滇藏铁路主要工程地质问题及地质选线原则研究

2021-07-12王进华

铁道标准设计 2021年7期

王进华

(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)

1 概述

拟建滇藏铁路作为我国进藏铁路干线的5条路线之一，建成后可以增进西藏与西南地区的联系，对促进沿线经济发展、加强国防建设具有非常重要的意义。

我国在20世纪50～90年代已经对滇藏铁路开展了大量深入细致的研究工作，由于当时工程技术条件限制，线路方案的走向主要集中在自香格里拉站引出后，经德钦北西向延伸，于理塘、巴塘、贡觉、昌都、邦达、八宿等与川藏铁路接轨。而对于经德钦向西北延伸穿越“三江并流”段，翻越伯舒拉岭后沿帕隆藏布展线，在波密与川藏铁路接轨的方案鲜有研究，而波密接轨方案具有由昆明至拉萨的运营里程最短、沿边功能更强的优点，其研究具有显著的经济效益。

波密接轨方案自在建丽香铁路香格里拉站向北引出，沿国道G214经纳帕海西侧至色雷丁附近跨金沙江、穿越白马雪山至德钦县设站。后向西北方向穿梅里雪山、跨玉曲，在古拉乡南侧跨怒江后向西北方向穿越伯舒拉岭至然乌东，沿然乌湖北侧通过，随后沿帕隆藏布顺流而下经玉普、松宗、至波密县与拟建川藏铁路接轨，全长约490 km。

线路穿越横断山脉著名的“三江并流”区(金沙江、澜沧江、怒江)，位于云贵高原西北部和青藏高原东南缘[1]，是全球新构造运动最为活跃的区域。构造地质环境极为复杂，具有地壳抬升剧烈、板块挤压强烈、活断裂强震频发的特征。沿线人烟稀少，交通极为不便，铁路工程建设的难度和风险极高。

本文在收集既有地质资料的基础上，利用遥感解译等室内勘察手段，结合2019年8月至2020年1月开展的现场勘察工作，对滇藏铁路沿线的地质环境特征进行了详细研究，从地质选线的角度出发，根据不同类型的工程地质问题和差异化的地貌单元，有针对性地提出了地质选线原则，助力滇藏铁路的设计、施工及后期运营安全。

2 自然环境特征

2.1 地形高差悬殊

沿线经过中甸断陷盆地区、横断山脉高山峡谷区、藏东南高山深切峡谷区、帕隆藏布河谷区四大地貌单元。沿线山脉走向与区域构造带基本一致，地貌上沟谷相间，峰岭并列，地势总体上呈现为西北高、东南低。河谷区海拔2 700～3 300 m，山岭海拔3 000～6 700 m，相对高差达1 000～3 000 m。峡谷区多呈“V”形，切割深度1 000～2 000 m，两侧岸坡坡度30°～70°，线路通过的梅里雪山为全线极高峰，海拔约6 740 m。

2.2 气候类型多样

沿线香格里拉至德钦段为高原亚热带湿润季风气候，德钦至波密段为高原湿润季风气候，其共同特点是气候受季风环流控制，自东向西气候具较大的差异性，由于地形高差悬殊，具明显的垂直分带性，气候类型复杂。

研究区年平均气温6.3～12.5 ℃，日温差较大，极端最高气温30.9 ℃，最低气温-27.4 ℃，平均温差达50 ℃左右；全年干湿分明，降雨主要集中在5月份至9月份，年平均降雨量449.19～726.4 mm，年平均蒸发量1 046.2～3 766.8 mm，蒸发量为降雨量的2～6倍；年平均风速1.2～21 m/s，峡谷区风向多受其走向影响。

2.3 岩性混杂

区内东部为羌塘—昌都地层区的德钦—维西地层分区，中西部为冈底斯—念青唐古拉地层区的比如—落隆地层分区和拉萨—波密地层分区(图1)，从第四系至前寒武系地层均有出露，地层的分布主要受构造控制。第四系地层以砂类土、碎石类土、黏性土为主；下伏沉积岩、变质岩和侵入岩交互展布，岩性混杂多变。

图1 滇藏铁路地层区划示意

根据区域地质资料结合现场调查情况发现，按各时代地层岩性的工程特征，全线软硬质岩分布比例约为3∶7。怒江河谷以西岩性以喜马拉雅期、燕山期及印支期侵入的花岗岩、闪长岩等硬质岩为主；香格里拉—德钦、然乌—松宗岩性以三叠系、石炭系、泥盆系的灰岩、白云岩等硬质岩为主；德钦、察隅等地呈片状、条带状分布侏罗系、三叠系、石炭系的板岩、千枚岩、页岩等软质岩，局部夹砂岩、灰岩。

2.4 地质构造复杂活跃

2.4.1 区域大地构造特征

沿线通过羌塘—三江造山系(Ⅴ)、班公湖—双湖—怒江—昌宁对接带(Ⅵ)、冈底斯—喜马拉雅造山系(Ⅶ)3个一级构造单元区；以金沙江地壳拼接带、空喀拉—澜沧江板块缝合带、怒江地壳拼接带为界线路自东南向西北依次穿过5个二级构造单元及4个三级构造单元，分别为：甘孜—理塘狐盆系(Ⅴ2)之义敦—沙鲁里岛弧带(Ⅴ2-2)、中咱—中甸地块(Ⅴ3)、西金乌兰湖—金沙江—哀牢山结合带(Ⅴ4)、昌都—兰坪地块(Ⅴ5)之治多—江达—维西陆缘弧带(Ⅴ5-1)和景东—绿春陆缘弧带(Ⅴ5-2)及开心岭—杂多—竹卡陆缘弧带(Ⅴ5-4)、碧罗雪山—崇山变质地块(Ⅵ4)、拉达克—冈底斯—察隅湖盆系(Ⅶ1)之昂龙岗日—班戈—腾冲岩浆弧带(Ⅶ1-2)(图2)。

图2 滇藏铁路构造分区示意

2.4.2 新构造运动活跃

沿线新构造运动异常活跃，第四纪以来，主要表现为地壳的间歇式抬升及深大活动性断裂的继续发展，控制了该区的地貌及水系的形成，使准平原上升为高原。进入全新世后，地壳的抬升更加强烈，河流下切加速，形成了目前地质构造及地形地貌的总体骨架。

在印度板块与欧亚板块的碰撞和楔入作用下，使该地区活动块体朝南东向挤出，形成了一系列活动强烈的大型板块缝合带、地壳拼接带和断裂带，性质以走滑、逆冲型为主[2]。在其内形成成束发育的以挤压性断裂为主的深大断裂，走向为北北西—南南东向、北西—南东向。断裂束断带宽度从几十米至上百米不等，延伸长度一般都在几十千米以上，个别延伸长度可达上百千米，次级断裂交互密集。新构造运动不仅控制了区域的地形地貌形态和地层岩性的分布，同时也控制着区域内的水系分布、断裂复活、地震、冰川和水热活动等。

2.4.3 大地震频发

沿线穿越鲜水河—滇东地震带、滇西南地震带、藏中地震带、喜马拉雅山地震带等多个地震带，为我国最大的地震区，属于地震活动极为活跃、高烈度大地震频发的地区[3-4]。自有地震记录以来，据不完全统计，该区共发生过8级以上地震近20次，位居全国之首，7级地震近百次，6级地震500次以上，6级以下的地震超过2万次。其中1950年8月15日发生的察隅—墨脱地震，震级达8.6级，造成近4 000人死亡，是我国20世纪发生最强烈的地震[5-6]。

沿线地震动峰值加速度为0.15g～0.30g，抗震设防烈度Ⅶ、Ⅷ度；地震动反应谱特征周期为0.4～0.45 s[7]。

2.5 水文地质条件复杂多样

沿线河流水系的展布因受构造控制，水系流向与构造走向一致。线路自东向西分别跨越长江流域(金沙江)、澜沧江流域(澜沧江)、怒江流域(玉曲河、怒江)及雅鲁藏布流域(帕隆藏布)等四大流域，分水岭为阿东格尼山和伯舒拉岭。其共同特点是水量丰富，受季节影响明显，夏季径流最大，河流坡降大，水流湍急，主要接受降水、地下水及冰雪融水的补给。

沿线地下水分布极为丰富，主要为分布于第四系冲积、洪积、冰水堆积层中的孔隙潜水；岩体受构造影响，节理裂隙非常发育的基岩裂隙水及可溶岩地区高原构造型岩溶水；活动断裂及其次级断裂破碎带、褶皱中的构造裂隙水。地下水的补给来源主要为降水、冰雪融水以及地表江河。其中海拔5000 m以上的山体终年积雪，发育有冰蚀洼地、冰斗与冰湖等，为大气降水与冰雪融水入渗补给地下水提供了丰富的补给来源。

2.6 高地应力

沿线位于印度洋板块与欧亚板块强烈碰撞挤压区，新构造运动极为活跃，在地质环境上挤压构造应力高度集中，且水平主应力大于垂直主应力[8-9]。研究区内最大水平主应力的方向与主要山脉走向垂直，并表现出明显的“深强浅弱”特点。根据然乌至波密段实测地应力数据，利用侧压力系数回归分析方法[10]可知，当隧道埋深为500～3 000 m时，最大水平主应力为21.9～123.7 MPa。由于全线隧道占比在80%以上，且最大埋深超过2 000 m，因此高地应力问题极为突出。

2.7 高地温

线路走行于雅鲁藏布大拐弯地热活动区内的滇藏地热带，隶属于我国大陆上地热活动最强烈的喜马拉雅地热带。地热主要沿活动断裂带呈串珠状分布，或出露于断陷盆地和断陷谷地。沿线地热出露形式主要为低矿化度的温、热泉，最高水温超过80 ℃，水温较稳定，受气候影响小，为极高地温区。

2.8 高地质灾害风险

沿线地壳抬升急剧，河流深切，地貌多样化，新构造活跃，风化剥蚀作用强烈，岩石破碎，第四系松散堆积物分布广且厚度大，对不良地质的形成提供了有利条件，为高地质灾害风险区。沿线不良地质主要有滑坡、危岩落石、崩塌、岩堆、岩屑坡(溜砂坡)、泥石流、冰湖、雪(冰)害以及岩溶、地震、放射性和有害气体等。

3 主要工程地质问题及对策

滇藏铁路所处的地质和自然环境特殊复杂，在铁路选线以及施工建设过程中面临的挑战将会极为突出。针对沿线特殊的地质环境，提出了深大活动断裂、高地应力条件下的围岩稳定性、高温热害、泥石流水毁、高原型岩溶、雪(冰)害、重力型不良地质、放射性及有害气体等影响铁路建设的9大地质问题，并结合沿线地形、工程设置等特点，提出选线原则和措施。

3.1 深大活动断裂

区域内受板块的强烈碰撞挤压及青藏高原的隆起影响，断裂带极为发育，主要有金沙江断裂带、澜沧江断裂带、班公湖—怒江缝合带、嘉黎断裂带、雅鲁藏布江缝合带。

滇藏铁路自西向东分别经过德钦—中甸断裂、金沙江断裂、澜沧江断裂、八宿断裂、怒江断裂、嘉黎断裂等6条断裂，具有规模大、断带宽、构造环境强烈、结构复杂以及全新世以来均发生过强烈活动的特点，是区域内中-强震以及特大地震的发震构造(表1)，有发生强烈地震的风险，工程地质条件极复杂。

表1 沿线活动性断裂特征

活动性断裂引起的工程问题主要有灾难性的结构蠕变和错断[11]、诱发地震从而引起边坡失稳及毁灭性泥石流等次生灾害、沿断裂带分布的高温热泉危害等。

选线原则及防治措施：(1)对于活动性断裂，线路应以绕避为主，无法绕避时应尽可能以最短的距离大角度简易工程通过；以隧道形式通过时，则应预留足够的净空，采取适应变形的结构措施；(2)线路应避免沿活动性断裂两侧展线，多次穿越活动性断裂；(3)桥台和隧道洞口应选在坡体稳定地段，避免活动性断裂所引发次生地质灾害的危害；(4)对沿线活动断裂特征开展科研或专题研究，以指导选线。

3.2 高地应力条件下的围岩稳定性

沿线地形落差大，以深埋长隧道穿越云岭、他念他翁山、伯舒拉岭等大型山脉，区域地应力场复杂且多变。根据初步的地应力预测结果，全线约120 km的隧道具备发生岩爆的条件，发生强烈岩爆的段落长约17 km；全线约35 km的隧道具备发生软岩大变形的条件，发生Ⅲ级强烈软岩大变形的段落长约8 km。线路局部段落与最大主应力方向大角度相交，硬质岩的岩爆和软质岩的软岩大变形等围岩稳定性问题尤为突出[12]。

选线原则及防治措施：(1)开展专题研究，采用综合勘察手段，查明沿线各隧道的地应力分布特征并绘制地应力等值线图；(2)隧道尽可能远离断裂发育地区，并从岩质较坚硬、岩体较完整地层通过[13]；(3)隧道轴线与最大主应力方向尽可能小角度相交，通过采取拉高纵断面高程、以傍河隧道通行等方式优化线路方案，降低埋深。

3.3 高温热害

滇藏地热带位于印度洋与欧亚板块碰撞结合部位，具有延伸距离长、规模宏伟、地热活动最强烈的特点，其温泉分布数量占我国温泉总量的一半以上[14-15]。沿线地热活动的异常区分布与活动断裂的活动性有关，水温以温泉-热泉为主。

高温热害在施工首先会恶化施工环境，降低工作效率，其次不利于衬砌结构的安全及耐久性；同时对运营维护也存在影响[16]。

选线原则及防治措施：(1)开展专题研究，分析沿线地热异常区分布特征及形成机理，绕避高地温带；(2)设计中采用合理的施工工艺和材料，降低高温热害的影响；(3)施工中可采取增强通风、物理降温等措施，改善施工环境；(4)施工和运营中加强地温和衬砌温度的监测，做到有备无患。

3.4 泥石流水毁

沿线帕隆藏布、桑曲、三江并流区主河及其支流的纵坡大，两侧岸坡岩体受构造、地震和风化的作用强烈，极为破碎，松散固体物源丰富，泥石流极发育，其频繁爆发、规模巨大、动力充足、破坏力强。

按照泥石流形成时的水动力条件，可分为3种基本类型，即沿帕隆藏布流域分布的冰川型、冰湖溃决型泥石流；沿三江流域分布的雨洪沟谷型、坡面型泥石流；沿上述流域冰川积雪分布区距沟口较远的冰川-雨洪混合型泥石流(图3)。

图3 泥石流类型

泥石流的爆发往往是突然的，规模大、历时短、破坏力极强，如1988年7月15日米堆沟发生的冰湖溃决型泥石流，造成3个村庄破坏严重，并沿帕隆藏布冲毁桥梁近20座，川藏公路累计破坏40余km，致使交通中断长达半年；2010年8月7日发生的舟曲特大泥石流，造成3000多人的伤亡和重大的财产损失。滇藏铁路沿线发育泥石流沟近百条，其对铁路的危害主要表现为冲毁铁路主体工程、堵塞河道形成堰塞湖危及上下游工程安全等。

选线原则及防治措施：(1)开展专题研究，对沿线泥石流的类型、规模等进行分类，通过数模计算分析，对泥石流的危险性、堵江溃决等进行评价，并划分危险度；(2)选线过程中，线路应于堵江溃决影响范围外侧通过；(3)对方案影响大的泥石流尽可能绕避或以隧道通过，且隧道应位于最大下切深度以下；(4)桥梁工程跨越泥石流时，预留足够的净空，流通区应一跨通过，堆积区应从前缘通过。

3.5 高原型岩溶

可溶岩主要分布于香格里拉至德钦段和波密县松棕镇附近，岩性为灰岩、白云岩和大理岩等。根据现场调查，香格里拉至德钦段具有负地形，具冰川岩溶特征，发育溶蚀洼地、漏斗、落水洞及大泉暗河，其他地段岩溶不发育。

岩溶的隐蔽性和不均一性是选线过程中面临的一大难题，其对铁路的危害主要表现为基础的不均匀沉降、桩基漏浆、隧道的涌水突泥等。

选线原则及防治措施：(1)利用“空天地一体化”的综合勘察技术查明岩溶发育程度，绕避岩溶发育段；(2)抬高线路高程，尽量走行在地下水垂直渗流带[17-18]；(3)如遇地下暗河，线路应大角度通过；(4)隧道纵断面设计采用人字坡，避免反坡施工。

3.6 雪(冰)害

沿线气候垂直分带性显著，是我国海洋型冰川分布最广的地区，同时高山峡谷区地形陡峻，海拔4800 m以上的地区为常年积雪区。随着全球气候变暖，雪线的不断上移，常年存在雪崩危害，而海拔较低地段在雪季则易发生季节性雪害，冰川的反复冻融循环往往形成冰湖。

雪害主要为雪崩、积雪和风吹雪。雪崩的发生往往具突发性，运动速度极快，崩塌量大并挟石块，其破坏力极大，危害性极强，可摧毁植被、淤埋道路、堵塞河道形成堰塞湖，威胁铁路的交通安全，造成财产损失，严重影响人民正常的生产生活。积雪和风吹雪对铁路的危害主要是极易在路堑或迎风侧弯道掩埋铁路等。

冰害主要为冰川消退形成冰湖及高原寒冷气候条件下的冰雪冻害，冰湖溃决进而引发冰川型泥石流，危害铁路安全。冰雪冻害对铁路的危害主要是破坏基础、隧道内冰挂现象、铁轨打滑及破坏电网供电系统等，影响铁路的正常运行。

选线原则及防治措施：(1)开展专题研究，查明雪(冰)害的分布特征及影响程度；(2)雪(冰)害发育地段可采用隧道形式通过，加长明洞，洞口段采取防冻措施；(3)明线工程应于阳坡通过，调整线路纵坡增大线路半径，避免以路堑工程通过，在线路迎风侧设导风板，线路上方采取防雪害措施；(4)隧道和路基工程做好防排水措施；(5)对铁路危害的雪崩点设置预警系统；(6)冰湖发育地段应结合冰川型泥石流开展选线工作。

3.7 重力型不良地质

滇藏铁路位于印度板块与欧亚板块的碰撞接触地带，活动断裂发育，新构造运动剧烈，地震频发，地形高差悬殊，山高坡陡，谷深水急，沿线山体风化剥蚀作用强烈，第四纪松散堆积物广泛分布，重力型不良地质极为发育，尤其是“三江并流”峡谷地段。沿线不良地质类型主要为滑坡、溜塌、崩塌、危岩落石、岩堆、岩屑坡(溜砂坡)等(图4)。具有沿江分布、沿活动断裂带分布及阳坡比阴坡更发育的分布规律。各种不良地质之间具有连动性及相互转化、分布广、集中发育的特点，极难治理。

图4 重力型不良地质类型

重力型不良地质对铁路工程的危害主要为：滑坡掩埋道路、剪断桥梁墩台或基础、破坏隧道二衬，中断交通等；崩塌、危岩落石会危害傍山路基、隧道洞口及附属设施的安全，也会危害铁路勘察、设计、施工及后期运营安全；不稳定的岩堆体进一步可发展为滑坡危害；岩屑坡(溜砂坡)严重影响由坡脚通过的工程安全。

选线原则及防治措施：(1)选线过程中应始终贯彻“地质选线、减灾选线”优先的理念；(2)对于大型、无法治理的重力型不良地质以绕避为主，可治理的危岩落石、岩堆发育地段采取防护并接长明洞、做好防排水的措施。

3.8 放射性

区域内侵入岩广泛分布，部分段落含有放射性物质，隧道通过花岗岩、闪长岩等时，不仅在隧道施工过程中及后期的运营维护有一定安全风险，同时对人体健康也有一定的危险。

选线原则及防治措施：(1)对沿线进行放射性分区，对放射性异常段进行绕避，按国家规定标准设置生活区，对隧道弃砟进行合理处置；(2)加强隧道内通风措施；(3)施工和运营中采取防护措施，确保人身健康安全。

3.9 有害气体

研究区地质条件复杂，经多期次构造活动及岩浆侵入，为有害气体的富集提供了便利条件，同时局部含煤系、油系地层也可能富集有害气体。有害气体的成因和分布十分复杂，按成因可分为有机和无机2种[19]，按来源可分为变质作用和深源气体，成分多为CH4、CO2、H2S和SO2等。有害气体对隧道施工及人员伤害有较大影响。

选线原则及防治措施：(1)查明线路通过区域有害气体的分布和特征；(2)绕避已知或可能存在较强有害气体的区域；(3)施工过程中加强通风和监测，并做好应急措施。

4 滇藏铁路地质选线原则

4.1 滇藏铁路宏观走向选线原则

滇藏铁路由于其特殊且复杂的地质环境，对地质选线的要求更高，结合复杂山区地质选线的经验，针对滇藏铁路的主要工程地质问题，根据不同的地貌单元初步提出了宏观走向选线原则。

(1)香格里拉至德钦段方案走向与德钦—中甸断裂并行，应远离并避免多次跨越断裂带。该段高温热害问题突出，尽可能绕避或以路桥方式通过，隧道工程需考虑减轻高地应力、雨洪沟谷型泥石流、岩溶及危岩落石的危害。

(2)线路通过的横断山脉高山峡谷区主要为“三江并流”区，河谷深切，活动性断裂集中发育，地震频发。海拔4 500 m以上地段常年受冰雪剥蚀，冰(雪)害及崩塌、岩屑坡(溜砂坡)等发育；海拔2 500～2 900 m以下地段主要为峡谷陡坡，基岩裸露，为重力型不良地质和小型泥石流的集中发育区；海拔2 500～2 900 m至4 500 m之间地形相对平缓，植被发育，沟谷型泥石流和滑坡、崩塌发育[20]。本段线路总体走向大角度通过活动性断裂，但应避免通过断裂带交汇部位，跨越断裂时以简易工程通过；线路高程应选择在海拔2 500～2 900 m至4 500 m之间，绕避泥石流、重力型不育地质发育区，隧道洞口选择在岸坡稳定地段，减小因地震引发次生灾害的危害；同时应减轻高地应力、高温热害、放射性及有害气体的危害。

(3)察隅至波密段远离活动性断裂，主要工程地质问题是高地应力、冰川(冰湖溃决)型泥石流、冰(雪)害、高位危岩落石、岩堆、岩屑坡(溜砂坡)和放射性。选线过程中尽可能减小隧道埋深；隧道洞口选择在岸坡稳定地段通过；根据泥石流的发育状况，选择合理的工程设置。

4.2 滇藏铁路选线原则

根据滇藏铁路沿线的自然环境特征，在宏观走向选线的基础上，其主要地质选线原则如下。

(1)沿线地形起伏巨大，岩性复杂，长大隧道工程应选择硬质岩地段通过，线路与主应力方向尽可能呈小角度相交，采取抬高线路高程或傍山隧道降低隧道埋深。

(2)“V”形谷谷底不宜采用路基形式通过并避免高大支挡建筑，线路应尽量避免走行于斜坡过渡带或坡脚，应避免斜坡上设深长路堑、陡坡高路堤工程，以减少泥石流、雪(冰)害及重力型不良地质等对工程的影响。

(3)线路应绕避强烈发育区及可溶岩与非可溶岩接触部位，避免长大隧道工程通过岩溶区，尽可能抬高线路高程从垂直渗流带通过，大型溶洞以桥梁工程跨越。

(4)线路应绕避高温热害、放射性异常及有害气体分布区，并在设计中采取防护措施。

5 下阶段工作重点

滇藏铁路研究区由于其特殊的自然环境，使常规的勘察手段和方法已经无法满足勘察要求，勘察设计阶段的工作重点应做好以下几方面。

(1)全面收集、分析沿线区域地质资料，熟悉云南、西藏地区昆楚大、大丽、大瑞、丽香、拉日、拉林、拉墨、川藏等铁路在勘察设计或施工中所遇到的工程地质问题及解决措施，确定本线勘察设计中的主要工程地质问题。

(2)在勘察过程中所遇到的工程地质问题将会复杂多样，解决问题的难度极大[21]，应根据勘察阶段，科学制定勘察方案。勘察中努力提高常规勘察手段和方法的技术水平[22]，灵活借鉴上述铁路项目的勘察经验和科研成果，创新工作方法，积极采用无人机三维倾斜摄影、机载雷达、真实感大场景、多源遥感地质解译、多种地面物探和航空物探、长时序InSAR分析及定向钻探等“空天地一体化”先进勘察技术手段，加强勘察资料的综合分析，为滇藏铁路的选线、勘察设计提供科学依据。

(3)对线路方案有重大影响的工程地质问题，应开展科研或专题研究，评价其对工程的影响，提出具针对性的选线原则，即为滇藏铁路服务，也可充实完善复杂山区地质选线的理论并提高选线技术水平。