山西中南部铁路通道跨沂沭断裂带工程地质选线

谢 猛，钱国玉，杜文山

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

在山西中南部铁路通道(沂水至莒县段)的方案研究中，遇到以下问题。

(1)线路横跨我国东部最大的活动断裂——郯庐断裂［1］的中段沂沭断裂带［2，3］。公元前 70 年的诸城 7级地震、1668年的郯城8⅟2级地震均发生在该区域。据观测［3］，从1970年到2010年6月，该区域共发生ML2.0级以上地震4112次，其中2.0～2.9级地震3582次，3.0～3.9级地震462次，4.0～4.9级地震59次，5.0～5.9级地震7次，6.0～6.9级地震2次。因此，沂沭断裂带的地震活动具有强度大、频度低、复发周期长的特点［3，9］，是控制选线的关键因素之一。

(2)方案研究区位于以隐伏断裂为主的区域内，给地面调查和勘探工作的策划和实施带来很大困难。

(3)300 kN轴重的新建重载铁路选线，在我国尚属首次［3］，选线质量直接关系到工程建设和运营期间的可行性和安全性，尤其是在沂沭断裂带这样复杂的构造区内，必须坚持地质选线［4］的理念。

综合考虑以上问题和选线的具体要求，提出“以遥感构造判释［5-8］为先导的综合勘察选线方法”。

1 地质背景

1.1 地质构造

沂沭断裂带产生于太古代，一直活动至今，由5条深大断裂组成，从东到西依次为:昌邑—大店断裂(F1)、安丘—莒县断裂(F5)、白芬子—浮莱山断裂(F2)、沂水—汤头断裂(F3)、葛沟—鄌郚断裂(F4)［2，9，10］。中生代以来，沂沭断裂带形成“两堑夹一垒”的构造格局，总的特征表现［2，3，9，10］如下。

(1)区域性构造带。沂沭断裂带的所有特征都是由5条主干断裂所组成的一个总的构造带来表现的，所反映的特点是有一定宽度的“一个带”，而不是“一条线”或“一个面”。

(2)活动性强。第四纪时期，沂沭断裂带的5条主干断裂均有不同程度的活动，在晚更新世晚期及全新世以来，以F5断裂活动最为明显。

(3)切割深度大。在沂沭断裂带内部及两侧，分布有很多基性、超基性的岩体，时代有新有老，且来源都较深，为断裂切割深的表现。

(4)力学性质复杂。沂沭断裂带同时兼有“压、张、扭”3种性质，而且这3种性质在各条断裂中均以联合的形式出现，力学性质复杂。

(5)几何要素变化大。走向上，各条主干断裂都呈明显的舒缓波状。倾向上的变化主要表现为:第一，同一断裂的不同地段倾向不一致，但总体上倾角都较陡;第二，同一剖面上不同深度的倾向和倾角均有变化。

(6)分段性。主要表现在:第一，沿断裂带走向分布有一系列“串珠状”的断陷盆地;第二，中部“地垒”的高程自北向南呈“阶梯式”逐渐下降，并伴随有纵向破裂;第三，各条断裂在不同段落的表现形式和性质也有差异。

1.2 地层岩性

沂沭断裂带内的地层包括:第四系全新统(Q4)、更新统(Q3～Q1);上第三系上新统(N2);白垩系上统王氏组(K2w)，下统大盛组(K1d)、青山组(K1q)、莱阳组(K1l);奥陶系下统马家沟组(O2m);寒武系上统凤山组(ε3f)、长山组(ε3c)、崮山组(ε3g)，寒武系中统张夏组(ε2z)、徐庄组(ε2x)，寒武系下统毛庄组(ε1mmj)、馒头组(ε1mm2);震旦系土门组(Zt);太古界沂水群(Ar)。此外，在中生代燕山晚期和元古代早期，区内的侵入活动较强烈，酸性、中性、基性的侵入岩均有出露。

2 选线原则及工作方法

2.1 选线原则

线路在研究区内的总体走向为南东向，与北北东走向的沂沭断裂带斜交，所以，要使线路避开所有断裂是不现实的，只能致力于减轻其对工程的影响程度，鉴于此，制定以下选线原则。

(1)线路应在查清沂沭断裂带性质和稳定性的基础上，选择相对稳定的区域通过。

(2)线路应绕避主干断裂及其影响区。断裂活动的继承性是沂沭断裂带的显著特征［2］，地震沿既有断裂发生的可能性很大，因此，线路应绕避沂沭断裂的主干断裂及其影响区，难以绕避时，应在其较窄处，以简易工程大角度通过。

(3)线路应避开新构造运动活跃的区域。第四纪新断陷［9，10］是新构造运动的活动特征之一，也是地震活动分布的密集地带，稳定性差，线路应予以绕避。

(4)线路应选择在地形平坦开阔或缓坡地段通过，绕避山坡变形严重、成片的人工开挖地段、顺层等可能发生滑坡、崩塌等抗震不利的地段。

(5)重点工程必须置于“安全岛”内［4，9］。大中桥、隧道、车站、高填深挖等不易修复的大型建筑物应避开主干断裂及其影响区、断裂的密集处、交汇处以及新构造活动活跃的区域，特殊结构、高墩、大跨桥梁不应跨越主干断裂。此外，不宜在松散的山坡堆积层上设置高桥、深挖路堑以及高填、半挖半填的路基。

(6)在地质条件及技术条件许可的情况下，还应考虑经济效益、社会效益以及路网的和合理性等方面的因素。

2.2 工作思路和方法

沂沭断裂带综合勘察选线的基本思路，见图1。

图1 沂沭断裂带综合勘察选线工作思路

(1)遥感判释

遥感判释主要用于宏观构造格架分析，确定主干断裂的位置及影响范围，并指导地面调查和勘探验证工作的策划和实施。选用的遥感影像如下所述。

①ETM+(Landsat 7 ETM+)影像［11，12］:为多光谱遥感影像，信息丰富，地面分辨率为15 m，摄影时间2003年。使用过程中，根据判释目标的不同，选择恰当的遥感图像处理方法［8，12-14］。

②GE(Google Earth)影像［15，16］:该影像同时整合了多种卫星影像和地形资料，更新较快，且为免费资源，可对ETM+影像进行必要的补充。

③航片:框幅式航片，相幅23 cm×23 cm，摄影时间2009年。

使用方法:首先，通过ETM+影像和GE影像确定各条主干断裂的宏观位置，然后，利用航片，通过色调、纹理特征以及线状的负地形［8］，确定断裂的影响范围。判释过程中，两种不同高度层次的遥感信息应进行相互验证和反复的对比分析。

(2)地面调查

针对研究区内断裂隐伏、露头少、覆盖层厚的特点，首先，通过遥感判释，确定各条主干断裂的位置和影响范围;然后，通过地面调查，获得各条断裂的类型、几何要素、力学性质等信息。

(3)勘探验证

对遥感判释和地面调查不明确，而又控制线路方案的区域，采用物探、钻探等方法进一步查明和验证。通过物探，可以获得隐伏断裂的位置、几何要素、基岩埋深及风化层厚度等信息，并为后续验证钻孔的布置提供依据。钻探，是验证地面调查及物探成果的有效手段，钻孔的布置，应在地面调查和物探的基础上，根据进一步的验证需要来确定。

3 选线勘察及方案比选

3.1 宏观构造格架

ETM+影像上，沂沭断裂带“两堑夹一垒”的构造格架清晰，5条主干断裂均为北北东向展布，呈现较平直或略有弯曲的线状影像，见图2。

图2 研究区ETM+影像遥感判释

3.2 F1断裂

F1断裂为研究区东侧“地堑”的东边界，控制“响水河以北方案”、“响水河以南方案”、“莒县北设站方案”和“不经莒县方案”的比选，见图3。

3.2.1 遥感判释

ETM+影像上，响水河以南，F1断裂东西两侧色调差异显著，东侧主要为浅灰夹浅绿色调，斑块状影纹，为缓丘地貌，西侧为暗色调，地势平坦;响水河以北至莒县以东，由于受地表水(沭河)冲积层覆盖的影响，ETM+影像的色调从东到西过渡均匀，F1断裂在该区域内隐伏，影响宽度由南向北呈“束状”发散，见图3。

“莒县断陷盆地”位于莒县以东，整体形态为一个近似的“菱形”，为第四纪新断陷［9，10］。ETM+ 影像上，莒县断陷盆地的色调较周围区域略浅，整体为青色，中心偏西区域色调较浅，向东、南、北三个方向色调逐渐变深，过渡为青绿色，反应了断陷盆地内部“半弧形”的空间形态［7］，见图 3。

3.2.2 地面调查

根据遥感判释，F1断裂在研究区的南段出露较好，向北逐渐隐伏，因此，地面调查主要集中在研究区的南段。在小岭村及前小河村附近发现F1断裂露头，倾向约 300°，倾角约 630°，正断层，为多期活动断裂［3］，见图 4。

图3 F1断裂ETM+影像遥感判释图

图4 研究区F1断裂露头

3.2.3 勘探验证

物探采用直流电测深法，分别沿响水河南、北2个方案布置2条测线。解译得到:F1断裂东西两侧地层的视电阻率差异显著，断裂整体倾向东，倾角陡立，约70°。根据地面调查和物探解译成果，布置验证钻孔7孔/233 m。图5为响水河南、北2个方案穿F1断裂影响区钻探揭露的地层剖面。

图5 F1断裂影响区地层剖面

从图5可知，F1断裂影响区内第四纪覆盖层厚度大于90 m，影响宽度从南向北逐渐增大，证实了莒县断陷盆地的存在。此外，通过物探和钻探验证，查明了F1断裂的性质、影响范围以及“莒县断陷盆地”南侧的东、西边界，为方案研究提供了依据。

3.2.4 方案比选

表1为F1断裂影响区内的方案比较表。

表1 F1断裂影响区方案比较

3.3 F5、F2 断裂

F5断裂位于研究区东侧的“地堑”内，F2断裂为“地垒”的东边界，分别控制“响水河以北方案”、“响水河以南方案”和“不经莒县方案”的比选，见图6。

3.3.1 遥感判释

ETM+影像上，F5断裂影响区为带状的暗色调，南部狭窄，向北逐渐宽泛，构造行迹清晰，总体走向为北北东向，局部有错动，沭河的发育受其控制，局部河道急转，为F5断裂活动性的表现。F2断裂东西两侧色调差异明显，东侧地势平坦，西侧为缓丘，断裂影响区整体表现为暗色调，条带状纹理，总体走向为北北东向，呈“束状”发育，南部收敛，北部发散，见图6。

图6 F5、F2断裂ETM+影像遥感判释

3.3.2 地面调查

研究区内F5断裂北侧隐伏，南侧构造行迹清晰。地面调查期间，在中泉村和毛家屯村附近发现断裂露头，断裂倾向300～320°，倾角约66°，为逆断层。图7为F5断裂露头及断裂泉。

3.3.3 勘探验证

为了进一步查明F5断裂的性质和影响范围，结合遥感判释及地面调查成果，分别沿“响水河以南方案”和“不经莒县方案”布置2条/1.85 km物探(高密度电法)测线。但是，由于测区内地表水系发育，加之F5主干断裂及其次生断裂的相互影响，物探解译效果较差。

验证钻孔布置了10孔/583 m，钻探揭露泥岩、砂岩、粉砂岩、砾岩等，层理杂乱，局部夹断层泥、糜棱岩等，分布无规律，为F5断裂多期运动影响所致，见图8。

3.3.4 方案比选

图7 F5断裂露头及断裂泉出露点

图8 F5断裂影响区地层剖面

从平面角度分析，F5断裂在研究区内“南窄北宽”，选线的宏观思路是将线路尽量向南侧展布，据此，推荐“不经莒县方案”，然而，如果从纵断面角度分析，“不经莒县方案”从研究区西侧的“地垒”进入F5断裂影响区以后，地面高程下降较快，而跨越沭河以后，地面高程又明显抬升，若要将线路高程的降低幅度控制在一定范围内，线路就必须以桥梁形式通过F5断裂影响区;若将线路高程尽可能“压低”，使线路以路基形式穿F5断裂影响区，这将导致线路以较大的“挖方”通过F1、F2断裂影响区，同时，考虑到F5断裂控制着区内坏河、柳青河、沭河等众多地表水的发育，线路不可能完全以路基形式通过，因此，推荐“响水河以北方案”和“响水河以南方案”。

响水河南、北2个方案穿F5断裂影响区的长度及角度相当，地质条件相当，推荐方案应在这2个方案中选择，并通过优化平、纵断面，使线路尽量以路基形式穿F5断裂影响区，同时，应兼顾F1、F2断裂影响区内的工程设置情况。

3.4 F3、F4 断裂

F3、F4断裂分别为研究区西侧“地堑”的东、西边界。控制“莒县北设站方案”、“穿大学城方案”、“绕避大学城方案”和“长隧道方案”的比选，见图9。

3.4.1 遥感判释

ETM+影像上，F3断裂总体走向为北北东向，断裂两侧色调差异明显，线状影像清晰。F4断裂的总体走向也为北北东向，南部发散，北部收敛，南北两侧均呈现“断续状”的线状影像，中部隐伏，此外，在F4断裂影响区的南侧，集中分布了大量的、短的线状影纹，为F4断裂的次生断裂，走向与主干断裂正交或斜交，分布无规律，见图9。

图9 F3、F4断裂ETM+影像遥感判释

3.4.2 地面调绘

(1)F3断裂

在遥感判释的指导下，有针对性地开展地面调查工作，很快发现了F3断裂露头，进一步确定了F3断裂的性质:倾向 270°～320°，倾角 55°～65°，以左行压扭为主，正断层，且为多期活动断裂［3］。图10为F3断裂露头及断裂泉。

(2)F4断裂

地面调查期间未见F4主干断裂露头，但发现大量小断裂，其破碎带内部岩性混乱，呈土夹碎粒状，局部被磨蚀成较光滑的透镜体及圆饼状，结构和构造性质均无法识别，现场测量的断裂几何要素信息与遥感判释成果不吻合，判断为F4断裂的次生断裂。

3.4.3 勘探验证

沿“绕避大学城方案”平行布置了3条穿F4主干断裂的物探(高密度电法)测线，间距50 m，3条测线剖面的视电阻率在F4主干断裂附近均呈“台阶”状异常，证实了F4主干断裂的存在，在此基础上，结合遥感判释及地面调查成果，布置F3、F4断裂的验证钻孔共9孔/183 m。图11为“绕避大学城方案”穿F3、F4断裂的地层剖面。

图10 F3断裂露头及断裂泉出露点

图11 F3、F4断裂影响区地层剖面

钻探揭露的F4断裂破碎带物质，成分为砂质灰岩和页岩，泥质胶结，岩心断裂面含角砾，砾径大小不一，砾面光滑，挤压现象明显，并呈定向排列，据此可判断F4断裂为压扭性断裂，见图12。

3.4.4 方案比选

表2为F3、F4断裂影响区的方案比较。

图12 钻探揭露的F4断裂破碎带物质

表2 F3、F4断裂影响区方案比较

4 结语

(1)针对山西中南部铁路通道(沂水至莒县段)方案研究中遇到的问题和选线的具体要求，提出“以遥感构造判释为先导的综合勘察选线方法”，并制定了具体的选线原则、工作思路和方法。

(2)充分挖掘了ETM+影像和航片中的地质信息，并通过两种不同高度层次遥感信息的对比分析和相互验证，对地面调查和勘探验证工作的策划和实施起到了很好的指导作用，有效减少了地面工作的盲目性，缩短了勘测周期，提高了方案研究的效率和质量。

(3)采用遥感判释、地面调查、物探、钻探等综合勘察方法，查明了研究区内沂沭断裂带5条主干断裂的位置、特征和影响范围，以及“莒县断陷盆地”南侧的东、西边界，为方案研究提供了科学、可靠的地质依据。

(4)通过比较5条主干断裂对各比选方案的影响范围及程度，并对各方案中桥、隧、站等重点工程的设置情况以及路网的合理性进行综合评价，最终确定的“绕避大学城方案”和“响水河以南方案”均走行在沂沭断裂带的相对稳定区域，受各种不利因素影响小，重点工程均避开了主干断裂的影响区，同时，线路绕避了沂水大学城，也可带动莒县的经济发展，是各方案中的最优方案。

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