雅安至林芝交通廊道重大工程地質(zhì)問題與對策研究*

黃 勇 孟祥連 胡卸文 張利國 王哲威 杜世回 張文忠 陳興強 羅 鋒

(①中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 西安 710043， 中國)

(②陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室， 西安 710043， 中國)

(③西南交通大學地質(zhì)工程系， 成都 614202， 中國)

(④川藏鐵路有限公司， 林芝 860100， 中國)

(⑤中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031， 中國)

0 引 言

雅安至林芝交通廊道內(nèi)規(guī)劃的川藏鐵路近東西走向，主要經(jīng)雅安、康定、昌都、林芝等地區(qū)，如圖1所示，沿線長大深埋隧道眾多，橋隧比例高，如規(guī)劃的鐵路工程線路全長約1017 km， 105座橋梁118 km、72座隧道837 km，全線橋隧總長955 km，占比約94%。

圖1 雅安至林芝交通廊道規(guī)劃鐵路地理位置示意圖

規(guī)劃交通廊道從位于第二階梯的四川盆地急劇上升至第一階梯的青藏高原，穿越三江并流區(qū)和藏東南高山峽谷區(qū)，跨越大渡河、雅礱江、金沙江、瀾滄江、怒江、帕龍藏布江、雅魯藏布江等7條大江大河，穿越二郎山、折多山、沙魯里山、海子山、芒康山、他念他翁山、伯舒拉嶺、色季拉山等8座山脈，跨七江穿八山，地形高差十分顯著。

在前期川藏鐵路規(guī)劃建設中，通過開展天空地一體化的綜合勘察，獲取了大量的勘察數(shù)據(jù)，線路先后穿越龍門山斷裂帶、鮮水河斷裂帶、金沙江斷裂帶、瀾滄江斷裂帶、怒江斷裂帶、嘉黎斷裂帶等多條規(guī)模巨大的塊體邊界活動斷裂帶，總體位于地震多發(fā)區(qū)，也是強震的主要分布區(qū)，如1950年墨脫察隅MS8.6級地震(溫燕林等， 2016)、1973年爐霍MS7.6級地震(張力方等， 2017)、2008 年汶川MS8.0級地震(李寧等， 2020)等，區(qū)內(nèi)90%的地段地震動峰值加速度大于0.15 g，最大可達0.40 g。 區(qū)域構造應力場模擬(陳興強， 2020； 杜世回， 2020)和大量深孔地應力實測數(shù)據(jù)表明，研究區(qū)地應力整體水平偏高，且方向復雜多變，在喜馬拉雅東構造結北側1410 m深度范圍內(nèi)測試最大水平主應力約為45 MPa，預測規(guī)劃鐵路隧道洞身最大水平主應力值可達66 MPa，高地應力場環(huán)境下不同巖性巖組表現(xiàn)出不同擠壓力學特征，呈現(xiàn)出危害程度不一的巖爆和軟巖大變形災害。受深大活動斷裂、地震、強降雨、冰川等作用，沿線崩塌、滑坡、泥石流、巖堆、冰崩雪崩等重大地表地質(zhì)災害極其發(fā)育，主要集中在瀘定—康定段、巴塘—貢覺段、昌都—邦達段、怒江—洛隆段、波密—林芝段，具有頻發(fā)性、群生性和鏈生性的特點。著名的易貢滑坡(邢愛國等， 2010)發(fā)生在該研究區(qū)域。然烏至魯朗段是我國冰水混合型泥石流及冰川型泥石流的高發(fā)區(qū)(屈永平等， 2015； 許佑頂?shù)龋?2017)，素有川藏公路的“盲腸地段”之稱。古鄉(xiāng)溝泥石流、培隆貢支泥石流、天摩溝泥石流、米堆泥石流等曾多次毀壞川藏公路。據(jù)不完全統(tǒng)計，金沙江、大渡河、雅魯藏布江等流域在四川及西藏境內(nèi)發(fā)生滑坡堵江46次。

沿線水熱活動較為活躍，位于全球兩大地熱帶之一的地中海-喜馬拉雅地熱活動帶(多吉， 2003)。沈顯杰 (1992) 根據(jù)大地熱流密度值測量數(shù)據(jù)表明，青藏高原中部熱流異常，大地熱流密度值在300mW·m-2以上。青藏高原南部地區(qū)大地熱流密度值為60～146mW·m-2，雖然遠遠低于青藏高原中部地區(qū)，但仍高于正常值。李午陽等 (2018) 研究表明：巴塘熱水區(qū)熱流密度為61.64～73.60mW·m-2，理塘為55.36～75.27 mW·m-2，康定為77.36～82.22mW·m-2。大地熱流分布呈現(xiàn)西南高、東北低，沿NNE方向從約90mW·m-2降低到60mW·m-2。根據(jù)熱紅外遙感、溫泉調(diào)查和深孔鉆探揭示，研究區(qū)可劃分為鮮水河斷裂地熱異常帶、甘孜至理塘斷裂地熱異常帶、金沙江斷裂地熱異常帶、瀾滄江斷裂地熱異常帶、怒江斷裂地熱異常帶、嘉黎斷裂地熱異常帶和雅魯藏布江縫合帶地熱異常帶等7個地熱異常區(qū)(圖2)，測試最高地溫達95 ℃，預測規(guī)劃鐵路隧道最高地溫達66 ℃。

圖2 雅安至林芝交通廊道規(guī)劃鐵路地熱異常區(qū)分布示意圖

相比傳統(tǒng)山區(qū)公路、鐵路及青藏公路、青藏鐵路，雅安至林芝段交通廊道工程地質(zhì)條件具有復雜性、多樣性和特殊性，活躍的地質(zhì)構造、頻繁強烈的地震作用、頻發(fā)多樣的地質(zhì)災害在研究區(qū)普遍存在。高位巨型的滑坡、崩塌及大型冰川泥石流，其規(guī)模和復雜性均屬罕見，具有規(guī)模大、分布廣、破壞力強、頻率高、治理難度大的特點(馮文凱等， 2020； 李寧等， 2020)，嚴重影響線路方案選擇。在高地應力和地熱活動的影響下，巖爆、軟巖大變形、高地溫等地質(zhì)問題在隧道工程中普遍存在，成為隧道工程建設的技術難點。

本文根據(jù)相關研究成果，結合勘察設計前期階段獲取的勘察數(shù)據(jù)，對沿線的重大地質(zhì)問題進行全面分析和闡述，主要為活動斷裂、高烈度地震、高地應力、高地溫和泥石流、滑坡、崩塌、冰湖潰決等地質(zhì)災害，針對不同的工程地質(zhì)問題，研究分析工程危害程度，通過地質(zhì)選線、合理的工程設置繞避或降低工程風險，同時在施工運營階段，加強地質(zhì)風險的超前探測、預報和監(jiān)測預警，采用經(jīng)濟合理的工程措施，為雅安至林芝交通廊道工程建設提供科學技術支撐。

1 復雜獨特的地質(zhì)環(huán)境

作為現(xiàn)今地球構造活動最為強烈的地區(qū)之一，青藏高原經(jīng)歷了長達4.9億年的長期演化，碰撞、擠壓、隆升作用形成現(xiàn)今的高山峽谷地貌、特殊高原氣候，同時造就了極其復雜的地質(zhì)環(huán)境。

1.1 地形地貌

青藏高原是現(xiàn)今世界上地形地貌最復雜、構造活動最強烈的地區(qū)之一(Tapponnier et al.，2001; Yin， 2010)，沿線從東至西依次經(jīng)過四川盆地、川西高山峽谷區(qū)、橫斷山高山峽谷區(qū)和藏東南高山峽谷區(qū)4個地貌單元(圖3)。沿線地形起伏巨大，平均海拔達到3000 m以上，地勢險峻、山高坡陡、河谷深切，嶺谷相間排列，相對高差2000～3000 m。地貌形態(tài)主要受青藏高原地殼隆升的影響，伯舒拉嶺以東山脈走向主要為南北向，以西由南北向向東西向過渡，群峰高聳，支流密布，冰川、冰湖、冰磧地貌及凍融地貌特征明顯。

圖3 雅安至林芝交通廊道規(guī)劃鐵路沿線地勢分布示意圖

研究區(qū)跨越太平洋和印度洋兩大水系，涉及的主要河流有大渡河、雅礱江、金沙江、瀾滄江、怒江、易貢藏布和帕隆藏布等，水系流向呈南北向至北北西向，與區(qū)域構造走向大體一致。特殊的高原、高山峽谷地貌，為研究區(qū)的地表地質(zhì)災害提供了必要的孕災環(huán)境，為高位遠程滑坡、崩塌、冰川泥石流的發(fā)育等創(chuàng)造了地形條件，同時為跨越大江大河橋梁和長大越嶺隧道的設置帶來挑戰(zhàn)。

1.2 構造格架

青藏高原的地球動力學過程是原有的地質(zhì)體不斷蛻變、改造，新生地質(zhì)體不斷增生形成的過程。距今4.9億年前，青藏高原進入到特提斯洋演化階段，隨著岡瓦納大陸北緣晚古生代不斷弧后擴張、裂離形成了復雜的多島弧-盆系，隨后經(jīng)洋盆萎縮消減、弧-弧、弧-陸碰撞的復雜碰撞拼合過程最終奠定了現(xiàn)今的大地構造格局(潘桂棠等， 2009)。

雅安至林芝交通廊道橫跨了揚子陸塊和青藏高原內(nèi)部共計4個一級大地構造單元和12個二級構造單元(圖4)，由東至西依次為揚子陸塊、三江造山系、班公湖-雙湖-怒江-昌寧對接帶和岡底斯-喜馬拉雅造山系(潘桂棠， 2013)，同時穿越5條巖漿弧、6個沉積盆地和7條蛇綠混雜巖帶(潘桂棠等， 2020)。藏東南地區(qū)現(xiàn)今構造格架直接決定了區(qū)域地殼穩(wěn)定性，同時控制和影響研究區(qū)岡底斯巖漿弧、怒江構造混雜巖、嘉黎構造混雜巖等特殊巖性巖組的展布。

圖4 雅安至林芝交通廊道規(guī)劃鐵路沿線大地構造圖

新生代以來，印度板塊與歐亞板塊持續(xù)碰撞，青藏高原及其周邊地區(qū)發(fā)生了強烈的構造擠壓變形和地殼隆升，使得青藏高原及其周邊地區(qū)一直是現(xiàn)今地球構造活動最為活躍的區(qū)域之一(Molnar et al.，1975; Molnar， 2005; Niu， 2020)。印度板塊相對穩(wěn)定，歐亞大陸以約50 mm·a-1水平速率向北運移(Liang et al.，2013; Wang et al.，2020)，直接影響著研究區(qū)新生代構造變形和地貌形態(tài)。

1.3 巖性巖組

青藏高原構造格局控制著研究區(qū)地層巖性的分布，地層時代從震旦系至新生界均有分布，主要巖性有以砂巖、泥巖、灰?guī)r為主的沉積巖，以片麻巖、大理巖、板巖等為主的變質(zhì)巖和以花崗巖、閃長巖等為主的巖漿巖。 以邦達為界，邦達以東，砂巖、板巖等沉積巖，變質(zhì)砂巖、千枚巖等淺變質(zhì)巖大范圍分布，局部地段有花崗巖侵入巖； 邦達以西以片麻巖、花崗巖等硬質(zhì)巖為主，局部分布板巖、片巖等軟質(zhì)巖(圖5)。

圖5 雅安至林芝交通廊道規(guī)劃鐵路沿線巖性巖組分布示意圖

在金沙江東岸格聶山、怒江西岸餓窮拉山、芒康山、東達山、海子山等地區(qū)分布有灰?guī)r、大理巖等可溶巖，局部地段巖溶發(fā)育，隧道施工中存在突涌水風險； 受金沙江斷裂帶、怒江斷裂帶和嘉黎斷裂帶影響，分布有大量的構造混雜巖，巖性復雜多變，巖體破碎、完整性差、富水，對隧道圍巖的穩(wěn)定性影響較大； 在邦達草原、毛亞壩草原等高原夷平面地區(qū)分布有季節(jié)性凍土； 沿高山峽谷區(qū)分布有第四系沖洪積、崩坡積的砂類土、碎石類土和黏性土； 受冰川作用，局部溝谷兩側分布有大量的冰磧物，如波堆藏布傾多鎮(zhèn)地區(qū)、凍措曲臘久鄉(xiāng)地區(qū)。

1.4 水文地質(zhì)

受深大斷裂構造、復雜巖性巖組、地表廣覆冰雪、冰湖和強降雨等因素影響，研究區(qū)水文地質(zhì)條件復雜，地下水的主要類型為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水和巖溶水。

研究區(qū)的泥巖、板巖、砂巖、頁巖、千枚巖、花崗巖、片麻巖等多為弱-中等基巖裂隙含水層，多為弱-中等富水區(qū)； 局部地段受構造影響，特別是規(guī)模巨大的區(qū)域斷裂帶，為大氣降雨與冰雪融水入滲補給提供了有利的通道，張性裂隙發(fā)育區(qū)為良好的構造富水帶，隧道突涌水風險極高； 第四系孔隙潛水主要分布于河谷區(qū)河漫灘和兩岸階地，埋深較淺、水量較大，分布范圍較小。

可溶巖主要呈南北向條帶狀展布，與區(qū)域構造行跡展布一致，其中金沙江東側格聶山體為研究區(qū)可溶巖分布最廣、極為復雜的地段，呈現(xiàn)出垂向分帶的特征。

2 重大工程地質(zhì)問題

長期復雜的地球演化造就了現(xiàn)今青藏高原獨特的地理地質(zhì)環(huán)境，使研究區(qū)處于全球地形起伏最大、內(nèi)外動力地質(zhì)作用最強烈、氣候條件極其惡劣、地質(zhì)災害頻發(fā)的區(qū)域之一。主要的重大工程地質(zhì)問題有深大活動斷裂與高烈度地震、高位遠程滑坡崩塌、危巖落石、冰川泥石流、巖爆、軟巖大變形、高地溫、突涌水等。

2.1 強烈發(fā)育的深大活動斷裂與高烈度地震

規(guī)劃交通廊道所在區(qū)域屬于喜馬拉地震帶與南北地震帶交匯處，構造和地震活動強烈，主要邊界斷裂均具有顯著的晚第四紀活動性。斷裂的規(guī)模、活動強度在鐵路建設史上實為罕見。主要深大活動斷裂帶有鮮水河斷裂帶、嘉黎斷裂帶、怒江斷裂帶等，如表1、圖6所示，其中色拉哈斷裂、玉農(nóng)希斷裂、邊壩-洛隆斷裂、嘉黎斷裂等活動斷層未來可能突發(fā)最大水平位錯量達4～6 m，怒江斷裂地表最大垂直位錯量達4 m。

圖6 雅安至林芝交通廊道規(guī)劃鐵路沿線主要活動斷裂分布示意圖(據(jù)張培震等，2003;鄧起東，2007;謝超，2018;Wang et al.，2020修改)

表1 雅安至林芝交通廊道主要斷裂晚第四紀活動性特征表

研究區(qū)域內(nèi)公元前26年至今，地震記錄共有4.7級以上地震561次， 6～6.9級地震77次，7～7.9級地震21次，8～8.9級地震2次，分別為2008年汶川8級地震(李寧等， 2020)和我國大陸震級最大的1950年西藏墨脫8.6級地震(溫燕林等， 2016)。

在昌都以東區(qū)域，地震震中沿鮮水河斷裂帶呈北西向展布，沿龍門山斷裂帶呈北東向展布，沿馬邊斷裂帶的地震震中呈近南北向展布。在理塘—巴塘一帶，存在一個北西西向的弧形地震條帶； 在昌都以西區(qū)域，地震震中大多沿北西向斷裂分布； 在喜馬拉雅東構造結所在地區(qū)(林芝、波密、墨脫一帶)，東、西兩側地震沿北東向斷裂分布，波密以西地震沿北西向斷裂分布(圖7)。

圖7 雅安至林芝交通廊道規(guī)劃鐵路沿線歷史性地震震中分布圖(M≥4.7，至2019年)

主要的地震帶有龍門山地震帶、鮮水河-滇東地震帶、藏中地震帶、喜馬拉雅地震帶等，潛在震源區(qū)共58個，震級上限整體偏高，如圖8所示，其中震級上限9.0級的潛在震源區(qū)1個， 8.0級以上的潛在震源區(qū)達10個。

圖8 雅安至林芝交通廊道規(guī)劃鐵路沿線潛在震源區(qū)分布圖

在鮮水河斷裂帶和喜馬拉雅東構造結，區(qū)域地震問題尤為突出，通過歷史地震分析表明，鮮水河斷裂帶、金沙江斷裂帶、嘉黎斷裂帶等均具有一定的未來地震風險，鮮水河斷裂帶震級較大的幾次地震雖然都發(fā)生在1990年之前，但是在進入1990年以來地震活躍性呈增加趨勢(圖9)，預測未來地震風險較大，金沙江斷裂帶與嘉黎斷裂帶地震活躍性在近幾十年雖然呈一定下降趨勢，但不排除進入下一個地震活躍周期的可能性。

圖9 鮮水河斷裂各段歷史地震活動性分析圖(1900年至今)

2.2 強烈發(fā)育的多樣化地質(zhì)災害

在內(nèi)外地質(zhì)動力作用下，藏東南及橫斷山脈地區(qū)深大活動斷裂發(fā)育、地震頻發(fā)、氣候復雜多變、風化凍融強烈，形成了大量松散物源，為地質(zhì)災害的發(fā)育提供了充分條件。

研究區(qū)特殊的氣候條件，催生了冰川、凍融、風化作用，加重了巖體的損傷，為地質(zhì)災害松散物源的積累起到了促進作用，同時強降雨、冰雪融水為地質(zhì)災害的啟動提供了外部動力，不同的氣候特征和地形條件導致地質(zhì)災害類型的差異性。波密至魯朗段冰川、強降雨發(fā)育，形成了以冰川泥石流為特色的地質(zhì)災害，怒江、金沙江一帶形成了以大型滑坡、崩塌為特色的地質(zhì)災害。地質(zhì)災害主要分布在川西龍門山區(qū)、大渡河流域、鮮水河流域、“三江”流域、易貢藏布流域和帕隆藏布流域(圖10， 表2)。對交通工程規(guī)劃建設影響重大的地質(zhì)災害主要有高位遠程滑坡、崩塌、危巖落石、冰川泥石流及由此引發(fā)的山地災害鏈等。

圖10 雅安至林芝交通廊道規(guī)劃鐵路沿線地質(zhì)災害發(fā)育分布與易發(fā)性評價圖

表2 雅安至林芝交通廊道地質(zhì)災害分布特征表

地震是地質(zhì)災害的主要觸發(fā)因素之一，地震在直接觸發(fā)地質(zhì)災害的同時，也可造成山體松動，為次生地質(zhì)災害的發(fā)生提供大量的物質(zhì)來源，降低地質(zhì)災害的觸發(fā)閾值。強震區(qū)地震作用后，地質(zhì)災害顯著增加且具有長期活動性，對汶川地震前后(2000～2011)災難性滑坡數(shù)量統(tǒng)計分析表明，災難性滑坡數(shù)量在2008年強震后的3年中，呈明顯的上升趨勢，暴雨年滑坡數(shù)量震后較震前增加了近1倍，非暴雨年滑坡數(shù)量震后較震前增加了3～4倍(黃潤秋， 2011)。研究區(qū)多位于強震區(qū)，在頻發(fā)強震的作用下，地質(zhì)災害問題尤為突出。

2.2.1 高位遠程滑坡、崩塌、危巖落石

地質(zhì)災害在高山峽谷區(qū)和沿斷裂構造帶密集分布，受河流切割和地震強度的誘發(fā)影響明顯，地質(zhì)構造復雜、強烈的部位往往是高位遠程、大型、巨型崩塌、滑坡發(fā)育密集區(qū)，主要分布于金沙江、帕隆藏布、易貢藏布等高山峽谷區(qū)，如位于金沙江縫合帶的白格滑坡、嘉黎斷裂帶的易貢滑坡等。

沿線分布有大量的高陡岸坡，如金沙江、怒江、色曲、凍措曲、易貢藏布兩岸，邊坡高度達數(shù)千米，受卸荷、風化、凍融、地震等作用的影響，兩岸邊坡分布有大量的危巖體(圖11)，在降雨等外部作用下，極易發(fā)生落石風險。

圖11 洛隆凍措曲高陡邊坡高位危巖體

2.2.2 冰川泥石流

沿線泥石流廣泛發(fā)育，雅安至伯舒拉嶺段主要以雨洪型泥石流為主，伯舒拉嶺至林芝段主要以冰水混合型、冰雪融水型和冰川泥石流為主，局部發(fā)育有冰湖潰決型泥石流(屈永平等， 2015)。

規(guī)劃交通廊道伯舒拉嶺至林芝段分布泥石流溝292條，其中冰川型、冰雪融水型和冰水混合型泥石流229條，暴雨型泥石流溝63條，泥石流總體線密度為0.86條·km-1，具有流域面積廣、高差大、易發(fā)性和致災能力強的特點(圖12， 表3)。

圖12 伯舒拉嶺至林芝段沿線泥石流綜合致災能力示意圖

表3 伯舒拉嶺至林芝段泥石流分布特征

泥石流受極端降雨、高溫、強烈地震事件的影響，可在不同空間尺度誘發(fā)群發(fā)性的泥石流災害。如2007年9月天摩溝暴發(fā)特大泥石流的同時，周邊的古鄉(xiāng)溝、索通溝、比通溝等泥石流溝也暴發(fā)規(guī)模不等的泥石流。川藏公路然烏至魯朗段是泥石流集中發(fā)育區(qū)，泥石流多次沖毀川藏公路橋梁及路基工程，造成交通中斷， 如表4所示，在1950～1970年代泥石流集中暴發(fā)， 1970進入相對平穩(wěn)期，在2007年又集中暴發(fā)。

表4 川藏公路然烏至魯朗段重大泥石流災害統(tǒng)計

2.2.3 山地災害鏈

受特殊的孕災環(huán)境影響，研究區(qū)內(nèi)山地災害呈現(xiàn)類型多樣、暴發(fā)頻率高和發(fā)生規(guī)模大的特征，同時高山峽谷區(qū)的地形條件為一種災害轉化為另外一種災害創(chuàng)造了必要條件，從而形成災害鏈，使得災害在空間和時間上進一步延伸，災害持續(xù)時間更長、影響范圍更廣、破壞力更強。如2000年發(fā)生易貢滑坡，大量的滑坡體物質(zhì)進入易貢藏布形成長約2.5 km、寬約2.5 km的滑坡堆積體，體積約(2.8～3)×108m3，堵塞易貢藏布(圖13)，壩體內(nèi)水位不斷上升導致潰壩而形成潰壩洪水，潰壩時最大洪峰流量達12×104m3·s-1，從而對下游近百公里范圍造成毀滅性破壞(邢愛國等， 2010)。研究區(qū)主要的災害鏈類型有崩塌-滑坡-碎屑流-堵江堰塞壩-潰壩洪水、滑坡-碎屑流-堵江堰塞壩-潰壩洪水、泥石流-堰塞湖-潰決洪水、冰崩-冰湖潰決-泥石流-堰塞湖-潰決洪水等。

圖13 易貢特大山體崩塌滑坡遙感圖像(滑坡發(fā)生后第26天的SPOT 圖像)(戴興建等， 2019)

線路跨越大渡河、金沙江、帕隆藏布、易貢藏布等大江大河，歷史上均發(fā)生過滑坡、崩塌、泥石流堵江事件，在未來地震及強降雨活動影響下，沿線流域存在發(fā)生大型滑坡、崩塌、泥石流堵江的風險，特別在帕隆藏布流域然烏至魯朗段，多次發(fā)生堵江從而影響川藏公路通行。

2.3 高地應力

研究區(qū)緊鄰喜馬拉雅東構造結，屬板塊擠壓強烈區(qū)，也是我國高地應力梯度區(qū)，板塊運動控制著構造應力的格局與變化，GPS地表形變(Wang et al.， 2020)、震源機制解(羅鈞等， 2014; 王曉楠等， 2018)、深孔地應力實測及數(shù)值模擬(孫玉軍等， 2017)均表明，從東到西主應力方向總體為北西-南東向(NW-SE)轉為近東西向(EW)，最后為北東-南西向(NE-SW)。同時，地應力整體偏高，特別在“Y”字型構造區(qū)和南迦巴瓦構造結區(qū)，實測數(shù)據(jù)顯示1000 m埋深范圍內(nèi)，其側壓力系數(shù)達3.3，梯度超過3.5 MPa/100 m，如圖14所示。

圖14 波密至林芝段地應力不同深度實測值分布圖

交通廊道范圍內(nèi)長大深埋隧道眾多，規(guī)劃的鐵路隧道最大埋深達2100 m。如穿越色季拉山鐵路隧道最大埋深為1687 m，在埋深1410 m處測試最大水平主應力值達45.52 MPa，最小水平主應力值約35 MPa，預測隧道洞身最大水平主應力最大值約62 MPa，如圖15所示，強度應力比約1～5，大部分段落屬極高地應力區(qū)，局部地段屬高地應力區(qū)。

圖15 規(guī)劃鐵路色季拉山隧道沿洞身軸線預測最大、最小水平主應力及垂直應力分布圖

2.3.1 巖 爆

規(guī)劃鐵路硬質(zhì)巖隧道中埋深大于1500 m隧道多達12座，預測硬質(zhì)巖隧道中洞身最大水平主應力達66 MPa，在強烈擠壓高地應力的背景下，在花崗巖、閃長巖、大理巖、片麻巖、厚層狀砂巖等硬質(zhì)巖隧道施工中存在巖爆風險，預測規(guī)劃鐵路工程中有28座隧道存在不同程度的巖爆問題，主要分布在岡底斯巖漿弧波密至林芝段和二郎山、他念他翁山、伯舒拉嶺等越嶺硬質(zhì)巖隧道段。

巖爆作為一種突發(fā)性強、破壞性大的高地應力災害在隧道修建中屢見不鮮，如拉林鐵路巴玉隧道(王慶武等， 2016)、引漢濟渭輸水隧洞(黃志平等， 2018)、錦屏二級水電站深埋隧道群(江權等， 2008)施工過程中多次發(fā)生強烈?guī)r爆甚至極強巖爆，嚴重影響人員、設備安全和施工進度。

2.3.2 軟巖大變形

沿線分布有大量的板巖、炭質(zhì)板巖、頁巖、炭質(zhì)片巖、千枚巖等薄層軟質(zhì)巖。雅安至林芝段規(guī)劃鐵路軟質(zhì)巖隧道總長達450 km，占比達53%，整體埋深在600 m以上，其中最大埋深達1800 m。在高地應力環(huán)境下，極易發(fā)生軟巖大變形，結合現(xiàn)場勘察數(shù)據(jù)和工程類比分析，預測規(guī)劃鐵路隧道軟巖大變形長度約150 km。

蘭渝鐵路、成蘭鐵路等隧道施工中均發(fā)生過軟巖大變形，具有變形量大、速率高、變形持續(xù)時間長、變形控制難的特點(李國良等， 2015)。木寨嶺鐵路隧道施工中最大水平收斂4385 mm，最大收斂速率472 mm·d-1。隧道軟巖變形破壞范圍大，如不加以及時控制，就會迅速發(fā)展成難以控制的變形和破壞，對施工進度產(chǎn)生嚴重影響，造成巨大的經(jīng)濟損失，已成為世界性的地下工程難題之一。

交通廊道部分隧道所經(jīng)軟質(zhì)巖的巖性特征、完整性與蘭渝鐵路、成蘭鐵路類似，但隧道埋深更大，構造環(huán)境更復雜，地應力水平更高，軟巖大變形問題也將更為突出。

2.4 高地溫

印度板塊俯沖于歐亞板塊之下，強烈的擠壓碰撞作用將導致青藏高原地區(qū)發(fā)生廣泛的區(qū)域性地殼變形、增厚，并伴隨著大規(guī)模的火山噴發(fā)和巖漿活動(姜枚等， 2012； 彭淼等， 2017)，塑造了獨特的陸-陸碰撞型地殼結構和區(qū)域性高熱流異常環(huán)境，形成著名的喜馬拉雅地熱活動帶。研究表明，藏南地區(qū)大地熱流整體偏高，大地熱流密度值60～146mW·m-2，如圖16所示。研究區(qū)深大斷裂及巨型構造帶發(fā)育，對區(qū)域地溫有明顯的控制作用，同時地下水沿斷裂構造下滲向深部循環(huán)，經(jīng)深部加熱后沿斷裂上升，隱伏于地下或出露于地表，形成了一系列的溫泉和高地溫區(qū)，地震過程中伴隨斷層摩擦、應變等形成的熱源也將影響區(qū)域地溫。不完全統(tǒng)計研究區(qū)溫泉達182處，其中通麥長青溫泉溫度達95 ℃，如表5所示。

圖16 中國大陸地區(qū)大地熱流分布圖(Jiang et al.，2019)

表5 雅安至林芝交通廊道典型溫泉匯總表

通過熱紅外遙感、地表調(diào)查和大量深孔測溫數(shù)據(jù)表明，研究區(qū)整體地溫梯度偏高，一般地段地溫梯度為1～3 ℃/100 m，地熱異常段地溫梯度為3～5 ℃/100 m，最大可達20 ℃/100 m，其中以通麥至魯朗段地熱問題尤為突出，如拉月隧道鉆探揭示洞身最高溫度達58 ℃，如圖17、圖18所示。

圖17 通麥至魯朗段反演地表溫度與溫泉分布圖

圖18 通麥至魯朗段深孔實測地溫曲線

預測規(guī)劃鐵路工程中31座隧道存在高溫熱害問題，局部地段地溫溫度將達50 ℃以上，存在高溫熱水的風險，如規(guī)劃鐵路中緊臨雅魯藏布江縫合帶的拉月隧道，受米林活動斷裂的影響，地熱問題尤為突出，預測洞身最高地溫達66 ℃，大于50 ℃段落長度達3.5 km，如圖19所示。高溫環(huán)境將導致隧道內(nèi)施工環(huán)境惡化，對人的身心造成傷害，降低施工效率。支護結構在高地溫及地下水化學環(huán)境下力學性能劣化，從而增加施工成本，高溫熱水防護不當將嚴重影響施工安全。

圖19 規(guī)劃鐵路拉月隧道地溫預測等溫線圖

2.5 突涌水

沿線隧道具有埋深大、長度長、越嶺多的特點，構造極其發(fā)育。遙感、地表調(diào)查、物探、鉆探等揭示規(guī)劃鐵路隧道通過斷裂多達260余條，深大斷裂既是良好的導水通道，也是儲水構造，在局部地段還可能形成高壓富水帶，在怒江構造混雜巖中多處深孔揭示存在承壓水，有的承壓水水壓高達4.5 MPa。

在格聶山、果拉山、餓窮拉山等地區(qū)分布有灰?guī)r、大理巖等可溶巖，巖溶地貌明顯，出露巖溶泉，如圖20所示，沿線規(guī)劃鐵路隧道穿越可溶巖總長約58 km。

圖20 八宿擁巴巖溶瀑布

在山嶺海拔4000～4500 m以上地區(qū)有大量的冰川、積雪覆蓋，局部地段分布大量的冰湖。波密和雅安地區(qū)降雨量大，常年平均降雨量可達1000 m以上。冰雪融水、冰湖、強降雨造成了隧道水文地質(zhì)條件更為復雜，突涌水風險更高。

2.6 多場耦合效應的深部災害

巖爆、軟巖大變形、突涌水、高地溫等單一災種在鐵路、公路、水利隧道工程修建中經(jīng)常發(fā)生，但研究區(qū)特殊的地質(zhì)環(huán)境，在滲流場、熱流場和高地應場等多場作用下，多場耦合效應與多災種疊加產(chǎn)生的深部災害問題將是隧道工程面臨的一個新的、重大挑戰(zhàn)。

基于水-熱-力-化等多場耦合作用下的研究多基于理論研究和室內(nèi)模擬，而對災變演化和防控技術研究不多，隧道施工中揭示的多災種問題也相對較少，研究區(qū)多座隧道勘察揭示不僅存在高地應力問題，而且還存在高地溫和地下水問題，在多場耦合作用下，單一災種是否會進一步演化和加劇，如高溫環(huán)境下是否會促進巖爆的發(fā)生，高地應力環(huán)境下在地下水滲流和高溫作用下對圍巖穩(wěn)定性的影響等，均有待進一步的研究。

3 工程對策研究

研究區(qū)特殊的地理地質(zhì)環(huán)境造就了復雜的地質(zhì)條件和特殊的地質(zhì)問題，首先需要厘清區(qū)域地質(zhì)背景，查明工程地質(zhì)條件，再開展地質(zhì)選線、工程設置研究，降低和減少地質(zhì)風險，最后結合不同地質(zhì)問題、地形條件、施工技術水平采用有針對性的工程措施。

3.1 天空地一體化勘察技術

沿線山脈縱橫起伏、溝谷深切、地形陡峻，人跡罕至、冰雪常年覆蓋，很多影響線路方案的重點橋隧工程位于無人區(qū)內(nèi)，工程地質(zhì)調(diào)繪及勘察難度極大，常規(guī)地質(zhì)勘察手段、勘探設備難以滿足勘察精度和要求(孟祥連， 2020)，因此，應積極推廣使用新技術、新方法、新手段，采用適應藏東南地區(qū)的勘察方法，充分利用天空地一體化綜合勘察技術，解決交通廊道線狀工程地質(zhì)勘察難題。

采用天空地一體化綜合地質(zhì)勘察技術體系，以多源三維遙感、熱紅外遙感、多光譜及高光譜巖性遙感解譯、航空物探等新技術從空而下，宏觀把脈； 以無人機平臺、三維傾斜攝影、三維Lidar激光掃描等新設備和技術由天著眼，微觀把握； 以超深水平鉆、千米鉆、高精度地面物探等新手段自地而起，精準把控； 形成多樣化、立體化、全方位的勘察技術體系(黃勇， 2020)，如圖21所示，為查明沿線區(qū)域地質(zhì)背景、工程地質(zhì)條件提供技術保障。

圖21 天-空-地多源立體化勘察技術體系融合與應用

3.2 地質(zhì)選線與工程設置

經(jīng)前期的大量勘察工作，查明影響和控制線路方案的主要地質(zhì)因素，如地殼穩(wěn)定性與活動斷裂、巖性巖組、地表地質(zhì)災害、高地溫等。在規(guī)劃設計前期階段，通過方案比選、地質(zhì)選線，繞避重大的、難以治理的地表地質(zhì)災害，尋找相對安全穩(wěn)定的“安全島”(胡海濤， 2001)，選擇區(qū)域地殼穩(wěn)定性較好、低地溫的安全廊道，從而規(guī)避或減少施工運營階段的地質(zhì)風險。

在地質(zhì)選線研究中，充分考慮高烈度地震區(qū)、活動斷裂對工程的影響，如在波密至林芝段鐵路方案研究中，采用北繞避開喜馬拉雅東構造結方案，從而避開了九度高烈度區(qū)，避開了長大段落穿行于米林、西興拉等全新世活動斷裂，走行于穩(wěn)定性相對較好的岡底斯地塊； 針對昌都至波密段中然烏—波密發(fā)育冰川泥石流、崩塌、雪崩等山地災害，八宿地區(qū)高地溫和軟巖大變形問題，線路方案北移取直走行于邦達草原高原夷平面后，如圖22所示，增加了線路通過花崗巖、片麻巖等硬質(zhì)巖段落，減少了千枚巖、炭質(zhì)板巖等軟質(zhì)巖段落，軟巖大變形長度由近60 km長度減少至22 km，同時繞避了八宿高溫熱害區(qū)和山地災害極其發(fā)育的然烏至波密段，通過地溫大于37 ℃段落長度由近50 km降低為不到10 km，極大改善了工程地質(zhì)條件，降低了地質(zhì)風險。

圖22 規(guī)劃鐵路昌都至波密段線路方案比選示意圖

對高地溫、巖爆、軟巖大變形等地質(zhì)風險，采用“走高、走邊、走硬”等方式，降低隧道埋深減少巖爆、軟巖大變形、高地溫等風險，如對鐵路拉月隧道高地溫問題，采用抬高線路高程從而降低高地溫風險，線路標高抬高約130 m后，通過大于50 ℃的高溫段落長度由近7 km減少為約3.5 km。

在規(guī)劃設計階段，采用設置科學可靠、經(jīng)濟合理的工程型式，做到宜橋則橋、宜隧則隧、宜路則路，可降低地質(zhì)災害對工程的影響。在鐵路工程設計研究中，穿越活動斷裂地段，盡量避開設置隧道洞口和橋梁工程，如在邦達草原線路穿越怒江活動斷裂時，通過優(yōu)化線路方案將橋梁工程調(diào)整為路基填方工程，既降低了活動斷裂對工程的危害性，同時也大大提高了工程的可修復性； 采用以隧代橋、以隧代路等方式下穿泥石流、滑坡密集發(fā)育區(qū)，如在波密至通麥段近54 km冰川泥石流集中易發(fā)區(qū)； 通過設置長大傍山的易貢隧道和通麥隧道，下穿泥石流集中發(fā)育區(qū)，如圖23所示，成果解決了地表地質(zhì)災害問題； 針對金沙江、易貢藏布等存在堵江風險的地段，可以設置高墩大跨橋梁方式一次跨越，如跨越易貢藏布河流采用主跨310 m、橋高95 m的拱橋，從而規(guī)避了上游再次發(fā)生類似易貢滑坡堵江潰壩的風險； 在巖溶地區(qū)，可通過調(diào)整線路標高合理設置橫洞和平導，為隧道涌水的排泄創(chuàng)造條件，降低施工風險。

圖23 帕隆藏布流域扎塔多溝至來曲遙感影像圖

3.3 工程措施

通過地質(zhì)選線、設置合理工程型式，規(guī)避了風險高、治理難度大的地質(zhì)災害，但還有諸多如活動斷裂、泥石流、危巖落石、巖爆、軟巖大變形、突涌水、高地溫等地質(zhì)問題，需要采用針對性工程措施進行防控和治理，結合中國鐵路近70多年的修建技術經(jīng)驗，工程防治措施遵循超前探測與監(jiān)測預警先行、主動控制和綜合治理的原則，見表6所示。

隨著我國青藏、蘭渝、成蘭、西成、麗香、大瑞等西部山區(qū)高原鐵路、公路工程的修建，對不同地質(zhì)問題有較為成熟、完善的防控技術體系，對單一災種或常見的災害問題有成功的工程經(jīng)驗，但鑒于研究區(qū)位于板塊運動極其活躍區(qū)，地質(zhì)條件極其復雜，有些地質(zhì)問題只有隧道施工開挖后才能揭示，需要在施工階段加強動態(tài)設計，遇到不同地質(zhì)問題采用綜合分析、綜合防控的思路，積極探索新技術、新材料、新工藝。

4 結 論

本文以雅安至林芝段特殊的地理地質(zhì)環(huán)境為基礎，結合規(guī)劃設計階段獲取的勘察數(shù)據(jù)充分分析了研究區(qū)重大工程地質(zhì)問題，針對深大活動斷裂與高烈度地震、高位遠程滑坡、崩塌、危巖落石、冰川泥石流、巖爆、軟巖大變形、突涌水、高地溫等地質(zhì)風險，從地質(zhì)選線、工程設置、工程措施3個層次開展對策研究，主要研究結論如下：

(1)雅安至林芝規(guī)劃交通廊道走行于青藏高原東南緣，地質(zhì)條件極其復雜，具有三高兩強的地質(zhì)特征：高烈度地震、高地應力、高地溫及強烈發(fā)育多樣化地質(zhì)災害、強烈發(fā)育深大活動斷裂。深大活動斷裂和高烈度地震嚴重影響工程的區(qū)域穩(wěn)定性； 在內(nèi)外動力地質(zhì)作用和特殊的氣候條件下，導致冰川泥石流、高位崩塌、滑坡及鏈生災害等地表地質(zhì)災害極其發(fā)育，嚴重影響橋梁、路基、車站等明線工程的安全； 在板塊強烈擠壓、碰撞作用下，研究區(qū)地應力水平整體偏高，隧道施工開挖中巖爆和軟巖大變形問題將會非常突出； 隧道工程穿越數(shù)百條斷裂構造、可溶巖和地熱異常區(qū)，高溫熱害和突涌水風險大。

表6 雅安至林芝規(guī)劃鐵路工程地質(zhì)問題主要措施原則

(2)針對研究區(qū)高海拔、大高差、常年冰雪覆蓋和道路交通不便的特點，采用天空地一體化綜合勘察技術，以面、線、點多層次勘察結構體系為指導，由面及線、由線到點，從而厘清區(qū)域地質(zhì)背景和工程區(qū)工程地質(zhì)條件，為重大地質(zhì)問題的對策研究提供技術支撐。

(3)規(guī)劃設計前期通過方案比選、地質(zhì)選線，選擇走行于區(qū)域地殼穩(wěn)定性較好、地質(zhì)災害危害性相對較低、地質(zhì)條件相對較好的廊道； 設計和施工階段，通過合理的工程設置降低地質(zhì)風險對工程的影響，對無法繞避的地質(zhì)問題，采用針對性的工程措施，做到預警先行、主動防控、生態(tài)環(huán)保和經(jīng)濟合理。

(4)鑒于研究區(qū)地質(zhì)條件的復雜性和特殊性，很多地質(zhì)問題只有在施工中才能被揭示，建議加強施工階段動態(tài)設計，及時調(diào)整設計參數(shù)和措施，同時對有些科學問題，如深部災害的多場耦合效應、板塊活躍區(qū)地下工程動力災變時間效應、強烈擠壓區(qū)巖爆與軟巖大變形機理研究、水熱活動特性、活動斷裂的蠕滑變形等方面需要進一步研究，災害的防控技術需在施工中進行進一步的完善。

致謝感謝中國地震局地質(zhì)研究所李彥寶副研究員、桂林理工大學陳立春教授、中國地調(diào)局地質(zhì)力學所楊志華副研究員、中國科學院成都山地所陳華勇副研究員等在本論文的寫作中給予的指導和幫助。