鐵路客運專線建設中的工程地質問題思考

魏建柄 安海波

在中西部地區鐵路建設中,工程地質災害問題成為鐵路建設過程中的一個重要因素。工程實踐已經證明,只有充分認識線路建設區工程地質條件和工程地質問題,才能做好各種條件方案的比選,建設一條經濟合理、方案科學、高質量的現代化鐵路。

在大同—西安客運專線運城—西安段野外勘測并參考大量文獻資料的基礎上,文章對線路區工程地質問題進行系統研究,確定了工程區的活斷層的分布和活動特征,預測了活動斷裂對運城—西安段客運專線的影響,論述了在地質條件較為復雜的地區,客運專線選線的原則。

1 線路概況

新建大同—西安客運專線運城—西安段(見圖1),東起山西運城,于永濟跨越黃河,經大荔、渭南等縣市分別跨越洛河、渭河,至陜西西安,總長度200多千米。

1)地形地貌。本線路經行于汾渭沖積平原區,平原區以南為中條山、華山、驪山及渭南和潼關黃土臺塬,以北為渭北黃土臺塬。黃河以東為運城盆地,以西為渭河盆地,主要由黃河、渭河、洛河、涑水河等河流的漫灘、各級階地組成。沿線地形平坦,地勢開闊。2)地質構造。線路所經大地構造單元為近東西向的渭河斷陷盆地和運城盆地,處于鄂爾多斯地塊與秦嶺褶皺帶的過渡地段。鄂爾多斯地塊相對秦嶺做北東向的逆時針扭動,使得渭河盆地內發育近北東東和北西西向斷裂。山西斷陷盆地是鄂爾多斯地塊相對太行山地塊做逆時針扭動而產生的剪切破裂帶,而運城盆地正是這一剪切破裂帶南緣。這樣的構造格局使得本區主要發育左旋走向的正斷層,而其中的活斷層是該區地質災害的主要力源,控制了該區域內的地質災害的發育、類型和空間分布。3)水文地質。區內河流水系發育,線路跨越的主要有:黃河、渭河、涑水河、洛河、灞河、戲河、零河等,各河流多有常年流水,雨季常有山洪暴發。黃河年徑流量巨大,含砂量高,在線路跨越地段呈南北走向,河谷寬闊;渭河具常年性徑流,流量較大,季節性變化大。沿線地下水類型主要為松散巖土類孔隙潛水、孔隙承壓水,補給來源主要為地表水。

2 區域穩定性研究

工程區域內發育多條近東西向、北東向和西向的活動斷裂(見圖1)。對線路影響較大的有 8條活動斷裂(見表1)。

表1 工程區主要工程活動斷裂表

F1斷裂對運城盆地的形成和新生代沉積有一定控制作用,第四紀以來做張扭運動,中晚更新世活動明顯,平均水平錯動速率不大于1 mm/年～3 mm/年,平均垂直錯動速率不大于0.5 mm/年～1.0mm/年,地震活動較弱,活動性水平較低且重復間隔較長。

F2斷裂是渭河斷陷帶東段南緣的主控斷層,始于新生代早期,水平向呈左旋扭動性質,第四紀的斷距約為2000m,全新世平均的垂直活動速率為1 mm/年～2 mm/年,平均水平錯動速率約為4.5 mm/年。全新世活動強烈,西段有多組快速錯動和華縣大震遺跡,東段活動較弱。

F3斷裂沿嵯峨山南麓分布,為渭北黃土塬與渭河平原的地貌分界線。在口鎮可見局部的斷層三角面,斷距在300m以上,晚更新世以來形變活動強烈,早期為壓性,后為張扭性,錯斷、拉裂或扭動第三系、第四系的地層。由于該斷裂的活動,地表出現一系列與該斷層走向一致的有規律的地裂縫,伴隨有頻繁的中小地震活動,斷裂帶的平均垂直錯動速率為2 mm/年。

F4斷裂是通過石油地震方法探測的一條隱伏斷層,主要錯斷了中更新世以前地層。2009年11月5日陜西省高陵縣(該斷裂帶與渭河斷裂的交匯地帶)發生4.4級地震后,后共發生余震11次,最大震級為2.5級。反思汶川地震的災難后果,該斷裂應定為一個重要的發震斷層,與線路交匯帶的有關抗震設防參數要作提高,以保證鐵路的安全運營。

F5斷裂是渭河盆地一條隱伏斷裂,對渭河盆地的形成和發展及盆地內的地震活動都具有一定的控制作用,切割深度大約15 km。淺部傾角較大,往深部逐漸變緩,為鏟形斷裂。第四系基底錯開約100m,晚更新世地層錯距約4 m～6m,全新世以來有過3次古地震活動和1次歷史地震活動,為一條重要的發震斷層,活動性較強。

F6斷裂錯斷上更新統達1000m,錯斷下更新統達 500m,中更新統達200m。晚更新世以來仍有活動,錯斷了渭河各支流階地,與華山山前斷裂交匯處有中強震發生。

F7斷裂為驪山凸起的北界,第四紀以來活動顯著,斷裂南盤基巖及中下更新統直接出露地表或埋藏較淺,而北盤基巖卻埋于較深的位置。沿斷裂發生過一些中小地震。

F8斷裂以東為驪山斷凸,以西為西安凹陷,基底為元古界地層和花崗巖。該斷裂呈現張性,與西安繞城高速公路的交匯地帶有明顯的路面破壞變形,1977年8月西安以北斷裂帶上發生1次2.9級地震,顯示了該斷裂的現代活動性。

綜上所述,線路建設區屬于構造活動區,新構造活動較強,要充分考慮F16,F17和 F20發震可能性。具體結論如下:1)F16,F20斷裂與設計路線相交,需要考慮鐵路線的工程抗錯斷問題。統計經驗關系計算得到F16斷裂未來百年的最大同震垂直位錯量為2.54 m±1.05m,垂直于斷層走向的水平伸長量為 0.98 m±0.41 m;F20斷裂未來百年的最大同震垂直位錯量為2.02 m±0.90m,垂直于斷層走向的水平伸長量為1.17 m±0.55m。2)線路穿過的黃河沿岸地區在歷史上的大地震曾經多次發生噴砂現象。同時,原位測試的結果表明黃河特大橋的場地類別為Ⅲ類,橋址地下15 m深度范圍內存在飽和液化土層,需考慮砂土液化的影響。

3 選線原則

1)構造活動地區線路走向。斷層活動往往是影響工程建筑物穩定的主要因素。線路通過斷層發育地段,線路走向應與斷層構造線直交,應盡量繞避活動性斷層和斷層的交匯點。線路跨越斷層時需研究斷層是否為活動斷層,斷層的性質、規模、活動強度,充分考慮活動斷層的發震可能性、工程抗錯斷和斷層蠕滑變形。

2)構造分區與重大工程建設。黃河中游地區的現代構造運動的形式和強度在不同地區有著顯著的差異特征。據此,劉東生將該區分為隴西區、銀川盆地、山西斷陷盆地、渭河谷地、河套谷地、豫西丘陵和鄂爾多斯高原7個構造活動區。區內重大工程建設中要從宏觀上把握工程地質災害規律,合理避讓構造活動強烈的地區,選擇構造活動相對較弱的工程場地。

4 結語

我國客運專線鐵路網建設正在全面進行中,筆者針對客運專線建設線路選線過程中應該注意的工程地質問題進行探討,并且提出幾點建議,希冀對我國客運專線建設有所裨益。

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