川藏铁路鲜水河构造带地质选线研究*

王哲威 徐正宣② 冯 涛 刘 威 张羽军 林之恒 刘志军 刘建国 王 栋 袁 东 方振华 赵江林

(①中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031， 中国)

(②西南交通大学， 成都 610031， 中国)

(③川藏铁路四川有限公司， 成都 610031， 中国)

0 引 言

鲜水河断裂带是中国大陆内部构造活动性最强的大型左旋走滑断裂带，同时也是世界上活动性最强的活动断裂带之一，在有记载的300多年间共发生9次6.9级以上大地震(李东雨， 2017； 曾蒂， 2018； 潘家伟， 2020)。根据中铁二院和中国地震局地壳应力研究所联合完成的地震安全性评价(杜义等， 2019)结论：折多塘地区50年超越概率2%地震动峰值加速度可达1.2g，是全线地震和地质风险最高的一段。川藏铁路在通过鲜水河构造带时，地质条件极为恶劣，面临高烈度地震及活动断裂、高位崩滑流，高陡岸坡稳定性，高地应力，高地温，高压突涌水等重大工程地质问题，地质条件对线路走向制约明显。

围绕青藏高原周边活动构造带的铁路选线问题，专家和学者们进行了大量的研究： 5·12 汶川大地震震中附近龙溪隧道破坏特征表明在地下空间位移量小于地表，因此以隧道方式通过活动断裂是目前可行的工程形式(吴光等， 2010)； 汶川大地震近场区铁路工程破坏特征表明，必须重视基于预防和减轻地震诱发地质灾害的综合选线，绕避潜在地震诱发大型崩坍、滑坡灾害的地段，避免路基高大切坡，选用有利于地震防灾减灾的工程形式通过(朱颖等， 2010)； 在铁路廊道方案选择时可利用逆断层下盘挠曲盆地、正断层上盘断陷盆地、走滑断层断陷盆地和拉分盆地中的平坦区域，可有效降低震后修复难度(邱燕玲等， 2014)； 成兰铁路采取短距离、大角度以简单工程类型通过龙门山断裂带，与岷江活动断裂带傍行地段选择位于断层下盘并尽量远离断层的方式通过(杜宇本等， 2012)； 大瑞铁路高黎贡山推荐方案在黄草坝阻水隔热断层之南相对低温通道内通过(李光伟等， 2015)； 玉磨铁路选线中充分考虑地表放大效应和近断层效应带来的次生灾害问题，同时避免高墩大跨桥梁直接跨越全新世活动断层，隧道工程选择低温廊道通过(杜宇本等， 2016)； 在川藏铁路横断山选线应充分利用夷平面，尽量缩短在斜坡过渡带的长度，不宜沿深切河谷走行(张广泽等， 2016)； 川藏铁路藏东南宽谷段，宜外移以路基或桥、局部辅以隧道的方式绕避大型不良地质，针对迫龙藏布峡谷段宜以傍山的长隧短打的方案通过为佳(宋章等， 2016)； 川藏铁路金沙江流域选线中将地形地貌选线作为决定性因素(蒋钰峰等， 2019)。以上研究成果指导了鲜水河构造带的选线，然而借鉴过程中存在如下困难和问题：一是鲜水河构造带穿过地段的地质条件更为复杂，地震风险前所未遇，不良地质种类更为齐全； 二是单种工程地质问题的选线原则已比较成熟，但多因素耦合下的地质选线原则及选线流程尚不够系统。

在鲜水河构造带选线中历经5个阶段19个大方案比选，局部方案多达数百组，在不断摸索中选出了地质风险可控的方案。回顾整个选线过程，走了不少弯路，但选线结论经系统论证是最为合理的。本文通过系统分析鲜水河构造带地质条件和选线成果，总结出一套适合复杂构造区的选线原则及选线流程，研究成果可为川藏铁路金沙江缝合带、嘉黎构造带以及规划中的滇藏铁路选线提供借鉴。

1 区域地质概况

川藏铁路康定至新都桥段(DK260+000-DK300+000)通过鲜水河构造带，工程区显著的地形高差，极端的气候变化，强烈的板块活动为表生和地下不良地质形成提供了良好的内外动力条件，复杂密布的断裂构造，破碎软弱的岩体结构，特殊的水文地质环境构成各类不良地质发育的载体。

1.1 显著的地形高差

折多山地区是川西高山峡谷区和高山原河谷区的分界线，地形落差极大，最高点贡嘎山海拔达7556m，线路过折多山时海拔为4962m，与康定市的落差2000m以上，支沟自然坡度多大于70‰。

巨大的高差为高位崩滑流(郭长宝等， 2016)，高地应力(王栋等， 2017)，高压突涌水等工程地质问题提供了有利的地形条件。线路在40km范围以康定1#、2#隧道克服1000m以上的高差(图1)，线路坡度适应自然坡度的自由度低，基本以30‰紧坡爬升，同时也导致线路绕避表生不良地质灾害，减轻地下不良地质危害，实现顺坡排水的自由度降低。

图1 康定1#、2#隧道纵断面示意图

1.2 极端的气候条件

1.3 强烈的板块运动

青藏高原东缘川滇地块属于青藏高原腹地同扬子陆块的构造地貌过渡地带，新生代以来响应印度板块同欧亚板块的碰撞挤压，鲜水河构造带是川滇地块的东北边界，同时也是青藏高原物质流向东南方向逃逸的边界断裂(徐锡伟等2005； 陈桂华， 2006； 王阎昭等， 2008； 张远泽， 2015)。青藏高原强烈的板块碰撞、挤压、隆升作用形成现今的高山峡谷地貌，特殊的高原气候，同时造就了极其复杂的地质环境，是各类工程地质问题产生的内动力条件。

1.4 复杂密布的断裂构造

鲜水河活动断裂带在线路段共分布雅拉河、色拉哈、木格措南、折多塘等4支全新世活动断裂(潘家伟等， 2020)，以及玉龙希活动断裂带。除此之外，区域内尚存在跑马山断层、孟清断层、莲花山断层、鱼司通断层、三道桥沟断层、大雪山断裂、金龙寺—磨子沟断裂、惠远寺—勒吉普断裂带、多尔金措—龙谷断层、新都桥断层等10条区域性深大断裂。另外，雅拉河断裂和折多塘断裂之间发育多组NE向的断裂，折多山垭口以北的折多塘断裂至玉龙希断层之间断裂发育更加密集(图2)。断裂构造通常使岩石破碎，强度降低，并成为地下水的良好通道。线路穿经断裂构造时，隧道工程易发生坍塌、冒顶、突水涌泥； 边坡工程易产生滑坡，塌方； 基础工程易产生不均匀沉降。

图2 折多山地区构造纲要图

1.5 软弱破碎的岩体结构

该地区出露地层较全，从元古代至第四纪均有分布； 岩石类型多样，火成岩、变质岩、沉积岩等3大岩类中的各种岩石均有不同程度出露。勘探揭示受鲜水河断裂影响严重，岩体极为破碎，蚀变现象普遍，多为软弱破碎的板岩、蚀变岩、构造岩，水理性质和力学性质差(图3)，软弱破碎的岩体成为各类边坡工程灾害和地下工程不良地质滋生的温床。

图3 鲜水河构造带折多山段典型蚀变岩和构造岩

1.6 错综复杂的水文地质环境

图4 康定1#隧道地下水径流特征图

2 鲜水河构造带地质选线问题及选线原则

2.1 地质选线问题

2.1.1 高烈度地震及活动断裂

线路穿越的鲜水河中段包含了雅拉河断裂、折多塘断裂、色哈拉断裂等3个分支断裂(王栋等， 2015)； 之后在色拉哈和折多塘断裂之间发现了木格措南活动断裂(潘家伟等， 2020)，另外，鲜水河断裂西侧尚分布一条玉龙西全新世活动断裂，使线路通过段在短短14km范围活动断裂数量达到5条。根据地震安全性评价结论(杜义等， 2019)：(1)鲜水河断裂是潜在的发震构造，潜在地震上限为8.0级； (2)折多塘地表处50年超越概率10%的水平向动峰值加速度为0.6g， 50年超越概率2%的水平向动峰值加速度为1.2g； (3)全线地震烈度最高的地段为折多山地区，基本地震烈度≥Ⅸ度。

2.1.2 高位崩滑流

康定地区历史上曾发生多次重大地质灾害，其中最具代表性的是白土坎滑坡和响水沟泥石流。白土坎滑坡位于康定城南侧烧香坪之东坡， 1995年6月15日和7月7日，上游特大山洪诱发滑坡复活，两次冲入折多河，共造成33人死亡， 8.5亿元的巨大经济损失(袁永旭等， 1998)； 2009年7月23日，康定县舍联乡响水沟发生特大泥石流灾害，造成4人死亡， 50人失踪和巨大的经济损失(严卫东等， 2010)。川藏廊道内白格滑坡(冯文凯等， 2019)，金沙江缝合带日扎滑坡(郭长宝等， 2020)崩滑流链生灾害问题突出，沿鲜水河构造带雅拉河谷、折多河存在类似地质问题。

2.1.3 高陡岸坡稳定性

根据遥感和调查结果，沿雅拉河、折多河等地段基岩零星分布，两岸分布大量的深厚土质覆盖层，暴雨和地震工况易于产生崩滑流。基岩裸露地段，节理裂隙发育，深切河谷段卸荷带发育，工程施工均可能造成山体失稳，影响巨大。类似于泸定大渡河桥(陈廷君等， 2019)的岸坡稳定性问题在鲜水河构造带段隧道进出口，特大桥中应重点考虑。

2.1.4 高温热害

调查发现从康定至道孚，热水出露点主要集中在康定榆林宫至二道桥，中谷至大盖。据甘孜州康盛地热有限公司《小热水地热水井群勘查报告》中ZK203钻井(终孔深度2010m)揭示， 218m遇热储层，最高温度210℃； 中铁二院完成的CZ-ZDS-05孔在154m遇90.3℃高温高压热水。区域内温泉犹如串珠状沿断裂分布，每个集中出露带内，有数个或数十个温泉群组成，每个温泉群内有若干泉眼。隧道施工开挖遇高温热水的可能性大。

2.1.5 高地应力岩爆和大变形

折多山地区共测取18孔的地应力，其中测深最大的05号孔地应力显示，主应力值随地层深度增加而增加， 975～1013m应力场类型为SH>Sv>Sh型应力场； 1036.4m处应力场类型为SH>Sh>Sv型应力场。洞身附近最大水平主应力值约为42.74MPa，最小水平主应力值约为28.48MPa； 最大水平主应力方向分别分布在N9.8°E、N38.1°E和N27.4°E，一致性较好，最大水平主应力优势方向为NNE向(图5)。

图5 05号钻孔主应力值随深度变化趋势图

通过大量实测地应力分析，本地区地应力以水平构造应力为主，具有较高的应力水平。与区域活动断裂、新构造运动伴生大量应力高度集中的地质环境，硬脆围岩可能发生岩爆，软质围岩可能发生大变形，破碎硬质岩的变形问题同样不可小觑，关山隧道破碎硬质岩中发生了极为罕见的大变形问题(梁宁等， 2016)。

2.1.6 高压突涌水

折多山地区的隧道工程可能遇断层带突涌水和蚀变带突涌水两种突涌水致灾构造。

研究分析认为，断层带突涌水是仅次于岩溶类突涌水的致灾构造类型，南广铁路白云隧道区域性罗东大断裂、宜万铁路齐岳山隧道F11断层等均发生了典型的断层带突水涌泥问题，给施工带来巨大的不便(李术才， 2018)。

蚀变带突涌水在工程建设中也屡次遭遇：洛湛铁路梧州至岑溪段北岗隧道花岗岩侵入体中出现多处涌水，岩体软化后呈流砂状及流塑状，围岩变形快且变形大(聂林等， 2012)，贵广铁路东科岭隧道广西花山花岗岩体与围岩接触蚀变带施工期间产生塌方、冒顶(付开隆等， 2015)，厦成高速漳州段灯火寨隧道花岗岩蚀变带突泥涌泥制约了施工，主要是由于蚀变原因导致形成黏土物质，宏观上表现为裂隙、孔隙发育，微观上颗粒之间连接强度变弱(蔡俊华， 2018)。

2.2 地质选线原则

由于特殊复杂的地质条件，导致现有的选线经验借鉴困难，定线难度大。本文在梳理各类地质问题基本选线原则的基础上，总结出适合鲜水河构造带的选线原则，进而选择地质风险相对较低的线路。

2.2.1 基本选线原则

《铁路工程抗震设计规范》(GB50111-2006)(中华人民共和国行业标准编写组，2009)5.0.1～5.0.7条对活动断裂与高烈度地震区选线进行了规定，可总结为：线路应避让抗震设防烈度为8度、9度地震区的活动断裂，避开土质松软和岩层破碎的深挖方，不宜设傍山隧道群，桥址应选择低矮、结构形式简单、地基良好、河岸稳定的地段通过。

《铁路工程不良地质勘察规范》(TB10027-2012)(中华人民共和国行业标准编写组，2012)15.2.1～15.2.3条和《铁路隧道设计规范》(TB10003-2016)(中华人民共和国行业标准编写组，2016)3.2.5条对高地温选线进行了规定，可总结为：线路应避开大范围热害严重地段，选择地温廊道，宜以桥、路工程通过，隧道宜设在傍山靠河侧尽量缩短辅助坑道长度，并尽可能降低埋深。

高地应力区选线，现行规范尚未具体规定，根据即将建成通车的拉林铁路经验总结(何娘者， 2018)：尽量减少隧道工程或降低隧道埋深，在被动盘选择岩性相对较好地段通过。

《铁路工程不良地质勘察规范》(TB10027-2012)(中华人民共和国行业标准编写组，2012)对崩塌、滑坡、泥石流区的选线均有详细的规定，本文将其简述为：优先避让难以处理的大型不良地质体以及稳定性差的高陡岸坡，经综合评价治理难度和治理费用相对较低时，可选择在有利部位以合理的工程形式通过。

2.2.2 鲜水河构造带选线原则

从基本选线原则看出，同时遇以上工程地质问题时，线路无法同时满足基本选线原则。高地应力、高地温、高压突涌水地段以路、桥工程通过为佳，而活动断裂与高烈度地震、崩滑流发育区、高陡岸坡稳定性差的地段以隧道工程为佳。通过展线或者傍山以埋深较浅的隧道似乎可以解决这个矛盾，但又造成线路增长线形变差，同时勘察成果显示靠河侧往往会靠近深大断层，工程地质条件更差。

为了很好地解决这一矛盾，本文鲜水河构造带10余年的选线成果总结出：应根据各类不良地质的风险程度、工程重要性分阶段不断深入地开展选线，具体如下：

选线流程：应遵循区域稳定性选线-明线工程地质灾害选线-地下工程“极难处理”工程地质问题选线-不良地质综合选线-地质横断面选线等5个阶段逐渐深入的顺序。各阶段应充分考虑“构造、岩性、地下水”等3大地质基本要素：针对深大断裂构造应遵循“优先避让，其次正穿”、针对岩性应遵循“优先避开工程性质极差的特殊岩性(可溶岩、蚀变岩、构造软岩等)，其次选择强度和完整性适中的岩性，并坚持走硬不走软”、针对地下水应遵循“岩溶水发育区应尽量减短水平循环带长度，地下水发育区尽量靠边走高实现顺坡排，地热异常区应走低温廊道”的原则。

3 鲜水河构造带地质选线过程

3.1 区域稳定性选线——施工和运营安全风险低的廊道方案

第1阶段以康定县城为中心，南北向100余公里范围进行了南线、北线廊道方案的论证，主要受活动断层和高烈度地震控制。活动断层工程影响主要表现为错段问题(黏滑和蠕滑)，高烈度地震主要影响为地震震动破坏，地震次生灾害。汶川8.0级大地震期间，距离震中较近的广岳铁路破坏严重，部分地段铁路废弃，主要破坏形式有边坡坍塌、危岩震落、钢轨被挤压变形、落梁、砂土液化、桥墩裂缝等(朱颖等， 2010)。因此，在线路必须穿越活动断裂与高烈度地震区的情况下，穿越位置应尽量在地震危险性相对较低的地段通过。

北线廊道长距离并行鲜水河断裂带北西段，地震风险大，予以放弃(图6)。

图6 南北线廊道方案示意图

3.2 明线工程地质灾害选线——特大桥、车站等重要建筑选择地质灾害可控的地段

第2阶段在南线廊道的基础上，以康定市区为中心20km范围内进行大范围站址筛选，在8个站位中优选设站条件相对较好、工程实施难度相对较小的3个站位方案进行详细比选。其中：两岔路设站方案位于康定老城区，榆林南设站方案位于康定新城区，建成后的便利性优于三道桥设站方案，但由于康定地区崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害发育，一旦发生大型不良地质灾害，将会带来不可估量的损失。

图7 鲜水河崩滑流分布(郭长宝等， 2015)

3.3 地下工程“极难处理”工程地质问题选线——地下工程应优先避开现有工程经验难以处理的段落

第3阶段在三道桥设站方案的基础上，在南北50余公里范围内对折多山越岭方案进行了深入比选，研究了北线越岭(色拉哈垭口)、中线越岭(折多山垭口)、南线越岭(阿加哈垭口)等3个垭口越岭方案(图8)，“极难处理”工程地质问题主要为高地温、大变形、岩爆、突涌水问题。拉林铁路桑竹林隧道(何平等， 2020)、成兰铁路层状围岩隧道(巩江峰等， 2018)、兰渝铁路砂板岩隧道(李国良等， 2015)、锦屏电站(陈炳瑞等， 2012)等施工经验表明：大于60℃超高地温，极强烈大变形，极强烈岩爆，高压突涌水严重影响建设工程的安全、工期、投资。因此，线路在通过类似地质问题段落时，应首先进行绕避。

图8 不同垭口越岭方案示意图

北线越岭(色拉哈垭口)方案紧邻木格措冰湖，湖面标高低于线路标高约525m，且与断层联通，高压突涌水风险极大； 在木格措湖东北侧存在75℃高温温泉，隧道处于温泉的径流途径中、高温热水风险极大，研究后予以放弃。南线越岭方案(阿加哈垭口)处于鲜水河3个分支断裂的交汇处，受构造影响极为严重，围岩整体稳定性差，极大变形段落长，难以处理； 线路附近发育榆林宫温泉群，施工中极可能揭示超高温高压热水，地热风险极高，研究后亦予放弃。中线越岭方案(折多山垭口)尽量走边走高，最大限度降低了高地应力问题； 线路傍行雅拉河，标高高于雅拉乡温泉群，设置横洞的条件充分，可有效应对施工中可能遇到的突涌水和高温热水风险，因此将其纳入下一轮比选。

3.4 不良地质综合选线——统计各类不良地质灾害的数量，综合比选确定实施方案

第4阶段在折多山垭口越岭方案的基础上，研究了4个不同越岭高程的方案，方案比选示意图见图9，控制性因素包括岩爆、大变形、高地温、突涌水。3550m越岭方案(C4K)5.7km范围内穿越断陷盆地，属极难处理工程地质问题，首先予以放弃。其余3组方案比选情况见表1。

图9 不同高程越岭方案示意图

表1 不同高程方案比选表

由表1 看出： 3750m越岭(C2K)方案岩爆风险略高于其他两组方案，但岩爆总体上对线路方案的控制不明显； 3750m越岭(C2K)方案大变形比例最小，尤其是中等-强烈大变形的比例远低于其他两组方案，风险最低； 3750m越岭(C2K)方案遇高地温的可能性最低，遇高压突涌水的风险最小，且有良好的横洞顺坡排水条件，应对灵活，地质条件最为可控，因此作为推荐方案。

3.5 地质横断面选线——使选线更为精细化

第5阶段：考虑尽量降低色拉哈-康定断裂影响，结合地质横断面勘探成果，康定1号隧道段研究了外移(东侧)、中线、内移(西侧)方案(图10)。

图10 康定隧道段方案示意图

从宏观条件分析：内移方案距离色拉哈-康定断裂最远，最为有利，但距离越远，辅助坑道越长，造成工期增长，投资增加，且不利于施工和运营救援； 外移方案距离色拉哈断裂最近，部分地段处于完整性相对较差的糜棱岩中，围岩条件相对最差； 中线方案以大角度穿越色拉哈断裂后快速远离，并与线路保持1.3km以上的距离行进，避开了糜棱岩。

通过5条物探横剖面(剔除2KDS横剖面)开展地质横断面选线，从物探结果分析：内移方案有1处位于高阻带， 1处位于低阻带， 3处位于中阻带； 外移方案1处位于高阻带， 4处位于中阻带； 中线方案2处位于高阻带， 1处位于低阻带， 2处位于中阻带(图11)。内移方案相较其他两组方案并没有明显的改善，分析可能是由于处于N1和N2等两期花岗岩的侵入接触带附近，地质条件差； 外移方案较中线方案少1处物探高阻带，地质条件相对较差。

图11 康定隧道段地质横断面选线示意图

综合宏观条件、及实施的6条物探横断面分析结果，推荐中线方案。

4 结论与讨论

(1)经过5个阶段19个大方案比选，选定地质风险相对可控的三道桥设站-折多山垭口3750m越岭方案。该方案以隧道工程减轻地震次生灾害风险，明线工程避开了难以处理的不良地质，以有利地形规避了高陡岸坡，在色拉哈-康定断裂位置正交穿越，保持1.3km以上的距离后再傍山而行选择低温廊道，展线降埋深同时降低高地应力，以良好的横洞顺坡条件降低突涌水风险。受隧道工法、分合修等因素影响，工程投资最省。

(2)在复杂构造带地区，地质选线应采取分阶段不断深入的选线思路，具体流程为：区域稳定性选线-明线工程地质灾害选线-地下工程“极难处理”工程地质问题选线-不良地质综合选线-地质横断面选线等5个阶段逐渐深入的顺序。该研究成果可为川藏铁路金沙江缝合带、嘉黎构造带以及规划中的滇藏铁路选线提供借鉴。

(3)在遵守基本选线原则的同时，各阶段应充分考虑“岩性、构造、地下水”等3大地质基本要素，针对深大断裂构造应遵循“优先避让，其次正穿”，针对岩性应遵循“优先避开工程性质极差的特殊岩性(可溶岩、蚀变岩、构造软岩等)，其次选择强度和完整性适中的岩性，并坚持走硬不走软”，针对地下水应遵循“岩溶水发育区应尽量减短水平循环带长度，地下水发育区尽量靠边走高实现顺坡排，地热异常区应走在低温廊道”的原则。

(4)在岩爆和大变形预测过程中总结出：极硬且完整的岩体易发生极强烈岩爆； 极软且极破碎的岩体易发生极强烈大变形。而当强度适中，完整性适中时可避免强烈及以上等级的岩爆和大变形，对于高地应力区工程建设来讲，是最佳地段。