郯廬斷裂帶對徐連高鐵的影響及工程應對措施

柏華軍

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

1 工程簡介

1.1 研究背景

我國地處環太平洋和歐亞兩大地震帶的交匯處，屬于地震多發國家，地震斷裂帶分布廣泛；隨著高速鐵路“八縱八橫”快速組網，高鐵橋梁鄰近斷層或跨越斷層將不可避免。已經建成及正在建設的20條高速鐵路初步統計表明，京滬、石太、長昆、大西、津秦、青榮等高速鐵路，哈齊、長吉等城際鐵路，均跨越多條斷裂帶。高鐵穿越活動斷裂帶，將面臨地震活動或無震蠕滑等地質災害威脅，造成線路結構損壞，甚至引起重大交通安全事故。文獻[1]報道了東川支線沿小江斷裂帶因地震及次生災害泥石流影響，出現“橋淤改涵、涵滿改路、路淤改隧”的奇觀。文獻[2]表明，汶川地震在地震近場區，尤其是斷裂帶，地表出現隆起、沉陷、斷裂、移位等強烈變形，橋梁、路基工程震害十分突出，通過斷裂帶的隧道也有損壞。因此，以徐連高鐵為例開展地震斷裂帶對高速鐵路工程的影響研究，以期為川藏鐵路等類似工程的設計提供技術參考和借鑒。

1.2 項目概況

徐州至連云港高速鐵路[3](以下簡稱“徐連高鐵”)位于江蘇省北部黃淮平原地區，全長約180.013 km。線路為東西走向，與南北走向的郯廬斷裂帶在新沂段大角度相交。整個斷裂帶寬度約24.58 km，涉及里程DK82+280～DK107+800。線路全部位于7度及以上地震區，其中有90.5 km位于8度(0.2g)高烈度區，占線路總長的50%，屬于典型的高烈度地震區跨地震斷裂帶高速鐵路(圖1)。

圖1 徐連高鐵線路平面布置

徐連高鐵線路主要技術標準見表1。

表1 徐連高鐵主要技術標準

2 地震安全性評價

為保障高速鐵路的安全，開展了《郯廬斷裂帶對連云港至徐州客運專線工程影響評價專題》研究(簡稱“專題研究”)，評估其對無砟軌道高速鐵路工程的安全影響，并采取對應工程處理措施。

郯城—廬江斷裂帶(簡稱郯廬斷裂帶)是我國東部一條規模巨大的巖石圈斷裂，南起長江北岸的廣濟地區，向北經安徽、江蘇、山東，跨越渤海，經東北三省，進入俄羅斯境內，全長約2 400 km，總體走向N30°E，是中國東部地區地震活動強烈的地震帶。

徐連高鐵工程主要涉及郯廬斷裂帶濰坊—嘉山段，該段亦稱沂沭斷裂帶。沂沭斷裂帶[4-5]由5條平行的主干斷裂組成(圖2)，自東向西分別為昌邑—大店斷裂(f1)，白芬子—浮來山斷裂(f2)，沂水—湯頭斷裂(f3)，鄌郚—葛溝斷裂(f4)，安丘—莒縣斷裂(f5)。其中安丘—莒縣斷裂帶(f5)自北向南由3大段呈右階斜列組成：北段昌邑—安丘段，中段莒縣—郯城段，南段新沂—泗洪段。限于篇幅，地震危險性評價摘錄主要結論。

圖2 徐連高鐵線路與沂沭斷裂帶交匯處地質圖

2.1 斷裂活動性分析

根據野外調查及文獻查閱綜合分析，專題研究認為這5條斷層中僅f5為全新世活動斷層，斷裂以逆沖右旋走滑運動為主，局部為正斷右旋走滑運動性質，1668年郯城8.5級地震就發生在該斷層上。安丘—莒縣斷裂(f5)多以壓性逆斷活動為主，局部顯示為張性正斷活動，斷層活動具有明顯的分段性。

其他4條為早-中更新世斷層，以正斷活動性為主。安丘—莒縣斷裂(f5)各次級斷裂活動強度對比見表2、表3。

表2 徐連高鐵附近沂沭斷裂帶各次級斷裂活動強度對比

表3 與鐵路相交的安丘—莒縣斷裂帶全新世活動參數

2.2 斷裂錯動評價

通過野外地質調查、探槽開挖、斷錯地貌面測量，專題研究認為安丘—莒縣斷裂地震斷層和地震形變帶展布基本一致，多呈扭動牽引地貌，郯城至新沂段主要為逆斷、逆掩斷層陡坎，坡度小。綜合分析認為，高鐵穿越區僅f5為全新世活動斷裂，推測如果未來發生地震，具有地表錯斷的可能性，其未來地震地表垂直斷錯量1～2 m，水平位錯量2～4 m，垂直和水平位錯量比一般為1∶2；其他斷裂為非全新世活動斷裂，覆蓋層埋深大，在鐵路工程中可以不考慮地表錯斷的影響。

2.3 蠕滑變形評價

鐵路穿越區段為新沂—泗洪斷裂段，根據現場布置觀測點監測，專題研究表明新沂-泗洪段其年平均垂直形變速率為0.01～0.21 mm/a；根據野外地質調查、探槽開挖、斷錯地貌面測量，沂沭斷裂(圖3)地震斷層和地震形變帶展布基本一致，其垂直和水平位錯量比一般1∶2，推測該段的年平均水平形變速率為0.42 mm/a。

圖3 沂沭斷裂帶地質略圖

2.4 工程地質評價

根據GB18306—2015《中國地震動峰值加速度區劃圖》[6]和GB18306—2015《中國地震動加速度反應譜特征周期區劃圖》[5]確定本線地震動峰值加速度0.2g、抗震設防烈度8度，標準地震動反應譜特征周期Tg=0.4 s，地震斷裂帶區域的場地類別為Ⅲ類。

3 郯廬斷裂帶對徐連高鐵影響

3.1 地表錯斷對鐵路工程的影響與危害

當發生強烈地震時，活動斷裂往往產生明顯的急速位錯，引發地表錯動、破裂使鐵路線承受強烈的拉壓和剪切作用，有可能錯斷、拉斷軌道板和軌道，或使軌道產生褶皺屈曲。斷裂在錯動瞬間，釋放大量能量，以彈性波的形式引起地表強烈振動，從而導致建筑物和鐵路工程的破壞，這是比斷裂直接位錯更廣泛和常見的危害。專題研究預測該區域如果未來發生地震，將產生垂向位錯量1～2 m，水平位錯量2～4 m，這種錯動可能造成路基垮塌、橋梁墩臺嚴重變形等危害，導致中斷行車。其他斷裂為非全新世活動斷裂，覆蓋層埋深大，在鐵路工程中可以不考慮地表錯斷的影響。

3.2 長期蠕變對鐵路工程的影響

專題研究通過對沂沭斷裂帶跨斷層觀測資料分析，認為高鐵穿越區段斷層年平均垂直形變速率為0.01～0.21 mm/a，年平均水平形變速率為0.42 mm/a。按照鐵路100年設計使用年限考慮，預測設計年限內的垂直形變值為21 mm，水平的形變為42 mm。

4 工程應對措施

4.1 線路工程

文獻[4-11]表明，新的高速鐵路選線理念是更應堅持“地質選線”原則，高速鐵路跨越地震斷裂帶時優先選擇繞避方案避讓，當無法避讓時盡量采用大角度穿越地震帶，減小了地震斷裂上下盤效應對上部工程的影響。

徐連高鐵選線時線路無法避免穿越郯廬斷裂帶時，結合新沂南站的選址，在DK83+380～DK84+370段采用大角度跨越地震斷裂帶，基本接近十字正交，如圖4所示。

圖4 徐連高鐵線路與郯廬斷裂帶位置關系

4.2 軌道工程

高速鐵路軌道結構主要有無砟軌道和有砟軌道兩種，前者軌道底座板采用混凝土結構，軌道高程的調整僅僅通過扣件調節，調整量十分有限；后者道床為道砟結構，出現較大的變形可通過調整道砟的厚度來調整軌道的變形，適應性很強，破壞后易于修復。

高速鐵路穿越地震斷裂帶時，為防止影響區的不確定性地基沉降，易于后期修復，優先采用有砟軌道結構。TB10621—2014《高速鐵路設計規范》[12]9.1.2-2條規定“活動斷裂帶不應采用無砟軌道”。其條文解釋為活動斷裂帶等區域變形不易控制的特殊地質條件地段，由于無砟軌道的調整能力有限，一旦受損，將影響正常運營甚至危及運營安全，采用有砟軌道結構較為合理。

專題研究表明，f5由2條斷裂帶組成，f5-1與f5-2分別與線路相交于DK83+970、DK83+780。f5為全新世活動斷裂帶，存在地表破裂的可能性，需采取抗斷措施。根據國鐵集團鑒定中心審查意見，DK83+380～DK84+370設置為有砟軌道。

徐連高鐵設計時軌道結構總體采用無砟軌道，跨越地震斷裂帶時采用有砟軌道。為提高道床的穩定性，減少道砟飛濺和高速動車組的高頻振動導致道砟粉化，特別采取了新型的聚氨酯固化道床技術(圖5)，將離散的道砟固接成彈性整體，同時又可兼顧路基耐久性和后期可修復性。

圖5 聚氨酯固化道床示意

4.3 路基工程

文獻[13-15]表明，高速鐵路穿越地震斷裂帶時，優先采用易于災后修復、次生災害較小路基工程穿越，避免高路堤、深路塹、陡坡路基等難以修復的重大工程。通過采用加寬路肩、選用優質填料、放緩邊坡、應用非剛性路基、柔性分層加筋等措施，增加路基本體穩定性。

根據《郯廬斷裂帶對連云港站至徐州客運專線鐵路工程影響評估專題》意見，在DK83+380～DK84+370段采用易修復的柔性路基工程方案穿越郯廬斷裂帶次級斷裂帶f5，采用加筋等措施提高抗錯斷能力，加寬路基面寬度，并加強路基變形監測。根據鐵路總公司專家審查意見，路基設計時將標準路基兩側路肩各加寬1.1 m，即路基頂面整體寬度由13.6 m=(4.3+5+4.3) m變為15.8 m=(5.4+5+5.4) m，并路基本體內增加土工格柵的鋪設密度等措施，提高路基的整體穩定性，同時增加災后路基面的維修空間(圖6)。

圖6 路基加強段橫斷面布置(單位：m)

根據2017年5月17日工管中心組織的專家評審中關于DK83+300～DK84+370段有砟軌道結構設計意見，工程實施階段應增強影響區段的沉降觀測，并對路基下方復合地基進行加強處理。

4.4 站房工程

高速鐵路為重要運輸通道，具有抗震救災生命線通道的功能。根據GB50011—2010《建筑抗震設計規范》[16]分類辦法，其中大型站房屬于甲類工程，需要進行避讓，相關工程避讓距離見表4。

同時，《建筑抗震設計規范》3.10.3條規定建筑結構抗震性能化設計時地震動水準選定原則，指出對處于發震斷裂兩側10 km以內的結構，地震動參數應計入近場影響，5 km以內宜乘以增大系數1.5，5 km以外宜乘以不小于1.25的增大系數。

徐連高鐵距離地震斷裂帶最近車站為新沂南站(圖7)，站位中心里程DK86+500(車站范圍按兩側各650 m長度考慮)，距離地震斷裂帶影響范圍(DK83+380～DK84+370)外1 480 m，滿足最小避讓距離400 m要求，并預留足量的安全儲備。

圖7 新沂南站效果圖

4.5 橋梁工程

高速鐵路為控制沉降和節約用地以橋梁工程為主，因此在地震斷裂帶影響相對較小區域宜優先采用橋梁結構。考慮到地震的不確定性，橋梁結構宜優先采用易于修復的簡支梁結構，并在支座上設置縱橫向防落梁擋塊，避免因地震落梁造成交通中斷。

GB50111—2006《鐵路工程抗震設計規范》(2009年版)[17]7.1.3條規定：橋梁抗震設計時應結合地形地質條件，構造特點、工程規模及震害經驗等因素，確定橋型及墩臺基礎型式。當橋梁必須穿越地震斷層時，宜采用小跨度、低墩高的簡支梁橋；7.4.1條規定：高烈度地震區有條件時可采用減隔震設計，采用減隔震設計的橋梁，應滿足正常使用功能要求。

JTG/TB02-01—2008《公路橋梁抗震設計細則》[18]4.1.9條規定，當考慮震斷裂錯動對橋梁的影響，A類橋梁應盡量避開主斷裂，抗震設防烈度為8度和9度地區，其避開主斷裂的距離為橋墩邊緣至主斷裂帶外緣分別不宜小于300 m和500 m；A類以下橋梁宜采用跨徑較小、便于修復的結構。

徐連高鐵在地震斷裂帶兩側(DK83+380～DK84+370范圍外)分別為東海特大橋和新沂特大橋，橋梁方案以32 m簡支箱梁為主，橋上鋪設無砟軌道，在跨越等級道路不得不采用連續梁結構時，為減小地震對大跨度結構的影響，采用了隔震支座，將傳統的抗震思路由硬抗和延續設計改為隔震設計，大大減小地震對橋梁的破壞作用。

限于篇幅，僅以東海特大橋跨S322省道為例，采用(40 m+168 m+40 m)系桿拱連續梁橋(圖8)，支座采用雙曲球面隔震支座(圖9)，并在縱橫向兩側設置防落梁擋塊(圖10)。

圖8 東海大橋(40+168+40) m系桿拱連續梁橋立面(單位：m)

圖9 雙曲球面隔震支座

圖10 防落梁擋塊

徐連高鐵全線有多處大跨度橋梁結構均采用雙曲球面隔震支座，并委托同濟大學土木工程防災國家重點實驗室開展專題研究，結果表明：采用隔震設計方案可將橋墩等下部結構承受的地震力減少到設計可控范圍，并從抗震構造措施角度對全線橋墩和樁基進行抗震加強設計。同時，針對液化沙土影響區，對樁基設計抗力進行加強，并對液化深度范圍的樁側摩阻力等地質參數按折減考慮。

5 總結與建議

目前系統性研究關于高速鐵路跨越地震斷裂帶課題文獻很少，研究地震斷裂帶對高速鐵路工程的影響，積累工程經驗，推廣既有成熟技術是十分必要而有意義的，以期為川藏鐵路等類似工程建設提供參考。通過徐連高鐵跨越郯廬斷裂帶為例進行研究，得到以下成果和建議。

(1)從徐連高鐵跨郯廬斷裂帶地質安全評價入手，結合現有規范文獻，為減少斷裂帶對工程的影響，從線路、軌道、路基、站房、橋梁等多個專業角度采取針對性措施，綜合性很強，踐行“科研服務工程”宗旨，具有一定的學術價值。

(2)高速鐵路選線堅持“地質選線，避讓為主”原則，徐連高鐵在無法避讓情況下采取“線路大角度穿越、站房設置避讓距離、選擇有砟軌道路基結構，橋梁優先簡支梁、大跨度結構采取隔震措施”等綜合措施，在現有技術水平能力范圍科學合理應對地震災害。本文從工程抗震的角度展示我國高速鐵路的建設水平。

(3)專題研究表明，郯廬斷裂帶安丘—莒縣斷裂(f5)為全新世活動斷層；預測100年內的垂直蠕滑變形為21 mm，水平蠕滑變形為42 mm，將超出無砟軌道的可調節范圍；推測其新沂—宿遷斷層段如果未來發生地震，地表垂直斷錯量達1～2 m，水平位錯量2～4 m，這種錯動可能造成路基垮塌、橋梁墩臺嚴重變形等危害，嚴重時導致中斷行車，應加強抗錯動措施。

(4)徐連高鐵跨地震斷裂帶在線路無法繞避時，采用十字交叉方案跨越地震斷裂帶，在地震斷裂帶范圍內優先選擇更易修復的路基結構和后期易于修復的有砟軌道結構；地震斷裂帶范圍外橋梁優先選擇易于修復簡支梁結構，并對大跨度結構采用隔震方案；同時將新沂南站設置在安全避讓距離外，對路基、橋梁和軌道進行針對性的加強設計，確保工程安全。

(5)考慮到地震工程的復雜性和不確定性，郯廬斷裂帶全新世活動斷層f5對徐連高鐵的運營具有極強的潛在危險性和不確定性，建議在該區域內建立地震預警系統，加強對地震監測和斷層處的位移監測，為高速鐵路運行實時提供安全保障。

致謝：

感謝中鐵四院徐連高鐵設計團隊全體工程師對項目建設所做貢獻，特別是高文軍總工程師的技術指導和項目負責人譚宏高級工程師、賈厚華高級工程師提供的相關材料；感謝中國地震局地震預測研究所呂曉健團隊開展的地震預測和災害評估工作；感謝上海申豐地質新技術應用研究所毛建偉團隊開展的地質地震調查工作。拙文是大家共同努力的項目成果，集體智慧的結晶。