川藏鐵路鮮水河構造帶地質選線研究*

王哲威 徐正宣② 馮 濤 劉 威 張羽軍 林之恒 劉志軍 劉建國 王 棟 袁 東 方振華 趙江林

(①中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031， 中國)

(②西南交通大學， 成都 610031， 中國)

(③川藏鐵路四川有限公司， 成都 610031， 中國)

0 引 言

鮮水河斷裂帶是中國大陸內部構造活動性最強的大型左旋走滑斷裂帶，同時也是世界上活動性最強的活動斷裂帶之一，在有記載的300多年間共發生9次6.9級以上大地震(李東雨， 2017； 曾蒂， 2018； 潘家偉， 2020)。根據中鐵二院和中國地震局地殼應力研究所聯合完成的地震安全性評價(杜義等， 2019)結論：折多塘地區50年超越概率2%地震動峰值加速度可達1.2g，是全線地震和地質風險最高的一段。川藏鐵路在通過鮮水河構造帶時，地質條件極為惡劣，面臨高烈度地震及活動斷裂、高位崩滑流，高陡岸坡穩定性，高地應力，高地溫，高壓突涌水等重大工程地質問題，地質條件對線路走向制約明顯。

圍繞青藏高原周邊活動構造帶的鐵路選線問題，專家和學者們進行了大量的研究： 5·12 汶川大地震震中附近龍溪隧道破壞特征表明在地下空間位移量小于地表，因此以隧道方式通過活動斷裂是目前可行的工程形式(吳光等， 2010)； 汶川大地震近場區鐵路工程破壞特征表明，必須重視基于預防和減輕地震誘發地質災害的綜合選線，繞避潛在地震誘發大型崩坍、滑坡災害的地段，避免路基高大切坡，選用有利于地震防災減災的工程形式通過(朱穎等， 2010)； 在鐵路廊道方案選擇時可利用逆斷層下盤撓曲盆地、正斷層上盤斷陷盆地、走滑斷層斷陷盆地和拉分盆地中的平坦區域，可有效降低震后修復難度(邱燕玲等， 2014)； 成蘭鐵路采取短距離、大角度以簡單工程類型通過龍門山斷裂帶，與岷江活動斷裂帶傍行地段選擇位于斷層下盤并盡量遠離斷層的方式通過(杜宇本等， 2012)； 大瑞鐵路高黎貢山推薦方案在黃草壩阻水隔熱斷層之南相對低溫通道內通過(李光偉等， 2015)； 玉磨鐵路選線中充分考慮地表放大效應和近斷層效應帶來的次生災害問題，同時避免高墩大跨橋梁直接跨越全新世活動斷層，隧道工程選擇低溫廊道通過(杜宇本等， 2016)； 在川藏鐵路橫斷山選線應充分利用夷平面，盡量縮短在斜坡過渡帶的長度，不宜沿深切河谷走行(張廣澤等， 2016)； 川藏鐵路藏東南寬谷段，宜外移以路基或橋、局部輔以隧道的方式繞避大型不良地質，針對迫龍藏布峽谷段宜以傍山的長隧短打的方案通過為佳(宋章等， 2016)； 川藏鐵路金沙江流域選線中將地形地貌選線作為決定性因素(蔣鈺峰等， 2019)。以上研究成果指導了鮮水河構造帶的選線，然而借鑒過程中存在如下困難和問題：一是鮮水河構造帶穿過地段的地質條件更為復雜，地震風險前所未遇，不良地質種類更為齊全； 二是單種工程地質問題的選線原則已比較成熟，但多因素耦合下的地質選線原則及選線流程尚不夠系統。

在鮮水河構造帶選線中歷經5個階段19個大方案比選，局部方案多達數百組，在不斷摸索中選出了地質風險可控的方案。回顧整個選線過程，走了不少彎路，但選線結論經系統論證是最為合理的。本文通過系統分析鮮水河構造帶地質條件和選線成果，總結出一套適合復雜構造區的選線原則及選線流程，研究成果可為川藏鐵路金沙江縫合帶、嘉黎構造帶以及規劃中的滇藏鐵路選線提供借鑒。

1 區域地質概況

川藏鐵路康定至新都橋段(DK260+000-DK300+000)通過鮮水河構造帶，工程區顯著的地形高差，極端的氣候變化，強烈的板塊活動為表生和地下不良地質形成提供了良好的內外動力條件，復雜密布的斷裂構造，破碎軟弱的巖體結構，特殊的水文地質環境構成各類不良地質發育的載體。

1.1 顯著的地形高差

折多山地區是川西高山峽谷區和高山原河谷區的分界線，地形落差極大，最高點貢嘎山海拔達7556m，線路過折多山時海拔為4962m，與康定市的落差2000m以上，支溝自然坡度多大于70‰。

巨大的高差為高位崩滑流(郭長寶等， 2016)，高地應力(王棟等， 2017)，高壓突涌水等工程地質問題提供了有利的地形條件。線路在40km范圍以康定1#、2#隧道克服1000m以上的高差(圖1)，線路坡度適應自然坡度的自由度低，基本以30‰緊坡爬升，同時也導致線路繞避表生不良地質災害，減輕地下不良地質危害，實現順坡排水的自由度降低。

圖1 康定1#、2#隧道縱斷面示意圖

1.2 極端的氣候條件

1.3 強烈的板塊運動

青藏高原東緣川滇地塊屬于青藏高原腹地同揚子陸塊的構造地貌過渡地帶，新生代以來響應印度板塊同歐亞板塊的碰撞擠壓，鮮水河構造帶是川滇地塊的東北邊界，同時也是青藏高原物質流向東南方向逃逸的邊界斷裂(徐錫偉等2005； 陳桂華， 2006； 王閻昭等， 2008； 張遠澤， 2015)。青藏高原強烈的板塊碰撞、擠壓、隆升作用形成現今的高山峽谷地貌，特殊的高原氣候，同時造就了極其復雜的地質環境，是各類工程地質問題產生的內動力條件。

1.4 復雜密布的斷裂構造

鮮水河活動斷裂帶在線路段共分布雅拉河、色拉哈、木格措南、折多塘等4支全新世活動斷裂(潘家偉等， 2020)，以及玉龍希活動斷裂帶。除此之外，區域內尚存在跑馬山斷層、孟清斷層、蓮花山斷層、魚司通斷層、三道橋溝斷層、大雪山斷裂、金龍寺—磨子溝斷裂、惠遠寺—勒吉普斷裂帶、多爾金措—龍谷斷層、新都橋斷層等10條區域性深大斷裂。另外，雅拉河斷裂和折多塘斷裂之間發育多組NE向的斷裂，折多山埡口以北的折多塘斷裂至玉龍希斷層之間斷裂發育更加密集(圖2)。斷裂構造通常使巖石破碎，強度降低，并成為地下水的良好通道。線路穿經斷裂構造時，隧道工程易發生坍塌、冒頂、突水涌泥； 邊坡工程易產生滑坡，塌方； 基礎工程易產生不均勻沉降。

圖2 折多山地區構造綱要圖

1.5 軟弱破碎的巖體結構

該地區出露地層較全，從元古代至第四紀均有分布； 巖石類型多樣，火成巖、變質巖、沉積巖等3大巖類中的各種巖石均有不同程度出露?？碧浇沂臼荃r水河斷裂影響嚴重，巖體極為破碎，蝕變現象普遍，多為軟弱破碎的板巖、蝕變巖、構造巖，水理性質和力學性質差(圖3)，軟弱破碎的巖體成為各類邊坡工程災害和地下工程不良地質滋生的溫床。

圖3 鮮水河構造帶折多山段典型蝕變巖和構造巖

1.6 錯綜復雜的水文地質環境

圖4 康定1#隧道地下水徑流特征圖

2 鮮水河構造帶地質選線問題及選線原則

2.1 地質選線問題

2.1.1 高烈度地震及活動斷裂

線路穿越的鮮水河中段包含了雅拉河斷裂、折多塘斷裂、色哈拉斷裂等3個分支斷裂(王棟等， 2015)； 之后在色拉哈和折多塘斷裂之間發現了木格措南活動斷裂(潘家偉等， 2020)，另外，鮮水河斷裂西側尚分布一條玉龍西全新世活動斷裂，使線路通過段在短短14km范圍活動斷裂數量達到5條。根據地震安全性評價結論(杜義等， 2019)：(1)鮮水河斷裂是潛在的發震構造，潛在地震上限為8.0級； (2)折多塘地表處50年超越概率10%的水平向動峰值加速度為0.6g， 50年超越概率2%的水平向動峰值加速度為1.2g； (3)全線地震烈度最高的地段為折多山地區，基本地震烈度≥Ⅸ度。

2.1.2 高位崩滑流

康定地區歷史上曾發生多次重大地質災害，其中最具代表性的是白土坎滑坡和響水溝泥石流。白土坎滑坡位于康定城南側燒香坪之東坡， 1995年6月15日和7月7日，上游特大山洪誘發滑坡復活，兩次沖入折多河，共造成33人死亡， 8.5億元的巨大經濟損失(袁永旭等， 1998)； 2009年7月23日，康定縣舍聯鄉響水溝發生特大泥石流災害，造成4人死亡， 50人失蹤和巨大的經濟損失(嚴衛東等， 2010)。川藏廊道內白格滑坡(馮文凱等， 2019)，金沙江縫合帶日扎滑坡(郭長寶等， 2020)崩滑流鏈生災害問題突出，沿鮮水河構造帶雅拉河谷、折多河存在類似地質問題。

2.1.3 高陡岸坡穩定性

根據遙感和調查結果，沿雅拉河、折多河等地段基巖零星分布，兩岸分布大量的深厚土質覆蓋層，暴雨和地震工況易于產生崩滑流。基巖裸露地段，節理裂隙發育，深切河谷段卸荷帶發育，工程施工均可能造成山體失穩，影響巨大。類似于瀘定大渡河橋(陳廷君等， 2019)的岸坡穩定性問題在鮮水河構造帶段隧道進出口，特大橋中應重點考慮。

2.1.4 高溫熱害

調查發現從康定至道孚，熱水出露點主要集中在康定榆林宮至二道橋，中谷至大蓋。據甘孜州康盛地熱有限公司《小熱水地熱水井群勘查報告》中ZK203鉆井(終孔深度2010m)揭示， 218m遇熱儲層，最高溫度210℃； 中鐵二院完成的CZ-ZDS-05孔在154m遇90.3℃高溫高壓熱水。區域內溫泉猶如串珠狀沿斷裂分布，每個集中出露帶內，有數個或數十個溫泉群組成，每個溫泉群內有若干泉眼。隧道施工開挖遇高溫熱水的可能性大。

2.1.5 高地應力巖爆和大變形

折多山地區共測取18孔的地應力，其中測深最大的05號孔地應力顯示，主應力值隨地層深度增加而增加， 975～1013m應力場類型為SH>Sv>Sh型應力場； 1036.4m處應力場類型為SH>Sh>Sv型應力場。洞身附近最大水平主應力值約為42.74MPa，最小水平主應力值約為28.48MPa； 最大水平主應力方向分別分布在N9.8°E、N38.1°E和N27.4°E，一致性較好，最大水平主應力優勢方向為NNE向(圖5)。

圖5 05號鉆孔主應力值隨深度變化趨勢圖

通過大量實測地應力分析，本地區地應力以水平構造應力為主，具有較高的應力水平。與區域活動斷裂、新構造運動伴生大量應力高度集中的地質環境，硬脆圍巖可能發生巖爆，軟質圍巖可能發生大變形，破碎硬質巖的變形問題同樣不可小覷，關山隧道破碎硬質巖中發生了極為罕見的大變形問題(梁寧等， 2016)。

2.1.6 高壓突涌水

折多山地區的隧道工程可能遇斷層帶突涌水和蝕變帶突涌水兩種突涌水致災構造。

研究分析認為，斷層帶突涌水是僅次于巖溶類突涌水的致災構造類型，南廣鐵路白云隧道區域性羅東大斷裂、宜萬鐵路齊岳山隧道F11斷層等均發生了典型的斷層帶突水涌泥問題，給施工帶來巨大的不便(李術才， 2018)。

蝕變帶突涌水在工程建設中也屢次遭遇：洛湛鐵路梧州至岑溪段北崗隧道花崗巖侵入體中出現多處涌水，巖體軟化后呈流砂狀及流塑狀，圍巖變形快且變形大(聶林等， 2012)，貴廣鐵路東科嶺隧道廣西花山花崗巖體與圍巖接觸蝕變帶施工期間產生塌方、冒頂(付開隆等， 2015)，廈成高速漳州段燈火寨隧道花崗巖蝕變帶突泥涌泥制約了施工，主要是由于蝕變原因導致形成黏土物質，宏觀上表現為裂隙、孔隙發育，微觀上顆粒之間連接強度變弱(蔡俊華， 2018)。

2.2 地質選線原則

由于特殊復雜的地質條件，導致現有的選線經驗借鑒困難，定線難度大。本文在梳理各類地質問題基本選線原則的基礎上，總結出適合鮮水河構造帶的選線原則，進而選擇地質風險相對較低的線路。

2.2.1 基本選線原則

《鐵路工程抗震設計規范》(GB50111-2006)(中華人民共和國行業標準編寫組，2009)5.0.1～5.0.7條對活動斷裂與高烈度地震區選線進行了規定，可總結為：線路應避讓抗震設防烈度為8度、9度地震區的活動斷裂，避開土質松軟和巖層破碎的深挖方，不宜設傍山隧道群，橋址應選擇低矮、結構形式簡單、地基良好、河岸穩定的地段通過。

《鐵路工程不良地質勘察規范》(TB10027-2012)(中華人民共和國行業標準編寫組，2012)15.2.1～15.2.3條和《鐵路隧道設計規范》(TB10003-2016)(中華人民共和國行業標準編寫組，2016)3.2.5條對高地溫選線進行了規定，可總結為：線路應避開大范圍熱害嚴重地段，選擇地溫廊道，宜以橋、路工程通過，隧道宜設在傍山靠河側盡量縮短輔助坑道長度，并盡可能降低埋深。

高地應力區選線，現行規范尚未具體規定，根據即將建成通車的拉林鐵路經驗總結(何娘者， 2018)：盡量減少隧道工程或降低隧道埋深，在被動盤選擇巖性相對較好地段通過。

《鐵路工程不良地質勘察規范》(TB10027-2012)(中華人民共和國行業標準編寫組，2012)對崩塌、滑坡、泥石流區的選線均有詳細的規定，本文將其簡述為：優先避讓難以處理的大型不良地質體以及穩定性差的高陡岸坡，經綜合評價治理難度和治理費用相對較低時，可選擇在有利部位以合理的工程形式通過。

2.2.2 鮮水河構造帶選線原則

從基本選線原則看出，同時遇以上工程地質問題時，線路無法同時滿足基本選線原則。高地應力、高地溫、高壓突涌水地段以路、橋工程通過為佳，而活動斷裂與高烈度地震、崩滑流發育區、高陡岸坡穩定性差的地段以隧道工程為佳。通過展線或者傍山以埋深較淺的隧道似乎可以解決這個矛盾，但又造成線路增長線形變差，同時勘察成果顯示靠河側往往會靠近深大斷層，工程地質條件更差。

為了很好地解決這一矛盾，本文鮮水河構造帶10余年的選線成果總結出：應根據各類不良地質的風險程度、工程重要性分階段不斷深入地開展選線，具體如下：

選線流程：應遵循區域穩定性選線-明線工程地質災害選線-地下工程“極難處理”工程地質問題選線-不良地質綜合選線-地質橫斷面選線等5個階段逐漸深入的順序。各階段應充分考慮“構造、巖性、地下水”等3大地質基本要素：針對深大斷裂構造應遵循“優先避讓，其次正穿”、針對巖性應遵循“優先避開工程性質極差的特殊巖性(可溶巖、蝕變巖、構造軟巖等)，其次選擇強度和完整性適中的巖性，并堅持走硬不走軟”、針對地下水應遵循“巖溶水發育區應盡量減短水平循環帶長度，地下水發育區盡量靠邊走高實現順坡排，地熱異常區應走低溫廊道”的原則。

3 鮮水河構造帶地質選線過程

3.1 區域穩定性選線——施工和運營安全風險低的廊道方案

第1階段以康定縣城為中心，南北向100余公里范圍進行了南線、北線廊道方案的論證，主要受活動斷層和高烈度地震控制?；顒訑鄬庸こ逃绊懼饕憩F為錯段問題(黏滑和蠕滑)，高烈度地震主要影響為地震震動破壞，地震次生災害。汶川8.0級大地震期間，距離震中較近的廣岳鐵路破壞嚴重，部分地段鐵路廢棄，主要破壞形式有邊坡坍塌、危巖震落、鋼軌被擠壓變形、落梁、砂土液化、橋墩裂縫等(朱穎等， 2010)。因此，在線路必須穿越活動斷裂與高烈度地震區的情況下，穿越位置應盡量在地震危險性相對較低的地段通過。

北線廊道長距離并行鮮水河斷裂帶北西段，地震風險大，予以放棄(圖6)。

圖6 南北線廊道方案示意圖

3.2 明線工程地質災害選線——特大橋、車站等重要建筑選擇地質災害可控的地段

第2階段在南線廊道的基礎上，以康定市區為中心20km范圍內進行大范圍站址篩選，在8個站位中優選設站條件相對較好、工程實施難度相對較小的3個站位方案進行詳細比選。其中：兩岔路設站方案位于康定老城區，榆林南設站方案位于康定新城區，建成后的便利性優于三道橋設站方案，但由于康定地區崩塌、滑坡、泥石流等地質災害發育，一旦發生大型不良地質災害，將會帶來不可估量的損失。

圖7 鮮水河崩滑流分布(郭長寶等， 2015)

3.3 地下工程“極難處理”工程地質問題選線——地下工程應優先避開現有工程經驗難以處理的段落

第3階段在三道橋設站方案的基礎上，在南北50余公里范圍內對折多山越嶺方案進行了深入比選，研究了北線越嶺(色拉哈埡口)、中線越嶺(折多山埡口)、南線越嶺(阿加哈埡口)等3個埡口越嶺方案(圖8)，“極難處理”工程地質問題主要為高地溫、大變形、巖爆、突涌水問題。拉林鐵路桑竹林隧道(何平等， 2020)、成蘭鐵路層狀圍巖隧道(鞏江峰等， 2018)、蘭渝鐵路砂板巖隧道(李國良等， 2015)、錦屏電站(陳炳瑞等， 2012)等施工經驗表明：大于60℃超高地溫，極強烈大變形，極強烈巖爆，高壓突涌水嚴重影響建設工程的安全、工期、投資。因此，線路在通過類似地質問題段落時，應首先進行繞避。

圖8 不同埡口越嶺方案示意圖

北線越嶺(色拉哈埡口)方案緊鄰木格措冰湖，湖面標高低于線路標高約525m，且與斷層聯通，高壓突涌水風險極大； 在木格措湖東北側存在75℃高溫溫泉，隧道處于溫泉的徑流途徑中、高溫熱水風險極大，研究后予以放棄。南線越嶺方案(阿加哈埡口)處于鮮水河3個分支斷裂的交匯處，受構造影響極為嚴重，圍巖整體穩定性差，極大變形段落長，難以處理； 線路附近發育榆林宮溫泉群，施工中極可能揭示超高溫高壓熱水，地熱風險極高，研究后亦予放棄。中線越嶺方案(折多山埡口)盡量走邊走高，最大限度降低了高地應力問題； 線路傍行雅拉河，標高高于雅拉鄉溫泉群，設置橫洞的條件充分，可有效應對施工中可能遇到的突涌水和高溫熱水風險，因此將其納入下一輪比選。

3.4 不良地質綜合選線——統計各類不良地質災害的數量，綜合比選確定實施方案

第4階段在折多山埡口越嶺方案的基礎上，研究了4個不同越嶺高程的方案，方案比選示意圖見圖9，控制性因素包括巖爆、大變形、高地溫、突涌水。3550m越嶺方案(C4K)5.7km范圍內穿越斷陷盆地，屬極難處理工程地質問題，首先予以放棄。其余3組方案比選情況見表1。

圖9 不同高程越嶺方案示意圖

表1 不同高程方案比選表

由表1 看出： 3750m越嶺(C2K)方案巖爆風險略高于其他兩組方案，但巖爆總體上對線路方案的控制不明顯； 3750m越嶺(C2K)方案大變形比例最小，尤其是中等-強烈大變形的比例遠低于其他兩組方案，風險最低； 3750m越嶺(C2K)方案遇高地溫的可能性最低，遇高壓突涌水的風險最小，且有良好的橫洞順坡排水條件，應對靈活，地質條件最為可控，因此作為推薦方案。

3.5 地質橫斷面選線——使選線更為精細化

第5階段：考慮盡量降低色拉哈-康定斷裂影響，結合地質橫斷面勘探成果，康定1號隧道段研究了外移(東側)、中線、內移(西側)方案(圖10)。

圖10 康定隧道段方案示意圖

從宏觀條件分析：內移方案距離色拉哈-康定斷裂最遠，最為有利，但距離越遠，輔助坑道越長，造成工期增長，投資增加，且不利于施工和運營救援； 外移方案距離色拉哈斷裂最近，部分地段處于完整性相對較差的糜棱巖中，圍巖條件相對最差； 中線方案以大角度穿越色拉哈斷裂后快速遠離，并與線路保持1.3km以上的距離行進，避開了糜棱巖。

通過5條物探橫剖面(剔除2KDS橫剖面)開展地質橫斷面選線，從物探結果分析：內移方案有1處位于高阻帶， 1處位于低阻帶， 3處位于中阻帶； 外移方案1處位于高阻帶， 4處位于中阻帶； 中線方案2處位于高阻帶， 1處位于低阻帶， 2處位于中阻帶(圖11)。內移方案相較其他兩組方案并沒有明顯的改善，分析可能是由于處于N1和N2等兩期花崗巖的侵入接觸帶附近，地質條件差； 外移方案較中線方案少1處物探高阻帶，地質條件相對較差。

圖11 康定隧道段地質橫斷面選線示意圖

綜合宏觀條件、及實施的6條物探橫斷面分析結果，推薦中線方案。

4 結論與討論

(1)經過5個階段19個大方案比選，選定地質風險相對可控的三道橋設站-折多山埡口3750m越嶺方案。該方案以隧道工程減輕地震次生災害風險，明線工程避開了難以處理的不良地質，以有利地形規避了高陡岸坡，在色拉哈-康定斷裂位置正交穿越，保持1.3km以上的距離后再傍山而行選擇低溫廊道，展線降埋深同時降低高地應力，以良好的橫洞順坡條件降低突涌水風險。受隧道工法、分合修等因素影響，工程投資最省。

(2)在復雜構造帶地區，地質選線應采取分階段不斷深入的選線思路，具體流程為：區域穩定性選線-明線工程地質災害選線-地下工程“極難處理”工程地質問題選線-不良地質綜合選線-地質橫斷面選線等5個階段逐漸深入的順序。該研究成果可為川藏鐵路金沙江縫合帶、嘉黎構造帶以及規劃中的滇藏鐵路選線提供借鑒。

(3)在遵守基本選線原則的同時，各階段應充分考慮“巖性、構造、地下水”等3大地質基本要素，針對深大斷裂構造應遵循“優先避讓，其次正穿”，針對巖性應遵循“優先避開工程性質極差的特殊巖性(可溶巖、蝕變巖、構造軟巖等)，其次選擇強度和完整性適中的巖性，并堅持走硬不走軟”，針對地下水應遵循“巖溶水發育區應盡量減短水平循環帶長度，地下水發育區盡量靠邊走高實現順坡排，地熱異常區應走在低溫廊道”的原則。

(4)在巖爆和大變形預測過程中總結出：極硬且完整的巖體易發生極強烈巖爆； 極軟且極破碎的巖體易發生極強烈大變形。而當強度適中，完整性適中時可避免強烈及以上等級的巖爆和大變形，對于高地應力區工程建設來講，是最佳地段。