铁路客运专线建设中的工程地质问题思考

魏建柄 安海波

在中西部地区铁路建设中,工程地质灾害问题成为铁路建设过程中的一个重要因素。工程实践已经证明,只有充分认识线路建设区工程地质条件和工程地质问题,才能做好各种条件方案的比选,建设一条经济合理、方案科学、高质量的现代化铁路。

在大同—西安客运专线运城—西安段野外勘测并参考大量文献资料的基础上,文章对线路区工程地质问题进行系统研究,确定了工程区的活断层的分布和活动特征,预测了活动断裂对运城—西安段客运专线的影响,论述了在地质条件较为复杂的地区,客运专线选线的原则。

1 线路概况

新建大同—西安客运专线运城—西安段(见图1),东起山西运城,于永济跨越黄河,经大荔、渭南等县市分别跨越洛河、渭河,至陕西西安,总长度200多千米。

1)地形地貌。本线路经行于汾渭冲积平原区,平原区以南为中条山、华山、骊山及渭南和潼关黄土台塬,以北为渭北黄土台塬。黄河以东为运城盆地,以西为渭河盆地,主要由黄河、渭河、洛河、涑水河等河流的漫滩、各级阶地组成。沿线地形平坦,地势开阔。2)地质构造。线路所经大地构造单元为近东西向的渭河断陷盆地和运城盆地,处于鄂尔多斯地块与秦岭褶皱带的过渡地段。鄂尔多斯地块相对秦岭做北东向的逆时针扭动,使得渭河盆地内发育近北东东和北西西向断裂。山西断陷盆地是鄂尔多斯地块相对太行山地块做逆时针扭动而产生的剪切破裂带,而运城盆地正是这一剪切破裂带南缘。这样的构造格局使得本区主要发育左旋走向的正断层,而其中的活断层是该区地质灾害的主要力源,控制了该区域内的地质灾害的发育、类型和空间分布。3)水文地质。区内河流水系发育,线路跨越的主要有:黄河、渭河、涑水河、洛河、灞河、戏河、零河等,各河流多有常年流水,雨季常有山洪暴发。黄河年径流量巨大,含砂量高,在线路跨越地段呈南北走向,河谷宽阔;渭河具常年性径流,流量较大,季节性变化大。沿线地下水类型主要为松散岩土类孔隙潜水、孔隙承压水,补给来源主要为地表水。

2 区域稳定性研究

工程区域内发育多条近东西向、北东向和西向的活动断裂(见图1)。对线路影响较大的有 8条活动断裂(见表1)。

表1 工程区主要工程活动断裂表

F1断裂对运城盆地的形成和新生代沉积有一定控制作用,第四纪以来做张扭运动,中晚更新世活动明显,平均水平错动速率不大于1 mm/年～3 mm/年,平均垂直错动速率不大于0.5 mm/年～1.0mm/年,地震活动较弱,活动性水平较低且重复间隔较长。

F2断裂是渭河断陷带东段南缘的主控断层,始于新生代早期,水平向呈左旋扭动性质,第四纪的断距约为2000m,全新世平均的垂直活动速率为1 mm/年～2 mm/年,平均水平错动速率约为4.5 mm/年。全新世活动强烈,西段有多组快速错动和华县大震遗迹,东段活动较弱。

F3断裂沿嵯峨山南麓分布,为渭北黄土塬与渭河平原的地貌分界线。在口镇可见局部的断层三角面,断距在300m以上,晚更新世以来形变活动强烈,早期为压性,后为张扭性,错断、拉裂或扭动第三系、第四系的地层。由于该断裂的活动,地表出现一系列与该断层走向一致的有规律的地裂缝,伴随有频繁的中小地震活动,断裂带的平均垂直错动速率为2 mm/年。

F4断裂是通过石油地震方法探测的一条隐伏断层,主要错断了中更新世以前地层。2009年11月5日陕西省高陵县(该断裂带与渭河断裂的交汇地带)发生4.4级地震后,后共发生余震11次,最大震级为2.5级。反思汶川地震的灾难后果,该断裂应定为一个重要的发震断层,与线路交汇带的有关抗震设防参数要作提高,以保证铁路的安全运营。

F5断裂是渭河盆地一条隐伏断裂,对渭河盆地的形成和发展及盆地内的地震活动都具有一定的控制作用,切割深度大约15 km。浅部倾角较大,往深部逐渐变缓,为铲形断裂。第四系基底错开约100m,晚更新世地层错距约4 m～6m,全新世以来有过3次古地震活动和1次历史地震活动,为一条重要的发震断层,活动性较强。

F6断裂错断上更新统达1000m,错断下更新统达 500m,中更新统达200m。晚更新世以来仍有活动,错断了渭河各支流阶地,与华山山前断裂交汇处有中强震发生。

F7断裂为骊山凸起的北界,第四纪以来活动显著,断裂南盘基岩及中下更新统直接出露地表或埋藏较浅,而北盘基岩却埋于较深的位置。沿断裂发生过一些中小地震。

F8断裂以东为骊山断凸,以西为西安凹陷,基底为元古界地层和花岗岩。该断裂呈现张性,与西安绕城高速公路的交汇地带有明显的路面破坏变形,1977年8月西安以北断裂带上发生1次2.9级地震,显示了该断裂的现代活动性。

综上所述,线路建设区属于构造活动区,新构造活动较强,要充分考虑F16,F17和 F20发震可能性。具体结论如下:1)F16,F20断裂与设计路线相交,需要考虑铁路线的工程抗错断问题。统计经验关系计算得到F16断裂未来百年的最大同震垂直位错量为2.54 m±1.05m,垂直于断层走向的水平伸长量为 0.98 m±0.41 m;F20断裂未来百年的最大同震垂直位错量为2.02 m±0.90m,垂直于断层走向的水平伸长量为1.17 m±0.55m。2)线路穿过的黄河沿岸地区在历史上的大地震曾经多次发生喷砂现象。同时,原位测试的结果表明黄河特大桥的场地类别为Ⅲ类,桥址地下15 m深度范围内存在饱和液化土层,需考虑砂土液化的影响。

3 选线原则

1)构造活动地区线路走向。断层活动往往是影响工程建筑物稳定的主要因素。线路通过断层发育地段,线路走向应与断层构造线直交,应尽量绕避活动性断层和断层的交汇点。线路跨越断层时需研究断层是否为活动断层,断层的性质、规模、活动强度,充分考虑活动断层的发震可能性、工程抗错断和断层蠕滑变形。

2)构造分区与重大工程建设。黄河中游地区的现代构造运动的形式和强度在不同地区有着显著的差异特征。据此,刘东生将该区分为陇西区、银川盆地、山西断陷盆地、渭河谷地、河套谷地、豫西丘陵和鄂尔多斯高原7个构造活动区。区内重大工程建设中要从宏观上把握工程地质灾害规律,合理避让构造活动强烈的地区,选择构造活动相对较弱的工程场地。

4 结语

我国客运专线铁路网建设正在全面进行中,笔者针对客运专线建设线路选线过程中应该注意的工程地质问题进行探讨,并且提出几点建议,希冀对我国客运专线建设有所裨益。

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