肯尼亞內馬鐵路東非大裂谷段工程地質選線

俞曉東

(中國路橋工程有限責任公司，北京 100011)

1 概述

肯尼亞位于非洲東部，赤道橫貫其中部，東非大裂谷東支縱切肯尼亞高原，將高原分成東、西兩部分。大裂谷谷底高程低于兩側高原450～1 000 m，裂谷寬50～100 km，谷底分布著眾多大小不等的湖泊，并屹立著許多火山。

東非大裂谷作為世界上最大的斷陷帶，各國科學家對其進行了很多研究。地質學家普遍認為，這里處于非洲板塊和印度洋板塊的交界處，由于板塊拉伸，使其與阿拉伯古陸塊分離(大陸漂移運動)而形成裂谷。東非大裂谷下陷開始于漸新世，主要斷裂運動發生在中新世，大幅度錯動從上新世一直延續到第四紀。北段形成紅海，使阿拉伯半島與非洲大陸分離；馬達加斯加島在幾條活動裂谷的擴張作用下也與非洲大陸分裂[3]。

肯尼亞內羅畢至馬拉巴鐵路一期工程起點為肯尼亞首都內羅畢，終點為納羅克附近。線路橫穿東非大裂谷東支肯尼亞段，先后穿越東部熔巖高原區、裂谷區和西部熔巖高原區。其中，裂谷區兩翼地勢起伏較大，多懸崖峭壁，地勢險峻；谷底區較為平坦，多火山，沖溝下切嚴重；裂谷西翼山區局部地段存在高地溫。區域地質構造、地震活動、火山活動、地熱等因素控制線路方案的選擇。

2 地質背景

線路所在區域位于非洲板塊內部(見圖1)。非洲板塊是現代全球六大板塊之一，由陸殼和洋殼兩部分組成。非洲大陸陸殼厚度巨大并保持長期相對穩定，具有古老大陸克拉通的特征。非洲大陸由卡拉哈里、剛果、撒哈拉、西非5個克拉通組成，板塊東部在新生代發生裂谷作用，形成東非大裂谷(見圖2)。

3 區域工程地質評價

3.1 東非大裂谷及其東支

東非大裂谷從亞丁灣向南延伸至莫桑比克灣，長6 000 km，為大陸裂谷，由一系列狹長而深陷的峽谷、湖泊和盆地組成，邊緣為相互平行的階梯狀斷層群，可分為東支埃塞俄比亞-肯尼亞裂谷和西支坦噶尼喀裂谷(見圖2)。

圖1 區域大地構造

圖2 東非大裂谷

東非大裂谷東支位于非洲北部熔巖臺地構成的高原之上，南起維多利亞湖東側，向北經坦桑尼亞、肯尼亞中部，穿過埃塞俄比亞高原進入紅海，全長近3 000 km。東支裂谷帶寬度小于200 km，谷底大多比較平坦，兩側是高聳的熔巖臺地、巨大火山錐以及陡峭的斷崖，谷底與斷崖頂部的高差從幾百米到一千米不等[13]。

3.2 東非大裂谷形成機理及特征

東非大裂谷為主動式大陸裂谷，發育在陸殼上。

地下熱點巖漿上涌，上涌至巖石圈被阻而向四周水平流動，粘稠的巖漿摩擦拖曳上部巖石發生分裂。

兩個或兩個以上的熱點比較靠近時，巖石圈可沿熱點連線拉裂，成為大陸裂谷，持續發展后形成大洋。

主動式大陸裂谷的主要特征是巖漿活動強烈，火山發育，地震頻發，能量較小[12]。

3.3 地震活動

東非大裂谷東支從1902年至2016年的114年間，共發生1.0級及以上地震649 次，其中4.7級以上破壞性地震 34次， 4.7級以下小震615次。破壞性地震中，4.7 ～4.9 級地震18次，5.0～5.9 級地震 14 次，6.0～6.9級 1 次，7.0級及以上地震1次，震中分布見圖3、圖4。

圖3 M≥4.7歷史地震震中分布

圖4 1.0≤M≤4.6 小震震中分布

綜合分析，東非大裂谷東支區域地震活動性為南強北弱，且在南部區域呈現南北向條帶狀，叢集特征明顯，具有團簇特征；區域內其它地區現代小震分布較為分散，地震活動水平相對較低[3]。

3.4 活動斷裂分布及特征

裂谷的邊界斷裂為裂谷主斷裂，位于裂谷兩側，東邊界斷裂為一條西傾的正斷層，西邊界斷裂為兩條東傾的正斷層。

次級斷裂包括南北向的網格狀斷裂和平行于裂谷主斷裂的次級斷裂。次級斷裂規模相對裂谷主邊界斷裂延伸短、規模小，但其數量眾多。

主邊界斷裂和次級斷裂均為全新活動斷裂，兩翼斷裂和谷底區南側地質構造較為發育，谷底區北側斷裂構造發育一般[3,13](如圖5)。

圖5 東非裂谷系構造

3.5 活動火山分布及其特征

東非大裂谷東支裂谷內部火山發育，火山活動活躍，表層為火山熔巖或火山沉積層覆蓋，構造露頭不發育，水系尚未形成，時有地裂縫形成。研究區分布隆戈諾特火山、蘇斯瓦火山及眾多小火山。

4 工程地質分區及區域穩定性評價

4.1 工程地質分區

內馬鐵路一期工程橫穿東非大裂谷東支肯尼亞段，依據構造活躍程度可劃分為三個構造單元：東邊界斷裂帶、裂谷中央帶和西邊界斷裂帶。

東邊界斷裂帶斷層數量較多，多數為平行分布且傾向西的正斷層。受構造活動影響，巖體較為破碎，且地勢陡峭，多危巖、落石，地殼穩定性較差，屬于欠穩定區。

西邊界斷裂帶斷層數量相對較少，多數為平行分布且傾向東的正斷層，巖體相對破碎，地殼穩定性較差，屬于次穩定區。

谷底區地勢平坦，地質構造不發育，地殼穩定性較好，為穩定區(見圖6)。

圖6 工程區域構造分區

4.2 區域穩定性評價

安全島是指構造活動區內或活動性構造帶之間存在的相對穩定地塊，可將其作為工程建設場地。

對東非大裂谷東支肯尼亞段工程地質特征進行系統分析，發現裂谷谷底區北側地勢平坦，地震活動少，斷裂構造不發育，且火山活動性微弱，工程地質條件相對較好，適合鐵路工程建設[4-8]。

5 工程地質選線

5.1 活動斷裂帶

(1)選線原則

線路應繞避活動斷裂帶，難以繞避時，應避開斷層帶的端點、拐點、交叉點等部位，選擇斷層寬度較窄處或活動相對較弱的部位，盡量以低填淺挖路基、矮橋或隧道等易于修復的工程大角度通過[11,16,17]。

(2)工程地質選線

受地形條件限制，東翼裂谷區線路難以完全繞避，經過方案研究后，取消了斷裂帶上的高橋、大橋，改為以隧道和路基的形式通過斷裂帶，降低了工程風險。

5.2 地震

(1)選線原則

線路應繞避6.0級及以上強震潛在震源區和次生災害發育區，難以繞避時，應選擇于潛在震源區內(活動)斷裂發育稀疏、強震活動相對較弱、次生災害不發育的部位，并盡量以低填淺挖路基、矮橋或隧道等易于修復的工程大角度通過。

(2)工程地質選線

裂谷谷底區南側地震活動水平較高，北側地震活動水平相對較低，經方案比選后，可研階段確定選用谷底區北側方案，避開南側地震活動水平較高區域，從而降低了工程風險，節省了工程投資[4-7]。

5.3 火山活動

(1)選線原則

線路應繞避火山活動活躍的區域，難以繞避時，應選擇火山活動相對微弱及巖熔蓋層發育區域，采用路基形式以最短距離通過。

(2)工程地質選線

通過多次方案比選后，線路選擇在隆戈諾特火山和蘇斯瓦火山之間的巖熔蓋層區通過，采用路基、簡支梁等柔性結構，規避巖熔冷凝裂縫及地裂縫影響，并提出以路代橋的選線理念。

5.4 地下熱點(高地溫)

(1)選線原則

線路應繞避可能出現嚴重熱害的高地溫地區，選擇在常溫帶或相對低溫帶通過，難以繞避時，盡量以橋和路基形式通過高地溫地區。隧道經過高地溫區時，應盡可能減少隧道埋深[9-10]。

(2)工程地質選線

可研階段外業勘察時，發現“地獄之門”南側地段為高地溫地區，后經方案比選，通過調整平面位置和降低縱斷面高程，推薦采用南側方案，成功地繞避了高地溫地區。

6 結論與建議

(1)通過對該活動斷裂帶的特征分析，內馬鐵路的選線設計繞避了斷裂活躍段落，采用隧道和路基通過斷裂帶，確保了線路安全與穩定，降低了工程風險。

(2)通過地震時空分析，線路選擇在地震活動水平微弱的部位通過，降低了工程難度，節省了工程投資。

(3)東非大裂谷谷底區火山密布、熱點發育，巖熔冷凝裂縫發育，地裂縫時有發生。通過對大陸裂谷火山特征的研究，提出以路代橋的選線理念，線路選擇在隆戈諾特火山和蘇斯瓦火山之間的巖熔蓋層上，以路基形式通過，繞避了“地獄之門”高地溫區。該方案充分利用了火山噴出硬巖形成的良好基礎，并采用路基、簡支梁等柔性結構，降低了地裂縫影響。