李光偉，杜宇本，蔣良文，郭長(zhǎng)寶，沈 維，劉筱怡

(1.中國(guó)鐵路總公司工程設(shè)計(jì)鑒定中心，北京100844;2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都610031;3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京100081)

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展和西部開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的不斷深入，滇西南地區(qū)成為當(dāng)前重大工程建設(shè)的重要區(qū)域［1］。一系列大型—超大型生命線工程正在該區(qū)建設(shè)和規(guī)劃［2～3］，如大瑞 (大理—瑞麗)鐵路、中緬油氣管道、中印公路等，以大瑞鐵路為代表的西南泛亞鐵路網(wǎng)已初步形成，為向西南入緬甸、向西經(jīng)密支那入印度奠定了基礎(chǔ)。大瑞鐵路是我國(guó)首條穿越橫斷山脈的國(guó)家Ⅰ級(jí)干線鐵路，該區(qū)的地質(zhì)環(huán)境條件可以概括為“三高、四活躍”，即:高地?zé)?、高地?yīng)力、高地震烈度;活躍的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、活躍的地?zé)崴h(huán)境、活躍的外動(dòng)力地質(zhì)條件、活躍的岸坡淺表改造過(guò)程［1～3］?；钴S的內(nèi)外力地質(zhì)作用導(dǎo)致該區(qū)成為環(huán)境工程地質(zhì)條件極其復(fù)雜的地區(qū)，特殊的地質(zhì)環(huán)境孕育了多種地質(zhì)災(zāi)害和工程地質(zhì)問(wèn)題，并以類型全、數(shù)量多、規(guī)模大為特點(diǎn)。在眾多地質(zhì)災(zāi)害或不良地質(zhì)現(xiàn)象中，除了活動(dòng)斷裂和地震外，以滑坡、崩塌和泥石流等淺表層地質(zhì)災(zāi)害以及高地應(yīng)力、高地?zé)岷蜕盥袼淼缼r爆等工程地質(zhì)問(wèn)題最為普遍［1，4～6］。近年來(lái)該地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育強(qiáng)烈，單體規(guī)模大，如2007年騰沖7.19蘇家河口水電站滑坡等［7］，導(dǎo)致了大量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害事件已成為影響大型工程規(guī)劃建設(shè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要工程地質(zhì)問(wèn)題之一［8～9］。

規(guī)劃建設(shè)中的大瑞鐵路高黎貢山越嶺段位于橫斷山脈東南段瑞麗和保山之間 (見(jiàn)圖1)，線路長(zhǎng)約110 km，西南地區(qū)極其復(fù)雜的地質(zhì)條件在該區(qū)表現(xiàn)尤為突出，活動(dòng)斷裂、地震、淺表層地質(zhì)災(zāi)害 (崩塌、滑坡和泥石流等)、隧道塌方、巖爆、軟巖大變形、突水、高地溫等一系列復(fù)雜的地質(zhì)問(wèn)題嚴(yán)重制約著鐵路規(guī)劃建設(shè)。越嶺段方案從2006年即開(kāi)始研究，目前已進(jìn)行了多條線路方案的比選，仍未確定。各比選方案［2，10～11］都不可避免地涉及高黎貢山深埋隧道，而復(fù)雜的地質(zhì)條件導(dǎo)致該隧道具有巖爆、軟巖大變形、突水、高地溫等不良工程地質(zhì)問(wèn)題［1～4，9～15］。本文結(jié)合大瑞鐵路高黎貢山越嶺段綜合地質(zhì)勘查和專題地質(zhì)研究工作，對(duì)該段的主要工程地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行分析，確定了在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境條件下鐵路地質(zhì)選線的技術(shù)原則，重點(diǎn)研究地下熱水活動(dòng)區(qū)的綜合地質(zhì)選線，選定了工程地質(zhì)條件相對(duì)較好的隧道線路方案，并進(jìn)行優(yōu)化。本文的研究思路和研究方法，既可指導(dǎo)大瑞鐵路高黎貢山越嶺段的規(guī)劃設(shè)計(jì)，為大瑞鐵路的全線貫通提供技術(shù)支撐，又可為以后國(guó)家重大工程規(guī)劃和布局提供參考。

圖1 大瑞鐵路高黎貢山越嶺段及鄰區(qū)活動(dòng)斷裂與地質(zhì)構(gòu)造分布Fig.1 The geological tectonic distribution map in Mt.Gaoligong section along Dali-Ruili railway

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

研究區(qū)地處印度板塊與歐亞板塊碰撞縫合帶附近，橫斷山脈南段，鐵路沿線山高谷深。線路橫跨怒江后穿越高黎貢山，地形起伏度大。高黎貢山主峰高約3001.6 m，與怒江河面相對(duì)高差2140～2360 m。大地構(gòu)造上屬滇緬泰亞板塊之保山地塊和騰沖地塊，兩地塊之間為擠壓碰撞的怒江縫合帶。研究區(qū)加里東和燕山末期發(fā)生褶皺變質(zhì)，形成高黎貢山構(gòu)造巖漿變質(zhì)雜巖帶;喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)以來(lái)，受印度板塊向北 (偏東)的強(qiáng)烈推擠和青藏高原向南南東強(qiáng)力楔入的疊加作用，地殼強(qiáng)烈抬升，加之川滇菱形塊體向南南東滑移，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)十分強(qiáng)烈，褶皺和斷裂構(gòu)造極其發(fā)育，表現(xiàn)為強(qiáng)烈的垂直差異運(yùn)動(dòng)和塊體的側(cè)向滑移及以近南北向斷裂、北西向斷裂右旋位移和北東向斷裂左旋位移為代表的斷裂活動(dòng) (見(jiàn)圖1)。大瑞鐵路高黎貢山越嶺段內(nèi)線路比選區(qū)大型斷裂主要有 (見(jiàn)圖1):怒江斷裂帶 (F8-2)、龍陵—瑞麗斷裂帶 (F4)、黃草壩斷裂 (F4-1)，其中龍陵—瑞麗斷裂、黃草壩斷裂等為第四紀(jì)活動(dòng)斷裂。龍陵—瑞麗斷裂全新世以來(lái)的走滑速率為0.81～1.35 mm/a［16］;龍陵—瀾滄斷裂斷錯(cuò)鎮(zhèn)安盆地晚更新世礫石層。

研究區(qū)除白堊系缺失外，自寒武系至第四系均有出露，巖性復(fù)雜，既包括不同時(shí)代的碎屑巖、碳酸鹽巖、變質(zhì)巖，也包括不同時(shí)期的巖漿巖。新生界主要分布于河谷及斷陷盆地，巖漿巖在區(qū)內(nèi)廣泛分布。區(qū)域活動(dòng)斷裂發(fā)育，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和水熱活動(dòng)強(qiáng)烈，強(qiáng)地震頻發(fā)，巖體破碎，滑坡、錯(cuò)落、危巖落石、崩塌、巖堆、泥石流等斜坡不良地質(zhì)體極為發(fā)育。

2 越嶺段主要工程地質(zhì)問(wèn)題

由于高黎貢山越嶺段地形地貌和地質(zhì)條件非常復(fù)雜，雖然經(jīng)過(guò)多輪論證，線路方案仍很難確定。主要比選方案有CK、C1K、C4K、C10K、C12K、C22K和南繞方案 (C5K)等(見(jiàn)圖2)，各方案中除南繞方案外，鐵路主要以隧道和橋梁兩種形式通過(guò)，具有橋梁跨度大、隧道長(zhǎng)且埋深大等特點(diǎn)。多條比選線路中高黎貢山隧道均較長(zhǎng)，無(wú)論是39.6 km隧道方案 (CK)、17 km隧道方案 (C4K)、24‰大坡度方案 (C9K、C10K)，還是后期推薦的拉通方案 (C12K)都不可避免地涉及高黎貢山深埋隧道，以CK線路方案為例，隧道全長(zhǎng)39.6 km，最大埋深約1600 m(見(jiàn)圖3)。復(fù)雜的地質(zhì)條件導(dǎo)致該隧道具有巖爆、高地溫、地下熱水、涌水突泥和斷裂斷錯(cuò)等工程地質(zhì)問(wèn)題［10～11，12～15］，且工程建設(shè)難度大。

2.1 活動(dòng)斷裂斷錯(cuò)效應(yīng)

活斷層作用有時(shí)僅引起地震，有時(shí)僅造成地面錯(cuò)動(dòng)，有時(shí)既引起地震，同時(shí)又產(chǎn)生地面錯(cuò)動(dòng)，此即活斷層的斷錯(cuò)效應(yīng)。高黎貢山地區(qū)近年來(lái)發(fā)生的多次強(qiáng)震與正在規(guī)劃建設(shè)的高黎貢山深埋隧道相距較近，如:1976年龍陵Ms7.4級(jí)地震，震中位于隧道東南，最近處僅相距4 km，隧道部分地段位于地震烈度Ⅶ度和Ⅷ度區(qū)內(nèi) (見(jiàn)圖1);2001年施甸Ms5.9級(jí)地震，震中與隧道怒江端入口相距11 km，隧道口位于地震烈度Ⅶ度區(qū)內(nèi) (見(jiàn)圖1)。這些地震在造成地表變形破壞的同時(shí)，也導(dǎo)致斷裂帶附近深部巖體產(chǎn)生顯著變形和位移。

高黎貢山深埋隧道越嶺段的黃草壩斷裂、龍陵—瀾滄斷裂帶的鎮(zhèn)安斷裂和勐冒—平達(dá)斷裂均為第四紀(jì)活動(dòng)斷裂，斷裂活動(dòng)性較強(qiáng)，歷史地震較多。高黎貢山深埋隧道越嶺段C12K方案與黃草壩斷裂平行，地表平面上最近處相距約1.9 km，高黎貢山深埋隧道位于黃草壩斷裂的下盤，在隧道埋深附近與斷裂相距一般為1.9～3.0 km，高黎貢山深埋隧道與龍陵—瀾滄斷裂帶的鎮(zhèn)安斷裂和勐冒—平達(dá)斷裂近于直交。大量事實(shí)表明，發(fā)震斷裂會(huì)在地表形成一定寬度的破裂影響帶，影響帶內(nèi)既會(huì)出現(xiàn)新生破裂，也會(huì)使原有破裂發(fā)生錯(cuò)動(dòng)或進(jìn)一步擴(kuò)展，從而影響布設(shè)其中的工程設(shè)施。因此，對(duì)于高黎貢山深埋隧道，存在活動(dòng)斷裂的斷錯(cuò)效應(yīng)問(wèn)題，應(yīng)采取有針對(duì)性的防治措施。

2.2 高地溫及熱害

圖2 大瑞鐵路高黎貢山越嶺段主要斷裂分布Fig.2 The active faults distribution map in Mt.Gaoligong section along Dali-Ruili railway

圖3 大瑞鐵路高黎貢山深埋隧道工程地質(zhì)剖面Fig.3 Engineering geological section of the Mt.Gaoligong deep-buried tunnel

高黎貢山越嶺段位于地中?！蟻喌?zé)岙惓?，為區(qū)域性高熱流區(qū)，區(qū)內(nèi)高溫沸泉、熱泉、溫泉、硫磺噴氣孔等數(shù)量多、密度大，除受構(gòu)造控制外，還受地形地貌條件的制約。高地溫對(duì)工程建設(shè)具有極大的影響，如:位于金沙江斷裂帶的娘擁水電站1#施工支洞在施工過(guò)程中即受到了高地溫的影響，該支洞地面高程約3060 m，長(zhǎng)295 m，出露花崗片麻巖和砂巖夾板巖，2008年4月24日進(jìn)洞，巖體溫度30～50℃，每進(jìn)洞10 m，巖溫增加1℃，最高達(dá)78℃。地溫升高導(dǎo)致以下問(wèn)題［12］:①作業(yè)人員經(jīng)常出現(xiàn)頭暈、嘔吐現(xiàn)象，作業(yè)期間開(kāi)始加大通風(fēng);②圍巖表面產(chǎn)生潮解現(xiàn)象，遇水即成粉末，巖面噴射混凝土后立即脫落，無(wú)法粘結(jié);③使用普通硝銨炸藥開(kāi)始產(chǎn)生膨脹甚至包裝紙破裂，導(dǎo)爆管發(fā)生軟化失去彈性，擠壓后無(wú)法回復(fù)原狀;④施作的砂漿錨桿強(qiáng)度抗拔力不能滿足設(shè)計(jì)要求;⑤出碴設(shè)備每作業(yè)1 h左右，機(jī)體溫度升高就要出洞冷卻;⑥測(cè)量?jī)x器測(cè)距失效。這些問(wèn)題導(dǎo)致工程投資加大，并且會(huì)延誤工期。目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)成熟技術(shù)處理洞內(nèi)溫度大于72℃的高地溫、高溫?zé)崴?汽)的經(jīng)驗(yàn)和措施。

調(diào)查表明，高黎貢山越嶺段內(nèi)出露溫泉群123個(gè)，水溫20～102℃，其中低溫泉 (20～40℃)85處，中溫泉 (40～60℃)25處，高溫泉 (60～95℃)12處，沸泉 (＞95℃)1處，主要集中分布在怒江河谷、高黎貢山轉(zhuǎn)折端、蘇帕河流域、潞西—遮放盆地及騰沖—梁河—攀枝花硝塘等五大區(qū)域，溫度最高的為龍陵邦臘掌溫泉 (見(jiàn)圖4)，泉口溫度102℃。線路比選區(qū)穿越多個(gè)地溫?zé)崛l(fā)育區(qū)，在深埋長(zhǎng)隧道施工過(guò)程中可能會(huì)遇到高溫高壓熱水(汽)及高溫巖體等熱害問(wèn)題。

2.3 高地應(yīng)力分布特征

復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造演化過(guò)程和強(qiáng)烈的新構(gòu)造活動(dòng)導(dǎo)致本區(qū)地應(yīng)力普遍很高，加之該區(qū)比選線路隧道埋深大，高地應(yīng)力意味著深埋隧道開(kāi)挖過(guò)程中，在硬巖 (石灰?guī)r、片麻巖、花崗巖、砂巖等)分布區(qū)將不可避免地出現(xiàn)巖爆災(zāi)害，而在泥質(zhì)巖、斷裂破碎帶等軟弱巖體分布區(qū)會(huì)出現(xiàn)圍巖大變形等工程地質(zhì)問(wèn)題，給隧道工程建設(shè)帶來(lái)很大安全隱患。為了進(jìn)一步掌握隧道附近地應(yīng)力狀況，中鐵二院在高黎貢山越嶺段深埋隧道線路比選區(qū)采用鉆孔水壓致裂法進(jìn)行了深孔地應(yīng)力測(cè)試，地應(yīng)力測(cè)試孔主要分布于CK線 (39.6 km隧道方案)、C1K線 (21 km隧道方案)以及C12K線 (34.5 km隧道方案)等線路附近，地應(yīng)力測(cè)試孔深度600～1200 m。

根據(jù)各方案鉆孔內(nèi)地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果 (見(jiàn)圖5)，CK方案鉆孔洞身附近最大水平主應(yīng)力(σH)值20～29 MPa，最小水平主應(yīng)力 (σh)值13～19 MPa，估算的垂直主應(yīng)力 (σv)取決于各孔洞身埋深，為17～23 MPa;C1K方案最大水平主應(yīng)力值14.0～30.7 MPa，最小水平主應(yīng)力值10～22 MPa，估算的垂直主應(yīng)力值為16～21 MPa;C12K洞身附近的最大水平主應(yīng)力值為15～24 MPa，最小水平主應(yīng)力值11～17 MPa，垂直主應(yīng)力17～23 MPa。從各方案實(shí)測(cè)地應(yīng)力值可見(jiàn)，隧道埋深附近地應(yīng)力最大值分布特征一般以σv≥σH＞σh為主，部分為σH≥σv＞σh，但此時(shí)σH與σv值相差不大，一般僅為1～2 MPa，從最大主應(yīng)力值大小來(lái)看，隧道埋深附近巖體處于高地應(yīng)力狀態(tài)。

圖4 龍陵邦臘掌溫泉特征 (泉口溫度102℃)Fig.4 Characteristics of Banglazhang hot spring in Longling County

圖5 隧道附近部分鉆孔實(shí)測(cè)地應(yīng)力特征Fig.5 Characteristics of the crustal stress test results in Mt.Gaoligong section along Dali-Ruili railway

2.4 深埋隧道巖爆

大瑞鐵路高黎貢山深埋隧道具有埋深大、距離長(zhǎng)的特征，復(fù)雜的高地應(yīng)力條件和巖性條件，預(yù)示著在該隧道開(kāi)挖過(guò)程中將不可避免地出現(xiàn)巖爆災(zāi)害。以CK方案為例，高黎貢山隧道長(zhǎng)約39.6 km，一般埋深600～1000 m，最大埋深約1600 m。張永雙等［14］對(duì)大瑞鐵路高黎貢山越嶺段勘察鉆孔中的花崗巖、大理巖等典型巖體進(jìn)行了巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)和巖爆模擬實(shí)驗(yàn)，巖爆模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，高黎貢山深埋隧道圍巖發(fā)生巖爆的可能性高，單純卸載和卸載-加載方式都可以出現(xiàn)巖爆，但卸載-加載方式的巖爆明顯比單一卸載方式的巖爆強(qiáng)烈，說(shuō)明隧道開(kāi)挖后二次應(yīng)力分布引起的應(yīng)力集中對(duì)巖爆的發(fā)生起著十分重要的作用。在復(fù)雜地質(zhì)背景條件下，巖爆會(huì)成為制約高黎貢山深埋隧道工程規(guī)劃建設(shè)的主要工程地質(zhì)問(wèn)題之一［1，13～15］。

2.5 隧道塌方與軟巖大變形

高地應(yīng)力條件下，隧道工程建設(shè)過(guò)程中軟巖段常易發(fā)生大變形。高黎貢山深埋隧道穿過(guò)中志留統(tǒng) (S2)泥巖和寒武系公養(yǎng)河群上段)泥巖、千枚巖段，這幾種巖石強(qiáng)度均較低，發(fā)生大變形的可能性較大;斷層破碎帶在高地應(yīng)力條件下也易發(fā)生大變形。此外，研究區(qū)構(gòu)造巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，熱液成礦帶分布較多，與此相關(guān)的蝕變巖出露較多，如在C12-G-01、C12-G-03、C12-G-06、CZ-G-14、C2-17km-01等鉆孔中均揭露蝕變巖 (見(jiàn)圖6)，多為蝕變花崗巖，蝕變巖的分布和其工程地質(zhì)性質(zhì)對(duì)工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)具有重要的影響?？傮w上，蝕變巖在區(qū)內(nèi)主要發(fā)育于花崗巖、玄武巖等巖漿巖的巖體內(nèi)，或巖漿巖與其他巖性的交界處，與巖漿活動(dòng)和地下熱水活動(dòng)關(guān)系密切。蝕變巖具有強(qiáng)度低、易膨脹等不良工程地質(zhì)特性，在隧道掘進(jìn)和邊坡開(kāi)挖過(guò)程中常出現(xiàn)巖體變形破壞問(wèn)題。如:滇藏鐵路大理—麗江段的禾洛山隧道，圍巖為遭受熱液蝕變的玄武巖，宏觀上表現(xiàn)為相對(duì)較完整的玄武巖夾蒙脫石化蝕變巖組合。在工程施工過(guò)程中，自DK55+622至DK61+710約5 km的范圍內(nèi)，曾發(fā)生過(guò)5次與蒙脫石化蝕變巖有關(guān)的塌方問(wèn)題［17］，有時(shí)甚至不到100 m就會(huì)出現(xiàn)一次塌方，塌方體積一般20～30 m3，塌方的出現(xiàn)主要是由于蝕變巖富含蒙脫石且性質(zhì)軟弱，在干濕交替和松弛條件下極易發(fā)生膨脹變形，加上圍巖節(jié)理發(fā)育、破碎程度高，開(kāi)挖后自穩(wěn)能力差，從而造成圍巖坍塌。因此，在大瑞鐵路高黎貢山越嶺段內(nèi)鐵路規(guī)劃要密切關(guān)注隧道塌方與軟巖大變形問(wèn)題。

圖6 CZ-G-14鉆孔蝕變巖芯照片F(xiàn)ig.4 Photo of the altered rock in the Drill CZ-G-14

2.6 涌水突泥

大瑞鐵路高黎貢山越嶺段地形地貌復(fù)雜，大致以象達(dá)—黃草壩—鎮(zhèn)安—邦邁—小地方為分水嶺，以東地帶屬怒江流域，以西地帶屬瑞麗江流域。分水嶺以東主要分布有巖溶斷塊山底、中山中切割陡坡、壟崗谷地及高中山深切割峽谷等地貌，近山脊部位可見(jiàn)陡崖分布，地形條件有利于地表水的排泄。地表水均向東或南東方向排泄于怒江河谷，但在斜坡中部及近河谷地帶，由于巖溶斷塊山地及壟崗谷地形、地表溶蝕裂隙、落水洞、漏斗發(fā)育，利于地表水入滲，潛在的涌水威脅和危害較大。分水嶺以西斜坡地帶屬瑞麗江流域，地形條件有利于地表水排泄，主要為低中山淺切割緩坡、巖溶斷塊山地及中山中切割陡坡地形，地表水均向西或南西方向排泄于龍川江及芒市河;龍陵縣城南西側(cè)多分布巖溶斷塊山地地形，地表溶蝕裂隙發(fā)育，地表水入滲條件較好，隧道在施工過(guò)程中存在較大的突涌水危害和威脅。

越嶺段鐵路沿線碳酸鹽巖類主要分布于怒江左岸中侏羅統(tǒng) (J2)，分布范圍較廣，巖性主要為石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖等，另外在龍陵以南隧道出口附近，也分布有大套的泥盆系回賢組 (D2h)白云巖、石灰?guī)r。區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖富水性中等—強(qiáng)，巖溶弱—中等發(fā)育。地表局部可見(jiàn)溶蝕孔洞，但未發(fā)現(xiàn)大規(guī)模的溶洞。在隧道巖溶地下水垂直滲流地段，施工中可能遇豎井狀溶洞，雨季隧道易受涌水、突泥的危害;另外，地下水水平徑流帶內(nèi)巖溶水量較大，隧道開(kāi)挖揭露該地帶時(shí)，常易形成大規(guī)模突水。

越嶺段內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，斷層破碎帶中斷層角礫和構(gòu)造裂隙發(fā)育，巖體破碎疏松，斷裂和褶皺內(nèi)有潛在充水現(xiàn)象，隧道施工中可能存在多處由斷裂導(dǎo)水通道、裂隙型與巖溶型導(dǎo)水通道等帶來(lái)的涌水突泥災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，涌突水水源可能來(lái)自地下水及地表大氣降水等。

此外，越嶺隧道工程施工人為地破壞了地質(zhì)與地下水系統(tǒng)的壓力平衡狀態(tài)，爆破過(guò)程中隧道圍巖也遭到破壞，隧道頂板易形成冒落帶、裂隙帶及整體移動(dòng)帶，其中冒落帶、裂隙帶可成為隧道充水水源進(jìn)入隧道的通道，從而改變含水系統(tǒng)地下水的補(bǔ)給、徑流條件，使隧道采空區(qū)成為地下水的排水場(chǎng)所，從而引起涌水突泥及對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定造成影響。

2.7 邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題

高黎貢山越嶺段內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育強(qiáng)烈，地質(zhì)災(zāi)害類型主要有崩塌、滑坡和泥石流，區(qū)內(nèi)發(fā)育有528個(gè)崩塌 (含巖堆)、滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)。在區(qū)域上，地質(zhì)災(zāi)害多分布于怒江兩岸及龍川江兩岸，人類活動(dòng)密集區(qū)也有較多分布。如C12K線怒江大橋兩側(cè)橋墩即受等子滑坡 (見(jiàn)圖7)等的影響，C12K高黎貢山深埋隧道龍陵出口處分布有凹子地古滑坡體等，是隧道工程勘察設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)重點(diǎn)防護(hù)的部位。

3 高地溫、高地?zé)岱植继卣骷捌鋵?duì)鐵路選線的影響

3.1 地溫帶劃分與熱害評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

所謂高溫，是指建設(shè)工程的工作面氣溫超過(guò)28℃;所謂高濕，是指相對(duì)濕度超過(guò)80%［2］。根據(jù)工程施工及勞動(dòng)防護(hù)要求，高黎貢山越嶺段地溫帶可劃分為常溫帶 (T≤28℃)、低高溫帶 (Ⅰ)(28＜T≤37℃)、中高溫帶 (Ⅱ)(37＜T≤60℃)和超高溫帶(Ⅲ)(T＞60℃)等4級(jí) (見(jiàn)表1)，中高溫帶進(jìn)一步細(xì)分為中高溫帶Ⅱ1(37＜T≤50℃)、中高溫帶Ⅱ2(50＜T≤60℃);斷裂導(dǎo)熱水能力、熱害分析評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)、隧道施工處理措施也相應(yīng)分為4級(jí)。

圖7 怒江左岸等子滑坡 (鏡向東)Fig.7 Dengzi landslide at the left side of Nujiang

表1 地溫帶劃分、熱害分析評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)Table 1 The temperate zone，heat damage evaluation standard table

3.2 地下熱水與地溫場(chǎng)特征

3.2.1 地下熱水成因

研究區(qū)位于印度板塊與歐亞板塊碰撞帶東部，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地?zé)犸@示與地質(zhì)構(gòu)造密切相關(guān)，大部分溫泉熱源是較高大地?zé)崃鞅尘跋?，大氣降水沿?cái)嗔蚜严稁聺B，經(jīng)深循環(huán)加熱形成帶狀分布的斷裂深循環(huán)型中低溫地?zé)嵯到y(tǒng)。研究區(qū)162組溫泉水和地表水體同位素分析結(jié)果顯示，地?zé)崴摩腄均落在騰沖大氣降水線上或附近，少數(shù)水熱區(qū)的δ18O稍有漂移，證明區(qū)內(nèi)地?zé)崴畞?lái)源于大氣降水，δ18O漂移量小，亦說(shuō)明區(qū)內(nèi)水熱區(qū)多為中、低溫水熱系統(tǒng)(溫度低于150℃)。

越嶺段內(nèi)斷裂以南北向?yàn)橹?，次為北東向、北西向 (見(jiàn)圖2)。在現(xiàn)代近南北向構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的作用下，近南北向壓扭性超殼斷裂轉(zhuǎn)化為張性或張扭性斷裂，是地?zé)崴闹魍ǖ?。北東向、北西向斷裂與主應(yīng)力交角大者主要以壓扭性為主，對(duì)地?zé)崴畯搅髌鹬韪糇饔?交角小者多為張扭性，起導(dǎo)水作用，即黃草壩斷裂 (F3-1，見(jiàn)圖2)多為阻水隔熱斷裂，F(xiàn)3-1-1(見(jiàn)圖2)多為導(dǎo)水導(dǎo)熱斷裂。黃草壩斷裂 (F3-1)是區(qū)內(nèi)阻水隔熱的主要斷裂之一，直接控制了高黎貢山—三臺(tái)山弧形構(gòu)造水熱活動(dòng)帶南北兩側(cè)朝陽(yáng)—平達(dá)水熱活動(dòng)亞帶、邦臘掌—黃草壩水熱活動(dòng)亞帶地下熱水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件。

3.2.2 地溫場(chǎng)平面發(fā)育特征

研究區(qū)水熱活動(dòng)顯現(xiàn)與巖漿長(zhǎng)期大規(guī)模的持續(xù)侵入、變質(zhì)巖帶的分布和活動(dòng)性斷裂系統(tǒng)密切關(guān)聯(lián)，其空間展布明顯與區(qū)域構(gòu)造帶相一致。水熱活動(dòng)以怒江斷裂、龍川江斷裂為界，劃為怒江南北向構(gòu)造帶 (Ⅰ)、高黎貢山—三臺(tái)山弧形構(gòu)造帶 (Ⅱ)、騰沖—梁河弧形構(gòu)造水熱活動(dòng)帶 (Ⅲ)等3個(gè)水熱活動(dòng)帶 (見(jiàn)圖8);高黎貢山—三臺(tái)山弧形構(gòu)造水熱活動(dòng)帶(Ⅱ)以黃草壩斷裂為界，進(jìn)一步可分為邦臘掌—黃草壩水熱活動(dòng)亞帶 (Ⅱ-1)和朝陽(yáng)—平達(dá)水熱活動(dòng)亞帶 (Ⅱ-2)2個(gè)亞帶。

圖8 大瑞鐵路高黎貢山越嶺地段地溫帶分布Fig.8 The ground temperature belt distribution map in Gaoligong Mt.section along Dali-Ruili railway

3.2.3 地溫梯度分布特征

根據(jù)研究區(qū)專題地質(zhì)研究實(shí)施的55個(gè)深孔及20個(gè)淺孔鉆探孔內(nèi)測(cè)溫測(cè)試分析結(jié)果，研究區(qū)地溫場(chǎng)有以下特征:

①除邦臘掌一個(gè)鉆孔屬對(duì)流熱流外，其他鉆孔溫度類型均為傳導(dǎo)熱流。

②地溫變化總的趨勢(shì)是:東西方向，高黎貢山東西側(cè)相對(duì)較低，中部相對(duì)較高;南北方向，北部溫度等值線較密，向南部撒開(kāi)，與區(qū)內(nèi)構(gòu)造線相一致。

③研究區(qū)平均地溫梯度為3.02℃/100 m。在新生代，盆地的地溫梯度一般均高于基巖;地溫梯度變化趨勢(shì)是由東至西從低變高，由北向南則從低至高再變低。

3.3 隧道層面地?zé)岱植继卣?/h3>

根據(jù)上述劃分標(biāo)準(zhǔn)，用區(qū)內(nèi)施鉆的55個(gè)鉆孔資料及123處水熱區(qū)泉水溫度，在地?zé)岬刭|(zhì)圖上做出最高溫度等值線，并結(jié)合地下水點(diǎn)、斷流構(gòu)造、地層巖性以及地形地貌圈定地溫帶。隧道埋深層面的地溫研究采取擬選隧道底面做溫度等值線，即把C12K、CK、C1K、C4K的隧道底面視為一個(gè)平面，沒(méi)有鉆孔控制的部位用區(qū)內(nèi)平均地溫梯度 (3.02℃/100 m)算至底面溫度;水熱區(qū)用對(duì)流熱流值計(jì)算底面溫度，最終形成隧道底面溫度等值線圖 (見(jiàn)圖9)。從圖9可見(jiàn)，隧道埋深層面地溫變化值為20～100℃，主要分布在30～70℃之間，根據(jù)表1的劃分標(biāo)準(zhǔn)，隧道層面地溫共劃分出11個(gè)超高溫帶 (Ⅲ)，面積14.46 km2，占總面積的0.39%;中高溫帶18個(gè)，面積682.95 km2，占總面積的18.24%;低高溫帶11個(gè)，面積1008.96 km2，占總面積的26.95%;常溫帶3個(gè)，面積2037.06 km2，占總面積的54.42%。超高溫帶零星分布在中高溫帶中間，其中以龍陵邦臘掌溫泉地區(qū)面積最大，其次為潞西澡堂頭和象達(dá)鄉(xiāng)一帶。

圖9 大瑞鐵路高黎貢山越嶺隧道層面地溫等值線圖Fig.9 Ground temperature contour map on the tunnel plane in Gaoligong Mt.section along Dali-Ruili railway

常溫帶沿龍川江、怒江河谷沿岸及芒市盆地周邊山麓分布，就工程而言，主要體現(xiàn)在越嶺隧道進(jìn)出口淺埋段、地?zé)崴a(bǔ)給區(qū)、徑流區(qū)。

高溫帶 (低高溫帶、中高溫帶、超高溫帶)分布主要受構(gòu)造控制，占總面積的45.58%，分布廣泛，嚴(yán)重制約了越嶺線路方案、尤其是隧道工程的比選和工程可行性。

受黃草壩斷裂阻水隔熱作用，邦臘掌—黃草壩水熱活動(dòng)亞帶地?zé)崴判箙^(qū)以南，朝陽(yáng)—平達(dá)水熱活動(dòng)亞帶地?zé)崴a(bǔ)給區(qū)一定范圍內(nèi)，存在一條相對(duì)低溫區(qū)，為越嶺長(zhǎng)隧道的選址提供了通道。

4 高黎貢山越嶺段地質(zhì)選線研究

4.1 復(fù)雜地質(zhì)條件下深埋長(zhǎng)大隧道地質(zhì)選線原則

影響高黎貢山越嶺地區(qū)選線和重大工程設(shè)置的地質(zhì)因素眾多，地質(zhì)選線原則的確定直接關(guān)系著選線質(zhì)量和重大工程的可行性。選線原則需要在綜合地質(zhì)勘察的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)專題研究成果確定。

①由于國(guó)內(nèi)外尚無(wú)成熟技術(shù)處理洞內(nèi)溫度大于72℃的高地溫、高溫?zé)崴?(汽)的經(jīng)驗(yàn)和措施，隧道工程必須繞避可能大范圍出現(xiàn)嚴(yán)重?zé)岷Φ母叩販氐貐^(qū)。

②隧道工程必須通過(guò)高地溫地區(qū)時(shí)，應(yīng)盡量繞避或遠(yuǎn)離中高溫帶及高溫帶，選擇在常溫帶和低高溫帶通過(guò)。

③線路通過(guò)高地溫地區(qū)時(shí)，宜以橋與路基形式通過(guò);當(dāng)必須以隧道通過(guò)時(shí)，應(yīng)盡可能減少隧道埋深。

④高烈度地震區(qū)選線，應(yīng)盡量提高線路抵御地震次生地質(zhì)災(zāi)害的能力，有條件時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用隧道工程。

⑤應(yīng)綜合考慮地質(zhì)、地震因素，重視地震放大效應(yīng)、近場(chǎng)區(qū)的地震效應(yīng)，線路應(yīng)繞避既有的地震及地震次生災(zāi)害嚴(yán)重地段和重力不良地質(zhì)集中發(fā)育地段。

⑥線路宜短距離、大角度通過(guò)深大斷裂，應(yīng)避免在深大斷裂帶內(nèi)迂回展線;避免采用高墩大跨及特殊結(jié)構(gòu)橋直接跨越全新世活動(dòng)斷裂。

⑦鑒于研究區(qū)特殊的地質(zhì)、地震和地應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境，選線應(yīng)盡量減少順巖層走向隧道長(zhǎng)度。

⑧隧道洞口、橋梁墩臺(tái)和路基工程應(yīng)避開(kāi)斜坡不穩(wěn)定、不良地質(zhì)發(fā)育或可能發(fā)生重大地震次生災(zāi)害的地段或地貌部位。

隨著重大工程建設(shè)的發(fā)展，在地質(zhì)災(zāi)害和工程地質(zhì)問(wèn)題防治領(lǐng)域的技術(shù)也日益發(fā)展，包含深埋隧道巖爆防治與預(yù)測(cè)、涌水突泥、軟巖大變形等方面，并且在施工過(guò)程中取得良好的效果［8，11，13］，因而高地溫、高地?zé)崾侵萍s高黎貢山越嶺段地質(zhì)選線的關(guān)鍵問(wèn)題。綜合上述地質(zhì)選線原則，在高黎貢山越嶺地區(qū)是否能發(fā)現(xiàn)相對(duì)低溫的通道就成了選線的重點(diǎn);同時(shí)，考慮活動(dòng)斷裂和邊坡穩(wěn)定性，開(kāi)展地質(zhì)選線綜合研究，從而有利于綜合防災(zāi)減災(zāi)。

4.2 線路方案綜合比選分析

從圖8、圖9中可以看出，雖然常溫帶和低高溫帶占總面積的80%以上 (地表為90.2%，隧道層面為81.37%)，但有較多的中高溫帶和高溫帶穿插其間，對(duì)鐵路線路，尤其是隧道工程影響較大。

根據(jù)CK、C1K、C4K、C5K、C10K、C12K和C22K等方案的工程地質(zhì)條件和工程地質(zhì)問(wèn)題，從高地溫、斷裂構(gòu)造及不良地質(zhì)條件3方面進(jìn)行綜合對(duì)比 (見(jiàn)表2)。

綜合分析表明，南繞方案 (C5K)大范圍穿越朝陽(yáng)—平達(dá)水熱活動(dòng)亞帶地?zé)崴判箙^(qū)，深埋長(zhǎng)大隧道高溫?zé)岷?wèn)題突出，引線段平行于構(gòu)造線，不良地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，線路抵御自然災(zāi)害和地震次生災(zāi)害的能力低;C1K、C4K等線路不同程度通過(guò)中高溫帶，C10K、C22K在邦臘掌一帶有約2.5 km左右通過(guò)高溫帶。相對(duì)比而言，C12K(34.5 km隧道方案)和CK(39.6 km隧道方案)位于黃草壩阻水隔熱斷層之南相對(duì)低溫通道內(nèi)，地?zé)嵛：^輕，線路與斷裂構(gòu)造大角度相交，工程地質(zhì)條件較好。C12K作為CK的優(yōu)化方案，線路抬高了156 m，改善了隧道環(huán)境地溫，繞避了引線段不良地質(zhì)構(gòu)造，線路抵御自然災(zāi)害的能力相對(duì)較強(qiáng)，工程地質(zhì)條件相對(duì)較好。

經(jīng)綜合比選，推薦采用工程地質(zhì)條件相對(duì)較好，位于黃草壩阻水隔熱斷層之南相對(duì)低溫通道內(nèi)的C12K(34.5 km隧道)方案。但越嶺長(zhǎng)隧道開(kāi)挖后，會(huì)形成新的地下水排泄低勢(shì)面，改變地下水徑流、排泄條件，如果隧道開(kāi)挖不限制地下水排放，仍會(huì)導(dǎo)致隧道區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜化，在高水頭滲流條件下致使黃草壩阻水隔熱斷層的隔水能力減弱，甚至可能襲奪邦臘掌—黃草壩水熱活動(dòng)亞帶的地下熱水。因此施工過(guò)程中需要及時(shí)進(jìn)行地下水監(jiān)測(cè)與分析，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)控制地下水排放。

表2 高黎貢山比選方案隧道地質(zhì)條件綜合對(duì)比Table 2 Comprehensive geological condition comparison for alternative schemes along Mt.Gaoligong deep-buried tunnel section

5 結(jié)論與討論

大瑞鐵路高黎貢山越嶺段主要工程地質(zhì)問(wèn)題有:高地溫、高地應(yīng)力、活動(dòng)斷裂斷錯(cuò)、巖爆、涌水突泥、軟巖大變形和邊坡穩(wěn)定性等，其中高地溫、高地?zé)崾侵萍s高黎貢山深埋隧道規(guī)劃建設(shè)的關(guān)鍵問(wèn)題。

高黎貢山越嶺段的地?zé)岱植荚谄矫嫔峡梢苑譃?個(gè)區(qū)，地下熱水的分布和運(yùn)移與斷裂構(gòu)造密切相關(guān)，黃草壩斷層的阻水隔熱斷層特性和地?zé)崴目臻g分布特征，使得該斷層之南存在一個(gè)相對(duì)低溫通道。

從高地溫、斷裂構(gòu)造和不良地質(zhì)條件3個(gè)方面的差異特征對(duì)比選方案進(jìn)行綜合比選表明，通過(guò)黃草壩阻水隔熱斷層之南相對(duì)低溫通道內(nèi)的C12K方案地?zé)嵛：^輕，是相對(duì)較好的一條方案，并且受斷裂活動(dòng)和邊坡地質(zhì)災(zāi)害影響較小。

復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造條件下，越嶺鐵路的地質(zhì)選線是一個(gè)復(fù)雜的工程地質(zhì)問(wèn)題，需要綜合考慮多種不良工程地質(zhì)條件，特別是在具有高地?zé)?、高地下熱水發(fā)育區(qū)內(nèi)進(jìn)行具有深埋隧道的地質(zhì)選線，目前國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)還不足，相關(guān)理論和方法需要結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)一步完善。

致謝 云南地質(zhì)工程第二勘察院騰沖地?zé)彡?duì)和勇高級(jí)工程師、余仕勇高級(jí)工程師，成都理工大學(xué)許模教授、楊艷娜博士，中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所郭啓良研究員、包林海博士等參加了野外調(diào)查、測(cè)試分析工作。中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所曲永新研究員對(duì)本文提出了修改建議，在此一并感謝。

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