川藏鐵路雅安至林芝段重大工程水文地質問題

許 模 ，蔣良文 ，李 瀟 ，漆繼紅 ，張 強 ，李 曉

（1.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059；2.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031）

規劃建設中的川藏鐵路東起四川成都，經雅安、康定、昌都、林芝、山南一路西行，最終抵達西藏拉薩。其間橫跨三江流域，貫穿橫斷山脈，爾后經喜馬拉雅東構造結，延伸至青藏高原腹地。在地形高差和地貌格局制約下，川藏鐵路主要以隧道形式穿越高山峽谷區，其中雅安至林芝段長度大于20 km的深埋長大隧道16座，最大隧道埋深約2 100 m。川藏鐵路由我國第二階梯過渡至第一階梯，東段連接成都樞紐，可通往西南及中東部地區，西段經既有的青藏鐵路和規劃的新藏鐵路，可通往西北地區，是繼青藏鐵路后又一進出青藏高原的天路工程。長期以來，惡劣的氣候條件和復雜的地質環境造成青藏高原地區交通十分不便、經濟相對落后，因此川藏鐵路建設不僅是破解藏區交通瓶頸的重要舉措，也是促進藏區經濟發展的迫切需求，更是藏區長治久安的國防通道，對于國家政治、經濟和戰略部署意義重大而深遠[1-3]。

由于特提斯構造演化以及青藏高原隆升，川藏鐵路是全球地質構造最復雜、施工條件最艱險的鐵路工程[4]。沿線地質環境極為惡劣，集氣候差異大、地形地貌多變、新構造活動強烈、中強地震頻發、各尺度斷裂交錯于一體，孕育了高寒、高陡、高地震烈度、高地應力、高地溫、高水壓和大規模涌突水等復雜的地質環境條件，無疑為鐵路工程設計、建設和后期安全運營帶來巨大挑戰和科學難題。

迄今為止，針對川藏鐵路沿線關鍵地質問題，國內學者分別從內、外動力作用效應兩方面，對沿線崩塌、滑坡、泥石流等淺表層地質災害和高地應力、高地溫、軟巖大變形、巖爆、活動斷層等地球深部重大災害開展了大量調查研究工作[1,5-8]。現有成果從不同角度對沿線主要工程地質問題進行了闡述，但關于高溫熱水、巖溶涌突水等水文地質問題仍缺乏系統、全面地認識。本文基于已有研究成果，結合2018—2020年多次現場調查和室內分析，進一步深入、系統地研究和探索川藏鐵路雅安至林芝段工程沿線主要水文地質問題并提出合理的研究建議。本文旨在全面地認識川藏鐵路沿線主要水文地質問題，為川藏鐵路工程規劃、線路優化以及安全施工、安全運營提供科學依據和技術支撐。

1 區域地質背景

1.1 地形地貌

歐亞板塊和印度板塊的持續碰撞塑造了青藏高原及周緣復雜的地形地貌特征，其后期演化受新構造運動、區域氣候和巖體特征等因素制約，造就了由四川盆地躍升至拉薩盆地獨特的地形地貌格局[9]。

川藏鐵路沿線總體地勢西高東低，具有高海拔、大高差的特點。沿線涉及四川盆地、川西高山峽谷區、藏東南橫斷山高山峽谷等5個地貌單元，穿越沙魯里山、芒康山、伯舒拉嶺、色季拉山等8座高山，跨越大渡河、金沙江、瀾滄江、怒江、雅魯藏布江等7條大江大河。

1.2 地質構造

川藏鐵路位于板塊碰撞造山帶，是世界上構造格局最復雜、構造運動最活躍的地區。沿線橫跨三江造山系、喜馬拉雅—岡底斯造山系等4個一級構造單元以及金沙江縫合帶、雅魯藏布江縫合帶等4大板塊縫合帶[10]；大角度穿越7條蛇綠混雜巖帶或俯沖增生雜巖帶，同時還穿越第四紀以來具有明顯活動性的數十條深大活動斷裂及其伴生的次級斷裂。

1.3 地層巖性

川藏鐵路沿線及鄰區地層發育齊全，除寒武系外，第四系至震旦系均有分布。區域內沉積巖分布最廣，喜山期和燕山期巖漿巖侵入其中。地層展布受地質構造控制作用明顯，其走向與區域性深大斷裂走向大體一致。

第四系至古近系地層主要分布于斷陷盆地、河流階地內，巖性以沖洪積、冰磧物、湖相為主。白堊系至三疊系地層呈長條狀或片狀出露于喜馬拉雅東構造結以東。其余沉積巖類地層主要分布于東構造結以西。變質巖以板巖、片麻巖和大理巖為主，分布于元古宇地層中。花崗巖、閃長巖等巖漿巖主要出露于康定、理塘至巴塘以及昌都以西地區。

1.4 水文地質條件

川藏鐵路沿線含水巖組類型多樣，大致劃分為第四系松散堆積層含水巖組，泥巖、砂巖、灰巖等沉積巖類含水巖組，板巖、千枚巖、片麻巖等變質巖類含水巖組；花崗巖、閃長巖等巖漿巖類含水巖組。各含水巖組富水性差異較大，其中灰巖和白云巖含水巖組富水性中等-強，花崗巖含水巖組富水性強弱取決于長大裂隙的發育程度。

川藏鐵路沿線所涉及的水文地質結構極其復雜，根據沿線地層巖性和構造，將其劃分為4類：第四系松散堆積層含水結構、巖溶含水結構、硬質巖類裂隙含水結構以及斷裂帶含水結構。特別地，區域性深大斷裂與不同巖性的含水結構組合，形成以斷裂-巖溶和斷裂-硬質巖類為主的特殊斷裂帶含水結構。

不同含水結構類型具有各自的地下水流動特征，從而形成多個地下水系統。川藏鐵路沿線的典型地下水系統包括淺表地下水系統和區域性熱水系統。補給來源以大氣降水為主，加之高海拔地區的融雪水和冰蝕湖水通過斷裂或溶蝕裂隙下滲補給，構成“冰-水”雙源補給；徑流特征受含水結構控制，淺表地下水系統大多表現為就近補給、就近排泄，區域性熱水系統則表現為深循環、長距離徑流排泄；排泄方式主要以泉的形式集中出露于地勢低洼處或分散排泄于河流溪溝中。

2 重大工程水文地質問題

在區域大地構造背景下，鐵路沿線顯著起伏的地形，加之混雜的地層巖性和強烈的構造活動，致使沿線水文地質條件極為復雜，深埋長大隧道高水壓、巖溶涌突水、高溫熱害、隧道排水對生態環境影響等問題十分突出，威脅著川藏鐵路的規劃建設和安全運營。

2.1 隧道高水壓及涌突水問題

在隧道深埋條件下，特殊的儲水構造如斷裂帶儲水構造、中—緩傾角單斜地層儲水構造以及向斜儲水構造，易于造成較嚴重的隧道高壓突水突泥、襯砌滲漏水等事故，從而影響隧道施工運營安全。例如，位于高海拔地區的新疆精伊鐵路北天山隧道，最大涌水量達0.46 m3/s，水壓達到3 MPa[11]；雅礱江錦屏二級水電站一平硐涌水量達0.61 m3/s，水壓高達5 MPa[12]。

鉆孔資料顯示，川藏鐵路寶靈山隧道、康定隧道、折多山隧道、莫西隧道、色季拉山隧道中有12個鉆孔具有承壓性質。同時，G318理塘隧道和康定過境段公路工程的鉆孔也揭示了承壓水（圖1）。由此可見，川藏鐵路深埋長大隧道高水壓問題不容小覷。鐵路沿線山高澗深，水文地質條件復雜，深埋長大隧道在穿越上述儲水構造時，尤其是在區域性深大斷裂與富水性強的可溶巖、花崗巖等含水巖組相結合部位，無疑將面臨較大的涌突水風險，且具有涌水量大、水頭壓力高的特點。根據川藏鐵路雅安至林芝段水文地質條件，結合隧道高水壓問題的影響因素，對沿線深埋長大隧道的高水壓形成條件和風險等級進行梳理和判斷，其結果見表1。

表1 川藏鐵路雅安—林芝段深埋長大隧道高水壓形成條件及風險等級劃分Table 1 Formation conditions of high-water pressure in deep and long tunnels of the Ya’an-Linzhi section of the Sichuan-Tibet Railway and classification of risk grade

圖1 川藏鐵路沿線典型鉆孔自流現象Fig.1 Typical artesian borehole along the Sichuan-Tibet Railway

川藏鐵路沿線各尺度斷裂發育，且存在多個可溶巖分布區，因此斷裂帶與可溶巖組合地區的構造巖溶高壓涌突水問題是川藏鐵路修建過程中最常見的重大水文地質災害之一。

根據川藏鐵路雅安—林芝段水文地質調查結果，識別出雅安—康定段、理塘—巴塘段（金沙江東岸段）、貢覺—昌都段（瀾滄江東岸段）、昌都—洛隆段以及洛隆—波密段5大巖溶分布區（圖2）。沿線可溶巖地層走向與控制性斷裂走向一致，呈條帶狀展布，主要出露震旦系、志留系、泥盆系、石炭系和三疊系可溶巖地層。其中，金沙江東岸巴塘—理塘可溶巖分布最廣，巖溶泉數量最多，且沿線大于100 L/s的巖溶大泉多集中于此。

圖2 川藏鐵路雅安—林芝段可溶巖地層及巖溶泉點分布圖Fig.2 Spatial distribution of karstified strata and karst spring along the Ya’an-Linzhi section of the Sichuan-Tibet Railway

在印度板塊持續擠壓作用下，不僅引起青藏高原的大幅度隆升，而且導致同一緯度空間及時間上的氣候變化。川藏鐵路穿越我國地形起伏變化最大的梯度帶以及亞熱帶、溫帶、寒帶3個生態環境氣候帶。在高原隆升和寒冷氣候影響下，青藏高原現代巖溶發育較弱，并且各巖溶分布區的巖溶發育程度和地表巖溶形態差異明顯。

川藏鐵路穿越的深切峽谷區，巖溶發育速率落后于高原隆升和河流切割速率，導致巖溶發育具有垂向分帶性[13]。在冰川改造作用下，海拔5 000 m以上的剝夷面，常見長大豎向溶蝕裂隙發育的殘余峰叢和冰蝕洼地等類巖溶地貌，見圖3（a），為巖溶水提供了良好的補給條件，融雪水或冰蝕湖水與大氣降水構成冰-水雙源補給。沿豎向溶蝕裂隙，可見溶溝、溶隙、溶孔，局部發育規模不大的溶洞。隨著河流下切和高原隆升，山體內部巖溶發育滯后且垂向發育深度受限，因側向卸荷作用，山體邊坡張性裂隙發育，后期逐漸擴展為溶隙。深切河谷底部為應力約束區，巖體較為完整，巖溶發育較弱。因此，常見巖溶泉點出露于半山腰處。在斷層破碎帶附近，溶隙發育程度加劇，形成較通暢的溶蝕管道，有利于地下水賦存和運移，發育巖溶大泉，如康定清泉村巖溶大泉和巴塘降曲西岸一系列巖溶大泉以及芒康山索奔大泉。

理塘毛埡壩地區和貢覺熱曲河一帶位于高原夷平面上，為典型的淺切寬谷區，二者巖溶發育程度和特征略有差異。毛埡壩地區可溶巖地層為三疊系上統圖姆溝組（T3t），碳酸鹽巖與碎屑巖互層，因地處高寒的區域分水嶺地帶，巖溶發育程度較弱，主要為構造裂隙和層面裂隙基礎上的溶蝕加寬作用，見圖3（b），大多數巖溶水分散排泄于低洼處，個別泉點流量較大。貢覺熱曲河一帶可溶巖地層為石炭系中統敖曲組（C2a），巖性較純，該地區具有水熱同季的氣候特征，導致巖溶發育較強，不同拔河高度可見若干規模不一的溶洞，巖溶泉點主要出露于河谷邊緣。

圖3 川藏鐵路沿線典型巖溶發育特征Fig.3 Typical characteristics of karst development along the Sichuan-Tibet Railway

位于深切峽谷區的深埋長大隧道，在冰-水雙源補給和構造巖溶作用下，隧道施工過程中可能出現大規模的高壓涌突水現象，尤其是在穿越斷裂破碎帶附近。隧道穿越淺切寬谷區時，埋深相對較小，發生高壓涌突水的風險較小，但由于隧道高程接近河谷排泄基準面，巖溶較發育，隧道將面臨水頭壓力不高但流量較大的巖溶涌突水問題。表2為川藏鐵路雅安—林芝段巖溶隧道涌突水災害特征。

表2 川藏鐵路雅安至林芝段巖溶隧道涌突水災害特征Table 2 Characteristics of karst tunnel water inrush disasters along the Ya’an-Linzhi section of the Sichuan-Tibet Railway

2.2 隧道高溫熱害問題

伴隨著印度板塊和歐亞板塊的陸陸碰撞，青藏高原地區新生代巖漿活動和水熱活動異常活躍，造成了區域性熱流異常背景，形成著名的喜馬拉雅地熱帶[14]。該地區平均熱流值約90 mW/m2，遠高于我國大陸地區平均熱流值（61.5±13.9 mW/m2）[15]。青藏高原偕同周緣地區溫泉、熱泉、沸泉甚至間歇噴泉以及噴氣孔等地熱顯示，沿斷裂構造或分布于皚皚雪山之下，或分布于巨壑深谷中（圖4），為窺探地球內熱的最佳窗口[16]。

圖4 川藏鐵路沿線典型高溫熱水Fig.4 Typical high-temperature geothermal springs along the Sichuan-Tibet Railway

青藏高原地殼深部熱結構與地表高溫水熱活動密切相關。地震波數據和大地電磁剖面資料顯示，青藏高原地區中上地殼普遍存在不連續的低速高導層，為深部巖漿向上侵位以及地殼加厚產生熱能導致的部分熔融[17-19]。該部分熔融體為地熱流體的主要熱源，輔以構造變形產熱和花崗巖放射性元素生熱，驅動并維系著喜馬拉雅地熱帶強烈的水熱活動（圖5）。

圖5 喜馬拉雅地熱帶熱水成因模式Fig.5 Formation model of geothermal water in the Himalayan Geothermal Belt

川藏鐵路雅安—林芝段穿越多個水熱活動區，熱水分布嚴格受斷裂構造控制，同時空間上與地震活動大體相對應（圖6）。沿線水熱活動區自東向西依次為川西高原水熱活動區、藏東“三江”北段水熱活動區和藏南雅魯藏布江大拐彎水熱活動區。按受控斷裂構造及熱水溫度，可進一步劃分為鮮水河斷裂帶中高溫水熱活動區、甘孜—理塘斷裂帶中高溫水熱活動區、金沙江斷裂帶中高溫水熱活動區、字嘎寺—德欽斷裂中低溫水熱活動區、瀾滄江中高溫水熱活動區、怒江中高溫水熱活動區、雅魯藏布江縫合帶中高溫水熱活動區。深埋長大隧道穿越上述水熱活動區時可能遭遇高壓熱水、涌突熱水、熱水腐蝕、高溫巖體等熱害問題。

圖6 川藏鐵路雅安至林芝段熱水及地震分布圖Fig.6 Distribution of geothermal springs and earthquakes along the Ya’an-Linzhi section of the Sichuan-Tibet Railway

沿線熱水主要沿斷裂或裂隙密集帶出露，在巖性、地形等因素的共同作用下，形成多個熱水系統。隧道高溫熱害類型及特征因隧道穿越熱水系統循環部位不同而存在差異（表3），且同一隧道可能穿越同一熱水系統甚至多個熱水系統的不同部位，導致高溫熱害問題更為復雜。譬如，位于鮮水河斷裂帶中高溫水熱活動區的康定1#隧道和雅魯藏布江縫合帶中高溫水熱活動區的拉月隧道[20]，在深部熱水上升排泄的優勢部位，鉆孔揭示中高溫熱水，推測隧道穿越該部位時存在一定程度的中高溫熱害問題，其余部位熱害問題不突出。

表3 川藏鐵路雅安—林芝段隧道穿越不同熱水系統部位的高溫熱害特征Table 3 Characteristics of high-temperature heat-damage of tunnel at different parts of hot spring systems along the Ya’an-Linzhi section of the Sichuan-Tibet Railway

2.3 隧道排水對生態環境的影響

青藏高原地區生態環境具有敏感性和脆弱性，川藏鐵路雅安—林芝段穿越原始森林、高原草甸、高原凍土、高原濕地等多種生態系統，導致川藏鐵路建設面臨重大挑戰。

隧道工程作為新的地下水集中匯集場所或排泄通道，長期排放地下水將打破隧址區及周邊多年來形成的水環境平衡，從而帶來一系列生態環境問題及效應[21-22]。隧道排水不僅引起地下水流場變動，同時排放的異常水體如高溫水、高礦化水等，進入環境中也會產生污染問題。

隧道開挖破壞了含水層結構和圍巖力學平衡，從而改變地下水動力條件，以隧道為中心形成勢匯，地下水不斷滲入。地下水滲流場因隧道排水而不斷變化，地下水位持續下降，降落漏斗范圍內大量靜儲量被疏排，尤其是在隧道穿越可溶巖地層斷裂帶、花崗巖長大裂隙等導水且富水部位，大量的地下水順著導水通道涌入隧道，地下水位或將降低至隧道頂板。其結果為隧道排水影響范圍內的泉點及地表溪溝流量銳減甚至斷流，從而造成植被、動物以及人類賴以生存的水源地數量減少（圖7）。

圖7 隧道排水對地下水滲流場的影響Fig.7 Effect of tunnel drainage on the groundwater seepage field

青藏高原是全球最典型的大陸碰撞造山帶，伴隨碰撞造山作用而發生大量的成礦作用[23]。川藏鐵路雅安—林芝段穿越的東緣構造轉換帶，即為其中重要成礦構造單元之一。沿線涉及多個油氣區、煤層瓦斯浸染區和礦區，在貢覺—昌都一帶，線路以北分布有著名的特大型斑巖類銅礦。

成礦帶地下水在循環演化過程中，水-巖作用使得礦體中高含量元素遷移至地下水，從而形成高礦化地下水，尤其是區域性深循環的熱水，一般具有較高的溶解性總固體。例如羌北—滇西鹽類成礦域，大量的鹽泉、咸泉出露，且部分泉點攜帶一定的溫度[24-25]。鐵路沿線成礦帶的展布受斷裂構造控制明顯，在康定、理塘、巴塘、昌都、貢覺、八宿以及波密等地區，深埋長大隧道穿越斷裂帶部位可能揭示高礦化或高礦化高溫地下水，經隧道疏排匯入地表溪溝、河流等受納水體后，將對生態環境造成較大影響。

3 重大工程水文地質問題研究對策展望

川藏鐵路雅安—林芝段，途經橫斷山脈和喜馬拉雅東構造結，在高原隆升、復雜構造演化、氣候變化作用下，沿線水文地質結構具有獨特性和復雜性，高水壓、高溫熱水、高礦化水、大規模巖溶涌突水等重大工程水文地質問題，威脅著川藏鐵路工程安全。因此，在研究川藏鐵路沿線工程水文地質問題時，應從基礎地質出發，查明水文地質結構及特征，識別重大工程水文地質問題，揭示其發育規律和機制，劃分重點段落并預測評價災害風險，對重大災害風險防控提出切實有效的應對措施。

3.1 重大問題發育規律和致災機制研究對策展望

川藏鐵路沿線環境條件復雜艱險，既有水文地質基礎研究薄弱，對沿線重大工程水文地質問題的識別和思考造成巨大困難。因此，全線更精細的大比例尺水文地質調查工作十分必要。在調查人員無法到達的地區需利用遙感技術、航空物探、無人機三維技術、定向鉆探等新技術，實現“空天地一體化”的綜合調查方法。在此基礎上，結合構造應力場、活動斷裂、縫合帶、地震等基礎地質研究成果，展開系統深入的多尺度水文地質調查研究。同時輔以理論分析、室內物理模型試驗和數值模擬著重刻畫沿線活動斷裂帶、成礦帶、巖溶發育區、高溫水熱活動區等重點區段天然條件下及不同工況下的滲流場、地溫場特征。從而加深對沿線水文地質結構、多級次地下水系統以及工程擾動下地下水流場變化的認知，分析關鍵致災因素，并進一步掌握沿線重大工程水文地質問題的發育規律和致災機制。

3.2 重大問題超前預測評價技術研究對策展望

基于重大工程水文地質問題發育規律和機制分析，對沿線隧道工程的重大水文地質問題進行初步定性評估，劃分各類工程水文地質災害的易發區段，然后根據鉆探、物探結果以及地表顯示，精準識別具體隧道的具體災害類型及特征。同時引入當前學科前言科學理論，基于川藏鐵路沿線特殊的水文地質條件以及西南山區巖溶隧道涌突水災害危險性評價系統（THK）與高壓水災害危險性預測評價方法等已有技術[26-27]，明確契合川藏鐵路工程特征的各重大工程水文地質問題評價標準，提取相應的關鍵評價因子和指標，賦予科學、合理的權重，建立適用于川藏鐵路重大工程水文地質問題的超前預測評價體系。此外，結合先期開工隧道并借鑒青藏高原地區其它大型工程建設如青藏鐵路、大瑞鐵路、錦屏二級水電站、拉日鐵路等勘察設計階段與施工過程中揭示的典型水文地質問題相關成果，不斷完善和修正預測評價體系。在此基礎上，對重點隧道的高水壓、涌突水、高地溫等災害開展定量分析評價，做到有效識別風險段落、超前預測災害等級，從而選取更優的綜合探測手段與預報技術，為地質綜合選線、安全施工和運營提供科學依據。

3.3 災害防控措施研究對策展望

目前，針對重大工程水文地質問題的災害防控措施研究主要從線路設計和施工兩個方面進行。根據重大問題的致災機制，提出各災害類型防控關鍵因素和關鍵參數，重點針對先期開工隧道和風險較高的深埋長大隧道開展水文地質災害防控精細化探究，指導線路方案優化及施工方案調整。綜合性超前地質預報與實時動態監測預警系統相結合，構建主動災害防控體系，尤其是在災害風險高的段落，加深前期預報和預警工作，確保能夠及時反饋、及時處理。同時從川藏鐵路工程實際出發，研發新型防排水材料、防腐蝕性材料、隔熱材料等防控材料，提出隧道排水處理方案，革新隧道施工工藝，從而建立主、被動相結合的災害防控體系，做到全面防控重大工程水文地質問題。

4 結論

（1）川藏鐵路沿線獨特的地質環境塑造了極為復雜的水文地質條件，孕育了高水壓、高溫熱水、高礦化水、大規模巖溶涌突水等重大工程水文地質問題。

（2）川藏鐵路雅安—林芝段途經5大巖溶分布區，涉及3類特殊的儲水構造。寒冷氣候限制了現代巖溶發育程度，僅貢覺熱曲河一帶因水熱同季的氣候因素，導致巖溶較為發育。金沙江東岸具有典型的構造巖溶特征，巖溶大泉發育，深埋長大隧道揭示斷裂帶儲水構造時高壓巖溶涌突水問題最為顯著。

（3）水熱活動分布明顯受控于深大斷裂，沿線涉及6個中高溫水熱活動區和1個中低溫水熱活動區。穿越熱水上溢區的隧道，高溫熱害問題較為突出，尤其是在穿越控制熱水出露的斷層或裂隙密集帶處，極易誘發高壓熱水、高巖溫以及熱水腐蝕性問題。

（4）川藏鐵路雅安—林芝段穿越多個敏感且脆弱的生態系統，隧道排水不僅引起地下水流場變動，同時隧道穿越成礦帶時排放的高礦化水甚至高溫高礦化水，將引發一系列生態環境問題及效應。