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基于风险调控原理的高地震烈度山区选线设计研究

邱燕玲  
【摘要】:“5.12”汶川大地震对山区铁路公路造成巨大的破坏作用,不仅严重阻碍了抢险救援队伍的进入,而且严重滞后地震灾区的恢复重建。目前线路工程的抗震设计主要体现在结构物抗震设计方面,但通过选线源头规避与线路工程全寿命周期统筹防控风险,才是最先进有效的抗震减灾模式。因此高地震烈度山区铁路减灾选线,应是以铁路定线为主体,同时考虑线路工程全寿命周期统筹防控风险的一种总体设计。论文在汶川地震、芦山地震大量实震资料调查的基础上,以大地震风险调控为指导思想,开展了高烈度地震区新建线路从廊道选择、空间定线到个体工程设计的选线技术研究,并针对震后成灾环境巨变,次生山地灾害频发的特殊情况,研究有关震后线路工程修复与重建技术。主要工作及研究结论如下:通过对实震现象的调查分析,总结了路基工程震害特征,提出减轻山区线路震害的根本措施:路基工程破坏并不严重,而且易于抢通;山地灾害是造成线路工程破坏的最主要因素,山地灾害对线路工程的影响远大于工程直接震害;边坡防护工程能有效减轻山地灾害对线路的影响,但地震触发山地灾害的发生往往是始于山脊线附近的,对线路造成巨大损失的山地灾害发生在路域以外;对山地灾害的预防(防治)不能单纯依靠工程措施,应该在线路设计的源头——选线阶段从减灾的角度来考虑;线路通过发震断裂,任何加强工程结构物抗震能力的措施都难以抵抗大地变形问题,应通过选线阶段的策略来减轻震害损失。针对选线设计环节中的廊道方案选择,运用构造地貌理论,对活动断裂塑造的地貌格局和强震灾害效应的综合分析,得出廊道方案原则:断裂构造盆地在地形陡峭的山区往往形成一系列宽谷或线状分布的开阔地形,即是自然演化的经济据点和交通廊道,也是选线应利用的有利地形,还能有效减轻铁路服务期内的山地灾害;逆断层下盘挠曲盆地、正断层上盘断陷盆地、走滑断层断陷盆地和拉分盆地,均是铁路廊道方案可利用的地貌单元;综合考虑地震风险和地形条件,对逆断层,线位可选择在下盘的盆山过渡区域;对正断层,由于该类断层震级不大,铁路可沿正断层上盘断陷盆地布线,并采用工程抗震设计抵御地震风险;对走滑断层,一般有平直地形可利用,可实现以简易工程通过走滑断裂带的减灾策略。针对选线设计环节中的空间定线,根据波动理论与实震资料,研究了地震波在三维空间传播的地形效应,以线路在地震动作用相对较弱的部位通过为原则,提出高地震烈度山区空间定线要点:区域性地震动的强弱程度与高程并无密切的关系,宽厚山体或大地势台阶也不存在明显的地震动沿高程递增的规律性,在选线确定大段落线路高程时,可不考虑高程放大效应;体波的直射和反射使背坡面易于产生顺坡向的裂隙,因此易在背坡面产生大规模的崩塌灾害,迎坡面更易于形成面波,且面波不易于传出迎坡面,因此在迎坡面产生表层塌滑灾害,当坡体两岸条件相同时,在体波占地震波主要能量的近场区,线路应选择迎坡向,在面波占地震波主要能量的远场区,线路应选择背坡向;峡谷地形在空间上能有效阻断高频成分Rayleigh波的传播,地震波在峡谷入射一侧振动强烈,在另一侧减弱,选线通过峡谷地形时,根据活动断层与峡谷之间的相对位置,应避免选择峡谷入射方向的一侧。针对选线设计环节中的个体工程布设,在风险调控的设计思想下,提出高地震烈度区采用新建工程造价低、损毁后宜修复的路堤、浅路堑、短隧、低桥等简单易修复的工程减轻大震风险的减灾策略。对大地形变导致断层两侧线路发生错断的特殊灾害,研究了相应的线路减灾设计方案,为使线路恢复的工程量最小,线路宜以大曲线半径通过断层,地震后可通过减小曲线半径的措施恢复线型要求;若不降低原线路设计水准,在线路设计时,曲线外移变形一侧需预留一段直线段;不宜以直线段通过断层,若以直线段通过断层,也应在断层附近设一曲线。对于断层蠕滑问题,认为在线路空间定线时不构成控制性问题,可放在工程布设和工程设计环节予以考虑。灾害弹性是目前国际上应对大灾所提出的最新理念,建设灾害弹性道路体系,也是我国的发展方向,而铁路公路抢险修复技术,则是弹性道路体系实现迅速恢复正常功能的重要保障。在汶川地震路基工程震害调查的基础上,总结路基工程抢险保通工程措施;对震后受损的路基支挡工程,研究其震损机理、震后损伤评估及震后修复加固技术。另外,在汶川地震震后线路工程案例分析的基础上,对峡谷地区重建线路和震后新建线路,提出选线设计的原则。震后线路抢险保通的基本原则是对线路通行有较大影响的变形过大或局部破坏结构,采取简单有效的临时加固措施,维持道路通行,提高线路通行能力。对路基挡墙主要采用加固坡脚,对地基不稳定工点,需治理滑坡。挡墙震损主要有倾斜变形和滑移变形两种模式。倾斜变形挡墙震后仍为挡土墙工点,采用横向加固措施可有效地控制变形发展,并能将挡墙整体稳定性和基地应力恢复到规范要求;整体滑移变形挡墙可能已转变为滑坡工点,需根据变形位移判断是否已发生转化,从而按滑坡制定处治方案。对在原有线路廊道上恢复重建的线路工程,需避开地质灾害高发期,重建工程应以震后次生山地灾害防范为主指导选线设计,在地质选线框架下,注意震后次生山地灾害的特点。震后新建“生命线”工程,应在廊道上与既有线分开。


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