青海門源MS 6.9地震同震破裂的隧道破壞效應(yīng)與啟示

閻 淵

中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司地質(zhì)路基設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710000

0 引言

新生代期間中國(guó)大陸在歐亞板塊、印度板塊和西太平洋板塊的夾持之下，隨著周邊板塊的持續(xù)俯沖與碰撞，發(fā)育了復(fù)雜的活斷層體系（Molnar et al.,1975; Zhang et al.,2004）。因而，中國(guó)大陸強(qiáng)震頻發(fā)，是全球陸內(nèi)活斷層相關(guān)災(zāi)害最為嚴(yán)重的國(guó)家之一（張培震等，2013）。在復(fù)雜的活動(dòng)構(gòu)造環(huán)境下，公路、鐵路、大型水電工程壩址和核電設(shè)施等重要基礎(chǔ)設(shè)施和工程常常面臨如何科學(xué)規(guī)避或防范活斷層災(zāi)害及其風(fēng)險(xiǎn)的問(wèn)題（李玶和苑京立，1983；Sunil et al.,1992; 崔臻等，2013；馬映輝等，2021；孟秋等，2021；吳中海，2019，2022；張林成等，2022）。

隨著中國(guó)西部鐵路工程建設(shè)的快速發(fā)展，穿越活動(dòng)斷裂的鐵路隧道不斷增多，如穿越海原斷裂帶的冷龍嶺-托萊山斷裂段的蘭新高鐵大梁隧道。據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)記錄（https://news.ceic.ac.cn/CC2022010 8014528.html），2022年1月8日青海門源縣發(fā)生MS6.9地震，震中位于37.77°N、101.26°E。此次地震發(fā)生在青藏高原東北緣主邊界走滑斷裂帶——海原斷裂帶的冷龍嶺-托萊山斷裂段上（Guo et al.，2022；韓帥等，2022），震中距蘭新高鐵約為4.5 km，因同震主破裂帶穿過(guò)大梁隧道出口段，造成了高鐵斷道，屬于一例走滑型發(fā)震斷裂錯(cuò)斷鐵路隧橋的工程事件。目前研究重點(diǎn)為地震同震破裂下鐵路隧道的震害形成機(jī)制以及定性預(yù)測(cè)同震破裂造成的隧道工程深部變形特征（張玉敏等，2013；高峰等，2015；崔光耀等，2018；方林等，2019；Chen et al.，2022）。工程實(shí)例的缺乏以及震前、震后變形高精度觀測(cè)數(shù)據(jù)的不足，制約了有關(guān)同震破裂對(duì)隧道工程影響的研究和評(píng)價(jià)。

門源MS6.9地震同震破裂錯(cuò)斷蘭新高鐵大梁隧道為研究提供了工程實(shí)例，并且獲得了穿越隧道的活動(dòng)斷裂兩側(cè)高精度的震前、震后位移數(shù)據(jù)。在地表調(diào)查基礎(chǔ)上，基于高精度觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)同震破裂引發(fā)的大梁隧道破壞效應(yīng)進(jìn)行研究具有重要科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值，并可為跨活動(dòng)斷裂鐵路工程選線和抗震設(shè)防提供寶貴的工程案例。

1 地震構(gòu)造背景

蘭新高鐵大梁隧道地處青藏高原東北緣祁連山弧形造山帶的前緣，構(gòu)造變形強(qiáng)烈、褶皺與斷裂發(fā)育，構(gòu)造線整體以北西向和北西西向?yàn)橹鳎ㄖ苊穸嫉龋?000；潘桂棠等，2002）。第四紀(jì)期間，青藏高原的持續(xù)向北推擠作用導(dǎo)致該區(qū)發(fā)育了一系列以北西西向壓扭變形為主的活動(dòng)斷裂帶（袁道陽(yáng)等，2004；張培震等，2013；姜文亮等，2017；王鑫等，2020）。

位于青藏高原東北緣邊界的北西西向—北西向海原斷裂帶為大梁隧道區(qū)段最主要的控震構(gòu)造帶，也是調(diào)節(jié)青藏高原東北緣地殼縮短和塊體向東擠出的主要活動(dòng)構(gòu)造帶（Gaudemeretal., 1995；Tapponnier et al., 2001； 郭 鵬 等，2017；雷 東 寧 等，2018；徐化超，2019；薛善余等，2022）。此次門源MS6.9地震的發(fā)震斷裂即為海原斷裂帶的冷龍嶺-托萊山斷裂段（韓帥等，2022；焦其松等，2022），該段斷裂大致沿東祁連山山脈分水嶺分布，全長(zhǎng)約為123 km，總體走向NW60°—80°，為全新世活動(dòng)斷裂，晚第四紀(jì)其左旋走滑速率約為15～19 mm/a（何文貴等，2010；張培震等，2013；Chen et al.，2023）。蘭新高鐵大梁隧道穿越該斷裂（圖1）。

圖1 蘭新高鐵大梁隧道位置和區(qū)域主要活動(dòng)斷裂分布圖Fig.1 Map of the location of the Daliang Tunnel and the distribution of major active faults in the area

門源MS6.9地震最大水平錯(cuò)動(dòng)位移約為3.1 m，最大垂直位錯(cuò)約為0.8 m（蓋海龍等，2022）。綜合高分辨率衛(wèi)星影像詳細(xì)解譯和破裂帶的野外調(diào)查，在海源斷裂帶中厘定出兩條呈左階斜列、北西西—南東東走向的地震同震破裂帶（圖2）。一條發(fā)育在托來(lái)山斷裂的東段，總長(zhǎng)約為3.8 km，以左旋走滑變形為主，局部兼向南逆沖性質(zhì)，最大走滑位移約為0.5 m。另一條發(fā)育在冷龍嶺斷裂的中—西段，為此次地震的主破裂帶，呈北東向微凸的弧形展布，全長(zhǎng)約為21.5 km，整體以左旋走滑變形為主兼向北逆沖性質(zhì)，最大走滑位移約為3.1 m，與已有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（蓋海龍等，2022）一致。地表破裂表現(xiàn)最明顯區(qū)段與蘭新鐵路大梁隧道呈大角度相交并穿過(guò)隧道（韓帥等，2022；潘 家 偉 等，2022），導(dǎo) 致 其K1971+341—K1971+691里程段的結(jié)構(gòu)破損嚴(yán)重。地表破裂變形主要表現(xiàn)為剪切裂縫、雁列狀擠壓脊、拉張裂隙和斷坎等多種類型（圖3）。鐵軌、洞壁及路基等發(fā)生強(qiáng)烈的縮短隆起和走滑位錯(cuò)等變形；同時(shí)，隧道北側(cè)的硫磺溝大橋與橋墩也發(fā)生了不同程度的變形和傾斜變位。

圖2 青海門源MS 6.9地震同震地表破裂帶分布圖Fig.2 Distribution map of the coseismic surface rupture zones for the Menyuan MS 6.9 Earthquake in Qinghai

2 D-InSAR揭示的同震地表形變特征

文章獲取了震前2021年12月29日和震后2022年1月10日覆蓋整個(gè)破裂區(qū)的分辨率為20 m的Sentinel-1雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)。采用差分干涉測(cè)量（DInSAR）技術(shù)對(duì)破裂區(qū)的地表形變狀況進(jìn)行計(jì)算，得到破裂區(qū)的同震形變圖（圖4）。結(jié)果顯示，此次地震的形變范圍達(dá)到30 km×30 km以上，發(fā)震斷裂為海原斷裂帶冷龍嶺-托萊山斷裂段，并顯示斷裂北盤沉降、南盤抬升的形變特征。降軌影像衛(wèi)星視線方向（LOS）南盤和北盤最大形變量約為75 cm、-55 cm，升軌影像LOS方向南盤和北盤最大形變量分別約為45 cm、-60 cm，升、降軌影像最大LOS方向形變量指示跨發(fā)震斷裂的垂直變形幅度最大可達(dá)135 cm。同震形變帶主體沿北西西—南東東向的海原斷裂帶冷龍嶺-托萊山斷裂段展布，長(zhǎng)度超過(guò)20 km。

破裂帶附近地表破裂或相對(duì)滑動(dòng)劇烈，形成一定寬度的低相干區(qū)域，做掩膜處理圖4 門源地震D-InSAR地表形變特征Fig.4 D-InSAR surface deformation map of the Menyuan earthquakeThe surface rupture or relative slide near the fracture zone is severe, forming a low coherence area of a certain width, and masking is performed.

3 大梁隧道主要震害表現(xiàn)

由于發(fā)震斷裂大角度切穿大梁隧道（圖5），地表破裂和形變顯著。大梁隧道K1971+341—K1971+691里程段震害表現(xiàn)最為嚴(yán)重，其次為K1971+691—K1972+088（隧道出口）里程段，其余區(qū)間的震害相對(duì)輕微。

圖5 發(fā)震斷裂大角度切穿大梁隧道Fig.5 The seismogenic fault cutting through the Daliang tunnel at a large angle

3.1 K1971+341—K1971+691里程段的震害表現(xiàn)

該段的震害表現(xiàn)主要為同震破裂變形導(dǎo)致的仰拱隆起、鋼軌扭曲、邊墻走滑位錯(cuò)及一些伴生破壞。其中仰拱沿隧道中線隆起高為0.3～0.5 m，左、右線軌道板分別向兩側(cè)傾斜，傾角約為40°，鋼軌扭曲變形嚴(yán)重，兩側(cè)排水溝堵塞、蓋板擠壓隆起，水溝側(cè)壁傾斜、局部破壞，電纜槽蓋板擠壓隆起、凹凸不平，襯砌環(huán)向擠壓破壞，隔水層外露，隧道拱部大面積脫落，大量鋼筋變形斷裂外漏。在K1971+400里程前后各60 m范圍內(nèi)，隧道在橫向和垂向上均發(fā)生了斷錯(cuò)，其中隧道邊墻錯(cuò)斷出現(xiàn)在K1971+390.4—K1971+411.7里程段附近，最大錯(cuò)位處為里程K1971+400，該處沿隧道橫向（即垂直隧道軸向方向）發(fā)生左旋錯(cuò)動(dòng)約為2.88 m，沿隧道縱向（即平行隧道軸向方向）錯(cuò)動(dòng)0.2～0.7 m，同時(shí)可見(jiàn)0.3～0.8 m寬度不等的地裂縫發(fā)育（圖6）。

a—隧道斷裂處云俯視圖；b—隧道被斷裂左旋錯(cuò)動(dòng)實(shí)景（鏡向北）圖6 切穿大梁隧道的同震斷裂及其破壞效應(yīng)Fig.6 Coseismic fault cutting through the Daliang tunnel and its failure effect(a) Top view of the tunnel rupture zone; (b) Actual scene of the tunnel subjected to left-lateral offset from the rupture (view facing north)

3.2 K1971+691—K1972+088（隧道出口）里程段的震害表現(xiàn)

該段震害主要表現(xiàn)為拱頂擠壓破裂、道床隆起、襯砌與仰拱拉張破裂等（圖7）。其中，中間底板的隆起變形幅度最大約為0.5 m，道床中心的仰拱填充面左旋錯(cuò)動(dòng)為7～8 cm，并出現(xiàn)軌道板隆起和鋼軌凸起變形。同時(shí)，可見(jiàn)隧道底板兩側(cè)的蓋板隆起、水溝側(cè)壁破壞和拱部剝落掉塊等現(xiàn)象，最大剝落面積達(dá)0.6 m2，局部出現(xiàn)滲漏水。

a—道床板隆起變形；b—隧道拱頂擠壓破裂圖7 K1971+691—K1972+088（隧道出口）里程段的同震破壞效應(yīng)Fig.7 Coseismic failure effect of the section from K1971+691 to K1972+088 (tunnel exit)(a) Deformation with uplift of the bed plate; (b) Compression rupture on the tunnel arch

4 軌道控制網(wǎng)（CPⅢ）揭示的隧道變形

CPⅢ是一種針對(duì)鐵路軌道形變的觀測(cè)方法，在線下工程施工完成并通過(guò)沉降變形評(píng)估后實(shí)施觀測(cè)，可為軌道運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供測(cè)量基準(zhǔn)（王道遠(yuǎn)等，2019；王國(guó)祥和賴?guó)櫛螅?012）。CPⅢ按自由設(shè)站邊角交會(huì)方法進(jìn)行測(cè)量，點(diǎn)間距縱向上為60m，橫向上為線路結(jié)構(gòu)物寬度，測(cè)量精度為相鄰點(diǎn)位的相對(duì)誤差，通常小于1.0 mm。此次地震的發(fā)震斷裂直接穿過(guò)大梁隧道，斷裂與大梁隧道相交于K1971+400里程處，兩者夾角約為70°。此次主要采用大梁隧道震前2020年12月的CPⅢ觀測(cè)數(shù)據(jù)和震后CPⅢ復(fù)測(cè)結(jié)果，將跨過(guò)大梁隧道CPⅢ觀測(cè)點(diǎn)北向、東向坐標(biāo)變化值轉(zhuǎn)換成沿鐵路橫向、垂向變化值后，可獲得沿大梁隧道線路震后的CPⅢ平面變形量分布規(guī)律圖（圖8）；并據(jù)此得到震后大梁隧道線路震后的CPⅢ高程變形量分布規(guī)律圖（圖9）。

“+”為向隧道右側(cè)（即北東東方向）位移；“-”為向隧道左側(cè)（南西西方向）位移a—線路左側(cè)（即隧道軸線西側(cè)壁）CPⅢ平面變形量分布規(guī)律圖；b—線路右側(cè)（即隧道軸線東側(cè)壁）CPⅢ平面變形量分布規(guī)律圖圖8 大梁隧道線路CPⅢ平面變形量分布規(guī)律圖Fig.8 Distribution of CPⅢ plane deformation of the Daliang tunnel line(a) Distribution of CPⅢ plane deformation on the left side of the line (the west side wall of the tunnel axis); (b) Distribution of CPⅢ plane deformation on the right side of the line (the eastern side wall of the tunnel axis)"+" indicates displacement towards the right side of the tunnel (north-east direction), and "-" indicates displacement towards the left side of the tunnel (south-west direction).

“+”表示抬升量；“-”表示沉降量a—線路左側(cè)（即隧道軸線西側(cè)壁）CPⅢ高程變形量分布規(guī)律圖；b—線路右側(cè)（即隧道軸線東側(cè)壁）CPⅢ高程變形量分布規(guī)律圖圖9 大梁隧道線路CPⅢ高程變形量分布規(guī)律圖Fig.9 Distribution law of CPⅢ elevation deformation of the Daliang tunnel line(a) Distribution of CPⅢ elevation deformation on the left side of the line (the west side wall of the tunnel axis); (b) Distribution of CPⅢelevation deformation on the right side of the line (the eastern side wall of the tunnel axis)"+" represents uplift, and "-" represents subsidence.

4.1 大梁隧道CPⅢ平面測(cè)量數(shù)據(jù)分析

結(jié)果顯示，同震破裂導(dǎo)致大梁隧道發(fā)生顯著的左旋位錯(cuò)。在主破裂帶南側(cè)，從大梁隧道進(jìn)口到K1971+400里程處，CPⅢ點(diǎn)位表現(xiàn)為向隧道右側(cè)（即北東東方向）位移，并且橫向位移存在由小到大的變化，位移量從0.22 m增大到1.78 m；在主破裂帶北側(cè)，從K1971+400里程處到大梁隧道出口，CPⅢ點(diǎn)位表現(xiàn)為向隧道左側(cè)（即南西西方向）位移，橫向位移量為0.62～1.10 m。根據(jù)CPⅢ觀測(cè)結(jié)果，大梁隧道最大左旋位錯(cuò)出現(xiàn)在K1971+400里程處，最大位錯(cuò)量為主破裂帶南、北兩側(cè)最大橫向（即垂直隧道軸向方向）位移之和，約為2.88 m。

4.2 大梁隧道CPⅢ高程測(cè)量數(shù)據(jù)分析

CPⅢ高程測(cè)量結(jié)果顯示，從大梁隧道進(jìn)口到K1971+400里程處，主破裂帶南側(cè)CPⅢ高程均表現(xiàn)出向上抬升，最大抬升量出現(xiàn)在K1970+500里程處，達(dá)68.7 cm；主破裂帶北側(cè)CPⅢ高程均表現(xiàn)出向下沉降，最大沉降量出現(xiàn)在K1971+558里程處，達(dá)22.9 cm。主破裂帶兩側(cè)的最大升、降量相加，代表了此次同震破裂導(dǎo)致的隧道最大垂直位移量，約為91.6 cm。

綜合隧道震害調(diào)查和CPⅢ觀測(cè)結(jié)果，同震變形在大梁隧道段主要表現(xiàn)為左旋走滑兼由南向北逆沖，造成主破裂帶北盤沉降南盤抬升。隧道在K1971+400里程前后各60 m區(qū)間內(nèi)的水平與垂向變形量最為顯著，最大水平錯(cuò)斷（斷距）出現(xiàn)在K1971+400里程處，達(dá)2.88 m，考慮到海原斷裂帶的冷龍嶺-托萊山斷裂段與大梁隧道夾角約60°，斷裂位移約等于2.9 m/cos30°，換算后對(duì)應(yīng)的斷裂最大左旋位錯(cuò)量約3.08 m。（圖10）。

圖10 大梁隧道同震變形機(jī)制與破壞效應(yīng)示意圖Fig.10 Schematic diagram of coseismic deformation mechanism and failure effect of the Daliang tunnel

5 結(jié)論

（1）青海門源MS6.9地震的發(fā)震斷裂為青藏高原東北緣海原斷裂帶的海原斷裂帶的冷龍嶺-托萊山斷裂段，同震形變場(chǎng)主要沿北西西—南東東向發(fā)生破裂，形成長(zhǎng)度超過(guò)20 km的地表破裂帶，區(qū)域形變范圍達(dá)到30 km×30 km以上，發(fā)震斷裂的變形特征以左旋走滑為主，兼具有南北向逆沖性質(zhì)，造成破裂帶以北地面沉降、以南地面抬升，地表最大左旋位移約3.1 m。

（2）門源MS6.9地震同震破裂變形最顯著段落穿過(guò)蘭新高鐵大梁隧道，造成隧道破壞嚴(yán)重，隧道在里程K1971+400前后各60 m區(qū)間內(nèi)的平面和垂向變形量明顯，最大垂直位移約為91.6 cm，最大左旋位錯(cuò)出現(xiàn)在里程K1971+400處，約為2.88 m，考慮到海原斷裂帶冷龍嶺-托萊山斷裂段與大梁隧道夾角約為60°，換算后對(duì)應(yīng)的斷裂最大左旋位錯(cuò)量約為3.08 m，與地表的同震破裂最大位錯(cuò)量基本一致。

（3）大梁隧道的同震破壞特征表明，地震破裂對(duì)隧道的變形破壞嚴(yán)重且工程修復(fù)難度大，說(shuō)明隧道并非工程抗斷的有效方式。因此，在鐵路工程選線設(shè)計(jì)中應(yīng)避免采用隧道方式穿越相對(duì)危險(xiǎn)的活動(dòng)斷裂帶。鑒于區(qū)域內(nèi)活動(dòng)斷裂帶發(fā)育且強(qiáng)震相對(duì)頻繁，建議在大梁隧道修復(fù)運(yùn)營(yíng)后，應(yīng)加強(qiáng)跨活動(dòng)斷裂帶震后變形、工程場(chǎng)址地應(yīng)力實(shí)時(shí)變化和隧道區(qū)地表裂縫等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并構(gòu)建立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)，從而為保障鐵路運(yùn)營(yíng)期的地震地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及科學(xué)防控提供全方位的技術(shù)支撐。