中尼跨境铁路工程地质环境特征及主要工程地质问题研究

2019-07-10姚志勇孟祥连苗晓岐

铁道标准设计 2019年7期

关键词：中尼工程地质跨境

姚志勇，孟祥连，李响，苗晓岐，赵文

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043； 2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院)，西安 710043)

ment characteristics; Engineering geological problems

1 概述

2013年习近平总书记提出共建“一带一路”发展倡议，得到了越来越多国家热烈响应，共建“一带一路”正成为我国参与全球开放合作、改善全球经济治理体系、促进全球共同发展繁荣、推动构建人类命运共同体的中国方案。

中尼跨境铁路连接中国西藏及尼泊尔加德满都是“一带一路”倡议的重要环节，实现我国与周边邻国互连互通的关键点；是打通喜马拉雅山脉地理阻隔、擘画中尼两国蓝图和人民福祉的选择，是落实中尼两国合作协定、带动跨区域经济社会发展的需要；是构建面向南亚的便捷铁路通道，打通断头路、补强亚洲路网短板，完善国际化、现代化铁路运输网络的需要；是发展绿色交通、强化节能环保，建设国际化绿色交通体系的需要；是优化尼泊尔交通运输结构，助力旅游业及相关产业发展，带动贫困地区脱贫致富的需要；是推动富民兴藏，培育西藏发展新动能，促进精准扶贫，助推区域经济社会发展的需要[1]。

拟建中尼铁路由2段组成(图1)，第一段为日喀则至佩枯错段，是国内中长期铁路网规划项目，也是新藏线的共线段。由拉日铁路日喀则车站引出，沿国道G318，经拉孜后折向南至萨迦，于却萨山越岭后向西经定结、定日、聂拉木至佩枯错，长429.0 km；第二段为中尼跨境铁路，由佩枯错车站引出穿喜马拉雅山支脉马拉山至吉隆县，后沿吉隆沟布线至吉隆镇，设铁路口岸站，出站后于特耳苏里河东岸取直至尼泊尔首都加德满都[2]，长170.4 km。

图1 拟建中尼铁路路径示意

中尼跨境铁路是首条穿越喜马拉雅山脉的铁路，位于印度板块与欧亚板块直接碰撞、拼合的作用带内[3]，其地形、地质条件和自然环境极其复杂，是世界铁路建设史上难度及风险极大的铁路工程。研究沿线的工程地质环境特征及影响铁路建设的主要工程地质问题是本项目的重难点。

2 工程地质环境特征

中尼跨境铁路工程地质环境特征呈典型的“六极四高”特征[4]，即地形切割极为强烈，气候条件极为恶劣多变，水文条件极为特殊多样，岩性条件极为混杂多变，构造条件极为复杂活跃，地震效应极为显著，高地壳应力、高地震烈度、高地温和高地质灾害风险。

2.1 地形切割极为强烈

中尼跨境铁路方案经行地貌单元可细划分为马拉高山区、吉隆藏布高山峡谷区、吉隆盆地区、吉隆藏布高中山峡谷区及加德满都盆地区(图2)，地形切割极为强烈。

线路需翻越喜马拉雅山余脉马拉山及沿吉隆藏布高山峡谷区布线。喜马拉雅山脉南北麓高差巨大，南麓地形陡降。吉隆沟蜿蜒曲折、沟谷狭窄，自然纵坡大，吉隆县至吉隆镇段自然纵坡约30‰，前缓后陡，个别地段达到50‰及以上，地形最困难地段为吉隆镇至吉隆口岸段，直线距离18 km，高差1 100 m，平均自然纵坡达61‰。

图2 中尼跨境铁路地貌渲染图

2.2 气候条件极为恶劣多变

由于喜马拉雅山脉对大气环流起到天然屏障作用，以喜马拉雅山脉为界，气候南北差异极大[5]，气候条件极为恶劣多变。

佩枯错至吉隆县属高原亚寒带-寒带半干旱季风气候区，空气稀薄，干燥寒冷，年平均气温在-4～3 ℃，最热月平均温度10 ℃左右，昼夜温差大，冬长夏短，年无霜期105 d左右，年平均日照时数为3 000 h以上，旱季和雨季分明，雨季基本集中在7～9月，年平均降雨量200 mm左右，年相对湿度40%左右，土壤最大冻结深度200 cm。

吉隆县以南段自北向南地势迭次降低，气候垂直分带明显，从寒温带、温带至亚热带、热带气候的垂直变化，呈现“一山有四季，十里不同天”的奇特景观。海拔2 500 m以上的地方属高原寒温带半湿润气候；海拔1 700～2 500 m的地方属于亚热带山地季风湿润气候，最暖月平均气温20 ℃左右，年降水量1 000 mm左右，降水充足，气候湿润，四季如春；海拔1 700 m以下的地区属于热带山地季风湿润气候，最暖月平均气温在22 ℃以上，最冷月平均气温在10 ℃左右，年平均降水量可达2 500 mm，终年温暖，雨量充沛。

2.3 水文条件极为特殊多样

中尼跨境铁路地表水有河流、湖泊、冰川与冰湖，地下水主要为第四系孔隙潜水、基岩裂隙水、岩溶水、地热水等，水文条件极为特殊多样。

沿线跨越朋曲河及吉隆藏布流域，吉隆藏布发源于西藏自治区日喀则市吉隆县宗嘎镇西部，干流先向东流，汇集诸多支流后于宗嘎镇转向南流，流经吉隆镇后，于热索附近流入尼泊尔境内，始称特耳苏里河。

据吉隆县的气象资料显示，吉隆藏布上游地区的固态降水占年降水量的40%，加之高海拔地区，因此，雪峰林立，冰川发育，冰湖成群[6](图3)。喜马拉雅山脉阻挡了从印度洋南来的气流，在南坡降水量多，雪线位置低，北坡降水量少，雪线位置高。喜马拉雅南坡雪线高度为4 400～4 600 m，北坡为5 800～5 900 m。

图3 中尼跨境铁路沿线冰川、冰湖卫星影像

2.4 岩性条件极为混杂多变

全线第四系地层分布于河流谷地，地层层序完整，下更新统至全新统齐全，具备冲积、洪积、坡积、风积、冰碛层和冰水沉积层等多种成因类型，沿线基岩露头较好，元古界-新生界地层发育齐全，沉积岩、变质岩、侵入岩均有出露，岩性条件极为混杂多变。

中尼跨境铁路经过喜马拉雅各分区(见图4)。各分区岩层如下[7]。

(1)北喜马拉雅分区(Ⅰ4)北部主要为第三系、侏罗系上统页岩、砂岩；中部主要为三叠系中统灰岩、白云岩，夹页岩；南部侏罗系下统和石炭系下统页岩、泥盆系中、下统砂岩；奥陶系灰岩、白云岩；震旦-寒武系片岩、板岩等呈狭窄条带状分布，局部有喜马拉雅期花岗岩侵入。

(2)高喜马拉雅分区(Ⅰ3)主要为前震旦系片岩、片麻岩、变粒岩、混合岩等变质岩，其北部广泛有喜马拉雅期花岗岩侵入，南部局部有晋宁期花岗岩侵入。

图4 地层区划示意

2.5 构造条件极为复杂活跃

中尼跨境铁路位于喜马拉雅活动构造带，是印度板块北移与欧亚板块碰撞、拼合后形成的新生代造山带，其现代活动边界转移到喜马拉雅山南麓，构造条件极为复杂活跃。

藏南拆离系(STD)、主中央逆冲断带(MCT)、主边界逆冲断带(MBT)、主前缘逆冲断带(MFT)组成一条宽100～200 km复杂的前展式活动逆冲断构造带，其中最活动的构造为造山带边缘的主边界逆冲断带(MBT)和主前缘逆冲断带(MFT)[8]，如图5所示。

图5 中尼跨境铁路构造运动示意[8]

喜马拉雅造山带划分为4个不同的构造单元[8]：特提斯喜马拉雅、高喜马拉雅、低喜马拉雅及准喜马拉雅，见图6。

图6 穿过喜马拉雅造山带中部的构造坡面示意[8]

2.6 地震效应极为显著

2015年4月25日发生的尼泊尔地震，震级8.1级，震中位于尼泊尔博克拉，西藏日喀则地区聂拉木、吉隆均震感强烈，震后直接导致樟木口岸至今处于关闭状态，地震效应极为显著。

地震直接破坏尼泊尔境内阿尼哥公路36处，破坏总长度为1 415 m，破坏形式主要表现为：边坡坍塌、山体表层滑落、泥石流、下挡墙松动导致路基下沉等次生灾害。随着雨季的逐渐到来，地震引起的次生灾害将进一步显现，由于阿尼哥公路沿线山高坡陡，对于坡面未落的浅层松散体，在雨季极有发生滑塌的危害，对于地震期间已滑塌的松散体，将随雨季逐步冲向公路，对公路形成再次灾害。地震后保通修复估算造价为168 989万元人民币[9]。

2.7 高地壳应力

线路地处印度板块与亚欧板块碰撞、挤压区，两个水平主应力均大于垂直主应力，属强烈挤压区[10]。隧道最大埋深超过3 000 m，为高地壳应力地区。

由于中尼铁路通道内尚未有相应的地壳应力资料，根据“中国大陆地壳应力环境基础数据库”中实测地应力数据为基础，采用海姆假说与金尼克假说两种模式估算[11]，中尼跨境铁路整体位于青藏地块，最大水平应力σ(单位：MPa)随深度D(单位：km)变化规律，根据σ=27.248D+2.823进行估算：当隧道埋深达到1 000～3 000 m时，σ=30.1～84.6 MPa。

2.8 高地震烈度

线路穿越喜马拉雅地震带，区内新构造运动强烈，地震活动频繁、强度大。地震基本烈度以Ⅶ～Ⅷ为主，其中边界至加德满都段，地震基本烈度 Ⅷ[12](图7)，属高地震烈度区。

图7 中尼铁路沿线地震基本烈度分布

2.9 高地温

西藏的地热分布广泛。在面状分布背景上，又大致集中在6个区域带中。雅鲁藏布江南北地热活动带、雅鲁藏布江谷地地热活动带、念青唐古拉山东南麓地热活动带、雅鲁藏布江大拐弯地热活动带、狮泉河地热活动带，藏北地热活动带[13]。拟建中尼铁路走形于雅鲁藏布江地热活动带和雅鲁藏布江谷地地热活动带，属高地温地区。

2.10 高地质灾害风险

青藏高原强烈隆升，河流深切，下切速度远远低于山体隆起速度，导致边坡类问题突出，存在高地质灾害风险。沿线主要不良地质为滑坡、错落、危岩、落石和崩塌、岩堆、泥石流、风沙、岩溶、地震、放射性、高地温、风吹雪等。

3 主要工程地质问题及其特征

通过分析中尼铁路复杂的工程地质环境特征，提出影响铁路建设的七大地质问题，即极高地应力下的软岩大变形、硬岩岩爆问题，深大活动断裂的工程地质效应问题，高烈度地震问题，高地温热害问题，边坡稳定性问题，泥石流水毁问题和其他工程地质问题。

3.1 高地应力下硬岩岩爆及软岩大变形问题及其分布特征

对铁路工程来说，受高地应力影响最大的是深埋长隧道工程。高地应力意味着深埋隧道开挖过程中，改变原有应力平衡状态，不同性质的岩体在高地应力下将产生不同的地质响应，在硬质岩分布区，高地应力地区地下洞室中围岩脆性破坏时，应变能突然释放造成动力失稳现象，将不可避免地出现岩爆灾害。而在泥质岩、断裂破碎带等软弱岩体分布区，高地应力的作用使地下洞室围岩发生柔性破坏来释放应变能，出现侧鼓、底鼓等围岩大变形和隧道塌方工程地质问题，给隧道工程建设带来安全隐患[14]。

中尼跨境铁路以深埋长隧道穿越喜马拉雅山脉，最大埋深超过3000 m，水平构造应力30.1～84.6 MPa，且与最大主应力方向局部地段为大角度相交，隧道承受强烈挤压作用，为岩爆和大变形的孕育、发展创造了有利的条件。

在峡谷区，地应力有明显的重分布现象，从谷坡至山体内部，可分为应力释放带、应力集中带、应力稳定带。中尼跨境铁路多依山傍河，依次走行于马拉高山区、吉隆藏布高山峡谷区、吉隆藏布高中山峡谷区，局部段落不可避免地与主应力方向大角度相交，最大主应力、斜坡应力集中带、傍山偏压、深埋等对隧道工程的设置及围岩的稳定不利。

3.2 活动性断裂的工程地质效应及其特征(表1)

中尼铁路沿线断裂构造发育，断层破碎带普遍较宽，特别是近东西向、北西向和南北向，这些断层破碎带多由断层泥砾、断层角砾、碎裂岩和挤压破碎带等组成。由于断层时间短，有些断层现今仍在活动，经过区域周边地带沿断裂构造带多次出现中、强地震，未来也有发生中强地震的可能性，工程地质条件极差。

活动性断裂对铁路的影响主要表现为：产生地面位移和变形、活动断裂诱发强烈地震、活动断裂诱发次生地质灾害、活动断裂产生地温热害等一些工程地质问题。

为了适应地震区重大工程建设的需要，根据GB50021—2001《岩土工程勘察规范》(2009年版)5.8.2条，可将活动断裂进行地震工程分类，沿线3条断裂为发震断裂，2条为非全新活动断裂[15]。

表1 沿线活动断裂活动特征[15]

3.3 高烈度地震对铁路工程设置及运营维护影响问题

国内高烈度地震区的公路、铁路工程，在地震的破坏作用下，不同工程形式震害的空间分布特征差异明显。路基工程震害空间分布主要与路基形式、地震烈度、边坡岩石分布等有关；桥梁工程震害空间分布主要与桥梁结构形式、地形地质、水文条件、桥梁线形、跨径等有关；隧道工程震害空间分布主要与震中距离、洞身围岩质量、断裂带位置、洞身结构、隧道埋深等关系很大。

路基、桥梁、隧道等工程破坏模式差异较大，运营中应针对不同破坏模式，加强日常维护保养工作，防患于未然。

路基工程：陡坡地段，破碎山体或存在不利构造面的岩层，在地震作用下出现崩塌；松散土体在地震作用下产生坍塌或滑坡；地震烈度Ⅷ度及以上地区，填方路基普遍出现下沉；局部挡土墙破坏。

桥梁工程：桥梁纵向、横向移位，局部开裂；桥梁支座上、下摆锚固螺栓被剪断或拔出，支座结构破坏，活动支座位移量超限，摇轴支座轴被破坏等；桥墩弯曲受压引起混凝土开裂与剥落，或沿水平施工缝剪切破坏；陡坡地段桥台随地基滑移。

隧道工程：隧道洞口边仰坡塌滑或崩塌；断层附近的隧道局部开裂扭曲[16]。

3.4 高地温热害问题及其分布特征

对于铁路工程，热害现象特别对隧道施工及结构设计有很大影响。高地温对隧道工程的不利影响主要表现在：恶化施工作业环境，降低劳动生产效率，威胁作业人员健康和安全；需研究适应高地温条件的混凝土配合比及防排水材料；高地温产生的附加温度应力会引起隧道初期支护及二次衬砌开裂，影响结构安全和耐久性等[17]。

拟建中尼铁路地热极其发育，其分布具有如下特征：地热分布呈条带状，带内天然热流异常区特别集中，水热活动形式多种多样；地热的分布与活动构造带的关系十分密切，地热显示点主要出露于不同方向活动断裂交汇地区、地堑式或半地堑式断陷盆地或切穿断块山地的线状断陷谷地；地热以中高温-超高温带为主[18]。

3.5 边坡稳定性问题及其分布特征

中尼跨境铁路位于印度板块与欧亚板块的碰撞接触地带，青藏高原强烈隆升，新构造运动剧烈，地势高差显著、切割速度快，新形成的覆盖层尚未完全稳定，新一轮的切割升降运动已经开始，导致河谷两岸的山体边坡稳定性极差。边坡失稳的形式多样，如危岩、落石、崩塌、岩堆、雪崩、错落、滑坡等，发生机制方面有因果关系的灾种之间具有连动性，连动性的结果就是形成灾害链，各灾种之间相互转化，具有密度大、规模大、范围广，且成群分布的特点，工程无法根治。隧道进出口、浅埋段、桥梁岸坡及路基边坡稳定性问题突出。

经遥感解译和现场核对，中尼跨境铁路共发育边坡类问题约38处[2]，其从高程上总结分布特征如下。

中尼跨境铁路海拔高程基本在1 300～4 800 m，最高海拔处接近7 000 m，跨度极大。高程在2 000～3 000 m的20处，占灾害总数的53%；高程在3 000～4 000 m的6处，占灾害总数的16%；高程在4 000～4 500 m的12处，占灾害总数的31%。

海拔2 000～3 000 m高程附近地质灾害是最为发育的地段，而这高程也是河流水动力作用条件最强，农业种植，牧业活动，交通建设等自然和人类工程经济活动最为频繁的地区，主要是地质灾害的相对集中发育地段。

海拔在4 500 m以上的地区多为高山，极高山地貌，主要受寒冻风化等作用的影响，风化土层薄，河流水动力活动强度小，加之该地段内人口密度较小，人类工程经济活动极少。所以，边坡类问题极少。

3.6 冰川性、冰湖溃决型、雨洪型泥石流水毁问题及其特征

冰湖溃决洪水或泥石流是高山冰川作用区常见的自然灾害之一，主要分布在欧洲的阿尔卑斯山、南美洲的安第斯山、中亚的天山以及青藏高原和周边高山地区[19]。中尼跨境铁路沿线河流的支沟纵坡大，受构造、风化等作用，岩体破碎，松散固体物质丰富，泥石流发育，其数量众多、规模宏大、爆发频繁、破坏力强。尤其是在构造发育的吉隆藏布峡谷主沟极其支流的两侧。

按照泥石流形成时的水动力条件，沿线泥石流可分为雨洪型泥石流、冰川型泥石流和冰川-雨洪混合型泥石流3种基本类型[7]。

泥石流对拟建铁路工程的影响主要表现在：洪水或泥石流冲击桥墩、洪水或泥石流淤埋铁路及相关设施、泥石流下切导致路基失稳、大型冰湖溃决泥石流堵江形成堰塞湖淹没线路等危害。

3.7 其他地质问题及其分布特征

中尼跨境铁路特殊的地理、地质背景将不可避免地遇见以上工程地质问题，此外，沿线还发育有风吹雪、风沙、放射性、岩溶、冻土、涎流冰等地质问题，对工程的修建和运营也有较大影响。

(1)风吹雪：积雪厚度远比自然积雪厚，特别在风口地段，可在线路上形成很厚的雪堆，埋没线路，直接影响线路行车。主要分布于朋曲河谷区及波曲河谷区。

(2)风沙：喜马拉雅北坡降雨量较少，蒸发量大，气候干燥，植被稀疏，沿线在朋曲河宽谷区滩地、高原湖盆地边缘沙漠化较为严重，断续分布有风积沙。风沙类型主要以固定沙地、半固定沙地、半固定沙丘为主，局部分布有活动沙丘、新月型沙丘、沙垄及流动沙地。沙丘、沙垄高度一般1～2 m，局部可达到5 m以上，覆盖于山坡上的风沙相对高差可达60～200 m。主导风向为SW，风沙来源主要为就地起沙。对铁路工程的危害主要为风蚀和沙埋。

(3)放射性：沿线分布有花岗岩、闪长岩等，隧道穿行其中，放射性对隧道施工影响大，对运营有一定影响。根据放射性危害程度采取适宜的工程防护措施，确保施工和运营期间人身健康安全。

(4)岩溶：主要分布于吉隆县附近侏罗系、三叠系的灰岩、白云岩中，多以条带状和团块状分布，其延伸方向和当地构造线的发育方向基本一致，多呈东西向展布。岩溶类型主要以岩溶沟谷、溶槽、溶洞为主。

(5)冻土：多年冻土主要分布于5 100 m以上，季节性冻土发育在丘状高原、原间盆地和河谷与高原过渡的海拔较高、地下水发育地段。

(6)涎流冰：是高寒地区的一种独特的工程地质现象，在西藏地区冬春季节集中出现，而且分布较广。涎流冰在路面上形成几十米以至数百米的冰面，形成交通安全的黑点，而且经过多次冻融又对路面和构筑物形成冻融性破坏，可能引发冻胀、翻浆和路基边坡失稳造成滑坡等一系列工程地质问题。

4 主要工程地质问题关键技术对策研究

中尼跨境铁路工程地质条件极为复杂，勘察条件异常困难，工作中应立足于“科学研究作先导，先进勘察技术为手段，常规调查与勘探是基础”的勘察设计理念，充分借鉴青藏铁路、拉日铁路、兰渝铁路等类似地质环境的科研成果和勘察设计、施工经验，并结合我院在中尼铁路积累的研究，针对不同的地形、地貌及构造特征划分地质单元，采取相应的综合勘察技术，分析主要工程地质问题分布特征、对铁路工程影响、综合选线技术、工程措施等研究，降低工程地质风险。

对特殊的工程地质问题，应针对性地开展中尼跨境铁路主要工程地质问题关键技术对策研究，通过科研、专题形式的研究，提高我国山区铁路勘察、设计的理论和技术水平。建议开展的主要工程地质问题关键技术研究项目及内容见表2。