川藏铁路昌都至林芝段交通廊道安全稳定性分区研究

黄 勇

(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)

引言

川藏铁路东起四川省成都市，向西经雅安、康定，跨过金沙江进入西藏自治区境内，经昌都、林芝、山南至拉萨市。其中，昌都至林芝段走行于横断山高山峡谷区和藏东南高山峡谷区，位于印度板块与欧亚板块挤压造山带，是全球板块活动最强烈的区域之一[1-3]，也是全球工程地质条件最复杂的区域之一。研究区新构造运动强烈，活动断裂极其发育，如图1所示，地震和地质灾害频发，高地温问题突出[4-6]，对铁路工程的安全稳定性影响重大[7-8]，直接影响工程的可行性和建设运营安全，选择一条安全可靠、科学合理的交通廊道是川藏铁路规划建设亟待解决的重大问题。

图1 喜马拉雅东构造结及周边地区活动断裂及地震震级示意

在川藏铁路前期规划阶段，对影响线路走向方案的地质因素研究较多，对单一地质问题如高地温、活动断裂等提出了地质选线原则和思路，但在多种地质问题叠加的背景下，如何进行安全稳定性定性和定量分析的研究还较少。区域安全稳定性包括区域地壳稳定性和区域地质环境稳定性[9]，前者是内动力作用下地壳的稳定程度，主要表现为新构造运动，后者是在内外动力作用下，岩土体和山体边坡的稳定性，主要表现为山地灾害、地面塌陷等。基于多源光学遥感、热红外遥感、深部物探、GPS和InSAR地表变形监测、无人机勘察、钻探与测试等多手段研究成果，从地壳稳定性、地表地质灾害、高地温等地质因素出发对交通廊道的安全稳定性开展研究，寻找相对安全稳定的 “安全岛”[10]，为川藏铁路交通廊道规划建设提供技术支撑。

1 地质地貌环境

1.1 地形特征

川藏铁路昌都至林芝段三起三伏，自东向西先后穿他念他翁山、伯舒拉岭、念青唐古拉山及色季拉山，跨越澜沧江、怒江、波堆藏布、易贡藏布、东久曲及尼洋河等水系河流，如图2所示。受青藏高原隆升的影响，研究区地势急剧抬升，河流快速强烈下切，为典型的“V”形高山峡谷地貌，如图3、图4所示。

图2 川藏铁路昌都至林芝段沿线地形地势示意

图3 澜沧江峡谷地貌

图4 怒江峡谷地貌

1.2 地质构造

藏东南地区是我国新构造运动最为活跃的区域之一，地壳急剧抬升、板块强烈挤压、强震频发、多期次岩浆侵入，研究区主体构造受控于喜马拉雅东构造结。南迦巴瓦构造结及周边地区，是印度大陆楔入和俯冲到欧亚大陆的前缘，强烈而持续的挤压应力作用导致该地区新生代以来发生多期强烈构造变形，最终形成现今的构造格架[11]。以雅鲁藏布江缝合带为界，分为冈底斯岩浆弧与喜马拉雅地块。

1.3 活动断裂与地震

研究区的主要断裂带有澜沧江断裂带、班公湖-怒江缝合带、嘉黎断裂带、雅鲁藏布江缝合带等。其中全新世活动断裂共6条7支，这些断裂带规模大、结构复杂，是青藏高原东南部主要的强震甚至特大地震的发震构造，此外还分布有一系列的第四纪早、中、晚更新世活动断裂。

受印度板块与欧亚板块的持续碰撞，具有强烈的水平构造运动，现今以SN-NE向挤压作用为主，总体表现为围绕喜马拉雅东构造结的顺时针旋转运动[12]，并在青藏高原东南部形成一系列大型走滑断层[13]，至今区域范围内共记录到破坏性地震157次，东构造结东部边界附近及其内部有大量历史强震震中分布，其中7级以上地震就有3次，如图5所示，最大震级地震为1950年墨脱地区的8.6级地震[14]，距今最近发生的强地震为2017年米林县6.9级地震[15-16]。

图5 研究区3级以上地震分布

1.4 地表地质灾害

藏东南地区属大型滑坡、冰川泥石流、冰湖溃决等山地灾害的集中区和易发区[17-20]，各类灾害在复杂的环境条件下易形成链生性灾害，帕隆藏布、易贡藏布、雅鲁藏布江等流域多次发生泥石流、滑坡、崩塌堵江；易贡大滑坡、古乡沟泥石流、天魔沟泥石流曾多次毁坏川藏公路。

1.5 高地温

印度板块沿雅鲁藏布江缝合带俯冲于欧亚板块之下，巨大的构造动力导致青藏高原地区发生广泛的区域性地壳变形、增厚，并伴随着大规模的火山喷发和岩浆活动[21-22]，塑造了独特的陆-陆碰撞型地壳结构和区域性高热流异常环境，形成著名的喜马拉雅地热活动带，研究区位于喜马拉雅地热活动带的东北侧，属地中海—喜马拉雅地热活动带的一部分。主要地热异常带有澜沧江断裂地热异常带、怒江断裂地热异常带、嘉黎断裂地热异常带、雅鲁藏布江地热异常带，如图6所示。

图6 川藏铁路昌都至林芝段交通廊道地热异常带分布

2 区域地壳稳定性分区

2.1 区域地壳稳定性表现特征

地壳的稳定性主要体现在现今地壳在内动力作用下的稳定程度。地壳自形成以来，一直处于运动发展之中，没有绝对的稳定，稳定则是相对某一短暂的地质历史时期或是某些局部区域暂时趋于稳定。其稳定性浅表主要表现为地震、断裂活动、火山活动及现今地壳运动变形等，深部主要表现为地应力场和大地热流场。

研究地壳稳定性，其实质是寻找区域稳定“安全岛”，在“安全岛”边界往往表现出活动断裂和构造断裂带发育，特别是强震、大震分布明显，同时地壳的运动变形强烈，深部地球物理往往显示为电磁异常，大地热流场和地应力场整体高于其他地区；在“安全岛”内部整体而言构造活动明显低于边界，地壳运动变形强度也相对较低，地质结构整体稳定。

喜马拉雅东构造结及周边地区地壳稳定性整体较差，但南北两侧特别是喜马拉雅东构造结和冈底斯岩浆弧区域存在明显的差异，无论是断裂构造、地震分布及GPS地壳形变监测数据、实测地应力等数据均表明北侧地壳稳定性明显优于南侧，如图7、图8所示。

图7 藏东南地区现今地壳应变率场[12]

图8 喜马拉雅东构造结及周边地区与西藏地区区域地应力实测数据分布

喜马拉雅东构造结及周边地区与北侧冈底斯岩浆弧地区在活动断裂、历史地震、GPS地壳形变、地应力场等数据进行对比分析，如表1所示，表明在区域稳定性较差的区域活动断裂发育程度和活动性均较强，历史地震震级、潜在地震震级均较高，GPS地壳形变水平速率、隆升速率、最大剪切应变率、面膨胀率均较高，呈现出相关性和一致性。

表1 喜马拉雅东构造结及周边地区地壳稳定性对比分析

2.2 区域地壳稳定性分区方法

开展区域地壳稳定性评价，其重点是查明影响区域地壳稳定性的地质条件[23]。根据川藏铁路特殊的地理地质环境，考虑评价工作的可实施性、便捷性、高效性，重点需查明区域的地震与火山活动的历史与现状，进行地震烈度区划；开展全新世活动断裂调查，预测其活动性特征及总体走向；收集和整理长时序的GPS地壳形变监测数据，包括水平速率、隆升(下沉)速率、最大剪切应变率、面膨胀率等。

借鉴DD2015—02《活动断层与区域地壳稳定性调查评价规范》、D LIT5335—2006《水电水利工程区域构造稳定性勘察技术规程》，充分结合川藏铁路交通廊道区域地理位置、环境特征、气候条件及地质条件，对交通廊道的区域地壳稳定性分区采用以定量分析为主，辅以定性分析的方法，确定其分区评价标准，共分为4个等级，见表2。

表2 川藏铁路交通廊道区域地壳稳定性分区标准

2.3 区域地壳稳定性分区结果

采用多源三维卫星遥感、地表调查、GPS地表形变监测和物探等方法，揭示了研究区域地壳形变特征、深大活动断裂展布，对历史地震数据的分析与统计，进一步揭示了区域地震分布规律和潜在地震。通过获取的地质基础数据结合稳定性分区标准，对川藏铁路交通廊道地壳稳定性进行综合分析评价，主要有3个分区，如图9所示，喜马拉雅东构造结区域为地壳强烈挤压隆升区，属于不稳定地区；嘉黎活动断裂、怒江活动断裂带、澜沧江活动断裂、边坝洛隆活动断裂为第四系全新世活动断裂，活动断裂两侧一定范围为地壳不稳定区；部分岩浆岩侵入岩体、断裂构造一般发育或不发育且地震烈度小于或等于Ⅶ度的区段，为地壳次稳定区，主要分布在昌都至波密侵入岩和新生代沉积岩地段；其余地段为地壳次不稳定区，也是线路通过的主要区域。

图9 川藏铁路昌都至林芝段区域地壳稳定性分区

3 地表地质灾害危险性分区

3.1 地表地质灾害表现特征

藏东南地区受挤压碰撞、高原隆升影响，在内外地质动力作用下，区域内深大活动断裂发育、地震频发、气候多变、降雨量大、冰川消融、风化冻融强烈，形成了高山峡谷地貌和大量松散物质，为地表地质灾害孕育提供了良好的环境。

研究区地表地质灾害主要包括崩塌、危岩落石、滑坡、泥石流、冰湖溃决、冰雪灾害及灾害链等。地质灾害在高山峡谷区和沿断裂构造带密集分布，如图10所示，受河流切割和强震的诱发影响明显，地质构造复杂或多种构造交叉部位大型、巨型崩塌滑坡密集发育。帕隆藏布和雅鲁藏布江两岸分布有大型的滑坡、崩塌、泥石流，是链生灾害的多发区。然乌至鲁朗段冰川、强降雨发育，形成了以冰川泥石流为特色的地质灾害，如图11所示，怒江、澜沧江、通麦至鲁朗一带形成了以大型滑坡、崩塌为特色的地质灾害。

图10 川藏铁路昌都至林芝段交通廊道地质灾害分布

图11 川藏公路然乌至鲁朗段泥石流堵江危险性分区

区域内的高位远程滑坡、泥石流具有隐蔽性强、滑程远、规模大、破坏力强的特征，滑坡、泥石流、碎屑流堵江形成堰塞湖，溃决后发生洪水，影响范围大，风险极高，如2000年易贡大滑坡形成堵江后溃决冲毁易贡藏布和帕隆藏布流域桥梁道路。地震诱发地质灾害分布广、数量多、规模大，具有链式效应和长期活动性，这些地质灾害对工程安全影响极大。

3.2 地表地质灾害危险性分区方法

地表地质灾害危险性评价分区，既要考虑场址区地质环境条件，潜在地质灾害隐患点分布、规模、发育程度、致灾能力等，同时也需要考虑铁路工程与灾害的相互关系和承灾能力，如采用隧道形式下穿泥石流高易发生区，虽然泥石流频发且强度大，但对下穿隧道影响较小，危险性并不高。

根据区域地质灾害的发育规律，结合铁路线状工程的特点，基于对工程的危害性和可治理性，采用定性分析的方法将地表地质灾害危险性划分为4个等级，见表3。

表3 川藏铁路交通廊道区域地表地质灾害危险性分区标准

3.3 地表地质灾害危险性分区结果

采用多源高分辨率三维卫星遥感、无人机勘察、地表调查、InSAR长时序地表形变监测等手段，查明研究区地质灾害的分布特征和发育规模，川藏铁路昌都至林芝段地表地质灾害主要分为4个区，沿怒江、帕隆藏布然乌至鲁朗段、雅鲁藏布江、东久曲等高山峡谷区断裂构造发育地段多为地质灾害极差地段，邦达草原等高原夷平面为地质灾害较轻地段，彼得藏布、尼洋河等U形宽谷区为地质灾害一般地段，其余地段为地质灾害较差地段。

4 工程安全稳定性分区

4.1 工程安全稳定性分区初判

工程安全稳定性的评价基于区域地壳稳定性和地表地质灾害危险性，依据稳定性和危险性评价结果，可对工程安全稳定性进行初步评价。根据铁路工程建设经验，安全稳定性可划分为Ⅰ(安全稳定性好)、Ⅱ(安全稳定性一般)、Ⅲ(安全稳定性较差，控制点需采取针对性工程措施)、Ⅳ(安全稳定性差，需进一步研究可行性)4个等级，判断标准如表4所示。

表4 川藏铁路交通廊道安全稳定性分区初判标准

4.2 高地温修正

川藏铁路昌都至林芝段高温热害问题突出，特别在通麦东久沟附近，揭示地温温度达95 ℃，局部地段还存在高温热水。隧道施工中遇到高地温、高温热水，将对施工安全、进度产生重大的影响，严重威胁到设备和人员的安全，因此，在安全稳定性评价中需要考虑高温热害对其的影响。在安全稳定性分区初判的基础上，可根据高温热害特征进行修正，修正标准见表5。

表5 川藏铁路交通廊道安全稳定性分区高温热害修正标准

4.3 工程安全稳定性分区

川藏铁路复杂的地理地质环境，按常规安全稳定性分区开展工作实施难度大、效率低，采用天空地一体化的勘察技术手段，依据区域地壳稳定性和地表地质灾害风险评价结果进行初步判别，对初判结果进行高温热害修正复判，评价流程如图12所示。

图12 川藏铁路交通廊道安全稳定性评价流程[24]

利用空天地一体化勘察手段获取的地质信息，根据交通廊道安全稳定性评价标准，研究区安全稳定性以差和较差为主，喜马拉雅东构造结区域、高山峡谷区与活动断裂交汇带安全稳定性差，邦达草原等高原夷平面安全稳定性一般，其余地段为安全稳定性较差地段。通过大量方案比选，川藏铁路昌都林芝段线路方案基本绕避了地壳不稳定和高温高压水地段，采用下穿隧道方式规避了大量的地质灾害极差地段，整体而言，属于安全稳定性一般或较差地段，方案总体可行，局部控制点通过方案优化、合理工程设置、采用针对性工程措施后风险总体可控。

5 结论

(1)川藏铁路昌都至林芝段沿线地质条件复杂，活动断裂发育、地震频发，高地温问题突出，地表地质灾害极其发育，具有频次高、规模大、破坏力强等特点，这些地质因素严重影响了铁路工程交通廊道的安全稳定性。

(2)基于地质构造、活动断裂、地壳形变及地震活动性，以定量评价为主、辅以定性分析的方法，建立了研究区地壳稳定性分区标准。结果显示：喜马拉雅东构造结区域、沿嘉黎等活动断裂带两侧地段为地壳不稳定区；部分岩浆岩侵入岩体、断裂构造一般发育或不发育且地震烈度小于或等于Ⅶ度的区段，为地壳次稳定区；其余地段为地壳次不稳定区。

(3)以地质灾害发育特征和峡谷(河谷)区岸坡稳定性为基础，充分考虑地表地质灾害对工程的危害性和可治理性，建立了地表地质灾害危险性分区标准。结果显示：研究区多为地质灾害较差或极差地段，邦达草原等高原夷平面为地质灾害较好地段，彼得藏布、尼洋河等U形宽谷区为地质灾害一般地段。

(4)结合区域地壳稳定性、地表地质灾害和高地温等主要地质因素，建立了川藏铁路交通廊道安全稳定性分区标准；结果显示：喜马拉雅东构造结区域、高山峡谷区与活动断裂交汇带工程安全稳定性差，邦达草原等高原夷平面一带安全稳定性一般，其余为安全稳定性较差地段。

(5)以区域地壳稳定性为基础，结合地表地质灾害危险性和高地温特征开展交通廊道安全稳定性分区评价方法，在未来艰险复杂山区公路、铁路、输水隧洞等线状工程前期方案研究或工程可行性分析中具有借鉴和推广意义，对快速高效地规划安全可靠的交通廊道有指导意义。