肯尼亚内马铁路东非大裂谷段工程地质选线

俞晓东

(中国路桥工程有限责任公司，北京 100011)

1 概述

肯尼亚位于非洲东部，赤道横贯其中部，东非大裂谷东支纵切肯尼亚高原，将高原分成东、西两部分。大裂谷谷底高程低于两侧高原450～1 000 m，裂谷宽50～100 km，谷底分布着众多大小不等的湖泊，并屹立着许多火山。

东非大裂谷作为世界上最大的断陷带，各国科学家对其进行了很多研究。地质学家普遍认为，这里处于非洲板块和印度洋板块的交界处，由于板块拉伸，使其与阿拉伯古陆块分离(大陆漂移运动)而形成裂谷。东非大裂谷下陷开始于渐新世，主要断裂运动发生在中新世，大幅度错动从上新世一直延续到第四纪。北段形成红海，使阿拉伯半岛与非洲大陆分离；马达加斯加岛在几条活动裂谷的扩张作用下也与非洲大陆分裂[3]。

肯尼亚内罗毕至马拉巴铁路一期工程起点为肯尼亚首都内罗毕，终点为纳罗克附近。线路横穿东非大裂谷东支肯尼亚段，先后穿越东部熔岩高原区、裂谷区和西部熔岩高原区。其中，裂谷区两翼地势起伏较大，多悬崖峭壁，地势险峻；谷底区较为平坦，多火山，冲沟下切严重；裂谷西翼山区局部地段存在高地温。区域地质构造、地震活动、火山活动、地热等因素控制线路方案的选择。

2 地质背景

线路所在区域位于非洲板块内部(见图1)。非洲板块是现代全球六大板块之一，由陆壳和洋壳两部分组成。非洲大陆陆壳厚度巨大并保持长期相对稳定，具有古老大陆克拉通的特征。非洲大陆由卡拉哈里、刚果、撒哈拉、西非5个克拉通组成，板块东部在新生代发生裂谷作用，形成东非大裂谷(见图2)。

3 区域工程地质评价

3.1 东非大裂谷及其东支

东非大裂谷从亚丁湾向南延伸至莫桑比克湾，长6 000 km，为大陆裂谷，由一系列狭长而深陷的峡谷、湖泊和盆地组成，边缘为相互平行的阶梯状断层群，可分为东支埃塞俄比亚-肯尼亚裂谷和西支坦噶尼喀裂谷(见图2)。

图1 区域大地构造

图2 东非大裂谷

东非大裂谷东支位于非洲北部熔岩台地构成的高原之上，南起维多利亚湖东侧，向北经坦桑尼亚、肯尼亚中部，穿过埃塞俄比亚高原进入红海，全长近3 000 km。东支裂谷带宽度小于200 km，谷底大多比较平坦，两侧是高耸的熔岩台地、巨大火山锥以及陡峭的断崖，谷底与断崖顶部的高差从几百米到一千米不等[13]。

3.2 东非大裂谷形成机理及特征

东非大裂谷为主动式大陆裂谷，发育在陆壳上。

地下热点岩浆上涌，上涌至岩石圈被阻而向四周水平流动，粘稠的岩浆摩擦拖曳上部岩石发生分裂。

两个或两个以上的热点比较靠近时，岩石圈可沿热点连线拉裂，成为大陆裂谷，持续发展后形成大洋。

主动式大陆裂谷的主要特征是岩浆活动强烈，火山发育，地震频发，能量较小[12]。

3.3 地震活动

东非大裂谷东支从1902年至2016年的114年间，共发生1.0级及以上地震649 次，其中4.7级以上破坏性地震 34次， 4.7级以下小震615次。破坏性地震中，4.7 ～4.9 级地震18次，5.0～5.9 级地震 14 次，6.0～6.9级 1 次，7.0级及以上地震1次，震中分布见图3、图4。

图3 M≥4.7历史地震震中分布

图4 1.0≤M≤4.6 小震震中分布

综合分析，东非大裂谷东支区域地震活动性为南强北弱，且在南部区域呈现南北向条带状，丛集特征明显，具有团簇特征；区域内其它地区现代小震分布较为分散，地震活动水平相对较低[3]。

3.4 活动断裂分布及特征

裂谷的边界断裂为裂谷主断裂，位于裂谷两侧，东边界断裂为一条西倾的正断层，西边界断裂为两条东倾的正断层。

次级断裂包括南北向的网格状断裂和平行于裂谷主断裂的次级断裂。次级断裂规模相对裂谷主边界断裂延伸短、规模小，但其数量众多。

主边界断裂和次级断裂均为全新活动断裂，两翼断裂和谷底区南侧地质构造较为发育，谷底区北侧断裂构造发育一般[3,13](如图5)。

图5 东非裂谷系构造

3.5 活动火山分布及其特征

东非大裂谷东支裂谷内部火山发育，火山活动活跃，表层为火山熔岩或火山沉积层覆盖，构造露头不发育，水系尚未形成，时有地裂缝形成。研究区分布隆戈诺特火山、苏斯瓦火山及众多小火山。

4 工程地质分区及区域稳定性评价

4.1 工程地质分区

内马铁路一期工程横穿东非大裂谷东支肯尼亚段，依据构造活跃程度可划分为三个构造单元：东边界断裂带、裂谷中央带和西边界断裂带。

东边界断裂带断层数量较多，多数为平行分布且倾向西的正断层。受构造活动影响，岩体较为破碎，且地势陡峭，多危岩、落石，地壳稳定性较差，属于欠稳定区。

西边界断裂带断层数量相对较少，多数为平行分布且倾向东的正断层，岩体相对破碎，地壳稳定性较差，属于次稳定区。

谷底区地势平坦，地质构造不发育，地壳稳定性较好，为稳定区(见图6)。

图6 工程区域构造分区

4.2 区域稳定性评价

安全岛是指构造活动区内或活动性构造带之间存在的相对稳定地块，可将其作为工程建设场地。

对东非大裂谷东支肯尼亚段工程地质特征进行系统分析，发现裂谷谷底区北侧地势平坦，地震活动少，断裂构造不发育，且火山活动性微弱，工程地质条件相对较好，适合铁路工程建设[4-8]。

5 工程地质选线

5.1 活动断裂带

(1)选线原则

线路应绕避活动断裂带，难以绕避时，应避开断层带的端点、拐点、交叉点等部位，选择断层宽度较窄处或活动相对较弱的部位，尽量以低填浅挖路基、矮桥或隧道等易于修复的工程大角度通过[11,16,17]。

(2)工程地质选线

受地形条件限制，东翼裂谷区线路难以完全绕避，经过方案研究后，取消了断裂带上的高桥、大桥，改为以隧道和路基的形式通过断裂带，降低了工程风险。

5.2 地震

(1)选线原则

线路应绕避6.0级及以上强震潜在震源区和次生灾害发育区，难以绕避时，应选择于潜在震源区内(活动)断裂发育稀疏、强震活动相对较弱、次生灾害不发育的部位，并尽量以低填浅挖路基、矮桥或隧道等易于修复的工程大角度通过。

(2)工程地质选线

裂谷谷底区南侧地震活动水平较高，北侧地震活动水平相对较低，经方案比选后，可研阶段确定选用谷底区北侧方案，避开南侧地震活动水平较高区域，从而降低了工程风险，节省了工程投资[4-7]。

5.3 火山活动

(1)选线原则

线路应绕避火山活动活跃的区域，难以绕避时，应选择火山活动相对微弱及岩熔盖层发育区域，采用路基形式以最短距离通过。

(2)工程地质选线

通过多次方案比选后，线路选择在隆戈诺特火山和苏斯瓦火山之间的岩熔盖层区通过，采用路基、简支梁等柔性结构，规避岩熔冷凝裂缝及地裂缝影响，并提出以路代桥的选线理念。

5.4 地下热点(高地温)

(1)选线原则

线路应绕避可能出现严重热害的高地温地区，选择在常温带或相对低温带通过，难以绕避时，尽量以桥和路基形式通过高地温地区。隧道经过高地温区时，应尽可能减少隧道埋深[9-10]。

(2)工程地质选线

可研阶段外业勘察时，发现“地狱之门”南侧地段为高地温地区，后经方案比选，通过调整平面位置和降低纵断面高程，推荐采用南侧方案，成功地绕避了高地温地区。

6 结论与建议

(1)通过对该活动断裂带的特征分析，内马铁路的选线设计绕避了断裂活跃段落，采用隧道和路基通过断裂带，确保了线路安全与稳定，降低了工程风险。

(2)通过地震时空分析，线路选择在地震活动水平微弱的部位通过，降低了工程难度，节省了工程投资。

(3)东非大裂谷谷底区火山密布、热点发育，岩熔冷凝裂缝发育，地裂缝时有发生。通过对大陆裂谷火山特征的研究，提出以路代桥的选线理念，线路选择在隆戈诺特火山和苏斯瓦火山之间的岩熔盖层上，以路基形式通过，绕避了“地狱之门”高地温区。该方案充分利用了火山喷出硬岩形成的良好基础，并采用路基、简支梁等柔性结构，降低了地裂缝影响。