青海门源MS 6.9地震同震破裂的隧道破坏效应与启示

阎 渊

中铁第一勘察设计院集团有限公司地质路基设计院，陕西 西安 710000

0 引言

新生代期间中国大陆在欧亚板块、印度板块和西太平洋板块的夹持之下，随着周边板块的持续俯冲与碰撞，发育了复杂的活断层体系（Molnar et al.,1975; Zhang et al.,2004）。因而，中国大陆强震频发，是全球陆内活断层相关灾害最为严重的国家之一（张培震等，2013）。在复杂的活动构造环境下，公路、铁路、大型水电工程坝址和核电设施等重要基础设施和工程常常面临如何科学规避或防范活断层灾害及其风险的问题（李玶和苑京立，1983；Sunil et al.,1992; 崔臻等，2013；马映辉等，2021；孟秋等，2021；吴中海，2019，2022；张林成等，2022）。

随着中国西部铁路工程建设的快速发展，穿越活动断裂的铁路隧道不断增多，如穿越海原断裂带的冷龙岭-托莱山断裂段的兰新高铁大梁隧道。据中国地震台网记录（https://news.ceic.ac.cn/CC2022010 8014528.html），2022年1月8日青海门源县发生MS6.9地震，震中位于37.77°N、101.26°E。此次地震发生在青藏高原东北缘主边界走滑断裂带——海原断裂带的冷龙岭-托莱山断裂段上（Guo et al.，2022；韩帅等，2022），震中距兰新高铁约为4.5 km，因同震主破裂带穿过大梁隧道出口段，造成了高铁断道，属于一例走滑型发震断裂错断铁路隧桥的工程事件。目前研究重点为地震同震破裂下铁路隧道的震害形成机制以及定性预测同震破裂造成的隧道工程深部变形特征（张玉敏等，2013；高峰等，2015；崔光耀等，2018；方林等，2019；Chen et al.，2022）。工程实例的缺乏以及震前、震后变形高精度观测数据的不足，制约了有关同震破裂对隧道工程影响的研究和评价。

门源MS6.9地震同震破裂错断兰新高铁大梁隧道为研究提供了工程实例，并且获得了穿越隧道的活动断裂两侧高精度的震前、震后位移数据。在地表调查基础上，基于高精度观测数据对同震破裂引发的大梁隧道破坏效应进行研究具有重要科学意义和应用价值，并可为跨活动断裂铁路工程选线和抗震设防提供宝贵的工程案例。

1 地震构造背景

兰新高铁大梁隧道地处青藏高原东北缘祁连山弧形造山带的前缘，构造变形强烈、褶皱与断裂发育，构造线整体以北西向和北西西向为主（周民都等，2000；潘桂棠等，2002）。第四纪期间，青藏高原的持续向北推挤作用导致该区发育了一系列以北西西向压扭变形为主的活动断裂带（袁道阳等，2004；张培震等，2013；姜文亮等，2017；王鑫等，2020）。

位于青藏高原东北缘边界的北西西向—北西向海原断裂带为大梁隧道区段最主要的控震构造带，也是调节青藏高原东北缘地壳缩短和块体向东挤出的主要活动构造带（Gaudemeretal., 1995；Tapponnier et al., 2001； 郭 鹏 等，2017；雷 东 宁 等，2018；徐化超，2019；薛善余等，2022）。此次门源MS6.9地震的发震断裂即为海原断裂带的冷龙岭-托莱山断裂段（韩帅等，2022；焦其松等，2022），该段断裂大致沿东祁连山山脉分水岭分布，全长约为123 km，总体走向NW60°—80°，为全新世活动断裂，晚第四纪其左旋走滑速率约为15～19 mm/a（何文贵等，2010；张培震等，2013；Chen et al.，2023）。兰新高铁大梁隧道穿越该断裂（图1）。

图1 兰新高铁大梁隧道位置和区域主要活动断裂分布图Fig.1 Map of the location of the Daliang Tunnel and the distribution of major active faults in the area

门源MS6.9地震最大水平错动位移约为3.1 m，最大垂直位错约为0.8 m（盖海龙等，2022）。综合高分辨率卫星影像详细解译和破裂带的野外调查，在海源断裂带中厘定出两条呈左阶斜列、北西西—南东东走向的地震同震破裂带（图2）。一条发育在托来山断裂的东段，总长约为3.8 km，以左旋走滑变形为主，局部兼向南逆冲性质，最大走滑位移约为0.5 m。另一条发育在冷龙岭断裂的中—西段，为此次地震的主破裂带，呈北东向微凸的弧形展布，全长约为21.5 km，整体以左旋走滑变形为主兼向北逆冲性质，最大走滑位移约为3.1 m，与已有实测数据（盖海龙等，2022）一致。地表破裂表现最明显区段与兰新铁路大梁隧道呈大角度相交并穿过隧道（韩帅等，2022；潘 家 伟 等，2022），导 致 其K1971+341—K1971+691里程段的结构破损严重。地表破裂变形主要表现为剪切裂缝、雁列状挤压脊、拉张裂隙和断坎等多种类型（图3）。铁轨、洞壁及路基等发生强烈的缩短隆起和走滑位错等变形；同时，隧道北侧的硫磺沟大桥与桥墩也发生了不同程度的变形和倾斜变位。

图2 青海门源MS 6.9地震同震地表破裂带分布图Fig.2 Distribution map of the coseismic surface rupture zones for the Menyuan MS 6.9 Earthquake in Qinghai

2 D-InSAR揭示的同震地表形变特征

文章获取了震前2021年12月29日和震后2022年1月10日覆盖整个破裂区的分辨率为20 m的Sentinel-1雷达卫星数据。采用差分干涉测量（DInSAR）技术对破裂区的地表形变状况进行计算，得到破裂区的同震形变图（图4）。结果显示，此次地震的形变范围达到30 km×30 km以上，发震断裂为海原断裂带冷龙岭-托莱山断裂段，并显示断裂北盘沉降、南盘抬升的形变特征。降轨影像卫星视线方向（LOS）南盘和北盘最大形变量约为75 cm、-55 cm，升轨影像LOS方向南盘和北盘最大形变量分别约为45 cm、-60 cm，升、降轨影像最大LOS方向形变量指示跨发震断裂的垂直变形幅度最大可达135 cm。同震形变带主体沿北西西—南东东向的海原断裂带冷龙岭-托莱山断裂段展布，长度超过20 km。

破裂带附近地表破裂或相对滑动剧烈，形成一定宽度的低相干区域，做掩膜处理图4 门源地震D-InSAR地表形变特征Fig.4 D-InSAR surface deformation map of the Menyuan earthquakeThe surface rupture or relative slide near the fracture zone is severe, forming a low coherence area of a certain width, and masking is performed.

3 大梁隧道主要震害表现

由于发震断裂大角度切穿大梁隧道（图5），地表破裂和形变显著。大梁隧道K1971+341—K1971+691里程段震害表现最为严重，其次为K1971+691—K1972+088（隧道出口）里程段，其余区间的震害相对轻微。

图5 发震断裂大角度切穿大梁隧道Fig.5 The seismogenic fault cutting through the Daliang tunnel at a large angle

3.1 K1971+341—K1971+691里程段的震害表现

该段的震害表现主要为同震破裂变形导致的仰拱隆起、钢轨扭曲、边墙走滑位错及一些伴生破坏。其中仰拱沿隧道中线隆起高为0.3～0.5 m，左、右线轨道板分别向两侧倾斜，倾角约为40°，钢轨扭曲变形严重，两侧排水沟堵塞、盖板挤压隆起，水沟侧壁倾斜、局部破坏，电缆槽盖板挤压隆起、凹凸不平，衬砌环向挤压破坏，隔水层外露，隧道拱部大面积脱落，大量钢筋变形断裂外漏。在K1971+400里程前后各60 m范围内，隧道在横向和垂向上均发生了断错，其中隧道边墙错断出现在K1971+390.4—K1971+411.7里程段附近，最大错位处为里程K1971+400，该处沿隧道横向（即垂直隧道轴向方向）发生左旋错动约为2.88 m，沿隧道纵向（即平行隧道轴向方向）错动0.2～0.7 m，同时可见0.3～0.8 m宽度不等的地裂缝发育（图6）。

a—隧道断裂处云俯视图；b—隧道被断裂左旋错动实景（镜向北）图6 切穿大梁隧道的同震断裂及其破坏效应Fig.6 Coseismic fault cutting through the Daliang tunnel and its failure effect(a) Top view of the tunnel rupture zone; (b) Actual scene of the tunnel subjected to left-lateral offset from the rupture (view facing north)

3.2 K1971+691—K1972+088（隧道出口）里程段的震害表现

该段震害主要表现为拱顶挤压破裂、道床隆起、衬砌与仰拱拉张破裂等（图7）。其中，中间底板的隆起变形幅度最大约为0.5 m，道床中心的仰拱填充面左旋错动为7～8 cm，并出现轨道板隆起和钢轨凸起变形。同时，可见隧道底板两侧的盖板隆起、水沟侧壁破坏和拱部剥落掉块等现象，最大剥落面积达0.6 m2，局部出现渗漏水。

a—道床板隆起变形；b—隧道拱顶挤压破裂图7 K1971+691—K1972+088（隧道出口）里程段的同震破坏效应Fig.7 Coseismic failure effect of the section from K1971+691 to K1972+088 (tunnel exit)(a) Deformation with uplift of the bed plate; (b) Compression rupture on the tunnel arch

4 轨道控制网（CPⅢ）揭示的隧道变形

CPⅢ是一种针对铁路轨道形变的观测方法，在线下工程施工完成并通过沉降变形评估后实施观测，可为轨道运营维护提供测量基准（王道远等，2019；王国祥和赖鸿斌，2012）。CPⅢ按自由设站边角交会方法进行测量，点间距纵向上为60m，横向上为线路结构物宽度，测量精度为相邻点位的相对误差，通常小于1.0 mm。此次地震的发震断裂直接穿过大梁隧道，断裂与大梁隧道相交于K1971+400里程处，两者夹角约为70°。此次主要采用大梁隧道震前2020年12月的CPⅢ观测数据和震后CPⅢ复测结果，将跨过大梁隧道CPⅢ观测点北向、东向坐标变化值转换成沿铁路横向、垂向变化值后，可获得沿大梁隧道线路震后的CPⅢ平面变形量分布规律图（图8）；并据此得到震后大梁隧道线路震后的CPⅢ高程变形量分布规律图（图9）。

“+”为向隧道右侧（即北东东方向）位移；“-”为向隧道左侧（南西西方向）位移a—线路左侧（即隧道轴线西侧壁）CPⅢ平面变形量分布规律图；b—线路右侧（即隧道轴线东侧壁）CPⅢ平面变形量分布规律图图8 大梁隧道线路CPⅢ平面变形量分布规律图Fig.8 Distribution of CPⅢ plane deformation of the Daliang tunnel line(a) Distribution of CPⅢ plane deformation on the left side of the line (the west side wall of the tunnel axis); (b) Distribution of CPⅢ plane deformation on the right side of the line (the eastern side wall of the tunnel axis)"+" indicates displacement towards the right side of the tunnel (north-east direction), and "-" indicates displacement towards the left side of the tunnel (south-west direction).

“+”表示抬升量；“-”表示沉降量a—线路左侧（即隧道轴线西侧壁）CPⅢ高程变形量分布规律图；b—线路右侧（即隧道轴线东侧壁）CPⅢ高程变形量分布规律图图9 大梁隧道线路CPⅢ高程变形量分布规律图Fig.9 Distribution law of CPⅢ elevation deformation of the Daliang tunnel line(a) Distribution of CPⅢ elevation deformation on the left side of the line (the west side wall of the tunnel axis); (b) Distribution of CPⅢelevation deformation on the right side of the line (the eastern side wall of the tunnel axis)"+" represents uplift, and "-" represents subsidence.

4.1 大梁隧道CPⅢ平面测量数据分析

结果显示，同震破裂导致大梁隧道发生显著的左旋位错。在主破裂带南侧，从大梁隧道进口到K1971+400里程处，CPⅢ点位表现为向隧道右侧（即北东东方向）位移，并且横向位移存在由小到大的变化，位移量从0.22 m增大到1.78 m；在主破裂带北侧，从K1971+400里程处到大梁隧道出口，CPⅢ点位表现为向隧道左侧（即南西西方向）位移，横向位移量为0.62～1.10 m。根据CPⅢ观测结果，大梁隧道最大左旋位错出现在K1971+400里程处，最大位错量为主破裂带南、北两侧最大横向（即垂直隧道轴向方向）位移之和，约为2.88 m。

4.2 大梁隧道CPⅢ高程测量数据分析

CPⅢ高程测量结果显示，从大梁隧道进口到K1971+400里程处，主破裂带南侧CPⅢ高程均表现出向上抬升，最大抬升量出现在K1970+500里程处，达68.7 cm；主破裂带北侧CPⅢ高程均表现出向下沉降，最大沉降量出现在K1971+558里程处，达22.9 cm。主破裂带两侧的最大升、降量相加，代表了此次同震破裂导致的隧道最大垂直位移量，约为91.6 cm。

综合隧道震害调查和CPⅢ观测结果，同震变形在大梁隧道段主要表现为左旋走滑兼由南向北逆冲，造成主破裂带北盘沉降南盘抬升。隧道在K1971+400里程前后各60 m区间内的水平与垂向变形量最为显著，最大水平错断（断距）出现在K1971+400里程处，达2.88 m，考虑到海原断裂带的冷龙岭-托莱山断裂段与大梁隧道夹角约60°，断裂位移约等于2.9 m/cos30°，换算后对应的断裂最大左旋位错量约3.08 m。（图10）。

图10 大梁隧道同震变形机制与破坏效应示意图Fig.10 Schematic diagram of coseismic deformation mechanism and failure effect of the Daliang tunnel

5 结论

（1）青海门源MS6.9地震的发震断裂为青藏高原东北缘海原断裂带的海原断裂带的冷龙岭-托莱山断裂段，同震形变场主要沿北西西—南东东向发生破裂，形成长度超过20 km的地表破裂带，区域形变范围达到30 km×30 km以上，发震断裂的变形特征以左旋走滑为主，兼具有南北向逆冲性质，造成破裂带以北地面沉降、以南地面抬升，地表最大左旋位移约3.1 m。

（2）门源MS6.9地震同震破裂变形最显著段落穿过兰新高铁大梁隧道，造成隧道破坏严重，隧道在里程K1971+400前后各60 m区间内的平面和垂向变形量明显，最大垂直位移约为91.6 cm，最大左旋位错出现在里程K1971+400处，约为2.88 m，考虑到海原断裂带冷龙岭-托莱山断裂段与大梁隧道夹角约为60°，换算后对应的断裂最大左旋位错量约为3.08 m，与地表的同震破裂最大位错量基本一致。

（3）大梁隧道的同震破坏特征表明，地震破裂对隧道的变形破坏严重且工程修复难度大，说明隧道并非工程抗断的有效方式。因此，在铁路工程选线设计中应避免采用隧道方式穿越相对危险的活动断裂带。鉴于区域内活动断裂带发育且强震相对频繁，建议在大梁隧道修复运营后，应加强跨活动断裂带震后变形、工程场址地应力实时变化和隧道区地表裂缝等的实时监测，并构建立体监测系统平台，从而为保障铁路运营期的地震地质灾害风险评价及科学防控提供全方位的技术支撑。