复杂艰险山区防灾减灾选线原则研究

2020-07-20李孝攀

四川建筑 2020年2期

李孝攀

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

川藏铁路始于四川省省会成都市，经雅安、康定跨过金沙江进入西藏，再经昌都、林芝到达西藏自治区省会拉萨市，线路全长约1 500 km，项目计划于2029年建成通车。川藏铁路昌都至林芝段位于青藏高原及其边缘地带，处于我国地势第二级阶梯和第三级阶梯的过渡区域，是典型的复杂艰险山区。线路行经区域具有显著的地形高差、强烈的板块活动、频发的山地灾害、敏感的生态环境等四大特点[1]。

减灾选线是以规避、防范铁路全寿命周期(建设及运营期间)可能发生的地质灾害为根本目的和出发点，运用系统工程、风险管理等先进的理论、方法，对灾害风险进行判识，并在此基础上科学选择铁路线位、工程方案及灾害防控措施的技术过程[2]。

在勘察设计阶段考虑地质灾害的影响，合理规避潜在的工程风险，不仅可以从源头上预防施工运营阶段的意外灾害，还可以提高全寿命周期的综合效益。本文以川藏铁路昌都至林芝段为研究对象，对线路行经区域的地质灾害进行研究，分析地质灾害对桥梁、隧道等重点工程构筑物的影响，研究复杂艰险山区防灾减灾的选线原则。

1 川藏铁路昌都至林芝区域工程地质研究

川藏铁路昌都至林芝段跨越澜沧江、怒江和雅鲁藏布江这三大流域，穿越他念他翁山、念青唐古拉山这两这大山系。线路行经区域地势跌宕起伏、岩层褶皱错杂、风化剥蚀强烈、重力卸荷广泛，区域工程地质具有“三大一强”的特点，即地形高差大、地灾速度大、地灾规模大、构造活动强[3]。在勘察设计和施工运营阶段都不得不面临地形高差大、板块活动强、地质灾害频发等问题。

1.1 地层岩性

川藏铁路昌都至林芝区域地层岩性十分复杂，地层时代从震旦系至新生界均有分布，主要岩性：①砂岩、板岩、千枚岩为主的沉积岩、变质岩；②以花岗岩为主的侵入岩；③以灰岩为主的可溶岩[1]。

1.2 特殊岩土

川藏铁路昌都至林芝段线路行径区域大部分海拔在3000 m以上，邦达草原海拔达到4 300 m，区域内存在大面积的季节性冻土，在波密以东局部地段分布有第三系、白垩系、页岩等黏土岩，膨胀岩、软土、盐渍土也伴随分布。区域内强烈的构造运动，形成大面积软弱易风化的蚀变岩，大块的岩体脱落，通过冰川消融的搬运，在平缓地带形成大面积冰碛物和松散堆积体。

1.3 不良地质

川藏铁路昌都至林芝区域以高寒、高海拔、大高差和剧烈的地壳隆升挤压作用为典型的地质背景，内外动力引起的地质作用十分剧烈，由此衍生出来的不良工程地质问题主要有活动断裂、高烈度地震、滑坡、泥石流、崩塌、高地温、高温热水、溜砂坡、岩爆、大变形[4]。

1.3.1 活动断裂和高烈度地震

川藏铁路昌都至林芝段线路行经区域断裂、褶皱密集发育，以深大活动断裂为主控构造，主要发育有澜沧江断裂带、怒江断裂带、边坝-洛隆-八宿断裂带、嘉黎断裂带、雅江缝合带、米林-鲁朗断裂带，区域内断裂带分布如图1所示[5]。区域内地震活动频繁，存在错断、震坏，属于高烈度地震多发区，根据国家地震局GB 18306-2015《中国地震动参数区划图》显示昌都至林芝区域地震动峰值加速度主要是0.15g，在林芝附近达到0.4g，相当于地震基本烈度为Ⅸ度，区域内地震烈度如图2所示。

图1 昌都至林芝区域断裂带分布示意

图2 昌都至林芝区域地震烈度区划示意

1.3.2 滑坡、崩塌、错落

川藏铁路昌都至林芝段线路行经区域地形地貌变化剧烈、活动断裂发育、新构造运动强烈，岩体破碎。受降雨、降雪极端天气的影响，沟河水流冲刷剧烈，致使滑坡、崩塌、错落等不良地质发育，且数量多，规模大，难以整治。虽然在不同路段都有崩滑体分布，但危害性较大的崩滑体分布相对集中于地质构造交叉复合部位和新构造运动活跃的峡谷地段，特别是澜沧江、玉曲、怒江、东久河、鲁朗河、雅鲁藏布江的峡谷地段[3]。

1.3.3 泥石流

川藏铁路昌都至林芝段线路行经区域主要河流的支沟纵坡大，受构造、风化等作用影响，泥石流发育且数量众多、规模宏大，山体破碎、松散固体物质丰富，山地灾害爆发频繁、破坏力及极强，尤其是在构造发育的澜沧江、怒江、帕龙藏布及其支流的两侧。除了降雨型泥石流外，由于高山冰雪消融，还分布有部分冰川型泥石流[1]。

1.3.4 溜砂坡、岩堆

由于反复的冰雪消融和强烈的自然剥蚀，山体风化十分严重，随着高山融雪和自然降雨，剥落的碎屑岩石散落于山坡或被搬运到山脚，斜坡上的砂石依靠摩擦咬合作用，形成暂时稳定的溜砂坡，堆积在山脚的碎屑岩石形成大面积岩堆。

1.3.5 高地应力

从大范围来看，该区域属喜马拉雅运动形成的造山带，构造挤压强烈且伴有岩浆侵入，水平地应力场值也普遍较高。昌都至林芝区域新构造运动强烈、活动断裂发育、广泛分布有岩浆侵入体，存在大量构造应力高度集中的地质环境。隧道在施工过程中可能会遇到高地应力环境，在隧道埋深较大时，存在高岩爆风险，硬脆围岩易发生岩爆，而软质围岩可能发生大变形，构造强烈的区域，硬质岩破碎带也可能产生大变形。

1.3.6 高地温、高温热水

川藏铁路昌都至林芝区域地处西南地热带，该地热带沿雅鲁藏布江，经三江并流区，折向东南经高黎贡山进入云南腾冲火山区，这是我国大陆上地热活动最强烈的地带。川藏铁路昌都至林芝段所经过的藏东南地区大地热流密度值高，平均80～100 mw/m2，而地下热水密集区常沿晚近期有强烈活动的断裂带呈条状分布[1]，在区域范围内主要存在三处地热异常带，主要有澜沧江断裂带、怒江断裂带、雅江缝合带，初步预测隧道受地热异常影响，部分地段洞内温度可达60 ℃。考虑地温梯度、地表温度、地形、地下水的影响，在埋深达到800～1 000 m以上的隧道，可能存在高地温的风险[7]。

2 重点工程灾害风险分析

铁路是典型的带状工程构筑物，由桥隧等重点工程串联而成，川藏铁路昌都至林芝段线路全长约374 km，桥隧比高达98.3 %，桥梁、隧道、重点车站的安全性决定了整个线路的通畅性。运用德尔菲法和因子分析法，分析桥梁、隧道、重点车站可能会面临的灾害风险，在工程建设源头—工程设计环节，做好风险规避、风险防控工作，提前考虑地质灾害的影响，避免施工、运营期间灾害的发生，从而达到防灾减灾的目的。

2.1 桥梁灾害风险

川藏铁路昌都至林芝段地貌形态主要受青藏高原地貌隆升的影响，总体地势西高东低，地势急剧隆升抬起，河流急剧侵蚀下切，为典型的“V”形高山峡谷地貌。铁路穿越横断山高山峡谷区和藏南岭谷地区时，桥墩设置困难，桥梁主要考虑大跨通过，川藏铁路昌都至林芝段正线设置桥梁18座，全长29.4 km，桥梁比例7.9 %。高山峡谷区的桥梁安全风险主要来源于自然降雨和冰壶溃决所引发的洪水、滑坡、崩塌、泥石流、落石、雪崩，峡谷地区峡谷风的横向力对桥梁的威胁也比较大，地壳运动活跃的区域地震以及次生灾害带来的影响不可忽视。地震对桥梁的破坏主要是由于地表破坏和桥梁受震破坏引起的，其中地表破坏有地裂、滑坡、塌方、岸坡滑移和砂土液化等现象[8]。地裂会造成桥梁跨度的缩短、伸长或墩台下沉。在陡峻山区或砂性土和软粘土河岸处，强烈地震引起的塌方、岸坡滑动以及山石滚落，可使桥梁遭到破坏。

2.2 隧道灾害风险

川藏铁路昌都至林芝段穿越他念他翁山、伯舒拉岭、念青唐古拉山，正线设置隧道16座，全长338.3 km，隧道比例高达90.4 %，可以说是一条名副其实的“高原地铁”。昌都至林芝段行经区域特殊的地形地貌、活跃的地质灾害和破碎的山体结构，隧道埋深普遍都比较深，隧道洞身部分可能会面临高地温、强岩爆、大变形、断层等问题，地壳岩层在外部压力作用下发生破裂，并且沿隧道破裂面产生了相对移动，容易引发塌方、落石、涌水、突水、掉块等地质灾害。困难艰险山区，隧道除了洞身部分面临高的风险外，洞口位置也面临巨大的威胁，陡峭的山体结构、破碎的岩体表面、发育的地质灾害是隧道洞口面临的主要风险，这也使得隧道洞口的选择异常困难。

2.3 重点车站灾害风险

川藏铁路昌都至林芝段线路经过区域多位于高山峡谷区，很难有理想的开阔平地建设车站，部分车站只能设置在桥梁上或隧道里。车站安全面临的威胁主要来自河谷水流冲刷和山谷间的滑坡、崩塌、泥石流、落石等灾害，高山落石和泥石流可能会损坏车站设施，高山峡谷区高山融雪和自然降雨都会引起水位变化，对车站有一定的影响。

3 防灾减灾选线策略

铁路的灾害主要发生在施工和运营期间，而灾害发生时铁路所面临灾害风险的大小在一定程度上取决于设计的合理程度。在设计阶段充分考虑各种灾害的潜在威胁，权衡各个致灾因子的影响程度，合理优化线路走向和工程设置，不仅能够从源头上避免灾害的不利影响，还能提升铁路全生命周期的综合效益。

3.1 合理选择技术标准，优化确定技术参数

复杂艰险山区特殊的地形地貌和地质环境，在技术标准的选定时既要考虑一定的安全富余，又要因地制宜地考虑适应该区域的技术标准，特别是牵引种类和限制坡度的选择。应该贯彻移动设备适应固定设备的理念，在满足运营安全的前提下，采用大功率的电力机车牵引技术，川藏铁路建设周期较长，可以考虑一定的技术预期，用未来的技术水平来研究设计阶段的技术标准。川藏铁路复杂的地貌环境，高桥长隧在所难免，在满足运输和列车安全运营的条件下，考虑用足限制坡度，减少线路展线，转变用线路展长和土建工程来换取坡度减缓的思路。用足限制坡度不仅可缩短线路长度，其工程建设费、防灾减灾费和长远期运营费也会有明显的降低[9]。

3.2 选择合理地形，保持自然稳定，减少山体扰动

川藏铁路起伏的自然地貌使得铁路工程设计和施工都十分困难，很难选择理想的区域设置桥隧、车站等工程构筑物。尽量选择与线路走向一致、岸坡平缓、两岸开阔、地质条件较好的沟谷，不仅可以有效地客服高程障碍，还可以有效的减少地质灾害的影响[10]。线路行经区域缓坡地段工程设置容易，但存在大面积的溜砂坡、岩堆、冰碛物等松散堆积体，沿线区域灾害规模大，清坡和治理，对自然的扰动较大，工程艰巨，往往不够现实，还容易引发次生灾害。陡坡岩性条件较好，开挖对周边的影响较小一些，适当防护即可保持稳定，但辅助道路等设置困难。

3.3 绕避地质灾害点，路跨河、进洞躲避山地灾害群

川藏铁路昌都至林芝段线路需要经过澜沧江、怒江、帕隆藏布、雅鲁藏布江及其支流，沟谷底部存在大量崩塌、滑坡、泥石流的冲击区和堆积场，为重灾、群灾的多发地带。绕避灾害历来是山区铁路减灾的首选原则，对灾害区进行合理绕避，做到绕有依据、治有办法，保证铁路建成后不留后患，尽量缩短线路经过地质灾害多发地段的长度。线路应绕避稳定性差、大型堆积体和错落群，避开地形零乱，坡脚有地下水出露的山坡。如必须要沿河谷，线路宜选择从岩性单一且岩体完整性较好的地段通过。在绕避时要进行不同绕避方案的比选，减少不必要的展线。

3.4 长隧穿山、大跨越江缩短线路长度

昌都至林芝段线路走向与山系、构造线、断裂带基本成正交，为了克服高程障碍，尽可能地减少沿河展线而诱发的地质灾害的不利影响，应贯彻以正交的方式高桥大跨飞越澜沧江、怒江东久曲等大江大河，以正交或大角度方式长隧穿越他念他翁山、念青唐古拉山等主要山系。在线路必须经过的澜沧江断裂带、怒江断裂带、边坝-洛隆-八宿断裂带、嘉黎断裂带、雅江缝合带、米林-鲁朗断裂带区域时，考虑线路尽可能以正交或大角度方式穿过断裂带，减少线路与断裂带的并行长度，在断裂带相交的区域，要避免设置重大复杂工程构筑物，以简易工程通过。

3.5 傍山高位、宁高勿低，按灾害上界确定线位高程

昌都至林芝段线路必须要穿过高山峡谷区，该区域构造运动活跃，地质灾害复杂，定线愈低的沿河线路，所经山地灾害地段愈长，易损的可能性愈大，成灾愈严重。选线工作的重点在于确定灾害群的影响范围及对线路影响最小的上界位置，将灾害风险降到最低限度。群灾、重灾的沿河线段要贯彻宁高勿低的选线原则，尽量将线路标高定在山地灾害群的上界，线路应以挖方通过崩塌滑坡体的上部、用桥梁从泥石流的流通区或出山口跨越为宜。通过调查部分区域发现温泉，对于存在高地温、高地热影响的区域，要考虑地热的分布规律和施工救援的方便，线路应遵循“傍山高位”的定线原则，隧道平面上靠近山边或沟谷，立面上走高减少埋深。线路傍山有利于辅助坑道的施工，如遇到高地热和高地温的情况发生时，可以就近选择开挖辅助坑道用于通风和排水，保证隧道的正常施工。按照地热分布规律，越往地表水温越低，线路高程走高可以减少温泉热水的不利影响。此外，隧道洞口和桥台位置的选择都要按照“下稳上净”的原则，远离不良地质体，重大工程构筑物应设置在灾害影响范围之外的区域内[10]。

3.6 加强地质灾害风险评估，合理设置工程构筑物

地质灾害是在复杂环境共同作用影响下发生的，很难对灾害情况进行准确预估，在线路勘察设计阶段要加强地质科研工作，运用新的勘测技术并结合现场实地踏勘，准确判别地质灾害点及其规模，研究滑坡、崩塌的影响范围，确定线路中心位置；分析河谷水位和雍水高，确定桥梁墩台高度；模拟灾害发生情况，设置防护措施。通过理论分析结合现场调研，强化地质科研结论指导工程构筑物的优化设置。路线方案的选择应视滑坡的规模、稳定性和治理的难易程度而定，线路通过滑坡的位置原则上应力求不恶化滑坡的稳定性，选择有利于滑坡的稳定和路线安全的位置通过。在灾害多发区段选线时，不仅要正确的判断灾害的性质、种类、现状以及发展趋势，还要充分估计工程实施后灾害的发展变化情况。通过地质科研攻关，指导线路方案的研究，优化工程构筑物的设置。