郯庐断裂带对徐连高铁的影响及工程应对措施

柏华军

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

1 工程简介

1.1 研究背景

我国地处环太平洋和欧亚两大地震带的交汇处，属于地震多发国家，地震断裂带分布广泛；随着高速铁路“八纵八横”快速组网，高铁桥梁邻近断层或跨越断层将不可避免。已经建成及正在建设的20条高速铁路初步统计表明，京沪、石太、长昆、大西、津秦、青荣等高速铁路，哈齐、长吉等城际铁路，均跨越多条断裂带。高铁穿越活动断裂带，将面临地震活动或无震蠕滑等地质灾害威胁，造成线路结构损坏，甚至引起重大交通安全事故。文献[1]报道了东川支线沿小江断裂带因地震及次生灾害泥石流影响，出现“桥淤改涵、涵满改路、路淤改隧”的奇观。文献[2]表明，汶川地震在地震近场区，尤其是断裂带，地表出现隆起、沉陷、断裂、移位等强烈变形，桥梁、路基工程震害十分突出，通过断裂带的隧道也有损坏。因此，以徐连高铁为例开展地震断裂带对高速铁路工程的影响研究，以期为川藏铁路等类似工程的设计提供技术参考和借鉴。

1.2 项目概况

徐州至连云港高速铁路[3](以下简称“徐连高铁”)位于江苏省北部黄淮平原地区，全长约180.013 km。线路为东西走向，与南北走向的郯庐断裂带在新沂段大角度相交。整个断裂带宽度约24.58 km，涉及里程DK82+280～DK107+800。线路全部位于7度及以上地震区，其中有90.5 km位于8度(0.2g)高烈度区，占线路总长的50%，属于典型的高烈度地震区跨地震断裂带高速铁路(图1)。

图1 徐连高铁线路平面布置

徐连高铁线路主要技术标准见表1。

表1 徐连高铁主要技术标准

2 地震安全性评价

为保障高速铁路的安全，开展了《郯庐断裂带对连云港至徐州客运专线工程影响评价专题》研究(简称“专题研究”)，评估其对无砟轨道高速铁路工程的安全影响，并采取对应工程处理措施。

郯城—庐江断裂带(简称郯庐断裂带)是我国东部一条规模巨大的岩石圈断裂，南起长江北岸的广济地区，向北经安徽、江苏、山东，跨越渤海，经东北三省，进入俄罗斯境内，全长约2 400 km，总体走向N30°E，是中国东部地区地震活动强烈的地震带。

徐连高铁工程主要涉及郯庐断裂带潍坊—嘉山段，该段亦称沂沭断裂带。沂沭断裂带[4-5]由5条平行的主干断裂组成(图2)，自东向西分别为昌邑—大店断裂(f1)，白芬子—浮来山断裂(f2)，沂水—汤头断裂(f3)，鄌郚—葛沟断裂(f4)，安丘—莒县断裂(f5)。其中安丘—莒县断裂带(f5)自北向南由3大段呈右阶斜列组成：北段昌邑—安丘段，中段莒县—郯城段，南段新沂—泗洪段。限于篇幅，地震危险性评价摘录主要结论。

图2 徐连高铁线路与沂沭断裂带交汇处地质图

2.1 断裂活动性分析

根据野外调查及文献查阅综合分析，专题研究认为这5条断层中仅f5为全新世活动断层，断裂以逆冲右旋走滑运动为主，局部为正断右旋走滑运动性质，1668年郯城8.5级地震就发生在该断层上。安丘—莒县断裂(f5)多以压性逆断活动为主，局部显示为张性正断活动，断层活动具有明显的分段性。

其他4条为早-中更新世断层，以正断活动性为主。安丘—莒县断裂(f5)各次级断裂活动强度对比见表2、表3。

表2 徐连高铁附近沂沭断裂带各次级断裂活动强度对比

表3 与铁路相交的安丘—莒县断裂带全新世活动参数

2.2 断裂错动评价

通过野外地质调查、探槽开挖、断错地貌面测量，专题研究认为安丘—莒县断裂地震断层和地震形变带展布基本一致，多呈扭动牵引地貌，郯城至新沂段主要为逆断、逆掩断层陡坎，坡度小。综合分析认为，高铁穿越区仅f5为全新世活动断裂，推测如果未来发生地震，具有地表错断的可能性，其未来地震地表垂直断错量1～2 m，水平位错量2～4 m，垂直和水平位错量比一般为1∶2；其他断裂为非全新世活动断裂，覆盖层埋深大，在铁路工程中可以不考虑地表错断的影响。

2.3 蠕滑变形评价

铁路穿越区段为新沂—泗洪断裂段，根据现场布置观测点监测，专题研究表明新沂-泗洪段其年平均垂直形变速率为0.01～0.21 mm/a；根据野外地质调查、探槽开挖、断错地貌面测量，沂沭断裂(图3)地震断层和地震形变带展布基本一致，其垂直和水平位错量比一般1∶2，推测该段的年平均水平形变速率为0.42 mm/a。

图3 沂沭断裂带地质略图

2.4 工程地质评价

根据GB18306—2015《中国地震动峰值加速度区划图》[6]和GB18306—2015《中国地震动加速度反应谱特征周期区划图》[5]确定本线地震动峰值加速度0.2g、抗震设防烈度8度，标准地震动反应谱特征周期Tg=0.4 s，地震断裂带区域的场地类别为Ⅲ类。

3 郯庐断裂带对徐连高铁影响

3.1 地表错断对铁路工程的影响与危害

当发生强烈地震时，活动断裂往往产生明显的急速位错，引发地表错动、破裂使铁路线承受强烈的拉压和剪切作用，有可能错断、拉断轨道板和轨道，或使轨道产生褶皱屈曲。断裂在错动瞬间，释放大量能量，以弹性波的形式引起地表强烈振动，从而导致建筑物和铁路工程的破坏，这是比断裂直接位错更广泛和常见的危害。专题研究预测该区域如果未来发生地震，将产生垂向位错量1～2 m，水平位错量2～4 m，这种错动可能造成路基垮塌、桥梁墩台严重变形等危害，导致中断行车。其他断裂为非全新世活动断裂，覆盖层埋深大，在铁路工程中可以不考虑地表错断的影响。

3.2 长期蠕变对铁路工程的影响

专题研究通过对沂沭断裂带跨断层观测资料分析，认为高铁穿越区段断层年平均垂直形变速率为0.01～0.21 mm/a，年平均水平形变速率为0.42 mm/a。按照铁路100年设计使用年限考虑，预测设计年限内的垂直形变值为21 mm，水平的形变为42 mm。

4 工程应对措施

4.1 线路工程

文献[4-11]表明，新的高速铁路选线理念是更应坚持“地质选线”原则，高速铁路跨越地震断裂带时优先选择绕避方案避让，当无法避让时尽量采用大角度穿越地震带，减小了地震断裂上下盘效应对上部工程的影响。

徐连高铁选线时线路无法避免穿越郯庐断裂带时，结合新沂南站的选址，在DK83+380～DK84+370段采用大角度跨越地震断裂带，基本接近十字正交，如图4所示。

图4 徐连高铁线路与郯庐断裂带位置关系

4.2 轨道工程

高速铁路轨道结构主要有无砟轨道和有砟轨道两种，前者轨道底座板采用混凝土结构，轨道高程的调整仅仅通过扣件调节，调整量十分有限；后者道床为道砟结构，出现较大的变形可通过调整道砟的厚度来调整轨道的变形，适应性很强，破坏后易于修复。

高速铁路穿越地震断裂带时，为防止影响区的不确定性地基沉降，易于后期修复，优先采用有砟轨道结构。TB10621—2014《高速铁路设计规范》[12]9.1.2-2条规定“活动断裂带不应采用无砟轨道”。其条文解释为活动断裂带等区域变形不易控制的特殊地质条件地段，由于无砟轨道的调整能力有限，一旦受损，将影响正常运营甚至危及运营安全，采用有砟轨道结构较为合理。

专题研究表明，f5由2条断裂带组成，f5-1与f5-2分别与线路相交于DK83+970、DK83+780。f5为全新世活动断裂带，存在地表破裂的可能性，需采取抗断措施。根据国铁集团鉴定中心审查意见，DK83+380～DK84+370设置为有砟轨道。

徐连高铁设计时轨道结构总体采用无砟轨道，跨越地震断裂带时采用有砟轨道。为提高道床的稳定性，减少道砟飞溅和高速动车组的高频振动导致道砟粉化，特别采取了新型的聚氨酯固化道床技术(图5)，将离散的道砟固接成弹性整体，同时又可兼顾路基耐久性和后期可修复性。

图5 聚氨酯固化道床示意

4.3 路基工程

文献[13-15]表明，高速铁路穿越地震断裂带时，优先采用易于灾后修复、次生灾害较小路基工程穿越，避免高路堤、深路堑、陡坡路基等难以修复的重大工程。通过采用加宽路肩、选用优质填料、放缓边坡、应用非刚性路基、柔性分层加筋等措施，增加路基本体稳定性。

根据《郯庐断裂带对连云港站至徐州客运专线铁路工程影响评估专题》意见，在DK83+380～DK84+370段采用易修复的柔性路基工程方案穿越郯庐断裂带次级断裂带f5，采用加筋等措施提高抗错断能力，加宽路基面宽度，并加强路基变形监测。根据铁路总公司专家审查意见，路基设计时将标准路基两侧路肩各加宽1.1 m，即路基顶面整体宽度由13.6 m=(4.3+5+4.3) m变为15.8 m=(5.4+5+5.4) m，并路基本体内增加土工格栅的铺设密度等措施，提高路基的整体稳定性，同时增加灾后路基面的维修空间(图6)。

图6 路基加强段横断面布置(单位：m)

根据2017年5月17日工管中心组织的专家评审中关于DK83+300～DK84+370段有砟轨道结构设计意见，工程实施阶段应增强影响区段的沉降观测，并对路基下方复合地基进行加强处理。

4.4 站房工程

高速铁路为重要运输通道，具有抗震救灾生命线通道的功能。根据GB50011—2010《建筑抗震设计规范》[16]分类办法，其中大型站房属于甲类工程，需要进行避让，相关工程避让距离见表4。

同时，《建筑抗震设计规范》3.10.3条规定建筑结构抗震性能化设计时地震动水准选定原则，指出对处于发震断裂两侧10 km以内的结构，地震动参数应计入近场影响，5 km以内宜乘以增大系数1.5，5 km以外宜乘以不小于1.25的增大系数。

徐连高铁距离地震断裂带最近车站为新沂南站(图7)，站位中心里程DK86+500(车站范围按两侧各650 m长度考虑)，距离地震断裂带影响范围(DK83+380～DK84+370)外1 480 m，满足最小避让距离400 m要求，并预留足量的安全储备。

图7 新沂南站效果图

4.5 桥梁工程

高速铁路为控制沉降和节约用地以桥梁工程为主，因此在地震断裂带影响相对较小区域宜优先采用桥梁结构。考虑到地震的不确定性，桥梁结构宜优先采用易于修复的简支梁结构，并在支座上设置纵横向防落梁挡块，避免因地震落梁造成交通中断。

GB50111—2006《铁路工程抗震设计规范》(2009年版)[17]7.1.3条规定：桥梁抗震设计时应结合地形地质条件，构造特点、工程规模及震害经验等因素，确定桥型及墩台基础型式。当桥梁必须穿越地震断层时，宜采用小跨度、低墩高的简支梁桥；7.4.1条规定：高烈度地震区有条件时可采用减隔震设计，采用减隔震设计的桥梁，应满足正常使用功能要求。

JTG/TB02-01—2008《公路桥梁抗震设计细则》[18]4.1.9条规定，当考虑震断裂错动对桥梁的影响，A类桥梁应尽量避开主断裂，抗震设防烈度为8度和9度地区，其避开主断裂的距离为桥墩边缘至主断裂带外缘分别不宜小于300 m和500 m；A类以下桥梁宜采用跨径较小、便于修复的结构。

徐连高铁在地震断裂带两侧(DK83+380～DK84+370范围外)分别为东海特大桥和新沂特大桥，桥梁方案以32 m简支箱梁为主，桥上铺设无砟轨道，在跨越等级道路不得不采用连续梁结构时，为减小地震对大跨度结构的影响，采用了隔震支座，将传统的抗震思路由硬抗和延续设计改为隔震设计，大大减小地震对桥梁的破坏作用。

限于篇幅，仅以东海特大桥跨S322省道为例，采用(40 m+168 m+40 m)系杆拱连续梁桥(图8)，支座采用双曲球面隔震支座(图9)，并在纵横向两侧设置防落梁挡块(图10)。

图8 东海大桥(40+168+40) m系杆拱连续梁桥立面(单位：m)

图9 双曲球面隔震支座

图10 防落梁挡块

徐连高铁全线有多处大跨度桥梁结构均采用双曲球面隔震支座，并委托同济大学土木工程防灾国家重点实验室开展专题研究，结果表明：采用隔震设计方案可将桥墩等下部结构承受的地震力减少到设计可控范围，并从抗震构造措施角度对全线桥墩和桩基进行抗震加强设计。同时，针对液化沙土影响区，对桩基设计抗力进行加强，并对液化深度范围的桩侧摩阻力等地质参数按折减考虑。

5 总结与建议

目前系统性研究关于高速铁路跨越地震断裂带课题文献很少，研究地震断裂带对高速铁路工程的影响，积累工程经验，推广既有成熟技术是十分必要而有意义的，以期为川藏铁路等类似工程建设提供参考。通过徐连高铁跨越郯庐断裂带为例进行研究，得到以下成果和建议。

(1)从徐连高铁跨郯庐断裂带地质安全评价入手，结合现有规范文献，为减少断裂带对工程的影响，从线路、轨道、路基、站房、桥梁等多个专业角度采取针对性措施，综合性很强，践行“科研服务工程”宗旨，具有一定的学术价值。

(2)高速铁路选线坚持“地质选线，避让为主”原则，徐连高铁在无法避让情况下采取“线路大角度穿越、站房设置避让距离、选择有砟轨道路基结构，桥梁优先简支梁、大跨度结构采取隔震措施”等综合措施，在现有技术水平能力范围科学合理应对地震灾害。本文从工程抗震的角度展示我国高速铁路的建设水平。

(3)专题研究表明，郯庐断裂带安丘—莒县断裂(f5)为全新世活动断层；预测100年内的垂直蠕滑变形为21 mm，水平蠕滑变形为42 mm，将超出无砟轨道的可调节范围；推测其新沂—宿迁断层段如果未来发生地震，地表垂直断错量达1～2 m，水平位错量2～4 m，这种错动可能造成路基垮塌、桥梁墩台严重变形等危害，严重时导致中断行车，应加强抗错动措施。

(4)徐连高铁跨地震断裂带在线路无法绕避时，采用十字交叉方案跨越地震断裂带，在地震断裂带范围内优先选择更易修复的路基结构和后期易于修复的有砟轨道结构；地震断裂带范围外桥梁优先选择易于修复简支梁结构，并对大跨度结构采用隔震方案；同时将新沂南站设置在安全避让距离外，对路基、桥梁和轨道进行针对性的加强设计，确保工程安全。

(5)考虑到地震工程的复杂性和不确定性，郯庐断裂带全新世活动断层f5对徐连高铁的运营具有极强的潜在危险性和不确定性，建议在该区域内建立地震预警系统，加强对地震监测和断层处的位移监测，为高速铁路运行实时提供安全保障。

致谢：

感谢中铁四院徐连高铁设计团队全体工程师对项目建设所做贡献，特别是高文军总工程师的技术指导和项目负责人谭宏高级工程师、贾厚华高级工程师提供的相关材料；感谢中国地震局地震预测研究所吕晓健团队开展的地震预测和灾害评估工作；感谢上海申丰地质新技术应用研究所毛建伟团队开展的地质地震调查工作。拙文是大家共同努力的项目成果，集体智慧的结晶。