jì)院.東川鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)總結(jié)[R].1980

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

[4]鐵道第二勘察設(shè)計(jì)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(guó)鐵道出版社，2004

[6]中國(guó)地震學(xué)會(huì)地震地質(zhì)專業(yè)委員會(huì).中國(guó)活動(dòng)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