包銀鐵路經烏海地區穿越活動斷裂地質勘察選線研究

喬道勇

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300251)

我國屬于地震多發國家，受太平洋板塊、印度板塊和菲律賓海板塊的擠壓，地震斷裂帶十分發育，縱橫交錯。按照活動性質可將地震斷裂帶劃分為全新世活動斷裂帶與非活動斷裂帶兩類。其中全新世活動斷裂帶(以下簡稱活動斷裂帶)對工程影響最大，未來仍有活動的可能，且與地震的發生有密切的關系[1]。

1 工程概況

包銀鐵路是我國京蘭通道重要組成部分，是西北地區連通京津冀和東北地區的快速通道，對于國家“一帶一路”倡議有重要意義。線路起自內蒙古自治區包頭市，向西經烏拉特前旗，于磴口折向西南，經巴彥淖爾市、烏海市至寧夏回族自治區銀川市。本文對其在烏海地區穿越活動斷裂帶地質勘察選線進行研究[2]。

2 活動斷裂帶對鐵路工程的影響

活動斷裂帶對鐵路工程的影響主要表現在兩個方面：一是地震作用時,斷裂突發錯動，產生突發位移，其位移量與地震的震級與烈度相關，可達幾米至幾十米不等；二是斷裂帶內巖體破碎松散，工程地質條件差，受自身活動影響，極可能在斷裂帶周邊產生差異性升降運動，運動速率可達每年幾十毫米。

因此，準確查明活動斷裂帶的破碎帶寬度、覆蓋層厚度，斷裂的性質、位置、滑動速率等參數，進而對其活動性進行評價，是進行地質選線的基礎，也是重中之重。

3 區域地質概況

3.1 構造單元劃分及特征

烏海地區位于中朝準地臺(華北地臺)Ⅱ級構造單元鄂爾多斯西緣拗陷中的桌子山—賀蘭山褶斷束，南部以牛首山固原深斷裂與祁連褶皺系相接，同時又屬于祁—呂—賀蘭山字形構造脊柱北段及脊柱東側伊陜遁地邊緣區域，分異構造作用明顯，構造活動強烈，尤其是新生代的構造作用使本區地殼進一步解體，進入強烈的斷塊差異活動的構造演化時期[3]。

3.2 新構造運動特征

對區域內新運動特征進行分析研究，發現其活動特征明顯，活動方式主要表現為以下幾個方面：

(1)差異性升降運動：在區內表現為顯著的地貌差異。山地、平原、高原三大地貌單元嚴格受構造控制，差異性升降運動主要發生在鄂爾多斯斷陷周緣。

(2)斷裂活動：新生斷裂和古老繼承性斷裂活動是新構造運動最直接可靠和最有利的證據。斷裂多以正斷層控制，主斷層面向塊體內傾斜。斷陷垂直差異運動強烈，并在山前形成臺地和河流階地。

(3)地震活動：研究區內是華北和西北地區主要的地震活動帶。地震活動為斷陷盆地及活動斷裂所控制，震源深度不大，一般發生在上部地殼。

(4)塊體內部構造穩定，地層水平，主要以整體性抬升為主。

3.3 現代活動特征與應力場

研究區域及其附近現代構造活動較為強烈，其活動方式具有一定繼承性。隆起區以上升為主，斷陷區則有相對沉降，形變梯度明顯。

根據線路走行區域的震源機制解、大震形變帶及地形異變等資料，綜合判定近代應力場主壓應力軸方向總體為北東向，但南部地區略偏東，而北部地區略偏北。主張應力方向為北西，總體走向為北西西。應力場的P軸傾角為0°～34.5°，T軸傾角為1°～27°，推測該區域地殼應力場是以水平力作用為主[4]。

4 活動斷裂帶綜合勘察

4.1 工程地質調繪

在烏海地區疑似活動斷裂帶區域進行了工程地質調繪，發現盆地與山地地貌的界線明顯。通過進一步調繪研究，發現黃河東岸側蝕現象明顯強烈于西岸，并且在上更新統地層發現了疑似斷裂形成的錯斷痕跡，上覆全新統地層也同時被錯斷，具有明顯的全新世活動跡象。該現象雖在北部發現較少，但南部區域內明顯分布較多，錯斷現象非常普遍。

在該區域共實測第四系有效剖面15條，研究發現剖面所測得斷裂走向整體呈北東向，錯斷30～40 cm，傾角整體較陡，約85°，如圖1所示。

圖1 實測剖面圖示意圖

4.2 綜合物探與化學探測

通過工程地質調繪，可以初步圈定斷裂帶走行區域。在此區域內再進行土壤氡、土壤汞的地球化學探測，從而可以快速得到更為精確的斷裂帶分布范圍。

斷裂帶測氡與汞示蹤的原理是:深部條件下生成的游離汞及多種汞化物對溫度、壓力變化非常敏感，在強大的壓力梯度和熱力梯度作用下，沿著斷裂破碎帶、斷層面和巖石空隙向地表遷移。同時，斷裂帶裂隙發育，連通性好，有利于氡的釋放與向上運移，從而造成斷裂帶處地表的氡氣濃度差異[5,6]。

對該區域進行土壤氡、土壤汞的地球化學探測，發現多處剖面中可監測到相對高值數據出現，該結果與先期的野外地質調查得出的實測斷裂剖面相互印證?？紤]到該區域全新世活動痕跡明顯，為準確判斷其斷裂位置與性質，在此區域布設了8條淺層地震測線，測線剖面上揭示反射波同相軸扭曲、錯斷明顯，推測該處為主斷裂位置，斷層傾向西(圖2)。

圖2 淺層地震剖面成果示意圖

4.3 地質鉆探與槽探

為鑒定烏海工作區斷裂分布，沿地震測線布置鉆孔聯合剖面，共布置鉆孔12個。經對聯合剖面研究，發現鉆孔中雖未揭示斷層現象，但多個剖面揭示的第四系全新統覆蓋層深度不連續，推斷為斷裂形成的錯斷。

在剖面揭示區域布置槽探，揭示全新統地層被錯斷，該區域斷裂為全新世活動斷裂，且通過對探槽內的斷層分布的連線，基本確定了活動斷裂呈北東向分布。

4.4 綜合分析

通過綜合勘察，結合前人研究資料，判斷該斷裂為全新世活動斷裂，沿甘德爾山(舊稱崗德爾山)西麓至桌子山西麓呈北北東向分布，傾向北西，具體分布如圖3所示。依據其分布特點，劃分為由北至南3段：

圖3 全新世活動斷裂分布圖

a段：鳳凰嶺段，斷裂寬度約50 m，斷層走向北北東，局部發育小型東西走向斷層；

b段：甘德爾山西緣(鳳凰嶺與甘德爾山分界處至三道坎)，斷裂帶寬度50～130 m不等，由一系列走向相同的斷層組成。

c段：三道坎以南范圍內，根據地球物理探測、地球化學探測結果和實際地質調查，未發現本段存在活動斷裂跡象。

5 活動斷裂帶活動性分析

5.1 垂直運動速率

鉆孔剖面揭露了本斷層晚更新世以來的三次活動事件，其垂直活動錯距分別為2.2、1.4和2.5 m，活動時間依次為25.6 ka±0.11 ka、(35.6 ka±0.29 ka)～(41.7 ka±0.57 ka)、58.25 ka±7.13 ka[7]。標準鉆孔研究表明，該區域地質歷史上也曾發生2次典型事件：第一次事件(110.95 ka±14.7 ka)～(177 ka±17 ka)，對應孔深91.35～99.14 m；較晚的一次事件為(1.86 ka±0.025 ka)～(22.41 ka±0.07 ka)，對應孔深5.55～25.23 m。Qh/Qp3及Qp3/Qp2界線落入這兩次沉積間斷內?？紤]到烏海斷陷作為河套古大湖的一部分及黃河外流的特點，推斷烏海盆地的沉積加深及速率突變為構造作用造成，因此假定斷陷與沉積補償之間大致平衡，從而計算出烏海地區垂直錯斷速率大致在2 mm/a的量級。

同時，其新構造的活動性具有分段特征。時間上，更新世向全新世期間有相對弱化的趨勢；空間上，以鳳凰嶺為界，北部地區(a段)活動性較強，南部(b、c段)較弱。

5.2 滑動速率

大量研究表明，利用GPS資料分析斷裂活動可取得較好的成果，也得到了很好的應用。項目的工作區主體分布在內蒙古地區，該區域形變測量和監測的干擾因素較少，適于采用測量儀器對斷裂進行監測和分析。同時，在鐵路線路周邊布設有較多的GPS連續站及流動站，利用GPS連續站及流動站2011—2016年數據，計算了鄂爾多斯塊體西緣的速度場，其結果如圖4所示。

由圖4可以看出，鄂爾多斯塊體西緣區域的速度場主要以西南方向為主，整體一致性較好。利用速度場，對其滑動速率進行了計算，見表1。

表1 滑動速率結果

圖4 鄂爾多斯塊體西緣的速度場成果示意圖

6 地質選線研究

6.1 選線原則

《鐵路工程地質勘察規范》(TB 10012—2019)規定[8]：“線路宜避開活動斷裂帶及地熱異常帶，難以繞避時，應對其進行專題研究，并應在斷裂帶或異常帶較窄處以簡易工程大角度通過，不宜在斷裂帶內設置大中橋、高橋、隧道、高填深挖等難以修復的大型建筑物”。

《建筑抗震設計規范》(GB50011—2010)規定[9]：“對于抗震設防烈度小于8度；非全新世活動斷裂；抗震設防烈度為8度和9度時，隱伏斷裂的土層覆蓋厚度分別大于60 m和90 m時，可忽略斷裂錯動對地面的影響。否則，應進行避讓”。最小避讓距離見表2。

表2 建筑與全新世活動斷裂最小避讓距離

同時，前人研究表明應盡量避開主干斷裂及其影響帶，避免在活動斷裂帶上盤迂回展線，并選擇以簡單的路基、橋梁形式通過，減小修復難度[10，11]。

6.2 方案分析

該區域主要方案為穿越活動斷裂帶方案(方案Ⅰ)與并行活動斷裂帶方案(方案Ⅱ)。如圖5所示。

圖5 穿越活動斷裂帶方案設計

方案Ⅰ線路主要以路基形式斜交跨越活動斷裂帶。

方案Ⅱ以特大橋形式于斷裂上盤以小角度斜交跨越活動斷裂帶，并在斷裂上盤迂回展線約10 km，并行段橋梁、路基形式并存。

方案分析：

(1)方案Ⅰ、方案Ⅱ均位于斷裂活動性相對較弱的地區。

(2)方案Ⅰ相比方案Ⅱ與鐵路交叉角度更大，風險性相對較小。

(3)方案Ⅱ長距離并行活動斷裂帶，在斷裂帶上盤迂回展線10 km，斷裂帶活動不確定性更強，整體評估風險性高。

從地質選線角度綜合分析，方案Ⅰ相比方案Ⅱ工程風險更低，可靠性更高，安全性更好。建議采用方案Ⅰ，并采用有砟軌道。

7 結論

經過現場踏勘與地球化學測試可得出以下結論：

(1)桌子山—甘德爾山西緣活動斷裂為全新世活動斷裂。

(2)從現場鉆探成果顯示：更新世向全新世期間構造運動有相對弱化的趨勢，表現為垂直活動錯距較小。根據現場踏勘的實測剖面顯示：研究范圍的北部地區(a段)活動性較強，南部(b,c段)較弱。

(3)GPS速度場主要以西南方向為主，滑動速率為0.01 mm/a±0.29 mm/a，拉張速率為0.04 mm/a±0.26 mm/a。

(4)經方案對比分析，建議線路采用方案Ⅰ并以易于修復的路基工程跨越活動斷裂帶，同時采用有砟軌道。