川藏铁路雅安至林芝段工程地质环境及主要工程地质问题

徐正宣，张利国，蒋良文，王 科，张广泽，冯 涛，王 栋，宋 章，伊小娟，王哲威，林之恒，欧阳吉，张晓宇

(1.西南交通大学，四川 成都 611756；2.中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031；3.川藏铁路有限公司，四川 成都 610045；4.中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

川藏铁路东起四川省成都市，向西经雅安、康定、昌都、林芝、山南，终于西藏自治区拉萨，全长1 570 km[1]。向东连接成都枢纽与中东部地区，向西通过既有青藏铁路和规划的新藏铁路，连接西北、新疆等地区。川藏铁路是中国西藏自治区对外运输通道的重要组成部分，是引导产业布局、促进沿线国土开发、整合旅游资源的黄金通道，也是巩固国家边防安全的重要战略通道[2]。

按照建设时序，川藏铁路分为成都至雅安段、雅安至林芝段和林芝至拉萨段，如图1所示。其中：成都至雅安段，即成雅铁路，于2018年底建成通车；林芝至拉萨段，即拉林铁路，计划于2021年6月建成通车。雅安至林芝段是川藏铁路地形最为困难、地质条件最为复杂的地段。

图1 川藏铁路沿线地形地貌图[2]Fig. 1 Topographic map along Sichuan—Tibet railway[2]

雅安至林芝段新建正线长约1 011 km，其中，四川省境内472 km，西藏自治区境内539 km；新建车站24座（不含雅安站、林芝站）；分布隧道72座，总长约838 km，占线路长度约83%；桥梁共87座，总长约114 km，占线路长度约11%；路基长约59 km，占线路长度约6%；川藏铁路雅安至林芝段为Ⅰ级双线电气化铁路，设计时速120～200 km/h。

雅安至林芝段地处中国乃至全球地形陡度起伏最大、气候条件最恶劣、内外动力地质作用最强烈、新构造运动最活跃、地质灾害极端频发的“地球第三极”青藏高原东南缘。复杂的地质演化过程导致川藏铁路规划建设面临前所未有的工程地质问题，是世界上地形地质及气侯条件最复杂、建设和运营难度最大的铁路工程[3]，曾被国内外专家称为铁路修建的“禁区”[4]。总结起来，川藏铁路雅安至林芝段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[5]、恶劣的气侯条件、薄弱的基础设施等六大工程环境特征，也是工程建设中面临的六大挑战；同时，具有工程建设环境极其恶劣、铁路长大坡度前所未有、超长深埋隧道最为集中、山地灾害防范任务艰巨、生态环境保护责任重大五大工程建设难题[6]，以及高原高山峡谷区地理数据快速准确获取难、地质灾害早期识别评估难、超级工程与物流保障难、生态环境风险大、重大工程建设及防控风险大等“三难两大”风险[1]。

针对川藏铁路沿线区域工程地质特征、不良地质与特殊岩土、主要工程地质问题、选线原则等方面，国内学者开展了大量的前期研究，取得了一定的成果。张广泽等[7]以新构造运动的观点，从夷平面研究出发，总结了横断山区主要工程地质问题，论述了川藏铁路通过该区的地质选线原则。宋章等[8]对拟建川藏铁路沿线的工程地质特征进行了分析，并概述了其对工程的影响；并基于此，从工程地质的角度，提出拟建川藏铁路工程地质选线原则。许佑顶等[9]研究后认为川藏铁路主要面临缝合带内动力作用效应、冰湖溃决、冰川泥石流等特殊环境地质问题。潘桂棠等[3]分析了川藏铁路雅安—林芝段贯穿的7条洋壳俯冲消减增生杂岩带（蛇绿混杂岩带），伴随中新世以来青藏高原强烈隆升均转化为新构造活动带、活动地震带、高地热活动带及地质灾害频发带，是川藏铁路攻坚克难的关键区带。薛翊国等[10]分析了川藏铁路沿线主要不良地质条件与工程地质问题，并对川藏铁路沿线潜在问题提出研究建议。这些研究还停留在区域宏观研究上，主要工程地质问题对工程的影响及对策的研究还处在起步阶段。

川藏铁路活动断裂与地震方面，针对龙门山活动断裂带、鲜水河活动断裂带、理塘活动断裂带等研究工作较多，缺乏对铁路所穿过的活动断裂带的一个系统论述，缺乏对工程影响的研究。

川藏铁路地质灾害方面，向淇文等[11]利用SBAS技术对折多山地区地表形变进行监测，圈定了3个明显形变范围。国内其他学者对鲜水河断裂带、理塘断裂带、嘉黎断裂带等的地质灾害研究工作较多，但研究多停留在具体地质灾害点上，仍缺乏对工程影响的研究。

川藏铁路高地应力、高地温、突涌水及有害气体方面，王栋等[12]利用地应力实测数据，数值模拟分析折多山隧道隧址区地应力分布特征；结合深孔钻探成果、岩石力学试验、水文试验成果综合分析了川藏铁路折多山隧道发生岩爆的强度。刘金松[13]研究了高温隧道施工关键技术，提出采用降温、隔热、高温爆破及人员防护技术，可有效降低高温爆破安全风险，保障施工人员健康安全。但还缺少对区域特征及对隧道工程影响的系统研究。

上述研究虽然从不同角度对川藏铁路沿线区域地质特征、不良地质与特殊岩土、主要工程地质问题等进行了阐述，但缺少实测数据，对表生不良地质和隧道深部不良地质潜在问题认识仍不够全面，对工程影响研究还不够系统完整。本文通过高精度遥感解译、INSAR解译、地质调绘、钻探、物探及测试、试验等现场工作，对最新地质专题成果进行总结提炼，对沿线主要工程地质问题进行全面分析与阐述，旨在系统、全面地介绍川藏铁路雅安至林芝段的工程地质特征、浅表层及隧道深部主要工程地质问题，总结减灾选线原则，提出针对性工程对策，弥补现有研究成果的不足，为川藏铁路规划建设提供科学依据。

1 工程地质特征

1.1 地貌特征

青藏高原经历了长达4.9亿年的长期演化，碰撞、挤压、隆升作用形成现今的地貌，总体地势北高南低、西高东低[8]。雅安至林芝段穿越了中国最长、最宽、最典型的南北向山系横断山脉，各条山脉之间镶嵌着大渡河、鲜水河、雅砻江、金沙江、澜沧江、怒江等河谷，组成了岭谷相间、山重水复的巨大山原。山原面高程从东南部的3 500～4 000 m上升到西北部的4 500～5 000 m；山原面以下，从北到南，河流逐渐深切形成连续不断的峡谷，岭谷之间的高差往往可达2 000～3 000 m[14–15]。中国地势第2阶梯的四川盆地过渡到第1阶梯的青藏高原，地势急剧隆升抬起，为典型的“V”形高山峡谷地貌；高原面地貌形态的总体特征主要是丘状高原及构造侵蚀形成的深切峡谷地貌[16]。

川藏铁路雅安至林芝段穿越二郎山、折多山、沙鲁里山、海子山、芒康山、他念他翁山、伯舒拉岭、色季拉山8座高山，跨越大渡河、雅砻江、金沙江、澜沧江、怒江、帕隆藏布、易贡藏布[17]7大江河，线路六起六伏，经过四川盆地、川西高山峡谷区、川西高山原区、藏东南横断山区、藏南谷地区[1]共5个地貌单元。

1.2 地层岩性特征

雅安至林芝段地层岩性的分布受地质构造控制作用明显，主要穿越扬子地层大区、羌塘三江地层大区、冈底斯–喜马拉雅地层大区及特殊地层区。除寒武系外，从第四系到震旦系均有分布，主要岩性为：1）以砂岩、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[8]。隧道段硬质岩占比47%，软质岩占比53%，如图2所示。

图2 川藏铁路雅安至林芝段沿线地层岩性分布Fig. 2 Outline of stratigraphic lithology along Ya’an—Linzhi section of Sichuan—Tibet railway

图3 川藏铁路大地构造格架示意图Fig. 3 Schematic diagram of tectonic framework of Sichuan—Tibet railway

昌都以东，以砂岩、板岩等沉积岩和变质砂岩、千枚岩等浅变质岩为主，局部地段分布有花岗岩侵入岩，隧道段硬质岩占比约38%；昌都以西以片麻岩、花岗岩等硬质岩为主，局部分布砂板岩等软质岩，隧道段硬质岩占比约60%。

1.3 地质构造特征

1.3.1 区域大地构造特征

沿线主要通过4个一级构造[18]、12个二级构造，如图3所示。

1.3.2 活动断裂带与地震特征

地震研究上的活动断裂是指晚更新世（约120 000 a）以来有活动的断层；铁路工程建设中所指活动断裂是指全新世（10 000 a）以来有过活动，未来仍可能活动的断裂。

沿线分布龙门山、鲜水河、玉龙希、理塘、巴塘、金沙江、澜沧江、怒江、边坝—洛隆、嘉黎、米林等11条活动断裂带[19]，共有15分支，其中线路通过11支，以路基形式通过3支，以隧道形式穿越8支，如图4所示。

1）龙门山断裂带南段F1。主要由盐井—五龙断裂F1–1、大川—双石断裂F1–2和一些NE向次级断裂组成；沿断裂带，2013年发生了芦山7.0级地震，历史上还发生过1327年天全>6.0级地震和1970年大邑6.2级地震。其中，大川—双石断裂F1–2为晚更新世以来地表弱活动断裂，未来存在发生7级左右地震的可能，最大突发位错量约0.2～0.5 m，逆冲活动性质。铁路未穿过该断裂。

2）鲜水河断裂带F2。该断裂带是一条全新世强烈活动的大型左旋走滑断裂带，自1725年以来，不到300 a的时间里就记录有8次6.9级以上地震发生。铁路以隧道形式穿经了鲜水河断裂带的雅拉河、色拉哈和折多塘等3条分支断裂。

图4 川藏铁路雅安至林芝段沿线主要活动断裂与历史地震（M≥4.7）分布简图[19]Fig. 4 Schematic diagram of tectonic framework of Sichuan—Tibet railway distribution of main active faults and historical earthquakes (M≥4.7)[19]

雅拉河断裂F2–1，虽无7级以上历史地震记录，但在雅拉雪山东侧的雅拉措湖岸边仍保留有挤压鼓包、裂缝等地表破裂遗迹，同震左旋位错量在2.5 m左右，以往资料认为断裂往南终止在王母附近，此次工作发现雅拉乡一带仍有全新世活动迹象。

色拉哈断裂F2–2，康定以北多个探槽揭露晚更新世末以来记录有4次古地震事件，最新一次事件为1725年康定7级地震；康定以南的新榆林地点也揭露有多次古地震事件，最新一次事件对应1786年康定南7¾级地震。色拉哈段未来可能突发位错量约4 m。

木格措南断裂为全新世活动断裂，分为南北两支，分布于色拉哈断裂与折多塘断裂之间，以左旋走滑为主，兼有正断分量，其中，木格措南断裂南支北西段倾向NE，南东段倾向SW。

折多塘断裂F2–3历史上发生过1955年康定折多塘一带7½级地震，左旋走滑兼有正断活动性质，同震左旋走滑位错量约3 m，垂直位错量约1 m。

3）玉龙希断裂F3为全新世活动断裂，左旋走滑活动性质，曾发生过1975年康定、九龙间6.2级地震。未来可能突发位错量约1.8 m。铁路以隧道形式穿越。

4）理塘断裂带F4为全新世强烈活动的左旋走滑断裂，兼有逆冲性质，曾发生过1948年理塘7½级地震，探槽揭露全新世有过多次古地震破裂事件，村戈乡至禾尼乡一带地表破裂带至今保存较好。未来可能遭遇的最大位错量约4.1 m（左旋走滑）、垂直位错量约1.0 m（逆冲）。铁路以路基形式跨越。

5）巴塘断裂F6为全新世活动的右旋走滑断裂，历史上曾发生过1870年7¼级巴塘地震，多处仍见有地表破裂遗迹，同震右旋水平位错量约2.0～2.5 m，铁路南侧见延伸较好的线性鼓包等地貌，可能与1870年地震有关。铁路未穿过该断裂。

6）金沙江断裂带F7是一条结构非常复杂的缝合带，由东界断裂F7–1、金沙江主断裂F7–2、西界断裂F7–4等3条主要断裂和西支断裂F7–3及一系列次级断裂组成，宽约50～60 km，总体走向近南北向，控制不同构造层的边界。以巴塘断裂和德钦—中甸—大具断裂为界，金沙江断裂带可分为北、中、南3段。

巴塘断裂以北金沙江断裂带的几条主要组成断裂线性影像特征不明显，未发现断错晚更新世中晚期以来地层剖面，亦未见明显活动微地貌显示，历史上无6.0级以上地震记载，主要活动时代可能在第四纪早中期，仅东界断裂及西界断裂局部地段晚更新世早期可能仍有活动。

铁路穿经了金沙江断裂带的北段，穿经部位的巴塘下莫西一带东界断裂及贡觉哈加乡–阿旺乡之间的马曲一带西界断裂晚更新世早期存在活动迹象。

7）澜沧江断裂带F9，早期资料一般将其归为晚更新世活动断裂，在铁路南侧吉塘镇附近发现断错地貌及断错全新世地层剖面，属全新世活动断裂。昌都隧道出口段穿经该断裂，该处未发现全新世活动迹象。

8）怒江断裂带F10总体为逆冲走滑，为全新世活动断裂。主要分为两支，一支为羊达—亚许断裂，最大水平位错量2.0～3.0 m，垂直位错量1.0 m；另一支为怒江断裂邦达段，最大垂直位错为2.0～3.0 m。铁路均以路基工程通过。

9）边坝—洛隆断裂F11为全新世活动断裂。最大水平位错量3.0～4.0 m，垂直位错量1.0 m，铁路以隧道穿经该断裂。

10）嘉黎断裂带F12为全新世活动断裂，以东构造节为界，大致分为3部分：东构造结以西为嘉黎断裂西北段，东构造结顶端易贡—通麦段为嘉黎断裂中段，东构造结东南部分波密—察隅段为嘉黎断裂东南段。其中：北段较为活跃，主要表现为右旋走滑特征；中段为右旋挤压特征；东南段为左旋挤压特征。最大水平位错量5.0～6.0 m。铁路以隧道穿经该断裂。

11）米林断裂带F13为全新世活动断裂，以逆冲为主兼有左旋走滑。最大垂直位错量2.0～3.0 m。铁路未穿过该断裂。

在昌都以东区域，地震震中沿鲜水河断裂带呈北西向展布，沿龙门山断裂带呈北东向展布，沿马边断裂带地震震中呈近南北向展布。在理塘—巴塘一带，存在一个北西西向的弧形地震条带。

在昌都以西区域，地震震中大多沿北西向断裂分布；在东构造节所在地区（林芝、波密、墨脱一带），在东、西两侧，地震沿北东向断裂分布；在波密以西，地震沿北西向断裂分布。

经研究，地震震中的平面分布显示了明显的不均一性，条带性分布明显，表明破坏性地震往往与活动构造密切相关。根据地震安全性评价结果显示，区内地震活动频繁而强烈，属高烈度地震多发区。地震主要集中在11条活动断裂带上，50%的路段设计地震动峰值加速度达到0.20g及以上，康定至折多山段的设计地震动峰值加速度高达0.40g及以上，折多塘活动断裂带附近的设计地震动峰值加速度高达0.60g[19]，如图5所示。

图5 川藏铁路沿线地质动参数分区Fig. 5 Zoning map of geological dynamic parameters along Sichuan—Tibet railway

1.4 气侯特征

沿线高原气候区的气候垂直分带显著，雨量较大，但区域分配极不均匀。暴雨多发于藏东区域，最长连续降水日数超过40 d，过程最大降水量超过100 mm，极值为500 mm；沿线区域西北部大风日数发生频繁，日极大风速年极大值普遍超过20 m/s，局地超过30 m/s；温度年日较差最大值的多年平均值从东到西呈现小→大→小→大的趋势，大值区普遍为25～30 ℃，局地高于30 ℃；康定及以西地区降雪量最大值超过200 mm，降雪期为100～250 d，积雪期为50～150 d；大部分区域年结冰日数为100～150 d，局地多达200 d；康定至昌都之间为雷暴高值区，年雷暴天数为45～75 d。川藏铁路沿线高海拔及其高差的剧烈变化使得气候条件变化剧烈，具有多风、强降水、高寒、大温差、强紫外线、气候干燥等特点，复杂多变的气候特征及其衍生灾害将会对川藏铁路工程修建和运营带来不利影响。

2 浅表层主要工程地质问题

沿线具有高海拔、大高差、地壳抬升隆起、构造运动强烈、河流剥蚀急速下切、极端天气频繁等特殊地质环境背景，在内外动力地质作用下形成了危岩落石、崩塌、滑坡、泥石流、冰湖溃决等地表重大地质灾害。研究区域山地灾害频率高、规模大、速度快、破坏力强，同时具有群生性和链生性特点，频发的山地灾害给川藏铁路建设带来了巨大的挑战。

2.1 滑坡

沿线滑坡灾害主要集中分布在康定至新都桥段、德达至罗麦段、怒江至通麦等路段，具有呈条带状沿河谷集中分布的特点。由于主河流及支沟区域受构造切割、水动力条件等影响，物源相对较为丰富，同时该区又是人类工程活动集中区，故灾害大多沿大渡河、澜沧江、怒江、帕隆藏布及其支流呈条带状分布。河流下切后使得应力释放，在两岸边坡上会形成卸荷裂隙。卸荷裂隙与岩石层面或节理裂隙面交叉，会形成使岩体强度降低的不利组合，容易产生滑坡灾害。河流侧向侵蚀坡脚，会破坏原始斜坡的稳定性；洪水期河流水位上升，边坡内地下水位也随之抬升，软弱结构面遇水软化，力学强度降低，容易发生滑坡。河流是地区性侵蚀基准面，河谷地区是地下水的集中排泄带，动水压力也会加剧地质灾害的发生。

沿线滑坡具有与构造带、活动断裂带展布相一致的特点。沿线地质构造控制了地貌的发育，并通过地形地貌和斜坡结构对地质灾害的发育产生影响。一方面，地震等新构造运动直接破坏岩土体的结构，降低其物理力学强度；另一方面，构造活动使岩体完整性降低，形成的裂隙使雨水更容易入渗，会增加岩土体的自重和减小岩土体的黏聚力和摩擦力，容易产生滑坡灾害。同时，构造裂隙及断层面常与卸荷裂隙组成向临空面的不利组合，更容易发生崩塌灾害。典型案例如毛垭坝高位远程滑坡，见图6。

图6 毛垭坝乱石包滑坡Fig. 6 Maoyaba Luanshibao landslide

沿线滑坡具有分布广、类型多，高位隐蔽性滑坡勘察、判识困难，高位远程的潜在滑坡高差大、能级高、破坏力强，高烈度地震区滑坡治理难度大，滑坡范围的桥隧工程变形控制难度大，陡坡地段滑坡整治材料、设备运输困难，恶劣气候环境下抗滑桩施工困难等难题。

通过遥感解译、地质调绘、InSAR数据分析、钻探、专题研究等工作，沿线廊道内共统计出滑坡2 693处，采用绕避或以隧道下穿的方式规避了99%的滑坡，对线路工程仍有潜在影响的滑坡18处。针对滑坡按分区、分级防治的原则，因地制宜采取截排水、抗滑支挡等综合整治措施加以治理。

2.2 泥石流

沿线泥石流发育广泛。受不同的地质构造、地层岩性、气候、冰川发育程度的条件限制，不同区域发育的泥石流类型及规模均有所不同。

川藏公路沿线和周边地区共有27条泥石流沟暴发过泥石流。川藏公路沿线西藏境内泥石流在1950—1970年代集中暴发，1970进入相对平稳期，1980—1992年沿线暴发了18次泥石流，2012—2018年四川省内多条泥石流沟暴发。部分沟谷存在周期性暴发。

沿线区域雨洪型、冰雪融水型、冰湖溃决型、混合型等多种类型泥石流均有分布，泥石流成因复杂，既与流域内地质地貌条件有关，又与流域内水文气象、现代冰川活动、区域性地震等诸多因素关系密切，是多种自然因素综合作用的结果[20]；部分已进入一个相对持续平静期的泥石流，在特大地震影响下仍有再次暴发的可能性。

勘察设计阶段查明沿线廊道分布1 581处泥石流，通过地质选线，采取避绕或隧道下穿的方式规避了98%的泥石流，通过加深地质工作及局部方案优化，进一步规避、细化评价泥石流风险。针对沿线对工程仍有影响的泥石流采取形成区固床护坡、流通区分级拦挡、堆积区排导和消能等综合防治措施[21]。

以古乡沟泥石流（图7）为例，该泥石流成因十分复杂，既与流域内地质地貌条件有关，又与流域内水文气象、现代冰川活动、区域性地震等诸多因素关系密切，是多种自然因素综合作用的结果。在勘察设计阶段，充分考虑了帕隆藏布两岸特大型冰川泥石流对铁路工程的影响，采用长大靠山易贡隧道和通麦隧道穿越泥石流发育区，累计下穿泥石流沟谷15条，下穿深度远大于泥石流的冲刷深度，如易贡隧道穿越古乡泥石流沟谷段埋深达240 m，在考虑时间效应的条件下，能够保障工程的安全。

图7 古乡沟泥石流3维影像图Fig. 7 Three dimensional image of debris flow in Guxiang gully

2.3 冰湖溃决

过去几十年暴发的冰湖灾害频率有上升的趋势，特别是在2000年后。根据20世纪以来西藏冰湖溃决灾害事件梳理及中国西藏地区冰湖溃决灾害等相关研究成果，整理了1931—2016年中国青藏高原地区34个冰湖及38次冰湖溃决事件。其中，1960—1970、1980—1990、1990—2000年为高发期；2000—2010年为极高发期，总计9次；2010年至今为高发期，目前记录5次，整体上冰湖溃决出现了明显增多的趋势。冰湖溃决发生地高程主要在4 410～5 560 m，均集中在海拔较高人烟稀少区域。冰湖溃决原因主要是冰崩及冰滑坡，可以占到70%，但应注意的是，2000年以来，冰崩5次，冰川退缩融水、强降雨引起总计6次，成为冰湖溃决的主要成因。冰湖溃决的成灾形式主要是洪水和泥石流。

据历史冰湖溃决灾害事件分析，面积大于0.1 km2的冰湖往往会对下游产生明显的破坏，川藏铁路沿线冰湖分布较多，其中较大冰湖主要集中分布在波密至鲁朗段，如帕隆藏布流域中，面积大于0.1 km2的冰湖有21个，均小于1 km2。沿线特别是帕隆藏布流域，海洋型冰川广泛发育，冰湖数量也较多，受全球气候变化和区域气候的影响，导致该区域冰川以消融和后退为主，冰湖数量增加，冰湖水量也快速增加，冰湖溃决的风险显著增加。

勘察设计阶段充分考虑冰湖对工程的影响并进行了绕避，共绕避99%的冰湖。目前对线路有一定危害的冰湖有11个。考虑线路一定范围内的冰湖溃决后到达工程处表现的灾害形式为洪水，通过设置桥梁工程、增加跨度和净空、预留泄洪通道、采用防护措施可确保工程的安全；同时，建立动态监测预警系统，可有效应对地质灾害对工程的影响。

2.4 危岩落石

沿线危岩落石分布规律如表1所示。

基于现场调查及分析，将桥梁选择在岩质较坚硬、岸坡稳定地段通过，确保桥梁墩台的安全。结合3维倾斜摄影、Lidar成果分析及现场调查，部分隧道洞口上方存在的危岩落石，对线路的威胁较小，风险可控，采取适当的挡护措施，可以保证铁路隧道洞口边仰坡及桥梁墩台的安全。目前，对工程有较大影响的危岩落石有41处，均采取了针对性的工程防护措施，同时需要加强建设及运营期间监测预警工作。

表1 沿线危岩落石分布情况Tab. 1 Distribution of dangerous rocks and rockfalls along the line

2.5 沟谷山地灾害链

沿线在青藏高原隆升、气候变化和强震活动导致的高陡、高寒、高烈度和高地应力条件下，大型滑坡堵江堰塞湖、大型冰川泥石流、冰湖溃决洪水等巨型灾害链频发，这些链生山地灾害对明线地段工程设置及桥、隧工程安全影响巨大。为规避沟谷山地灾害链对工程的影响，对川藏铁路沿线发生过堵江风险的大江大河进行梳理，分析堵江后对线路工程的影响。

在川藏铁路勘察设计中，对可能产生堵江风险的地段均开展了专题研究。整体而言，滑坡等堵江事件的发生位置距离铁路较远，川藏线跨越大江大河多采用高跨桥通过，充分考虑了未来发生滑坡堵江及溃决洪水对铁路安全运营的影响。研究表明：如古乡沟发生相同规模泥石流产生的堵江汇水不会对波密车站产生影响；金沙江白格滑坡堵江形成堰塞湖使水位累计上涨57.44 m，金沙江沙马桥位高出水面约350 m，上游3 km叶巴滩水电大坝具有显著的控水作用，金沙江发生类似白格滑坡形成的堵江，对桥梁正线工程无影响。雅拉河、折多塘、巴塘站、麻曲河、降曲河、则巴站、色曲、夏里、康玉曲、洛隆车站、通全曲、瓤打曲、茶隆隆巴曲、易贡藏布、东久曲、腊玖沟等沟谷地段需要加强沟谷灾害链的监测与预警工作。

3 隧道主要工程地质问题

高原隆升具有显著的地形地貌效应、气候效应及地学效应，挤压构造、岩性组合及地下水耦合衍生了高地应力、高地温、高压突涌水、有害气体等典型的地下重大不良地质，对川藏铁路建设带来了巨大的挑战。

3.1 活动断裂及高烈度地震

沿线发育11条全新世活动断裂带，存在错断、震坏和地震次生灾害。地震动峰值加速度超过0.4g的地区，测段主要为康定地区。隧道工程有8处穿越活动断裂，如表2所示，应采取合理的工程措施。

表2 隧道穿经活动断裂Tab. 2 Active fracture of tunnel traversing

由于川藏铁路沿线活动断裂分布多，地震烈度高，对工程抗震应以预防为主，使工程经抗震设防后，“小震不坏、中震可修、大震不倒”。针对活动断裂问题，隧道工程应采用预留补强空间、圆形大刚度抗震衬砌、加密变形缝等措施，路基工程应采用加宽路基面、放缓路堤边坡坡率等措施。

3.2 高地应力岩爆与大变形

沿线活动断裂发育、新构造运动强烈、岩浆侵入体广泛分布，存在大量构造应力高度集中的地质环境，隧道可能遭遇高地应力工程环境，硬脆围岩可能发生岩爆，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[22]。

隧道岩爆及大变形与隧道所处地区的最大水平地应力、隧道轴向与水平应力之间的夹角、埋深等均有相关性。72座隧道埋深情况如表3所示。

表3 隧道埋深分布情况Tab. 3 Distribution of tunnel depth

雅安至林芝段共完成地应力实测钻孔434个，从实测钻孔分析可知：从雅安至金沙江缝合带，地应力方向以北西为主；贡觉盆地至林芝段，地应力方向以北东向为主；实测地应力优势方向与宏观GPS实际观测速度场吻合性较好，证明实测地应力方向结果的可信度较好；地应力在单孔范围内均呈现出随深度增加而变大的规律，统计深孔侧压力系数（最大水平主应力/自重应力的比值）平均值约为1.47，8%的深孔侧压力系数达2倍以上，这些侧压力系数大于2的深孔测试深度为86～550 m，平均深度约为240 m。

定测阶段根据大量实测地应力结果进行了数值模拟，获取了较为准确的地应力预测结果，最大地应力较可研阶段变化幅度基本在5%以内，总体变化不大。全线硬质岩隧道实测最大地应力53.06 MPa，推算全线硬质岩隧道最大地应力66 MPa，预测27座隧道不同等级的岩爆总长占比约15.3%。全线软岩实测最大地应力为44.3 MPa，推算沿线软岩最大地应力为54.8 MPa，预测43座隧道不同等级的大变形总长占比约17.8%。

针对高地应力岩爆问题，设计中应加强超前地质预报和岩爆微震监测；采用主动释放围岩内积聚的应变能，降低岩爆等级；优化开挖工法和加强光面爆破，综合采用超前加固、预应力锚杆、消能防护网、钢架、钢筋排等联合支护措施，控制岩爆风险，以保证工程顺利推进。

针对高地应力软岩大变形问题，工程选线时应充分考虑高地应力问题，采用傍山、拔高线路标高等方式尽量减小隧道埋深，线路方向尽量与最大主应力方向平行或小角度相交；同时，选择岩体完整性好、强度较高的地段通过；合理设置线间距，降低隧道两洞相互不利影响。施工中以超前钻探法为主，结合多种物探手段进行综合超前地质预报，根据预报结果采取相应的工程措施[23]。轻微及中等大变形，采用椭圆形轮廓；严重大变形，采用近圆形轮廓。支护措施采用主动控制围岩变形的支护理念，即合理预留变形量、早高强钢纤维喷混凝土、长短锚杆结合、加强钢架、注浆修复围岩、大断面快速施工。

3.3 高地温及高温热水

沿线高地温类型可划分为由地温梯度因埋深引起高岩温，以及水热活动形成的高温热水（汽）与高岩温，其形成模式如图8所示。

青藏高原水热活动严格受深大断裂和次级断裂控制，断裂除作为地质体控制地温外，地下水渗入并向深部循环，被正常地温或潜伏的热源体加热后，沿上述断裂上升，隐伏于地下或出露于地表，形成了一系列的温泉及高温异常区，其排列方向同构造一致，呈现“南北呈带、东西呈条”的特点。

图8 高温热水和高岩温形成模式[24]Fig. 8 Formation mode of high temperature hot water and high rock temperature[24]

沿线温泉分布主要沿活动断裂带及侵入岩体边缘围岩接触带分布，呈现高度的相关性。雅安至昌都段温泉分布众多，与线路关系较大的分布于断裂带的温泉有67处；昌都至林芝段测区共分布温泉115处，与线路关系较大的分布于断裂带的温泉有8处。川藏铁路沿线地温异常区可以划分为17段，分布如图9及表4所示。

图9 区域地质构造与热水分布Fig. 9 Distribution of regional geological structure and hot water

经过定测阶段的勘察工作，进一步细化了高地温等级划分。预测26座隧道存在程度不等的高地温，大部分隧道高地温由埋深、地温梯度引起。康定一号、康定二号、德达、拉月4座隧道存在高温热水风险，预测最高地温出现在拉月隧道，洞身温度最高可超过60 ℃。

针对高地温问题，设计中需要针对高地温隧道段采取洞内综合施工降温、封堵或引排地下热水、增强衬砌抗裂性、选用耐热建材及设备、加强人员高温防护等综合防治措施，以有效解决高地温问题，确保工程可行、风险可控。

表4 川藏线铁路沿线地温异常区分布Tab. 4 Distribution of geothermal anomaly areas along Sichuan—Tibet Railway

3.4 高原岩溶与突涌水

3.4.1 岩溶突涌水

岩溶形态形成过程漫长，青藏高原岩溶在区域抬升相对停滞期，具备岩溶系统演化的长时段条件，因此岩溶呈现明显的垂向分带特征，同时受青藏高原隆升挤压，构造迹线切割控制地层展布，也形成岩溶发育的优势方向。

沿线多套地层岩组含有碳酸盐岩，其中雅安至金沙江段、芒康山越岭段等受主干断裂构造控制，分布有近南北向可溶岩条带，昌都至林芝与构造迹线均呈北西向条带；全线岩溶分布最为广泛地段属金沙江东岸格聂山越岭，格聂山一带5 000～5 500 m发育冰蚀溶蚀复合型地貌，4 000 m以下出露较多岩溶泉，岩溶水动力条件强烈，岩溶发育及富水性受断裂、褶皱构造控制明显，部分段落的隧道涌水量大、水压高，突涌水风险大，控制线路方案选择。

全线共17座隧道穿越可溶岩，总长约58.0 km，主要集中分布在郭达山、德达、格聂山、康玉、多吉等隧道中，长约37.8 km，其中水平循环带段落长约30.4 km。

穿经可溶岩段、丰水期涌水量大于50 000 m3/d的隧道为德达、格聂山、孜拉山、东达山、昌都、康玉、多吉等。突涌水高–极风险隧道主要有郭达山隧道、格聂山隧道、孜拉山隧道、东达山隧道、红拉山隧道、芒康山隧道、昌都隧道、康玉隧道等8座。

3.4.2 深大断裂带突涌水

沿线富水带的形成，受地质构造、地层岩性、地形地貌等多因素控制。一般来说，断裂密集带的可溶岩、碎性岩展布区，易形成破碎的储水空间及深部的循环通道。沿线主控构造主要有鲜水河断裂带、金沙江断裂带、怒江断裂带、雅江缝合带、嘉黎断裂带，与次级断裂带共同形成了沿线富水带分布格局。

泸定—新都桥段：完成的71孔中，测得水位与轨面距离大于500 m的钻孔17个，集中分布于宝灵山隧道、郭达山隧道、康定一号隧道、康定二号隧道。估算隧道丰水期涌水量大于100 000 m3/d的隧道3座，分别为郭达山隧道、宝灵山隧道及康定二号隧道。

海子山—贡觉段：完成的53孔中，测得水位与轨面距离大于500 m的钻孔10个，分布于德达隧道、茶洛隧道、格聂隧道、孜拉山隧道、红拉山隧道、贡觉隧道。估算隧道丰水期涌水量大于100 000 m3/d的隧道4座，分别为德达隧道、格聂山隧道、孜拉山隧道、红拉山隧道。

芒康山—八宿段：完成的57孔中，测得水位与轨面距离大于500 m的钻孔8个，分布于贡觉隧道、芒康山隧道。估算隧道丰水期涌水量大于100 000 m3/d的隧道1座，为芒康山隧道。

波密—林芝段：根据深孔水位测试成果及预测的隧道涌水量，完成的101孔中，测得水位与轨面距离大于500 m的钻孔24个，集中分布于易贡隧道、通麦隧道、拉月隧道、鲁朗隧道、色季拉山隧道。估算隧道丰水期涌水量大于100 000 m3/d的隧道3座，分别为易贡隧道、拉月隧道、色季拉山隧道。

根据勘察成果，雅安至林芝段隧道共发育227条区域性断裂，影响总宽度约28 080 m，其中，穿越可溶岩区域断层共计33条，影响宽度近6 000 m。

针对隧道涌突水问题，勘察设计阶段针对康定二号、伯舒拉岭等越岭隧道采取抬标高、降低埋深等措施；针对格聂山、康玉等岩溶隧道采取傍山选线，尽量走行于水平径流带之上等措施，最大限度降低了突涌水风险。同时，设计中尽量采取顺坡排水，有效降低排水难度。施工中以超前钻探法为主，结合多种物探手段进行综合超前地质预报，根据预测及预报结果对围岩进行预加固处理，对高压富水段落采取超前排水泄压措施，以及排堵结合、以排为主的方式可有效降低施工风险。

3.5 有害气体

沿线经过区域地质条件复杂，岩浆岩、变质岩、沉积岩均有分布，经多期次构造及岩浆岩侵入，深大断裂众多，局部地段经过含煤地层，在深部地段，瓦斯等有害气体成因及分布极其复杂，气体类型主要为煤层瓦斯、天然气瓦斯和其他有害气体三大类，既存在有机成因的，也有无机成因的。瓦斯气体成分主要为CH4、CO2、H2S、CO、SO2和NH3等。从来源来看，主要有煤系地层、油系地层、含炭质有机质地层、地热流体伴生、变质作用产生及深源成因气体。

经钻探孔内有害气体实测，全线有3座高瓦斯隧道、6座低瓦斯隧道、8座非煤瓦斯隧道，另有20座隧道钻孔检出H2S、CO、CO2、SO2等有害气体。

针对有害气体的问题，设计和施工中应加强瓦斯等有害气体的监测，建立完善的有害气体超前地质预报探测体系；采取超前综合防突措施先行、工作面综合防突措施补充的防突措施；施工中，应加强通风，稀释瓦斯等有害气体浓度；对隧道结构采取可靠的瓦斯封闭隔离层等措施，以确保工程施工、运营安全。

4 地质选线建议、建设与运营期关注重点

4.1 地质选线建议

1）线路宜绕避活动断层、高烈度地震区。绕避困难时，宜大角度短距离通过，特殊困难段落应综合比选或进行专项论证。并行活动断裂带段落线路应综合考虑活动断裂特征及未来地震活动的影响，通过合理的工程形式及抗震措施降低活动断裂对工程产生的不利影响。

2）选线应充分考虑沿线表生地质灾害的链生性、群生性特点，线路应绕避大型和性质复杂的滑坡、岩堆、崩塌、错落、危岩落石，以及大型暴雨型、冰川型及冰湖溃决型泥石流等不良地质体及集中发育地段，绕避困难时，应采用适宜的工程类型从合理的位置通过。

3）隧道通过高地应力区时宜降低埋深、减小长度，隧道轴向宜与区域最大主应力方向平行或以小角度相交。

4）线路应绕避可能出现严重热害的高地温区，应选择低温走廊通过，宜采用明线工程或埋深较浅的傍山、靠河隧道工程。

5）高原岩溶地区隧道工程设置应考虑岩溶发育特征，宜避开水平径流区及可溶岩与非可溶岩接触带。

4.2 建设与运营期关注重点

1）构建青藏高原东南缘深部地质大剖面。

通过施工期的地质素描、3维点云扫描、洞内岩石标本采集等工作，并和勘察期间数据进行融合，制定高精度地理地质信息集成表达标准，形成青藏高原东南缘深部地质大剖面。

2）探索青藏高原与邻区的区域地球动力学特征。

勘察阶段有大量深孔采用水压致裂法获取的地应力实测数据；在施工开挖后，再采用其他地应力测试方法，结合地应力常观数据，分析不同深度地应力的分布特征与变化规律，得出青藏高原与邻区的区域地球动力学特征。

3）建立多灾种的早期识别与监测预警系统，形成完善的监测预警体系。

研究高原高海拔山区地质灾害空天地一体化智能监测预警技术与装备、活动断裂带地震风险评估及监测预警技术、地震破坏快速评估技术及应急处置技术与装备，形成完善的监测预警体系。

4）研究活动断裂带深部场地工程效应特征。

研究川藏铁路隧址区活动断裂带活动特性及场地地震效应，揭示活动断裂带蠕滑错动和强震耦合作用下隧道结构变形机理及损伤特性等。

5）加强隧道超前地质预报技术创新。

研发隧道超前地质预报新技术、新方法、新装备，将勘察地质数据与超前地质预报数据、施工数据进行融合，运用智能化超前地质预报技术，为安全施工做好保障。

5 结 论

1）川藏铁路雅安至林芝段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、恶劣的气侯条件、薄弱的基础设施等六大工程环境特征，也是面临的六大挑战。具有工程建设环境极其恶劣、铁路长大坡度前所未有、超长深埋隧道最为集中、山地灾害防范任务艰巨、生态环境保护责任重大五大工程建设难题。具有高原高山峡谷区地理数据快速准确获取难、地质灾害早期识别评估难、超级工程与物流保障难、生态环境风险大、重大工程建设及防控风险大等“三难两大”风险。

2）采用“空天地”综合勘察手段，查明了沿线工程地质环境与主要工程地质问题，研究区域属大型滑坡、冰川泥石流、冰湖溃决等山地灾害的集中区和易发区，并且各类灾害在复杂的环境条件下易形成链生性灾害；研究区域内的活动断裂与高烈度地震、高地应力岩爆与大变形，以及高地温、高压涌突水、有害气体等多场耦合下的深埋隧道重大不良地质发育，影响和制约铁路工程选线及工程建设。

3）针对研究区的主要工程地质问题，通过采用隧道穿越方式绕避大型复杂的浅表地质灾害；采用减少埋深、缩短长度、傍山靠河、走行于相对低温廊道、避开长大水平径流区等针对性工程措施，可有效应对浅表层及隧道不良地质问题。

4）提出减灾选线原则，同时建设期和运营期重点关注构建青藏高原东南缘深部地质大剖面、探索青藏高原与邻区的区域地球动力学特征、建立多灾种的早期识别与监测预警系统并形成完善的监测预警体系、研究活动断裂带深部场地工程效应特征，以及加强隧道超前地质预报技术创新等5个方面。

5）结论可用于指导川藏铁路勘察设计及建设施工运营，也可为滇藏、中尼等铁路的勘察设计及建设施工提供参考。

6）施工期间的地质工作除揭示工程地质条件作用外，对于区域地质、地球动力学特征等基础地质科学等方面的研究也将起到重要的推动作用，通过川藏铁路的修建，将极大推动基础地质、工程地质、工程建造等各方面的研究水平。