泛亚铁路大理至瑞丽沿线地质构造综合研究主要进展和成果

毛晓长, 吴中海, 李贵书, 尹福光

(1. 中国地质调查局， 北京　100037； 2. 中国地质科学院地质力学研究所， 北京　100081；3. 中国地质调查局成都地质调查中心， 四川 成都　 610081)

泛亚铁路大理至瑞丽沿线地质构造综合研究主要进展和成果

毛晓长1, 吴中海2, 李贵书2, 尹福光3

(1. 中国地质调查局， 北京100037； 2. 中国地质科学院地质力学研究所， 北京100081；3. 中国地质调查局成都地质调查中心， 四川 成都 610081)

摘要：为及时破解泛亚铁路西段云南大理至瑞丽沿线的工程地质难题，早日打通中国通往东南亚的重要战略通道，“泛亚铁路大理至瑞丽沿线地质构造综合研究”项目组在部署实施的铁路沿线22幅1 ∶5万区域地质调查基础上，综合编制了铁路沿线的1 ∶2.5万地质图和工程地质图，并从多学科的角度，系统查明和评价了铁路建设区的基础地质与工程地质条件、地质灾害类型与分布、重要断裂带的活动性及其工程影响和高黎贡山越岭段的工程稳定性等，为铁路选线、设计与施工提供了重要的地质支撑，减少了工程设计与施工方面的盲目性，并为未来铁路建设提供了重要的地质保障。此项工作开创了基础地质调查与重大工程建设需求紧密结合的新模式，被誉为地质工作服务于国家重大工程建设的典型范例。

关键词：国家重大工程； 区域地质调查； 工程地质； 地壳稳定性评价； 横断山

投稿日期： 2015-02-23； 改回日期： 2015-03-07。

0引言

被誉为“钢铁丝绸之路”的泛亚铁路是连接中国大陆与东南亚各国的重要铁路通道，该工程的实施对促进中国与缅甸及东盟各国之间的区域合作开发、物资文化交流，以及有效提高区域稳定与安全等都具有极为重要的政治、经济和战略意义，属于国家“十二五”铁路规划中的重大工程项目。云南大理—瑞丽铁路(简称“大瑞铁路”)处于泛亚铁路西线的关键地段，全长约336 km，北起大理，向西南经保山、龙陵、潞西，至著名边境城市瑞丽，穿越滇西的主要经济走廊带，属于泛亚铁路中的“咽喉”工程。因此，它的科学设计、安全建设和稳定运营至关重要[1]。

大瑞铁路工程穿过青藏高原东南缘横断山脉南段，山高谷深，地形切割强烈，地势险峻复杂，通行条件十分不利。大地构造上又属于印度-藏滇板块与扬子板块西南缘交接的碰撞挤压部位，构造极其复杂、新构造活动显著、历史强震多发、不良工程地质问题突出，其隧道工程长度与埋深皆为世界之最[1]。铁路的选线、设计和建设都面临极大挑战，但该区仅完成中比例尺基础地质调查工作，地质资料的精度与研究程度远不能满足铁路部门需求。

2007年，国土资源部与铁道部领导共同研讨国家重大工程基础地质调查事宜，形成了尽快提高基础地质调查精度，共同攻克大瑞铁路工程地质难题的决议。2008年，中国地质调查局设立“云南大理至瑞丽基础地质综合调查”计划项目，由中国地质科学院地质力学研究所、成都地质调查中心共同组织实施，共投入经费4 600万元，开展了铁路沿线22个图幅1 ∶5万区域地质综合调查，以及综合集成与专题研究工作(图1)。本文主要介绍计划项目下设的牵头综合研究项目“泛亚铁路大理至瑞丽沿线地质构造综合研究”项目成果，工作周期2008—2010年。该项目充分发挥“指导、协调、综合、提高”的作用，指导各单位高质量完成铁路沿线22幅1 ∶5万区调，编制了铁路优选线两侧2 km廊带区的1 ∶2.5万地质图和工程地质图，并从多学科的角度，进行了大瑞铁路沿线工程地质环境与稳定性综合评价工作。成果得到铁道部和国土资源部专家的高度评价，认为具有很强的基础性、科学性、针对性和实用性，为铁路工程设计、施工，保障铁路安全建设和未来稳定运营，提供了极为重要的基础地质成果资料和科技支撑，是基础地质工作服务于国家重大工程建设的一个典型范例。该项目成果被评为“2010年中国地质调查十大进展”。基于该成果共发表SCI及中文核心期刊论文19篇，在《地质通报》组织成果专辑2期，并出版专著1部。

图1　云南大理—瑞丽铁路穿越区大地构造位置图(左图)与地质简图(右图)Fig.1　Tectonic map (left) and geological sketch map (right) along the Dali-Ruili railway,Yunnan Province

1主要进展和成果

1.1　基础地质调查研究

通过综合集成大瑞铁路沿线22幅1 ∶5万区域地质调查成果[2]、铁路优选线两侧各2 km廊带区1∶2.5万区域地质专项调查成果、地球物理资料和最新地质构造研究成果，查明了铁路沿线区域不同地层分区的地层序列(图2)、主要沉积地层单元及其岩性特征、主要岩浆岩与火山岩及其岩石特征、地质构造单元及其组成特征，以及主要构造形迹及其特征等，建立了区域地层-岩石-构造格架，厘定基岩岩石地层单位71个，松散沉积体类型19个。查明了岩浆活动的时空分布规律，建立了5大阶段7个期次的活动序列，包括：奥陶纪(主要阶段：492~482 Ma)、三叠纪(主要阶段：225~215 Ma)、白垩纪(主要阶段：118~70 Ma)、古近纪(主要阶段：63~34 Ma)和新近纪(包括：21 Ma左右、16~10 Ma和2.8 Ma以来等3个次级阶段)等。前人在怒江河谷区，仅发现了拔河150 m以下的主要由中更新世以来冲积层组成的5级低阶地，本次工作通过对怒江河谷和保山断陷盆地晚新生代地质演化的深入剖析，首次鉴别出13级河谷阶地(图3)[3]。提出了新构造运动的3个阶段，即14~8 Ma期间地壳强烈活动期，8~4 Ma期间地壳中等活动且趋于稳定，约4 Ma以来新构造运动整体较弱或趋于相对稳定。总结了区域地形地貌特征和夷平面分布及时代、区域地球物理场和壳幔深部结构特征。在上述工作基础上，开创性地编制了国家公益性地质调查历史上首张铁路沿线1 ∶2.5万地质图。该图在精细表达103个岩石地层填图单位和地质体基础上，突出表达了不同性质构造，以及玄武岩层、岩溶层、破灰岩等与工程建设密切相关的特殊地质体，极大提升了基础地质调查精度和水平，充分体现了服务于国家重大工程建设的针对性和实用性。

图2　大瑞铁路沿线区域岩石地层单元划分与对比图Fig.2　Lithostratigraphic unit division and comparison chart of Dali-Ruili railway crossing area

图3　坝湾—登高怒江河谷横剖面图Fig.3　Cross sectional drawing of Bawan-Denggao in Nujiang River Valley1. 网纹化砂砾石； 2. 黏土； 3. 砂； 4. 砾石； 5. 洪坡积碎石层； 6. 基岩

1.2　工程地质环境调查评价

根据铁路优选线廊带区1 ∶2.5万专项地质调查成果，全面分析总结了该区的工程地质条件与主要工程地质问题。综合划分了18个工程地质亚区、5个工程地质区，并总结了各区的工程地质环境特征。将铁路沿线的工程地质岩组划分为24个岩体和7个土体，测试研究了主要岩土体的工程地质特征与力学性质，并对占铁路全线长度65%的隧道工程的围岩进行了分级评价，划分为5级，提出以I级和III级为主，同时总结了不同围岩区段铁路建设面临的主要工程问题。查明铁路沿线主要地质灾害类型及其分布，梳理出崩塌(危岩)、滑坡和泥石流等各类地质灾害共计169处，评价了危害较大的79处地质灾害特征及其工程影响，并进行了地质灾害易发性综合评价及分区，划分出7个高易发区、8个中易发区和6个低易发区(图4)。重点对大瑞铁路永平—潞西段的工程地质环境及主要工程问题进行了分段归纳与总结，逐一分析评价了永平—蒲缥段、马鞍山(或营盘山)隧道群段、高黎贡山越岭段和潞西—三台山段等主要工程地段的工程地质环境特点及工程施工，尤其是隧道施工中可能遇到的主要工程地质问题，指出各工程地段应重点关注的工程地质问题包括：地下岩溶作用、断裂破碎带导致的突水涌泥、隧道顺层问题、岩爆、软岩变形、破灰岩导致的岩体碎裂松动与塌方、高温地热和弃渣环境问题等，其中沙子坡组“破灰岩”和芒棒组(软岩)地层等对工程威胁最大，综合提出了防治建议(图5)。在上述工作基础上，编制了铁路沿线1 ∶2.5万带状工程地质图和说明书，该图更精细表达了主要岩土体的类型、空间分布、结构构造及其工程特性，以及活动断裂、地质灾害和“破灰岩”等特殊岩土体的位置；精细刻画了工程地质断面，指出了不同岩性段的主要工程地质问题，为国家重大工程的选线设计及建设提供了实用性地质资料和重要的基础地质依据。

图5　大瑞铁路高黎贡山越岭段地质与工程地质综合断面图(局部)Fig.5　Section of the basic geological and engineering geological conditions of Yueling in Gaoligong Mountains along Dali-Ruili railway (partial)

1.3　活动断裂与地震危险性调查评价

大瑞铁路从东向西分别穿越的维西—乔后断裂带、澜沧江断裂带、怒江断裂带和龙陵—瑞丽断裂带等都是分隔不同构造单元的超岩石圈或岩石圈断裂带，区域规模大，地质历史上经历过多期活动，这些断裂带的第四纪活动性如何，是否会显著影响铁路工程的稳定性，是铁路选线、设计及施工中面对的首要问题。早期的调查研究比较关注这些断裂的地质构造形迹及特征，第四纪活动性一直未有可靠的证据和定论[1]。本次工作综合运用高精度遥感解译、地表调查和年代学测试分析，并结合12条电磁测深剖面和微地震等资料，从活动构造体系、活动断裂与地震活动等3个方面入手，全面分析了铁路沿线最新地表变形特征与主要活动断裂的分布及运动学特征，取得了众多新认识。在前人提出的由弧形的鲜水河—小江断裂带所围限的川滇断块内部[4-9]，进一步细分出由次一级弧形左旋走滑变形带及其围限的次级断块所构成的、整体凸向东的“中甸—大理—瑞丽弧形活动构造带”，是该区最活跃的活动变形带，与川滇地块东部的鲜水河—小江断裂带及它们所围限的活动地块一起构成了“川滇弧形旋扭活动构造体系”。在铁路沿线区域共153条断裂中，判定并归并出14条第四纪与晚第四纪活动断裂带，重点研究了其中对铁路设计施工以及安全运营可能产生显著影响的10条主要活动断裂带，从东到西包括：点苍山东麓断裂、云龙—永平断裂带、保山断裂带、蒲缥—施甸断裂、太平—罗明坝断裂、镇安断裂带、龙新共轭断裂系、黄连河共轭断裂系、龙川江断裂和畹町断裂带，将主要活动断裂带的活动强度划分为3个层次：活动强烈的块体边界断裂带、活动中等的块体内部断裂带、活动相对较弱的第四纪新生断裂带或老断裂带的局部复活或继承性活动部分，确定了活动断裂的空间分布、几何学与运动学特征，并分别估算了活动速率，综合划分了活动级别[10](表1，图6)。研究还提出维西—乔后断裂、澜沧江断裂、怒江断裂和龙陵—瑞丽断裂等区域性重大断裂带在古近纪—新近纪及之前曾经强烈活动，但大部分地段晚第四纪活动性已不显著，因此，对区域地壳稳定性和工程场地的稳定性影响有限。同时，在历史强震资料分析基础上，综合活动断裂研究成果，对铁路沿线地区重新进行了地震烈度划分。结果表明，该区对铁路未来安全可能产生显著影响的高烈度区(指潜在地震烈度大于等于Ⅷ的区域)从东到西包括：大理—弥渡、永平、保山、蒲缥-施甸、太平—罗明坝、镇安—荆竹坪(高黎贡)和瑞丽—畹町7个分区，其中需要特别防范大地震活动对铁路安全产生影响的区域主要是大理、保山、蒲缥和瑞丽-畹町地段[10]。上述工作为全面地认识滇西南及铁路沿线的现今地壳活动性与地壳稳定性提供了重要地质构造依据。

表1　大瑞铁路沿线区域主要活动断裂带基本特征与活动性一览表Table 1　The basic characteristics and activity of the main active fault zones along the Dali-Ruili railway

图6　大瑞铁路沿线区域新构造与活动断裂图Fig.6　The regional neotectonic and active faults along the Dali-Ruili railway1. 走滑断层;2. 正断层;3. 活动强的晚第四纪断裂;4. 活动中等的晚第四纪断裂;5. 弱活动的晚第四纪断裂;6. 隐伏断裂;7. 新近纪断裂;8. 古近纪断裂;9. 构造单元边界;10. ≥7.0级地震;11. ≥6.0级地震;12. ≥5.0级地震;13. ≥4.5级地震;14. 第四纪盆地;15. 新近纪盆地;16. 震源机制解

1.4　工程稳定性的数值模拟

基于最新的活动断裂研究及1 ∶2.5万工程地质调查成果，结合地应力和岩石力学实验数据，完成大瑞铁路沿线区域二维应力场数值模拟研究、高黎贡山越岭段超长隧道工程场地的三维应力场数值模拟及隧道断面稳定性模拟研究[11]。系统获得了隧道工程区整体三维应力、轴线剖面应力、隧道断面应力等分布状况(图7,图8)。结果发现，高黎贡山地段在区域上属于构造应力的相对集中区，特别是其中的镇安—勐冒段以及NW向断裂带上的构造应力最为集中，稳定性较差。重力是高黎贡山越岭段隧道工程区地应力场的主要控制因素，隧道埋深越大，应力越大。隧道轴线上最大主应力在23~33 MPa之间，最小主应力在2~17 MPa之间，中间主应力在6~22 MPa之间。数值模拟结果约束了岩爆危险性或岩爆强度的上限和下限，并给出了高黎贡山隧道工程沿线强岩爆危险区段及软岩大变形易发地段的预判结果。上述研究成果为高黎贡山越岭段的重新选线及工程设计提供了重要参考及依据。

图7　隧道工程区最小主应力分布云图(左侧为隧道西段，右侧为隧道东段)Fig.7　The minimum principal stress contours of the tunnel project (the left side is the western part of the tunnel, the right side is the eastern part of the tunnel)

图8　隧道工程区最大主应力分布云图(左侧为隧道西段，右侧为隧道东段)Fig.8　The maximum principal stress contours of the tunnel project (the left side is the western part of the tunnel, the right side is the eastern part of the tunnel)

2结论

本项目是在国土资源部和铁道部合作下，基础地质调查主动服务于国家重大工程建设的首创性工作，通过在云南大理至瑞丽铁路沿线组织实施22幅1 ∶5万区域地质调查和铁路优选线两侧各2 km范围内的1 ∶2.5万基础地质与工程地质综合调查，在地形-地貌与地质条件极为复杂的横断山南段，开创性地完成了国家公益性地质调查史上首张铁路沿线的1 ∶2.5万地质图和工程地质图，填补了该区高精度基础地质图件空白，极大地提升了该区的基础地质调查精度和水平。同时，从地质力学、地质构造、地应力场、水文地质、岩溶地质、地质年代学、地质灾害、岩土工程、数值模拟等多学科角度完成了铁路沿线的工程地质条件及其稳定性评价工作，为铁路的选线、设计和施工等提供了实用性强的高精度实测基础地质资料和科学依据。

成果目前已在多方面取得显著的经济和社会效益。铁路设计部门依据项目成果，调整优化了高黎贡山超长深埋隧道工程的设计方案，预计可节约上十亿元资金。同时，相关成果还为该区的地震地质研究、地质灾害防治、地质找矿部署、经济开发和国土规划利用等提供了基础地质支撑和理论指导。该项目创造了基础地质调查与重大工程建设需求紧密结合的新模式，为将来重大工程区地质调查的规划、部署和实施提供了极好的参考和范例。

致谢：在项目执行过程中，中国工程院院士卢耀如、中国地质调查局油气资源中心翟刚毅教授级高级工程师、中国地质科学院董树文与吴珍汉研究员、地质力学研究所龙长兴与侯春堂研究员等都给予了热心指导和帮助，在此表示衷心感谢。

参考文献：

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地质调查优秀成果专辑征集重要启事

为了更深入地宣传和推广地质调查取得的重要成果，进一步推动地质调查成果服务于国家经济建设，服务于政府、企业和公众，我刊将以专辑形式对在能源和矿产资源、基础地质、海洋地质、水工环和灾害地质调查、地质科技及综合研究等领域所取得的新发现、新进展、新成果进行重点报道，并予以推介。

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The Main Progress and Achievements on Comprehensive Research of Geological Structure along the Dali-Ruili Segment of the Pan-Asia Railway

Network in Yunnan, China

MAO Xiao-chang1, WU Zhong-hai2, LI Gui-shu2, YIN Fu-guang3

(1.ChinaGeologicalSurvey,Beijing100037,China; 2.InstituteofGeomechanics,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Beijing100081,China; 3.ChengduCenter,ChinaGeologicalSurvey,Chengdu,Sichuan610081,China)

Abstract:For solving engineering geological problem along the Dali-Ruili segment located in western Yunnan of Pan-Asia railway network, and getting through the important strategic channel between China and southeast Asia as soon as possible, the comprehensive geological structure research team finished the 1∶25 000 geological map and engineering geological map covering the Dali-Ruili railway based on the 22 sheets 1∶50 000 geological maps from regional geological surveying work along the railway. From a multidisciplinary perspective,the team systematically identified and evaluated the basic geological and engineering geological conditions of the railway construction, the type and distribution of geological disaster, the activity of the main fault zones and their effects on railway engineering and the engineering stability of the Gaoligong Mountains section, etc.. The excellent geological work provides an important support and geological safe guard to the route selection, design and construction of the Dali-Ruili railway, and is helpful to reduce the blindness of railway engineering design and construction in the future. This work created a new mode on the combining basic geological survey and major engineering construction in China, and was known as a typical example on the basic geological work in the service of the national major projects construction.

Key words:national major projects; regional geological surveying; engineering geology; the crustal stability assessment;Hengduan Mountains

作者简介：毛晓长(1979—)，男，高级工程师，主要从事区域地质研究及专业管理。Email: xmaoteng@163.com。

基金项目：中国地质调查“泛亚铁路大理至瑞丽沿线地质构造综合研究(编号：1212010981015)”和“西南地区基础地质综合研究(编号：1212010610213)”项目资助。

中图分类号：P54; P694

文献标志码：A

文章编号：2095-8706(2015)04-0013-11