地震作用下宝成铁路地质灾害调查分析

于 贵

（中铁西北科学研究院有限公司,甘肃 兰州 730000）

0 引言

宝成铁路始建于1952年，1958年正式交付运营，在国家“八五”期间增建了宝成二线。宝成铁路沿线地势北高南低，穿越秦岭及大巴山、龙门山中山区，经四川盆地边缘低山丘陵进入成都平原。沿途地形复杂，河谷深切，地质灾害频发。2008年5月12日四川汶川发生8.0级特大地震，对宝成铁路也造成大量次生地质灾害。本文在“5·12”地震后开展的排查统计工作基础上，总结地震引发的灾害类型和特点，分析地震的致灾作用的影响次生地质灾害的因素，并对今后的震害防治工程工作提出建议。

1 研究区地质背景

宝成铁路自北往南横跨渭河盆地、秦岭山地、龙门山山地和四川盆地几个地貌单元。成都铁路局管段起自广元，终止成都，主跨龙门山山地和四川盆地两大地貌单元，其中沙溪坝至二郎庙区段属于龙门山脉的侵蚀溶蚀地貌，沟壑纵横，地形起伏剧烈，地表切割严重，工程地质条件非常复杂。

区域地质构造主要为龙门山华夏构造带和绵阳环状构造。走向NE的龙门山构造带呈狭长条带状由江油、广元向北东延伸，与秦岭东西向构造带交汇复合。该构造带的突出特点是断层密集发育，不同性质、不同序次、不同等级的断裂相互切割。第四纪以来挽近构造运动在龙门山构造带具有继承性强烈隆起的特点，表现在河流强烈下切，两岸分布有一～三级阶地及多级夷平面；碳酸盐岩岩溶分布在垂直剖面上具有三个以上的水平发育带；斜坡崩塌、滑坡等地质灾害十分发育。

受上述构造作用，沿线铁路路堑边坡次级构造带和构造结构面十分发育，岩石被挤压较破碎至极破碎，呈碎裂状结构、散体状结构，岩石大部分为强～弱风化，有的已风化呈土包石状。地质构造（结构面）对铁路路基边坡的稳定性起控制作用。

“5·12”地震后中宝成铁路沿线设施遭受到严重的破坏和威胁，产生大量的地震次生地质灾害。由于余震强度较大，持续时间较长，进一步增强了地震灾害的破坏效应，加剧了地震灾害对宝成铁路的安全隐患。

2 地震灾害的破坏类型和特点

在“5·12”特大地震后的排查工作中，查出宝成铁路成都至广元的铁路沿线新产生各类地震次生灾(病)害近100余处，均程度不同地给铁路的安全运营形成威胁。根据性质和破坏类型可以分为轨道电路设施受损、桥涵建筑物变形、路堑边坡变形、路堤变形、坡体滑坡、隧道变形、崩塌落石7类，各类灾害的分析统计和特点见表1。

控制次生灾害的主要因素是地质条件，主要是地形条件、临空面条件和岩体条件。不同的震型和不同的地质条件相组合，表现出的震害现象也是不同的[1-2]，上述分类只是在一定的地震强度下结合一定的地质条件作出的，改变地震强度或改变地质条件，其震害反映可能是不同的。

表1 地震次生地质灾害分析统计表

3 地震致灾作用分析

地震作用下地表的破坏机理是十分复杂的，当地震波到达地表后因地表处的地形、地貌、地层岩性、地质构造、防护工程等环境地质条件的不同而表现出复杂各异的破坏景象。

宝成铁路是既有线铁路，成都铁路局管段基本上傍清江而行，铁路路基总体上位于山体下部，山侧山坡高陡，最高山体高度超过300 m，平均坡度大于45°，局部地段坡度50°～80°。修建铁路人工开挖路基，形成较陡的人工边坡，边坡呈下陡上缓状。这样的山坡形状坡脚应力较为集中，当地震波作用于边坡坡面时形成放大的地震应力场[2]，该应力场与边坡应力场、构造应力场叠加，当超过边坡岩体的破坏强度时便发生边坡变形，形成灾害。受篇幅所限，本文仅对以下震害进行致灾分析。

3.1 路堑边坡变形

路堑边坡的坡面是一个临空面，临空面对入射的地震波具有反射作用。由于此类边坡大多是岩质边坡，坡面上原生、次生结构面、裂隙相互交叉作用，岩体分割为大小不均的块体，致使坡面表层形成强度不均的复杂斜面。这种坡面的固有性态会对地震波产生不同程度和方向各异的反射甚至是散射，从而形成各种类型的震波。震波相互影响、相互叠加形成更为复杂的地震波场作用于边坡表层坡面。相互叠加的震动波具有放大效应，从而影响到边坡的变形，形成坡面溜坍、坍塌。当然这种地震作用的强弱也与坡面的防护工程有关，震后调查中已发现坡面浆砌片石护坡因厚度和强度不足而产生松动和裂缝，见图1。

图1 地震引起浆砌片石护坡变形Fig.1 Deformation on mortar flagstone slope formed by the earthquake.

图2 地震产生的路堤裂缝Fig.2 Embankment crack formed by the earthquake.

3.2 路堤变形

路堤是在基岩顶面或老地面上人工填筑形成的路基形式。由于上下介质的不同，地震波在基岩内的传播速度要大于填筑土层内的传播速度，造成路基面处的震动效应要大于坡脚。这是由于路基填土对基岩传来入射波有放大作用，主要表现为在地震发生时路堤边坡脚处以一定的加速度产生震动，而路基面处地震加速度急剧放大，形成瞬时拉应力[3]。因填土的抗拉强度极低，导致路基面上产生多道长大贯通的拉裂缝，尤其是路肩一带，在震后排查中尤为多见（图2）。由于坡脚震动的作用，坡脚抗剪强度降低，同时由于入射波在填土与基岩面（或老地面）处的折、反射作用可在此形成复杂的震动集中带，从而形成路堤边坡滑坡，导致灾害发生。但在宝成铁路震后排查时多见路肩裂缝贯通而未产生滑坡的现象，究其原因，这种灾害是否形成也取决于地震的持续时间和坡脚的防护工程强度以及路堤的高度。

3.3 坡体滑坡

主要是斜坡上的崩坡积堆积体在地震作用下的变形。在地震过程中，由滑床岩体入射的地震波在滑体中产生震动放大效应，使得地震加速度增大，从而产生拉应力，使得滑体产生裂缝并导致滑坡稳定性降低（图3）。由于滑体堆积物松动开裂，为震后雨水的入渗创造条件，当雨水作用较强时，滑带力学参数降低，有可能会产生崩坡积物沿基岩顶面产生滑坡变形[4]。因此滑坡在地震时不一定发生，而在其后的降雨过程中发生，应做好监测工作。排水工程是防止滑坡发生的重要措施。

图3 地震产生的滑坡后缘裂缝Fig.3 Crack at back edge of landslide formed by the earthquake

3.4 隧道变形

由隧道变形的特点可以看出，地震引起隧道进出口段的开裂变形主要与坡体的临空条件密切相关。隧道进出口处必然是临空面，隧道本身也是一个临空带，坡体应力在进出口段是极为复杂的，有多处应力集中带，地震时产生的地震应力场也会向临空地带集中。当两种不同性质的应力场叠加时，便会产生更大的挤压应力作用在临空条件好的部位，一旦此部位的岩体强度和隧道支护强度不能承受时，隧道便会产生开裂变形（图4）。

3.5 崩塌落石

崩塌落石的破坏机理较为复杂且发生时极具突发性。胡厚田教授对崩塌落石进行了全面系统的研究，指出崩塌的突然产生是岩体长期蠕变和不稳定因素不断积累的结果。由于影响崩塌落石运动轨迹和运动规律的因素很多且情况十分复杂，对崩塌落石动力学参数和运动规律的研究还不深入和不成熟[5]。“5·12”地震造成宝成铁路沙溪坝至二郎庙段发生20余处崩塌落石，发生频率高，运动速度快。震后也常有崩塌落石发生。经震后调查分析认为，地震引起崩塌的发生主要是由地震的惯性力起主导作用，地震烈度高、塌体位置高，发生崩塌的可能性和破坏性也大。一般情况下，中、低位崩塌因其位置相对较低，势能较小，崩落后崩距短、动能小，致灾作用也小，发生后易于工程处理；高位崩塌由于地震作用的高程放大作用产生的地震惯性力作用强，另外由于高位处岩体风化作用强烈，松散，整体强度低，大多形成危石群，易于下崩，而且崩塌势能较大，一旦发生后果较为严重，且工程处理困难较大。

图4 地震作用使隧道洞门开裂变形Fig.4 Cracking and deformation on the tunnel portal part under the earthquake effects.

4 影响地震次生地质灾害发生的因素

通过对地震产生地质灾害的特点和地震致灾作用分析，认为影响地震次生地质灾害发生的主要因素有以下三个方面：

（1）工程地质环境条件是决定地震灾害的基础

宝成铁路广元至成都段区域地质构造体系繁杂交复，多期构造应力叠加复合，干扰改造，岩体在内部应力和外部营力的强烈作用下支离破碎。这种地形地貌特征、地层岩性条件、地质构造作用构成的地质环境是决定地震次生灾害的基础。

修建铁路时开挖山坡前部，破坏了山体应力平衡，致使山坡发生应力调整。地震产生的附加地震应力场致使山坡甚至山体再一次产生应力改变，尤其是在断层带、构造面、岩性强度变化地带应力集中，引起崩塌、滑坡等不同类型的地震次生地质灾害。

（2）余震是激发地震次生地质灾害的动力因素

“5·12”地震爆发后，余震频发，次数多，震级高，进一步降低了岩体的稳定性，增强了次生地质灾害的破坏效应。在主震时形成的地质灾害可能在余震时扩大和加剧，在主震时未形成的地质灾害也可能会在余震时形成和发生。

（3）震后降水是造成次生灾害的重要因素

地震造成的地质灾害，目前大多处于欠稳定或不稳定状态，降雨是再次形成次生灾害的重要因素，尤其是滑坡、泥石流、崩塌等的发生与水的作用密切相关。

5 防灾工程

5.1 震害防治工程设计原则

地震地质灾害设计具有特殊性，工程设计原则应结合震害的特点和实际情况确定，要充分考虑到既有铁路运输安全的重要性。

（1）差异性原则：由于地震造成铁路路基边坡病害体类型多，稳定性和规模差别大，设计可采用不完全统一的设计原则，如有的可先治稳，后治本，有条件实施的可直接治本。

（2）分批分期原则：对地震作用造成的大规模坡体病害，只能根据河势和边坡稳定性调整情况，分步设计，分期实施。

（3）安全保通原则：地震后铁路是抗震救灾和灾后重建的重要交通工具，在工程施工中要保证铁路运输安全畅通。

（4）在抢通保通阶段弱化“稳定”原则：根据上述第3设计原则和大多数大规模崩塌体近期不可能稳定的情况，所以在抢通保通阶段要改变通常过于强调边坡稳定设计的原则，允许边坡处于欠稳定状态。

（5）主动防护与被动防护相适宜原则：地震造成的地质灾害除个别小病害体外，大部分病害体由于规模极大且又高又陡，所以理论上可治，但实际上是不可行的。所以将允许它们继续破坏，不采用主动治理，而更多地采用被动防护的原则。

（6）治理地震作用下的铁路地质灾害，要查清地质条件，遵循施工可行性原则，加强监测与巡察，以体现动态设计和信息化施工思想。

5.2 震后防灾工程措施建议

由于宝成铁路为既有铁路，采用大规模清方方案处理病害已不现实，因此治理工程以加固防护为主。

（1）对路堤滑坡因其规模不大，厚度小，滑坡体积也小，推力不大，可采用微型桩进行加固，其特点是易于实施，机械化程度高，施工不破坏路基，基本上不影响行车安全，但要求微型桩深度应伸入可能的滑动面以下一定深度。

（2）边坡震害多以坍塌为主，其变形厚度不大，可采用锚杆（索）框架防护工程处理，但要有一定的长度，要充分认识到地震作用会引起边坡一定范围内应力松动，在暴雨等作用下可能会进一步产生边坡变形，因此为抢时间而缩短锚固长度的意见是不可取的，否则加固工程的可靠性较低。

（3）对坡体滑坡，地震的主要作用是降低了稳定性，引起滑坡失稳的主要因素是震后水的作用，因此可加强地表排水工程，并对滑坡进行监测，视情况决定是否采用工程处理。

（4）崩塌落石是治理的难题，常规的处理有“查、清、警、守、固、拦、撑、埋、遮、锚”十字对策，对低位崩塌可采用锚固和支顶措施，对中位崩塌可采用被动拦截，局部锚固和支顶预防的措施，而对于高位崩塌，锚固支顶不现实也不经济，采用被动网效果不好，最好是采用明洞方案进行安全防护。

（5）对隧道变形，首先应查明有无坡体变形的问题，若存在应进行勘察，查明原因，先治坡，后加固隧道；若无，可采用加固和边坡处理措施，或锚或拦截。

6 结论

地震是突发性的，一旦发生对铁路运输安全构成巨大的威胁，尤其是山区铁路，地震后会产生路基变形、坡体滑坡、崩塌落石、隧道变形等各种不同类型的地震地质灾害。为确保科学合理地整治地震地质灾害，应在现场调查分析的基础上，对工程地质条件、地震地质灾害类型、变形破坏特点、致灾机制、稳定性和变形发展趋势进行分析研究。针对地震作用下山区铁路地质灾害密度高、规模大、类型多而且活动性明显不同的特点，要采用不同的设计理念和原则进行工程防灾。

高强度地震的作用是惊人的，对铁路工程的致灾作用也是极强的。地震引发的地质灾害对山体生态破坏较为严重，灾后生态恢复也是一个重要的课题，应加强这方面的研究。同时要及早研究地震作用下地质灾害的快速加固处理技术，提高应急能力，确保地震后交通运输安全。

[1]朱庆杰,苏幼坡.基岩条件对地震影响系数的影响[J].岩土工程学报，2004，26（2）:198-201.

[2]陆少云,刘租德.地震对边斜坡稳定性研究的影响研究[J].安全与环境工程，2007，14（1）:1-2.

[3]阮永芬,潘文,费维水，等.高路堤边坡地震稳定动力放大系数的计算分析[J].路基工程， 2006，(1):67-69.

[4]徐邦栋.滑坡分析与防治[M].北京：中国铁道出版社，2001.

[5]胡厚田.崩塌落石研究[J].铁道工程学报，2005，z1:387-492.