地震作用下寶成鐵路地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查分析

于 貴

（中鐵西北科學(xué)研究院有限公司,甘肅 蘭州 730000）

0 引言

寶成鐵路始建于1952年，1958年正式交付運營，在國家“八五”期間增建了寶成二線。寶成鐵路沿線地勢北高南低，穿越秦嶺及大巴山、龍門山中山區(qū)，經(jīng)四川盆地邊緣低山丘陵進入成都平原。沿途地形復(fù)雜，河谷深切，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。2008年5月12日四川汶川發(fā)生8.0級特大地震，對寶成鐵路也造成大量次生地質(zhì)災(zāi)害。本文在“5·12”地震后開展的排查統(tǒng)計工作基礎(chǔ)上，總結(jié)地震引發(fā)的災(zāi)害類型和特點，分析地震的致災(zāi)作用的影響次生地質(zhì)災(zāi)害的因素，并對今后的震害防治工程工作提出建議。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

寶成鐵路自北往南橫跨渭河盆地、秦嶺山地、龍門山山地和四川盆地幾個地貌單元。成都鐵路局管段起自廣元，終止成都，主跨龍門山山地和四川盆地兩大地貌單元，其中沙溪壩至二郎廟區(qū)段屬于龍門山脈的侵蝕溶蝕地貌，溝壑縱橫，地形起伏劇烈，地表切割嚴重，工程地質(zhì)條件非常復(fù)雜。

區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造主要為龍門山華夏構(gòu)造帶和綿陽環(huán)狀構(gòu)造。走向NE的龍門山構(gòu)造帶呈狹長條帶狀由江油、廣元向北東延伸，與秦嶺東西向構(gòu)造帶交匯復(fù)合。該構(gòu)造帶的突出特點是斷層密集發(fā)育，不同性質(zhì)、不同序次、不同等級的斷裂相互切割。第四紀以來挽近構(gòu)造運動在龍門山構(gòu)造帶具有繼承性強烈隆起的特點，表現(xiàn)在河流強烈下切，兩岸分布有一～三級階地及多級夷平面；碳酸鹽巖巖溶分布在垂直剖面上具有三個以上的水平發(fā)育帶；斜坡崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害十分發(fā)育。

受上述構(gòu)造作用，沿線鐵路路塹邊坡次級構(gòu)造帶和構(gòu)造結(jié)構(gòu)面十分發(fā)育，巖石被擠壓較破碎至極破碎，呈碎裂狀結(jié)構(gòu)、散體狀結(jié)構(gòu)，巖石大部分為強～弱風(fēng)化，有的已風(fēng)化呈土包石狀。地質(zhì)構(gòu)造（結(jié)構(gòu)面）對鐵路路基邊坡的穩(wěn)定性起控制作用。

“5·12”地震后中寶成鐵路沿線設(shè)施遭受到嚴重的破壞和威脅，產(chǎn)生大量的地震次生地質(zhì)災(zāi)害。由于余震強度較大，持續(xù)時間較長，進一步增強了地震災(zāi)害的破壞效應(yīng)，加劇了地震災(zāi)害對寶成鐵路的安全隱患。

2 地震災(zāi)害的破壞類型和特點

在“5·12”特大地震后的排查工作中，查出寶成鐵路成都至廣元的鐵路沿線新產(chǎn)生各類地震次生災(zāi)(病)害近100余處，均程度不同地給鐵路的安全運營形成威脅。根據(jù)性質(zhì)和破壞類型可以分為軌道電路設(shè)施受損、橋涵建筑物變形、路塹邊坡變形、路堤變形、坡體滑坡、隧道變形、崩塌落石7類，各類災(zāi)害的分析統(tǒng)計和特點見表1。

控制次生災(zāi)害的主要因素是地質(zhì)條件，主要是地形條件、臨空面條件和巖體條件。不同的震型和不同的地質(zhì)條件相組合，表現(xiàn)出的震害現(xiàn)象也是不同的[1-2]，上述分類只是在一定的地震強度下結(jié)合一定的地質(zhì)條件作出的，改變地震強度或改變地質(zhì)條件，其震害反映可能是不同的。

表1 地震次生地質(zhì)災(zāi)害分析統(tǒng)計表

3 地震致災(zāi)作用分析

地震作用下地表的破壞機理是十分復(fù)雜的，當(dāng)?shù)卣鸩ǖ竭_地表后因地表處的地形、地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、防護工程等環(huán)境地質(zhì)條件的不同而表現(xiàn)出復(fù)雜各異的破壞景象。

寶成鐵路是既有線鐵路，成都鐵路局管段基本上傍清江而行，鐵路路基總體上位于山體下部，山側(cè)山坡高陡，最高山體高度超過300 m，平均坡度大于45°，局部地段坡度50°～80°。修建鐵路人工開挖路基，形成較陡的人工邊坡，邊坡呈下陡上緩狀。這樣的山坡形狀坡腳應(yīng)力較為集中，當(dāng)?shù)卣鸩ㄗ饔糜谶吰缕旅鏁r形成放大的地震應(yīng)力場[2]，該應(yīng)力場與邊坡應(yīng)力場、構(gòu)造應(yīng)力場疊加，當(dāng)超過邊坡巖體的破壞強度時便發(fā)生邊坡變形，形成災(zāi)害。受篇幅所限，本文僅對以下震害進行致災(zāi)分析。

3.1 路塹邊坡變形

路塹邊坡的坡面是一個臨空面，臨空面對入射的地震波具有反射作用。由于此類邊坡大多是巖質(zhì)邊坡，坡面上原生、次生結(jié)構(gòu)面、裂隙相互交叉作用，巖體分割為大小不均的塊體，致使坡面表層形成強度不均的復(fù)雜斜面。這種坡面的固有性態(tài)會對地震波產(chǎn)生不同程度和方向各異的反射甚至是散射，從而形成各種類型的震波。震波相互影響、相互疊加形成更為復(fù)雜的地震波場作用于邊坡表層坡面。相互疊加的震動波具有放大效應(yīng)，從而影響到邊坡的變形，形成坡面溜坍、坍塌。當(dāng)然這種地震作用的強弱也與坡面的防護工程有關(guān)，震后調(diào)查中已發(fā)現(xiàn)坡面漿砌片石護坡因厚度和強度不足而產(chǎn)生松動和裂縫，見圖1。

圖1 地震引起漿砌片石護坡變形Fig.1 Deformation on mortar flagstone slope formed by the earthquake.

圖2 地震產(chǎn)生的路堤裂縫Fig.2 Embankment crack formed by the earthquake.

3.2 路堤變形

路堤是在基巖頂面或老地面上人工填筑形成的路基形式。由于上下介質(zhì)的不同，地震波在基巖內(nèi)的傳播速度要大于填筑土層內(nèi)的傳播速度，造成路基面處的震動效應(yīng)要大于坡腳。這是由于路基填土對基巖傳來入射波有放大作用，主要表現(xiàn)為在地震發(fā)生時路堤邊坡腳處以一定的加速度產(chǎn)生震動，而路基面處地震加速度急劇放大，形成瞬時拉應(yīng)力[3]。因填土的抗拉強度極低，導(dǎo)致路基面上產(chǎn)生多道長大貫通的拉裂縫，尤其是路肩一帶，在震后排查中尤為多見（圖2）。由于坡腳震動的作用，坡腳抗剪強度降低，同時由于入射波在填土與基巖面（或老地面）處的折、反射作用可在此形成復(fù)雜的震動集中帶，從而形成路堤邊坡滑坡，導(dǎo)致災(zāi)害發(fā)生。但在寶成鐵路震后排查時多見路肩裂縫貫通而未產(chǎn)生滑坡的現(xiàn)象，究其原因，這種災(zāi)害是否形成也取決于地震的持續(xù)時間和坡腳的防護工程強度以及路堤的高度。

3.3 坡體滑坡

主要是斜坡上的崩坡積堆積體在地震作用下的變形。在地震過程中，由滑床巖體入射的地震波在滑體中產(chǎn)生震動放大效應(yīng)，使得地震加速度增大，從而產(chǎn)生拉應(yīng)力，使得滑體產(chǎn)生裂縫并導(dǎo)致滑坡穩(wěn)定性降低（圖3）。由于滑體堆積物松動開裂，為震后雨水的入滲創(chuàng)造條件，當(dāng)雨水作用較強時，滑帶力學(xué)參數(shù)降低，有可能會產(chǎn)生崩坡積物沿基巖頂面產(chǎn)生滑坡變形[4]。因此滑坡在地震時不一定發(fā)生，而在其后的降雨過程中發(fā)生，應(yīng)做好監(jiān)測工作。排水工程是防止滑坡發(fā)生的重要措施。

圖3 地震產(chǎn)生的滑坡后緣裂縫Fig.3 Crack at back edge of landslide formed by the earthquake

3.4 隧道變形

由隧道變形的特點可以看出，地震引起隧道進出口段的開裂變形主要與坡體的臨空條件密切相關(guān)。隧道進出口處必然是臨空面，隧道本身也是一個臨空帶，坡體應(yīng)力在進出口段是極為復(fù)雜的，有多處應(yīng)力集中帶，地震時產(chǎn)生的地震應(yīng)力場也會向臨空地帶集中。當(dāng)兩種不同性質(zhì)的應(yīng)力場疊加時，便會產(chǎn)生更大的擠壓應(yīng)力作用在臨空條件好的部位，一旦此部位的巖體強度和隧道支護強度不能承受時，隧道便會產(chǎn)生開裂變形（圖4）。

3.5 崩塌落石

崩塌落石的破壞機理較為復(fù)雜且發(fā)生時極具突發(fā)性。胡厚田教授對崩塌落石進行了全面系統(tǒng)的研究，指出崩塌的突然產(chǎn)生是巖體長期蠕變和不穩(wěn)定因素不斷積累的結(jié)果。由于影響崩塌落石運動軌跡和運動規(guī)律的因素很多且情況十分復(fù)雜，對崩塌落石動力學(xué)參數(shù)和運動規(guī)律的研究還不深入和不成熟[5]。“5·12”地震造成寶成鐵路沙溪壩至二郎廟段發(fā)生20余處崩塌落石，發(fā)生頻率高，運動速度快。震后也常有崩塌落石發(fā)生。經(jīng)震后調(diào)查分析認為，地震引起崩塌的發(fā)生主要是由地震的慣性力起主導(dǎo)作用，地震烈度高、塌體位置高，發(fā)生崩塌的可能性和破壞性也大。一般情況下，中、低位崩塌因其位置相對較低，勢能較小，崩落后崩距短、動能小，致災(zāi)作用也小，發(fā)生后易于工程處理；高位崩塌由于地震作用的高程放大作用產(chǎn)生的地震慣性力作用強，另外由于高位處巖體風(fēng)化作用強烈，松散，整體強度低，大多形成危石群，易于下崩，而且崩塌勢能較大，一旦發(fā)生后果較為嚴重，且工程處理困難較大。

圖4 地震作用使隧道洞門開裂變形Fig.4 Cracking and deformation on the tunnel portal part under the earthquake effects.

4 影響地震次生地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的因素

通過對地震產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害的特點和地震致災(zāi)作用分析，認為影響地震次生地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要因素有以下三個方面：

（1）工程地質(zhì)環(huán)境條件是決定地震災(zāi)害的基礎(chǔ)

寶成鐵路廣元至成都段區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造體系繁雜交復(fù)，多期構(gòu)造應(yīng)力疊加復(fù)合，干擾改造，巖體在內(nèi)部應(yīng)力和外部營力的強烈作用下支離破碎。這種地形地貌特征、地層巖性條件、地質(zhì)構(gòu)造作用構(gòu)成的地質(zhì)環(huán)境是決定地震次生災(zāi)害的基礎(chǔ)。

修建鐵路時開挖山坡前部，破壞了山體應(yīng)力平衡，致使山坡發(fā)生應(yīng)力調(diào)整。地震產(chǎn)生的附加地震應(yīng)力場致使山坡甚至山體再一次產(chǎn)生應(yīng)力改變，尤其是在斷層帶、構(gòu)造面、巖性強度變化地帶應(yīng)力集中，引起崩塌、滑坡等不同類型的地震次生地質(zhì)災(zāi)害。

（2）余震是激發(fā)地震次生地質(zhì)災(zāi)害的動力因素

“5·12”地震爆發(fā)后，余震頻發(fā)，次數(shù)多，震級高，進一步降低了巖體的穩(wěn)定性，增強了次生地質(zhì)災(zāi)害的破壞效應(yīng)。在主震時形成的地質(zhì)災(zāi)害可能在余震時擴大和加劇，在主震時未形成的地質(zhì)災(zāi)害也可能會在余震時形成和發(fā)生。

（3）震后降水是造成次生災(zāi)害的重要因素

地震造成的地質(zhì)災(zāi)害，目前大多處于欠穩(wěn)定或不穩(wěn)定狀態(tài)，降雨是再次形成次生災(zāi)害的重要因素，尤其是滑坡、泥石流、崩塌等的發(fā)生與水的作用密切相關(guān)。

5 防災(zāi)工程

5.1 震害防治工程設(shè)計原則

地震地質(zhì)災(zāi)害設(shè)計具有特殊性，工程設(shè)計原則應(yīng)結(jié)合震害的特點和實際情況確定，要充分考慮到既有鐵路運輸安全的重要性。

（1）差異性原則：由于地震造成鐵路路基邊坡病害體類型多，穩(wěn)定性和規(guī)模差別大，設(shè)計可采用不完全統(tǒng)一的設(shè)計原則，如有的可先治穩(wěn)，后治本，有條件實施的可直接治本。

（2）分批分期原則：對地震作用造成的大規(guī)模坡體病害，只能根據(jù)河勢和邊坡穩(wěn)定性調(diào)整情況，分步設(shè)計，分期實施。

（3）安全保通原則：地震后鐵路是抗震救災(zāi)和災(zāi)后重建的重要交通工具，在工程施工中要保證鐵路運輸安全暢通。

（4）在搶通保通階段弱化“穩(wěn)定”原則：根據(jù)上述第3設(shè)計原則和大多數(shù)大規(guī)模崩塌體近期不可能穩(wěn)定的情況，所以在搶通保通階段要改變通常過于強調(diào)邊坡穩(wěn)定設(shè)計的原則，允許邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

（5）主動防護與被動防護相適宜原則：地震造成的地質(zhì)災(zāi)害除個別小病害體外，大部分病害體由于規(guī)模極大且又高又陡，所以理論上可治，但實際上是不可行的。所以將允許它們繼續(xù)破壞，不采用主動治理，而更多地采用被動防護的原則。

（6）治理地震作用下的鐵路地質(zhì)災(zāi)害，要查清地質(zhì)條件，遵循施工可行性原則，加強監(jiān)測與巡察，以體現(xiàn)動態(tài)設(shè)計和信息化施工思想。

5.2 震后防災(zāi)工程措施建議

由于寶成鐵路為既有鐵路，采用大規(guī)模清方方案處理病害已不現(xiàn)實，因此治理工程以加固防護為主。

（1）對路堤滑坡因其規(guī)模不大，厚度小，滑坡體積也小，推力不大，可采用微型樁進行加固，其特點是易于實施，機械化程度高，施工不破壞路基，基本上不影響行車安全，但要求微型樁深度應(yīng)伸入可能的滑動面以下一定深度。

（2）邊坡震害多以坍塌為主，其變形厚度不大，可采用錨桿（索）框架防護工程處理，但要有一定的長度，要充分認識到地震作用會引起邊坡一定范圍內(nèi)應(yīng)力松動，在暴雨等作用下可能會進一步產(chǎn)生邊坡變形，因此為搶時間而縮短錨固長度的意見是不可取的，否則加固工程的可靠性較低。

（3）對坡體滑坡，地震的主要作用是降低了穩(wěn)定性，引起滑坡失穩(wěn)的主要因素是震后水的作用，因此可加強地表排水工程，并對滑坡進行監(jiān)測，視情況決定是否采用工程處理。

（4）崩塌落石是治理的難題，常規(guī)的處理有“查、清、警、守、固、攔、撐、埋、遮、錨”十字對策，對低位崩塌可采用錨固和支頂措施，對中位崩塌可采用被動攔截，局部錨固和支頂預(yù)防的措施，而對于高位崩塌，錨固支頂不現(xiàn)實也不經(jīng)濟，采用被動網(wǎng)效果不好，最好是采用明洞方案進行安全防護。

（5）對隧道變形，首先應(yīng)查明有無坡體變形的問題，若存在應(yīng)進行勘察，查明原因，先治坡，后加固隧道；若無，可采用加固和邊坡處理措施，或錨或攔截。

6 結(jié)論

地震是突發(fā)性的，一旦發(fā)生對鐵路運輸安全構(gòu)成巨大的威脅，尤其是山區(qū)鐵路，地震后會產(chǎn)生路基變形、坡體滑坡、崩塌落石、隧道變形等各種不同類型的地震地質(zhì)災(zāi)害。為確?？茖W(xué)合理地整治地震地質(zhì)災(zāi)害，應(yīng)在現(xiàn)場調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，對工程地質(zhì)條件、地震地質(zhì)災(zāi)害類型、變形破壞特點、致災(zāi)機制、穩(wěn)定性和變形發(fā)展趨勢進行分析研究。針對地震作用下山區(qū)鐵路地質(zhì)災(zāi)害密度高、規(guī)模大、類型多而且活動性明顯不同的特點，要采用不同的設(shè)計理念和原則進行工程防災(zāi)。

高強度地震的作用是驚人的，對鐵路工程的致災(zāi)作用也是極強的。地震引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害對山體生態(tài)破壞較為嚴重，災(zāi)后生態(tài)恢復(fù)也是一個重要的課題，應(yīng)加強這方面的研究。同時要及早研究地震作用下地質(zhì)災(zāi)害的快速加固處理技術(shù)，提高應(yīng)急能力，確保地震后交通運輸安全。

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