穿越东非大裂谷工程地质与线路比选分析*——以内罗毕—马拉巴铁路为例

宋成辉 李 伟 蒋富强 任文峰 李守定

(①中交铁道设计研究总院有限公司， 北京 100088， 中国)(②中国路桥工程有限责任公司， 北京 100011， 中国)(③中国科学院地质与地球物理研究所， 北京 100029， 中国)

0 引 言

内罗毕—马拉巴铁路(简称“内马铁路”)位于肯尼亚共和国西北部，为内马铁路为区域性路网主干线(蒙巴萨—内罗毕—马拉巴—坎帕拉—朱巴)铁路的一部分，该主干线服务于肯尼亚及周边内陆国家，承担沿线地区及东非区域内的客、货运运输业务，所以它也是东非“北方走廊”的重要组成部分。内马铁路以内罗毕—纳库鲁—埃尔多雷特—马拉巴这一交通带为发展主轴，形成了人口、城镇、客货流集聚区域带，是乌干达、卢旺达、布隆迪和刚果金等东部等内陆国家和地区最重要的出海通道。内马铁路工程需要穿越东非大裂谷，由于复杂的地质情况，同时又要求铁路必须通过经济发展区域，拉动该区经济发展，因此必须对工程线路结合复杂地质进行研究，然后比选线路方案找出最优线路通道方案。目前国内众多学者对选线进行了研究， 何振宁(1987)对活动断裂选线进行了研究， 李光辉(2004)对武广铁路大瑶山区地质选线进行研究， 李金城(2009)对青藏铁路工程地质选线进行了研究， 周志立(2018)对工程地质与选线进行了研究，俞晓东(2018)对内马铁路选线进行了研究，本文将更加详细地对其补充。铁路选线控制的3大因素：分别为：经济发展圈控制要素、工程地质控制要素和投资控制要素。选线的原则，首先以连接经济发展圈控制点为主线，制定线路方案和线路的通道大致走向； 然后通过地质资料收集、地质踏勘、地质勘查、地震风险评价等，对线路的地质条件和投资进行综合分析和比选线路，寻找一条最优的地质走廊； 然后再对推荐的线路方案进行工程地质详勘，制定线路在不同地质条件下的通过方案。目前内马铁路穿越东非大裂谷是世界上长大线状工程设计的首次，其经验为穿越复杂地质情况的铁路工程研究提供依据，尤其中国即将开展的川藏铁路勘察设计和施工提供借鉴。

1 区域地形、地貌及构造

1.1 区域地形、地貌

工程场地位于非洲板块内，东非大裂谷在地形上有两个穹窿(图1)，分别为北边海拔2500～3000im的埃塞俄比亚穹窿和南面海拔1000im的肯尼亚穹窿(Chorowicz， 2005)。本工程场地基本位于南面的肯尼亚穹窿上。

图1 东非大裂谷Google Earth地形图Fig. 1 Google Earth map of the rift valley topography

图2 东非裂谷系板块图(Chorowicz， 2005)Fig. 2 East African rift valley plate map(Chorowicz， 2005)

1.2 东非大裂谷

Gregory(1986)， Ebinger(1989)，Chorowicz(2005)， Kampunzu et al.(1991)， Morley(1989)， Ring(2014)等学者对东非大裂谷进行了深入研究。东非大裂谷从亚丁湾向南延伸至莫桑比克湾，长度超过6000ikm(图2)。东非大裂谷为典型的大陆裂谷特征，边缘由一系列相互平行的阶梯状断层群组成，中间为狭长深陷的峡谷、湖泊和盆地。东非大裂谷可能是一种初始的板块边缘，红海、东非大裂谷与亚丁湾把非洲板块(或称努比亚板块)、索马里小板块和阿拉伯板块分隔开，它们在几何结构上组成一个构造三联点体系(图3)。东非大裂谷的形成动力学模式大致有小尺度对流、边缘对流和地幔柱几种假说(图4)。东非大裂谷处于大陆裂谷发育阶段，红海—亚丁湾每年张开速率大于2icm，埃塞俄比亚裂谷每年张开速率大于1imm，肯尼亚裂谷及南部每年张开速率小于 1imm(Chorowicz， 2005)。

图3 东非大裂谷三联点结构(Chorowicz， 2005)Fig. 3 The rift valley triad structure(Chorowicz， 2005)

图4 裂谷形成模式示意图Fig. 4 Schematic diagram of rift formation pattern

1.3 区域主断裂

裂谷断裂北段主要为北北东向，中段为北北西向，南段为北北东向，总体呈S形展布(图2)。裂谷断裂大致可以分为裂谷主断裂和次级断裂。裂谷主断裂是裂谷的边界断裂，分别位于裂谷两侧，控制着较早期裂谷火山岩的喷发，错断了全新世的火山岩，裂谷的平均拉张速率为0.5 mm·a-1(Baker et al.， 1971)。西边界断裂为两条东倾的正断层(图5)； 东边界断裂形成时代较晚，为一条西倾的正断层(图6)。

图5 东非大裂谷地质构造图(Zielke et al.， 2009)Fig. 5 Tectonic map of the great rift valley(Zielke et al.， 2009)

图6 Kedong裂谷横切剖面图Fig. 6 Rift cross-section map in Kedong

2 线路方案制定

内马铁路线路从肯尼亚首都内罗毕(Nairobi)出发，沿线主要的经济发展点有：纳库鲁(Nakuru)、埃尔多雷特(Eldoret)和基苏木(Kisumu)以及肯尼亚边境的马拉巴(Malaba)。其中纳库鲁是纳库鲁郡的首府，人口1.01×105； 埃尔多雷特位于富裕的瓦辛吉舒高原中心，人口5.1×104； 基苏木是肯尼亚第3大城市，西部经济和交通中心，人口40×104。大城市有内罗毕及基苏木，其他城市都为中小型城市。根据纳瓦沙(Naivasha)规划工业园区、基苏木等重要的经济据点控制因素，同时考虑到原有铁路沿线的经济点，制定了内罗毕—马拉巴铁路3大通道方案(图7)。

图7 内马铁路3大通道线路示意图Fig. 7 Schematic of Nei-Ma railway three channels

2.1 北线方案

北线主要经济控制点连线，即内罗毕—纳库鲁—埃尔多雷特—马拉巴方案。该线路从内罗毕(Nairobi)引出，途经奈瓦沙(Naivasha)、纳库鲁(Nakuru)、埃尔多雷特(Eldoret)后，折向西方向经韦布耶(Webuye)、奔戈马(Bungoma)至边境城市马拉巴(Malaba)。由于基苏木(Kisumu)是肯尼亚第3大城市及肯尼亚西部经济和交通中心，考虑基苏木经济据点的重要性，增加了基苏木支线，即通过埃尔多雷特与基苏木支线方式连接基苏木。形成内罗毕—纳库鲁—埃尔多雷特—马拉巴主线方案，加上埃尔多雷特—基苏木支线方案的组合方案。本方案主线内罗毕经纳库鲁及埃尔多雷特至马拉巴方案线路长度505.2ikm，埃尔多雷特至基苏木支线长度133.2ikm。正线公里长度合计638.2ikm。

2.2 中线方案

中线主要经济控制点连线，即内罗毕—纳库鲁—基苏木—马拉巴方案。线路方案从内罗毕(Nairobi)出发，沿线途经奈瓦沙(Naivasha)、纳库鲁(Nakuru)、隆迪亚尼(Londiani)、凯里乔(Kericho)到达基苏木(Kisumu)后，然后向北方向途经布泰雷(Butere)、穆米亚斯(Mumias)到达肯尼亚与乌干达边界的城市马拉巴(Malaba)，线路全长525.2ikm。

2.3 南线方案

南线主要经济控制点连线，即内罗毕—纳瓦莎—基苏木—马拉巴方案。该线路从内罗毕(Nairobi)引出后，向西北方向前行； 至kedong后，折向西方向绕至隆戈多火山西侧，奈瓦沙(Naivasha)工业园附近后，折向西南向绕过裂谷西翼高地，转向基苏木(Kisumu)方向前行； 途经Seyabei、纳罗克(Narok)、博美特(Bomet)、索蒂克(Sotik)、松杜(Sondu)、阿海罗(Ahero)到达基苏木(Kisumu)，然后向北途经布泰雷(Butere)、穆米亚斯(Mumias)到达马拉巴(Malaba)，线路全长489.57ikm。

3 线路比选3.1 工程地质比选3.1.1 线路穿越的地形、地貌比选

图8 近场区数字地形图Fig. 8 Near field digital topographic map

地形、地貌选线需考虑的因素有线路标高、曲线半径、线路坡度和线路方案等。工程场区地形中间高两边低，海拔为1000～2000im。东部边缘为平原区，海拔小于1000im。裂谷内海拔相较于裂谷两侧低，裂谷北段相对较宽，达上百公里，中间段相对较窄。南段宽度大且海拔相对较低。根据图8，北线方案在裂谷展布范围最长，从裂谷的中端一直展布到裂谷北段，地形起伏大、山高坡陡，穿越多处火山，另外北线方案为了照顾经济点基苏木，增加了支线，线路长，投资大，运营组织困难，缺点十分突出，因此首先排除北线方案。

3.1.1.1 中线方案

中线方案约153ikm位于裂谷东翼山区， 140ikm位于裂谷西翼山区，共有293ikm位于山区，山区地势起伏较大，山高坡陡，可能会发生局部的崩塌、落石现象(图8)。线路在隆戈诺特火山影响范围在火山下绕行，距离较近，且属于潜在的火山熔岩漫流区，受火山影响较大。在裂谷谷底区距离纳瓦莎湖、埃尔门泰塔湖、那库鲁湖等较近，部分段落沿湖展布，地下水埋藏较浅。中线方案的内罗毕至基苏木段的线路在内罗毕至纳瓦沙段跨越裂谷东翼，纳瓦沙至纳库鲁处于裂谷谷底范围，纳库鲁至基苏木段跨越裂谷西翼。从地形上分析看，内罗毕—奈瓦沙以及纳库鲁—基苏木地段地形较复杂。线路从纳库鲁至隆迪亚尼再到基苏木，海拔从1950im急速爬升到2500im然后再下至1200im； 该线路经过的地形沟壑纵横，高低起伏，线路高差大，部分地段还存在回头曲线、灯泡线等展线方案，并且该段线路位于梅南加伊火山南麓。目前既有米轨最大纵坡为20‰～30‰，平面转弯最小半径为300im左右； 而标轨铁路，线路在困难地段可采用最小曲线半径800im。新建内马铁路采用国铁一级标准，中线方案线路线高差大，半径较小，不管是既有米轨还是新建标轨铁路，均展线困难。在线路以桥隧群通过地段，很多车站都设置在桥梁或者隧道范围内； 多数地段以高桥或者长隧道通过，工程实施难度高，工程艰巨。

3.1.1.2 南线方案

南线方案约39ikm位于裂谷东翼山区，约46ikm位于裂谷西翼山区，共有85ikm位于山区地带。因山区地势起伏较大，山高坡陡，可能会发生局部的崩塌、落石现象(图8)。南线距火山较远，处于龙戈诺特火山和苏斯瓦火山之间的安全地带，受火山影响较小。在裂谷谷底区距离纳瓦莎湖、埃尔门泰塔湖、那库鲁湖等较远，地下水埋藏较深。南线方案内罗毕至基苏木段的线路，其中内罗毕—纳瓦沙段位于裂谷东西翼，地面纵坡10‰～20‰，线路顺着裂谷壁爬升或者下降； 纳瓦沙区—基苏木段位于西翼的台塬和基苏木的平原。南线方案选择裂谷西翼Ntulelei垭口，高程约为2100im，线路爬升到垭口展线少。除了布置两座高桥外，南线方案与中线方案相比，工程相对简单。

3.1.2 地层、断裂和地裂缝比选

3.1.2.1 选线原则

地层、断裂和地裂缝选线的原则：尽量躲避不利地层、断裂和裂缝； 如难以躲避，线路应选择断层带较窄，活动较弱处或者断层的被动盘通过，采用路基、矮桥或隧道大角度通过，尽可能以易于修复的路基、隧道代替桥梁通过。另外，重点工程应置于安全岛内。

3.1.2.2 地层分布

本工程线路近场区地层同样可以分3大部分：中新世火山岩分布裂谷北部东西两侧最外围，岩性主要有响岩、粗面岩和橄榄玄武岩； 上新世火山岩主要分布于裂谷边缘和外围，岩性主要有粗面岩、响岩和玄武岩； 更新世火山岩主要分布于裂谷内和裂谷边缘(图9)。

3.1.2.3 断裂、裂缝比选

北线和中线沿着裂谷东侧与东侧雁列式系列断裂走向平行，主要分布地层为上新世火山岩； 分布裂谷东侧的地裂缝活动时代多为全新世活动断裂。谷底分布裂缝活动时代均为全新世。由近南北向、北北东向和北西—北北西向3组互相交切的断裂系组成，发育于更新世—全新世的火山碎屑岩中，这些断裂往北的形迹可能被较新的火山碎屑岩及火山灰所掩盖。裂谷西侧分布裂缝在全新世没有明显活动。在谷底主要为全新世火山岩，裂谷两侧为更新世火山岩。

线路的北线和中线大部分线路沿着裂谷的东侧雁列式主断裂前行，穿越断裂较多，且与断裂交角很小，近乎平行，与断裂选线原则相违背。而南线穿越断裂较少，基本与裂谷东西两侧断裂大角度穿越(图9)。因此南线选线优势明显。

3.1.3 场区地震比选

3.1.3.1 选线原则

选择抗震有利地段，避开不利地段和危险地段，降低线路标高采用低线，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。本次选线的线路应绕避震级6.0级以上的强震区，避开潜在震源区和次生灾害发育区； 对于难以避开的地区，尽量选择强震活动相对较弱，次生灾害不发育的部位通过。

3.1.3.2 震中比选

根据国际地震中心的全球地震监测台网地震目录，自1902～2015年的114年间，场区范围内共发生4.7级以上的破坏性地震两个， 4.7级以下的地震48个。近场区两个破坏性地震是历史地震中震级最高的，分别为7.0和6.2级。这两个地震震中位于内马铁路东非大裂谷区的北部区域，距离北线方案较近，最近距离分别为31ikm和18ikm； 4.7级以下地震震中在近场区中北部分布较为均匀，但在南部形成了一个线状的密集区，其北端距离南线方案的南段较近(图10)。

3.1.3.3 地震烈度比选

根据中国地震局地壳应力研究所等提供的《马拉巴铁路CK0-CK120段地震危险性分析报告》(李小军等，2016)，基于历史地震法计算的内马铁路东非大裂谷段沿线工程地震动区划结果显示：北线方案中北段处于Ⅷ度区(0.30ig)内，中南段横跨Ⅷ度区(0.20ig)和Ⅶ度区(0.15ig)。中线方案线路北段处于Ⅷ度(0.20ig)，中南段横跨Ⅶ度区(0.15ig)至Ⅵ度区(0.05ig)(图11)。南线方案的线路全部位于Ⅵ度区(0.05ig)内。由于内马铁路东非大裂谷段沿线工程中的北线方案北端距离上述两次历史大震震中位置非常近，所以北线方案的地震烈度区划值明显高于中线和南线方案。南线方案距离这两次历史大震震中位置较远，其地震烈度区划值较低，全部位于Ⅵ度区内。中线方案介于两者之间。

图11 加速度峰值区域划分图Fig. 11 Division diagram of peak acceleration region

3.1.4 不良地质情况比选

3.1.4.1 地震液化地层

中线方案在基苏木附近的地震液化区较近。另外，由于中线方案距离纳瓦莎湖、埃尔门泰塔湖、纳库鲁湖较近，湖泊附近地下水位较高，饱和粉土和砂土分布范围较广，部分地段厚度也较大，且又位于强震区。中线方案与南线方案相比，南线方案受地震液化影响的范围明显小于中线方案，南线方案工程地质条件相对较好，南线方案距离纳瓦莎湖、埃尔门泰塔湖、纳库鲁湖较远，液化区主要集中在位于基苏木附近的地形低洼处的河流附近零星分布的饱和粉土层和饱和砂土层中。

3.1.4.2 黑棉土与软土

南线与中线这两个方案均涉及到的最主要的特殊岩土是黑棉土、软土。黑棉土主要集中在内罗毕附近，对3个方案的影响相差不多。南线方案软土区主要集中靠近基苏木地区，集中在地形低洼及河流附近，主要分布在沿线沟谷，及部分易积水低洼地段，零星分布，且厚度较小。中线方案线位距离纳瓦莎湖、埃尔门泰塔湖、纳库鲁湖较近，软土分布较为集中，此外，中线方案也通过基苏木附近软土区。南线方案经过软土区的范围明显短于中线方案，工程地质条件相对较好。

3.1.4.3 落石、崩塌

经研究，中线方案在山区穿行的线路较长，更容易发生危岩、落石、崩塌等地质灾害，施工难度也远大于南线方案。

3.1.4.4 火山熔岩覆盖区

在火山活动区域，一般地表多为火山熔渣、浮石等松散地层，工程性质较差，所以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、岩熔盖层发育区域或火山熔渣、浮石厚度较薄地段采用路基以最短距离通过。通过多次方案比选后，把南线的线路选择在隆戈诺特火山和苏斯瓦火山之间的岩熔盖层通过，采用路基、简支梁等柔性结构，同时规避岩熔冷凝裂缝及地裂缝影响，提出以路代桥的选线理念。

3.1.4.5 高地热区

地热通常与地质构造关系密切，温、热泉大多出露和分布在构造断裂带，特别是近期活动断裂带上。线路应尽量避开高地温地区，无法避开时，应尽量以桥和路基形式通过； 当必须采用隧道通过时，应尽可能减少隧道埋深。内马铁路一期工程在可研阶段勘查时发现地狱之门南侧地段为高地温地区，通过调整线路平面位置，降低纵断面标高，最后采用南侧方案，成功地避开了高地温地区，规避了工程风险。

3.2 技术经济比选3.2.1 工程量及投资对比

北线从内罗毕引出，途经奈瓦沙、纳库鲁、埃尔多雷特至马拉巴。根据基苏木经济据点的重要性，增加了基苏木支线。形成主线+支线方案的组合方案。该方案从工程投资和后期运营缺点都明显，首先舍弃。现对中线和南线方案进行对比，详见表1。

表1 工程量对比较表Table 1 Quantity comparison table of works

3.2.2 中线方案分析

中线方案优点：线路经过了肯尼亚北部主要经济据点：纳库鲁，基苏木等大城市。经济据点的规模稍大于南线方案的几个经济据点。缺点：线路在纳库鲁至基苏木段，采用12‰的坡度地形适应性差，工程艰巨，线路高，桥长，隧道较多，桥隧占线路总长比重0.36； 且中线线路比南线长，工程投资比南线方案多77i270万美元。线路基本上处于地震烈度Ⅷ～Ⅸ区域，因此线路结构抗震投资较大，且结构抗震风险大。中线方案在穿越东非大裂谷段，地质复杂，断层密布，受断层影响的范围为168ikm，大于南线方案的136ikm，比南线方案长32ikm，对工程结构影响较大。中线方案穿越裂谷中桥隧占线路总长比重0.28，经过不良地质和特殊岩土的段落比南线方案长。

3.2.3 南线方案分析

南线方案的优点：线路在奈瓦沙至基苏木段，采用12‰的坡度地形适应性较好，工程难度低，工程量比中方案小； 线路在地震烈度在基本在Ⅶ～Ⅷ之间，比中线方案低，比中线方案短32ikm。南线方案向西南绕过裂谷西翼较高地段，选择工程难度大大降低，桥隧比重为28%，南线方案经过不良地质和特殊岩土的段落比中线方案短。南线方案工程投资比中线方案少77i270万美元，线路短31ikm。缺点：线路经过了肯尼亚西南部主要经济据点：纳罗克，基苏木等大城市，南线方案城市规模相对较小，但南线与中线方案沿线城市总人口相差不大，且南线方案沿线农业较发达，在博美特附近有大型茶叶经济区，同时旅游资源也较多，沿途有著名的马赛马拉公园。

4 结 论

通过工程地质和投资比选，最终确定采用南线方案，南线方案也获得了肯尼亚国家层面的肯定。肯尼亚内马铁路通过工程地质选线，成功地避开了强震、火山活动、活动断层、高地温等不良地质现象，施工期间未发现重大不良地质问题，确保线路安全与稳定，降低了工程风险，降低了工程难度，大幅节省了工程投资。一期工程内罗毕至纳瓦沙段已经于2019年10月通车运营，实践表明内马铁路裂谷段工程地质选线是较为成功的，可为同类工程提供借鉴。