关于活动性断裂区域铁路设计探讨

毛斌

（铁道部工程设计鉴定中心 副总工程师，北京 100844）

“5·12”汶川特大地震之后，政府在组织全国人民抗震救灾的同时，也对灾后恢复重建进行了总体规划和布置。其中明确了修建成都至兰州铁路，国家发改委2009年初批准该项目立项。

拟建的成兰铁路位于四川省和甘肃省境内，线路走向自成都经什邡、绵竹、茂县、松潘至九寨沟，继续向北延伸接轨于在建的兰渝铁路的哈达铺站。线路溯岷江至源头，横切嘉陵江水系后再上至黄河水系的洮河。线路全长462 km，桥隧总长377 km，占81.6%。这个走向有约200 km基本与川西北断块“A”字形构造中的岷江活动断裂相重合。

关于区域性断裂、活动断裂，教科书上明确表述为：绕避、远离，或大角度相交，交叉跨越处选择简单的、易于抢修的工程。但成兰线的初拟走向，受环保、地形条件等因素控制，有较长段落走行在活动断裂之中。笔者因此想就活动断裂区修建铁路谈谈自己的想法。

1 川西北断块构造及成兰铁路工程地质条件

我国的活动断裂大致分为吉特提斯—喜马拉雅和滨太平洋两大体系。我国西部的活动断裂属于吉特提斯—喜马拉雅体系，该区域活动断裂规模巨大，以逆冲、逆掩和逆走滑活动为主，部分地区以走滑为主，以东西向和弧形为特征。具有现代活动性的龙门山断裂带、岷江断裂带和西秦岭断裂带，在川西北形成一个“A”形构造（如图1）。

图1 成兰铁路地形图

成兰铁路从成都平原向青藏高原东部边缘构造强烈复合的高山峡谷区爬升。初拟的线路走向正好沿“A”构造中的岷山断裂带而行，有约200 km与断裂带重合。在强烈的内外动力作用下，线路通过区域具有构造运动强烈，地震震级大，活动断裂多，次生地质灾害频发，岩体、岸坡稳定性差，不良地质规模大，地形起伏大的工程特点[1]，给工程建设造成极大困难，运营安全极为令人担忧。

2 区域性大断裂对工程的影响

在几十年的铁路建设中，我们无意或被迫将铁路选线与大断裂平行的代价是巨大的。最典型的是云南东川支线，陇海铁路的宝天段和上世纪90年代建造的南昆铁路的百板段工程。

小江大断裂导致云南东川支线铁路遭受泥石流。小江断裂大约400 km长，断层带宽大约2 km。东川支线为开发东川铜矿而修建，线路长约97 km，1958年开工建设，历时14年建成。线路基本沿小江大断裂而行，受断层影响，岩体极为破碎，自稳能力甚差，在雨水等外力作用下极易坍塌，并形成泥石流。铁路修建过程中就多次发生过泥石流，引起过60处约68 km的改线。通车几十年来，泥石流冲毁桥梁、淤满隧道，线路、路基等设施屡屡被冲毁，甚至出现了“桥淤改涵、涵满改路、路淤改隧”的奇观[2]。

渭河大断裂导致陇海铁路宝鸡至天水段大量工程变更。渭河主干断层长达100多km，断裂宽度1～4 km，断层内分布有众多大型滑坡、崩坍、泥石流沟等不良地质体。施工期间变更量大，运营期间病害不断，凡设计成隧道、高填深挖的地段几乎全部改线，采用小填小挖的路基工程、桥梁跨越沟谷[3]。

南昆铁路百色至板桃段大量工程变更。该段长约100 km，处于低山丘陵区，线路基本沿塘兴—潞城—隆林大断裂带而行。施工中该段路堑和隧道进出口开挖后多数工点相继出现边坡坍塌、山体开裂，采取了局部改线、深路堑改隧道，剩余路堑工程采用预加固、分层开挖、分层加固的措施后而建成。仅19个路堑工点就增加约8 900万元，平均每路基公里增加约1 300万元，相当于百色至威舍段区间路基工程概算指标的3.6倍[4]。所幸，通车后虽也有维护投入，但运营安全还基本可控、正常。

以上三个铁路建设中的典型实例和多年的工程实践，使我们认识到区域性大断裂带来的工程问题主要有如下的原因：

1）原岩受多期构造运动影响，被强烈挤压、强烈切割，岩体十分破碎，地下水发育，工程地质条件极差，尤其对深路堑、隧道工程不利。采用常规的、一般的方法和措施难以顺利建成。

2）软质岩地段的大断裂给山体变形、失稳提供了基础条件。断层破碎带岩体结构松散，为地表水的下渗、地下水的补给创造了条件，从而使岩体重量增加，同时在透水性相对较差的地带形成过湿带、地下水活跃带或风化作用相对明显带，断层泥、压碎片岩，特别是云母等的风化物均为典型的易滑物质，各种不利的结构面（包括古滑动面）容易形成新的滑动面。只要有适当的诱因，如人工开挖、降雨、地震、河流冲刷等因素，均可导致大面积山坡的变形失稳。

3）区域性断层的破碎物质、滑坡、崩坍体，为泥石流的形成提供了丰富的物质来源。

3 活动断裂对铁路工程的影响

活动断裂具有区域大断裂相同的工程性质，除此之外还具有更强的主动破坏性。

3.1 产生地面位移和变形

活动断层有蠕动和错动两种形式。有的活动断裂年变化量小，对工程影响较小，而有的活动断裂长期蠕变累积较大。如四川松潘1976年7.7级地震前的17年中，活动断裂两侧垂直年变化率为9～26 mm，累计最大垂直变化0.5～0.7 m[5]。这个变化量铁路工程是难以承受的。

据地震部门研究，青藏高原及其边缘地带活动断层的错位运动量最为显著。岷山断裂带正处于这个区域内。

当发震断裂发生强烈地震时，活动断裂往往产生明显的急速错位。唐山地震活动断裂两侧产生的最大垂直错位1 m，最大水平错动2.5 m；1970年通海7.7级地震，曲江断裂水平位移2～2.7 m，垂直位移0.5 m[6]；1920年甘肃海原8.5级地震，发震断裂水平错动2 m，并产生一系列高差1 m左右的陡坎[7]。

3.2 活动断裂可能诱发强烈地震

据统计，我国历来超过7级的地震，80%位于活动断裂上[8]，超过8级地震100%位于活动断裂上，而地震对铁路的破坏是毁灭性的。唐山地震时，距发震断裂30～50 km的京山线上的193座大、中、小桥中的39.3%遭受震害[5]。地震的破坏是沿断层分布并向两侧扩散，沿活动断裂修建铁路，增大了地震对铁路的破坏范围。同时，地段越长，发震时可能破坏地段运行列车的可能就越大，列车及旅客的安全威胁随之增大。

3.3 活动断裂往往诱发次生地质灾害

区域性大断裂导致岩体破碎，存有易滑面，形成地形起伏较大的地形特征，地震是产生灾害的外部因素之一。“5·12”汶川地震前，国土资源部曾对灾区的41县的地质灾害隐患进行过普察，存在有4 929处灾害隐患点，其中大型和特大型就达1 429处。初略估计汶川地震诱发滑坡、崩坍5万余处以上，大型、特大型滑坡达数百处[9]。若铁路被1976年四川松潘地震形成的叠溪海子处的巨型滑坡，“5·12”汶川地震形成的唐家山“堰塞湖”的巨型滑坡堆积物所掩埋的话，其抢修难度和抢修时间是可想而知的。

4 成兰铁路选线策略与建议

1）鉴于区域性断裂带来的工程建设难度，给运营留下的隐患，活动断裂可能诱发地震给铁路带来的毁灭性的破坏，成兰铁路走向的选择还是应在坚持“政治选线、经济选线、地质选线、环保选线”的原则下，综合论证比选确定。

2）鉴于活动断裂存在的缓慢变形和地震时的急剧变形，无论哪种情况发生，铁路工程均难以克服，因此不应在穿越活动断裂时选择隧道工程、高墩大跨等刚性结构。

相对地面结构而言，隧道对地层位移具有“追随性”，受地震加速度的影响较小，地层—结构之间相互作用相对较小。“5·12”地震中公路隧道虽也有大量破坏，出现了隧道衬砌开裂，形成贯通裂缝，严重地带钢筋扭曲，衬砌掉块、错台，洞口边仰坡开裂、垮塌，掩埋洞口等情况[9]，但出现结构失稳垮塌的情况较少，与桥梁的墩倒梁掉、路基的塌陷破坏而言，隧道工程的破坏对交通安全的危害要好得多。利用隧道工程的这一优势，是否可以设想：在不与活动断裂相交，洞口不被大型滑坡、崩坍堆积物所掩埋，洞身置于山体塌陷破裂角之外的前提下，地形起伏较大的活动断裂地段都以隧道通过。

至于破碎带内隧道工程的设计施工问题，借鉴陇海铁路后期、南昆线百板段破碎软质岩的工程建设经验，加强结构支护和施工管理是可以克服的。长隧带来的施工和运营通风问题，利用岷江河谷可多设辅助施工通道的有利条件解决工期和施工通风问题，亦可布设通风坑道解决运营通风问题。

5 结束语

我们不仅要修建铁路，还要保证铁路的安全，长久地为人民、为区域经济发展服务。隧道结构具有抗震优势，但距活动断裂中心多远，能达到破坏而结构不失稳呢？铁路工程以哪种方式或在采取何种措施的条件下，可适当靠近保护区而不对保护种类产生较大的影响，从而可使铁路远离活动断裂呢？类似这样以前没经历的问题，尚需我们共同研究解决。

[1]中国中铁二院工程集团有限责任公司.新建铁路成都至兰州线可行性研究报告[R]，2009

[2]铁道第二勘察设计院.东川铁路勘测设计总结[R].1980

[3]铁道第一勘察设计院.改建铁路陇海线宝鸡至兰州段增加第二线可研报告[R]

[4]铁道第二勘察设计院.南昆铁路[M].成都：电子科技大学出版社，2006

[5]何振宁.区域工程地质与铁路选线[M].北京：中国铁道出版社，2004

[6]中国地震学会地震地质专业委员会.中国活动断裂[M].北京：地震出版社，1982

[7]李兴唐，许兵等.区域地壳稳定性研究理论与方法[M].北京：地质出版社，1987

[8]张文佑.断块构造导论[M].北京：石油工业出版社，1984

[9]李乔，赵世春等.汶川大地震工程震害分析[M].成都：西南交通大学出版社，2008