由人为活动所引起的滑坡 ——山区铁路基础设施所面临的挑战

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1、前言

1.1 项目背景

滑坡和岩石崩落对于山区交通线基础设施是最常见且危险性最大的自然灾害。交通线基础设施比单一的建筑设施更容易遭受边坡活动的影响。Evans等(2005)指出,铁路因其灾害等级较高,比其它线状结构更容易受到地质灾害影响。铁轨为了使坡降比率保持平衡,必须沿山谷的两侧延伸很长的距离。如果将铁路建设追溯至十九世纪,这种情况更明显,尤其是当不得不开挖隧道时,必须在很陡峭的山坡(斜坡)上打开山口。在这些山坡上,铁路基础设施极易遭受自然灾害的破坏。

为了能够第一时间了解到在奥地利联邦铁路(Austrian Federal Railways,简称ÖBB)系统的铁路网络中滑坡的发生和分布情况,作者采集了从2005年至2015年之间的滑坡事件数据并进行了分析。在此过程中,特别关注由人类活动引发的滑坡和土木工程的不稳定。正如Michoud等(2011)所指出的那样,这些因素“大大增加了风险级别,因为根据定义,它们发生的地方都存在有各种诱发因素并有人类居住”。从中期来看,由于早期可以探测出易发生滑坡的敏感路段,通过从这些数据分析中得出的结论可预防和减少滑坡事件的发生;进一步还能降低边坡稳固和采取修复措施所需的成本。人们认为历史上已经发生的滑坡事件清单是将来进行滑坡敏感性评价(LSA)必不可少的前提。

1.2 奥地利铁路网及其地质地貌背景

阿尔卑斯山脉(the Alps)和喀尔巴阡山(the Carpathians)的山麓丘陵地带分属不同的地质单元,但全都容易发生滑坡灾害。磨拉石地层中的部分碎屑沉积(上始新统至中中新世砂和砂岩)被松散的黄土层覆盖。Helvetic层(下侏罗统至始新统)和复理石层(Penninic带北部,从白垩系至古近系)内包含有松散的泥土、砂和粘土层。两条铁路线为横跨欧洲网络(TEN)枢纽的维也纳(Vienna)-慕尼黑(Munich)和维也纳-布尔诺(Brno),它们穿过东西走向的山麓丘陵地带和平原。维也纳-慕尼黑铁路还穿过贡兹冰期(Günz)、民德冰期和里斯冰期的冰川沉积物和河流-冰川沉积物中。里亚盆地第三纪沉积的岩石和土壤的特征与阿尔卑斯山脉北部磨拉石层的特征类似。格拉茨(Graz)-马里博尔(Maribor)铁路就经过此处。

图1 奥地利地质概览图

2、讨论

2.1 滑坡敏感性评价的潜在应用

铁路行业长期以来已经习惯处理滑坡问题,但是至今为止,他们所采取的措施都是被动而非主动的。Dikau等指出(2001),识别可能会发生的事件,以防止受到破坏,这一点已经变得越来越重要。而目前采用的防止和减轻滑坡灾害的最新技术是滑坡敏感性评价(LSA),它很难识别人为导致的滑坡,尤其是在工程形成的斜坡上发生的滑坡。Martinović等(2016)总结了天然斜坡和工程形成的斜坡之间的五个明显区别,指出适用于大型天然滑坡的滑坡敏感性评价(LSA)定量方法可能对修建交通设施所需的土方工程作业不完全适用。他们引用了大量有关交通运输线滑坡敏感性评价的研究文献,但这些研究都是针对短距离铁路段的缓冲地带中的天然滑坡。假定有一个适当的数据库,就可用该统计方法对具有天然形态斜坡的滑坡敏感性进行区域填图。这些方法还考虑到了人类对天然斜坡的影响(特别是农业地表径流和森林砍伐),这些在有记录的破坏事件中最高可占45%。

2.2 林区道路建设

“森林砍伐作业引起的水土流失,其直接原因大部分与森林公路有关,通常都是由于设计或建设中存在缺陷或维护不够。”Dykstra和Heinrich(1996)有关热带森林的描述对高寒环境也适用。修建森林公路造成的滑坡增加了铁路基础设施发生灾害的潜在风险,然而奥地利对该问题的关注却很少。Sidle和Ziegler(2012)认为,通常与公路有关的滑坡和地表侵蚀可能造成很严重的后果,但是大部分并未被发现。在本研究中,特别是修筑在易遭受风化的岩石和土壤中的森林公路的设计和维护都比较差,对斜坡的稳定性及水文状况均有影响,从而使发生天然滑坡的潜在因素被进一步增强。

2.3 铁路建设

在铁路工程上,铁路路基位置只允许有非常小的误差。因此,铁路建设比公路建设更加重视路基。在路基完全塌陷之前,用轨道检测车就能检测出路基沉降,并及时采取措施。奥地利铁路建设的规范要求必须周密设计排水系统,并修建足够数量的涵道。此外,铁路上的矿石可防止形成比较集中的地面径流,因此排水系统问题很少引起滑坡。

结果就是在奥地利,与铁路有关的滑坡大部分都发生在削土斜坡中(占60%)。据Martinović等(2016)报道,爱尔兰铁路也存在类似的滑坡比例。Szabó等(2010)则指出了公路和铁路在土方作业设计方面的主要区别以及随后形成的地貌特点。铁路的最大可能坡度比较小,要求削土斜坡必须挖得更深一些,从而暴露出更多的地表。这些人工陡坡必须加以保护,防止受到施工造成的破坏。

3、结论

奥地利2005年至2015年间修建的铁路发生的滑坡灾害,大约有71.7%是由于人为活动引起的,其中56.6%与交通基础设施的建设有关。在所有这些滑坡中,大约47.2%(占人为活动引起的滑坡的65.8%)发生在交通线路的路基上,常规的定量滑坡敏感性分析(LSA)仍无法识别。对交通网中的浅层滑坡开展滑坡敏感性分析(LSA),需要掌握正确的有关岩土工程条件的资料。目前这些资料仍然不足,因此,铁路运营商必须马上采取行动,以便防止这些与公路和铁路有关的滑坡。有两种可行的方法(图7),一种是工程地貌学方法,另一种则需依靠法律。

对于核心铁路网而言,只有铁路沿线和周围环境中的大比例尺地貌和水文地质填图资料是有用的,而且其成本很高。详细的现场地貌分析为针对监测对象开展定性的敏感性评价(地图比例尺1:500或1:1000)提供了依据。如果没有详尽的岩土工程数据能用来开展确定的稳定性分析,定性的专家判断是实现该目标的最合适方法。

要处理与森林公路有关的滑坡,就更加复杂,因为这些公路大部分都是第三方修建的设施,而且通常远离铁路线。有一点必须明确指出,奥地利联邦铁路只能帮助解决这些问题。第一步应该与利益相关人开展更好的互动。Nachtigal等(2012)向加拿大全国铁路(Canadian National Railway)提供了一种定性的风险评价工具,可以帮助森林工程师和铁路工作人员进行风险沟通。对此类工具应该加以改进,以方便奥地利相关利益组织(铁路运营方、其它基础设施运营方、森林经营方、森林主管部门、州地质调查局)使用。铁路运营方必须查明铁路线可以在森林公路或相似的线性土石方工程下面多大的范围内通过。该信息可帮助选择比较合理的滑坡敏感性评价(LSA)方法。类似的情形还适用于铺砌道路,尽管此处的问题仅限于由有问题的排水系统所引起的小规模滑坡。

交通路线两旁的地貌作用过程受到局部地质条件、位置和建筑施工的影响。如果铁路运营方在审批过程中处于当事人的位置,后两者都会受其影响。特别是在新开始施工的土方工程中,滑坡基本上都可以避免。在这些土方工程的施工中,要求铁路运营方必须拥有依据铁路法规颁发的建设许可证,即使位于铁路线以上几百米远也应如此。在动工以前,规划人员必须认真考虑图上标出路线和修建地点的地质和地貌特征。《奥地利铁路法案(Austrian Railway Act)(1957)》为该方法的实施奠定了法律基础。

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