霍 欣

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710043)

1 工程概況

某鐵路怒江至伯舒拉嶺段是昌都至林芝段的一部分，位于西藏昌都地區(qū)的八宿縣、洛隆縣，線路整體呈東西走向，東起同卡鎮(zhèn)吉巴村怒江右岸，西至昌都縣與波密縣交界處，長度約72.5 km。本段屬喜馬拉雅造山帶[1]，地殼抬升劇烈，巖體受推擠變形強烈，造就了高地應(yīng)力、高地溫的地質(zhì)環(huán)境。由于地質(zhì)構(gòu)造復雜，地形陡峻，巖性多變，沿線不良地質(zhì)作用強烈，崩塌、危巖落石、巖堆等不良地質(zhì)隨處可見；受古地理環(huán)境的影響，飛來峰等大型推覆構(gòu)造亦有分布，這都給該區(qū)域的鐵路選線帶來很大困難。

2 地質(zhì)特征

2.1 地形地貌特征

本段位于藏東南橫斷山高山峽谷區(qū)(圖1)，總體地勢北高南低，西高東低。線路走行于橫斷山系腹地西部，山嶺海拔3 000～5 500 m，地形高差1 500～2 000 m，河谷狹長幽深，兩側(cè)山峰高聳，形成了特殊的封閉性高山峽谷地貌，在極端氣候條件和復雜地質(zhì)構(gòu)造影響下，危巖落石、崩塌隨處可見，泥石流、滑坡、巖屑坡等地質(zhì)災害十分發(fā)育。

圖1 怒江峽谷區(qū)地形地貌

2.2 地層巖性

本段三大巖性均有分布，其中，沉積巖主要為古近系、白堊系的泥巖、砂巖、礫巖及二疊系至石炭系的砂巖，局部分布侏羅系的砂巖、晚古生代的灰?guī)r；侵入巖以燕山期和喜馬拉雅期花崗巖、閃長巖為主；沉積巖和早期的巖漿巖在后期巖漿作用和動力變質(zhì)作用下，常形成變質(zhì)巖，本段常見的變質(zhì)巖為變質(zhì)砂巖、片巖、大理巖、片麻巖等。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

本段位于二級構(gòu)造單元班公湖—怒江結(jié)合帶及拉達克—岡底斯—察隅弧盆系交匯處，線路大段落走行于三級構(gòu)造單元伯舒拉嶺巖漿弧構(gòu)造內(nèi)，沿線構(gòu)造發(fā)育，主要以北西-南東向擠壓性斷裂構(gòu)造為主，規(guī)模較大，一般在幾十千米，個別區(qū)域性斷裂延伸長度可達上百千米，斷帶寬度從幾十米至上百米不等；次級斷裂主要分布在兩個二級構(gòu)造單元結(jié)合處，多與主斷裂呈“人”字形相交，發(fā)育密集。

2.4 氣象水文

本段為高原亞溫帶亞濕潤氣候，年平均氣溫為1.5～13.6 ℃，夏季溫和濕潤，冬季寒冷干燥，年溫差小，日溫差大，整體而言以寒冷為主。區(qū)內(nèi)年平均降水量在300～500 mm，降雨集中，季節(jié)分布不均，多集中在5～9月份，占全年降雨量的77.9%～95.8%。區(qū)內(nèi)年平均蒸發(fā)量1 600～2 100 mm，蒸發(fā)量遠大于降水量。該區(qū)域怒江、德曲等河谷深切，峽谷高差大，氣候垂直變化大于水平變化。

3 主要工程地質(zhì)問題

本段具有高海拔、大高差、地殼隆起抬升、構(gòu)造運動強烈、河流剝蝕急速下切的特殊地質(zhì)背景，在內(nèi)外動力地質(zhì)作用下，本段主要存在高壓構(gòu)造突涌水、越嶺段深埋長大隧道高地應(yīng)力、高地溫及隧道進出口處高位危巖落石等工程地質(zhì)問題，鐵路選線面臨復雜、嚴峻的安全形勢。

3.1 高壓構(gòu)造突涌水問題

本段構(gòu)造發(fā)育，存在斷裂及大型推覆構(gòu)造。該段共發(fā)育有19條區(qū)域型大斷裂，23條支斷裂，其中，在班公湖—怒江縫合帶的西邊界發(fā)育有邊壩—洛隆活動斷裂，該斷裂為全新世左旋活動性區(qū)域斷裂，延伸長500余 km，斷層產(chǎn)狀N37°W∠70°N，在本段與康玉隧道呈大角度相交。此外，在活動斷裂東側(cè)發(fā)育有大型逆沖推覆構(gòu)造(飛來峰)，該構(gòu)造形成于早期的中侏羅世，覆蓋于侏羅系中統(tǒng)地層之上，巖性主要為上古生界瞎絨曲組(Pz2x)的灰?guī)r、大理巖。斷裂及推覆構(gòu)造分布于隧道工程處，對深埋隧道的影響主要體現(xiàn)在高壓構(gòu)造突涌水問題。

一方面，斷裂[2-3]尤其是區(qū)域性活動斷裂處的巖體，以及受推覆構(gòu)造[4-6]影響、改造的巖體，一般完整性差，節(jié)理裂隙發(fā)育，富含大量基巖裂隙水，受完整基巖的隔水作用，水體常具有承壓性，在深埋(埋深一般>1 200 m)隧道開挖時，極易碰到高壓突涌水。

另一方面，組成推覆構(gòu)造的灰?guī)r和大理巖等可溶巖，在水流侵蝕作用下形成巖溶，伴隨多次構(gòu)造運動的抬升-夷平過程，巖溶被封閉或半封閉于基巖中，隧道施工將引起巖溶水的突涌問題。本段巖溶的發(fā)育受地殼升降及自然氣候效應(yīng)控制，巖溶的發(fā)育程度與夷平面的形成規(guī)模呈正相關(guān)，巖溶的發(fā)育特征如下。

(1)隧址區(qū)在4 500～4 800 m和3 400～3 600 m高程段為地勢相對平緩的寬谷區(qū)。其中，4 500～4 800 m高程段是區(qū)內(nèi)各級切溝水流發(fā)源地，溝內(nèi)坡降較小，是區(qū)內(nèi)主夷平面重要組成部分，該高程段巖溶發(fā)育強；3 400～3 600 m高程段是區(qū)內(nèi)河流剝蝕面的重要組成部分，該高程段地貌平緩，為水平巖溶作用提供了有利的環(huán)境條件，該高程段巖溶發(fā)育較強。

(2)高程3 600～4 500 m段位于主夷平面以下，往往是坡度為30°～40°的斜坡段。由于此時高原已經(jīng)抬升，巖溶發(fā)育所需的自然氣候條件已經(jīng)弱化，因此該期巖溶作用發(fā)育相對較弱。

(3)在3 400 m以下高程段，地形多為狹窄的“V”形峽谷，表明該階段地殼處于強烈的抬升運動中，區(qū)內(nèi)以干燥寒冷的氣候條件為主，巖溶的下蝕作用遠遠跟不上河流的下切作用，巖溶發(fā)育程度較弱。

因此，巖溶發(fā)育程度在垂向上具有明顯的分帶性，即4 500～4 800 m高程段巖溶發(fā)育強，3 400～3 600 m高程段巖溶發(fā)育較強，3 600～4 500 m及3 400 m高程以下巖溶發(fā)育較弱。

3.2 越嶺段深埋長大隧道高地應(yīng)力問題

通過資料收集和現(xiàn)場地應(yīng)力實測，結(jié)合數(shù)值計算和模擬分析，本區(qū)最大主應(yīng)力方向為N19.2°E-N82°W，在越嶺隧道埋深66.5～712.45 m的實測地應(yīng)力范圍內(nèi)，最大水平主應(yīng)力(SH)為3.63～30.1 MPa，對應(yīng)的最小水平主應(yīng)力(Sh)為3.05～20.23 MPa，用巖石容重估算的垂直主應(yīng)力(Sv)為1.79～19.88 MPa。場區(qū)三向主應(yīng)力值的關(guān)系為：SH>Sh>Sv，主要以水平應(yīng)力為主，在全線最大2 100 m的埋深處，最大主應(yīng)力可達80 MPa，高地應(yīng)力環(huán)境下，硬質(zhì)巖將發(fā)生巖爆[7-9]，軟質(zhì)巖將發(fā)生大變形[10]。

3.3 高地溫問題

線路所經(jīng)的藏東南地區(qū)是地中海-南亞地熱異常帶的重要組成部分，根據(jù)收集的資料并結(jié)合地質(zhì)調(diào)繪，怒江至伯舒拉嶺段發(fā)現(xiàn)有溫泉共64處，多集中在怒江斷裂帶內(nèi)，溫度最高的為江云溫泉，溫度高達60 ℃。

根據(jù)深鉆孔測溫數(shù)據(jù)，怒江至伯舒拉嶺段正常地溫梯度為2.7～3 ℃/100 m，考慮地溫梯度、地表溫度、地形、地下水的影響，在埋深800～1 000 m及以上的隧道，可能存在熱害的風險，一般為28～37 ℃，最高可達50 ℃，高地溫一方面惡化隧道施工及運營環(huán)境，同時影響隧道襯砌材料選擇及施工方法[11-12]。

3.4 隧道進出口高位危巖落石問題

受構(gòu)造、風化、凍融等作用的影響，裸露的基巖表面節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體被塊狀切割，完整性差，陡坡上方普遍發(fā)育危巖落石。特別是在怒江、德曲、娃拉擁等沖溝的兩側(cè)，由于河流深切，岸坡陡峻，地形落差巨大，高位危巖落石及高位崩塌規(guī)模較大。經(jīng)過地質(zhì)選線，貫通及對比方案已經(jīng)避繞了對工程影響較大的高位危巖落石，但在怒江兩側(cè)的果拉山隧道出口、夏里隧道進口及德曲右岸的察達隧道出口處仍面臨高位危巖落石的威脅，其中夏里隧道進口上方140 m處分布面積8.2×104m2的高位危巖落石，對工程安全影響大。

4 地質(zhì)選線原則

鑒于怒江至伯舒拉嶺段地質(zhì)條件復雜，控制線路的工程地質(zhì)問題眾多，為指導鐵路線位的選擇，便于方案比選過程中開展針對性的工作，在現(xiàn)場調(diào)查并結(jié)合鉆探、物探成果的基礎(chǔ)上，制訂了本段線路的選線原則。

(1)線路應(yīng)盡量繞避斷裂[13-14]，盡可能少地穿越斷層破碎帶，無法繞避時，應(yīng)選擇在完整性相對較好的地段或硬質(zhì)巖區(qū)通過[15]。線路應(yīng)繞避大型推覆構(gòu)造，在垂向上遠離推覆構(gòu)造與原始基巖的接觸帶。線路通過巖溶發(fā)育區(qū)時應(yīng)選擇合理的高程，避開高程4 500～4 800 m巖溶強發(fā)育段[16-17]，同時避免隧道反坡施工，平行導坑設(shè)置在地下滲流方向的上游一側(cè)。

(2)在高地應(yīng)力區(qū)，應(yīng)通過展線拔高線位或通過傍河隧道降低隧道埋深，線路走向應(yīng)與區(qū)域最大主應(yīng)力方向平行或呈小角度，以減小隧道洞室開挖后的切向應(yīng)力；同時隧道應(yīng)優(yōu)先考慮走行于硬質(zhì)巖地區(qū)；在軟質(zhì)巖地區(qū)應(yīng)選擇在構(gòu)造不發(fā)育或發(fā)育較弱、地下水不發(fā)育的地段通過；越嶺隧道不宜行走于駝峰應(yīng)力增高區(qū)域，盡量走在應(yīng)力降低區(qū)或原巖應(yīng)力區(qū)。

(3)線路應(yīng)繞避可能大范圍出現(xiàn)嚴重熱害的高地溫地區(qū)，無法避開地熱異常帶時應(yīng)垂直或以大角度通過地熱異常帶[18-19]；隧道通過高地溫地區(qū)時，宜減少隧道埋深，盡量設(shè)置傍河隧道以優(yōu)化輔助坑道條件。

(4)隧道進出口盡量避開高位危巖落石發(fā)育區(qū)[20]，無法繞避時，應(yīng)抬高線位高程或選擇在危巖落石易整治且整治范圍較小處通過。

5 線路方案比選

5.1 怒江橋位比選

怒江特大橋為設(shè)計跨度大于1 000 m的懸索橋，是本段線路的控制性工程。根據(jù)沿線地形地質(zhì)條件，結(jié)合影響線路的主要因素研究了吉村橋位和擁巴橋位兩大線路走向方案(圖2)。兩大走向方案的區(qū)別在于跨越怒江的位置不同，擁巴橋位(IICK)方案在擁巴鄉(xiāng)東側(cè)約3 km處跨怒江；吉村橋位方案在怒江既有公路橋上下游5 km范圍內(nèi)跨越怒江，該方案細化研究了C16K、CK、C1K、C2K、C3K共5處橋位方案。

圖2 怒江橋位方案對比示意

兩大方案同屬于怒江高山峽谷地貌，構(gòu)造上都處于班公湖-怒江結(jié)合帶，橋址處都面臨斷裂構(gòu)造、危巖落石、泥石流等不良地質(zhì)的影響，各方案地質(zhì)條件對比分析情況詳見表1。

表1 各方案工程地質(zhì)條件評價

通過對各橋址處地質(zhì)條件分析評價，擁巴橋位(IICK)方案地層以片巖、板巖等軟質(zhì)巖為主，并發(fā)育有區(qū)域性大斷裂，兩岸巖體破碎，節(jié)理裂隙、揉皺較發(fā)育，坡面整體穩(wěn)定性差，滑坡、巖堆、泥石流、危巖落石等不良地質(zhì)集中、連續(xù)分布，兩端引線隧道工程軟巖大變形問題突出，該方案最差。吉村橋位方案地層以花崗巖、閃長巖等硬質(zhì)巖為主，不良地質(zhì)主要為危巖落石，工程地質(zhì)條件相對較好，其中CK方案橋位受斷裂影響小，巖體較為完整，橋臺上方危巖落石發(fā)育程度一般，兩端引線工程條件較好，該方案最優(yōu)。

5.2 康玉隧道方案比選

本段為越嶺地段，線路位于怒江支流德曲南側(cè)山體中，距離德曲河谷3～7 km，主要比選CK傍河隧道方案、C13K半取直方案及C14K取直方案(圖3)。CK方案傍德曲河谷展線，降低隧道埋深，并繞避了飛來峰，該方案隧道長20.25 km；C13K方案線路走向與CK方案相似，為減小線路長度，該方案下穿飛來峰北側(cè)邊角，隧道長19.90 km；C14K方案近似直線，從飛來峰中部大段落穿越，該方案隧道長度最短，為19.20 km。

圖3 康玉隧道方案對比

三方案同屬高山峽谷地貌，所經(jīng)地層巖性、穿越的構(gòu)造基本相當，隧道進出口位置相同，影響方案的地質(zhì)因素主要為斷裂構(gòu)造、高地應(yīng)力、高地溫和巖溶。三方案地質(zhì)條件對比分析情況見表2。

通過對各方案受斷裂構(gòu)造、地應(yīng)力、地溫、巖溶等方面的影響評價(表2)，CK方案通過靠向德曲河谷一側(cè)展線，減小了隧道埋深，降低了熱害風險，同時減少了巖爆段落的長度和等級；另外，該方案輔助坑道施工條件較好，有利于處理巖溶水問題，施工風險相對較小，綜合比較，該方案最優(yōu)。C14K方案隧道長度最短，但受構(gòu)造、地應(yīng)力引起的巖爆和軟巖大變形的段落長度及強度最嚴重，受高地溫、巖溶突涌水的風險最大，因此該方案最差。

表2 各方案工程地質(zhì)條件評價

5.3 夏里至察達溝谷方案對比

該段為越嶺段，線路擬沿德曲南北兩側(cè)展線，主要比選了德曲南岸CK方案、德曲北岸C7K方案，方案走向詳見夏里至洛隆方案走向圖(圖4)。兩方案主要區(qū)別在于CK方案在希塘附近繼續(xù)沿德曲向西展線，向西跨越康玉曲，穿越察達隧道至察達溝谷；C7K方案在希塘附近轉(zhuǎn)向北，跨越德曲后沿德曲北側(cè)進察達隧道至察達溝谷。

兩方案同屬怒江高山峽谷區(qū)向伯舒拉嶺高山區(qū)過渡區(qū)域，比選段落內(nèi)主要工程為康玉隧道和察達隧道，兩方案地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育程度及其影響基本相同，控制方案的地質(zhì)因素主要為地層巖性、地應(yīng)力(巖爆與軟巖大變形)及明線段的不良地質(zhì)，兩方案地質(zhì)條件對比分析見表3。

表3 夏里至察達溝谷段地質(zhì)條件對比分析

通過對比分析，在康玉隧道段，CK、C7K兩方案地層巖性相同，明線段不良地質(zhì)主要為巖屑坡、巖堆，對工程影響不大，兩方案整體上工程地質(zhì)條件相當。在察達隧道，CK、C7K方案隧道主要區(qū)別在于洞身條件，CK隧道洞身地層主要為燕山期二長花崗巖、花崗閃長巖等硬質(zhì)巖，工程地質(zhì)問題主要為輕微-中等巖爆，圍巖條件相對較好；C7K隧道洞身地層主要為白堊系多尼組砂巖、板巖、頁巖，其中頁巖、板巖巖體破碎、層間結(jié)合差、局部含煤層，巖質(zhì)軟，工程地質(zhì)問題主要以軟巖大變形為主，圍巖條件相對較差。另外，從不良地質(zhì)角度分析，C7K察達隧道進口受泥石流影響較為嚴重。因此，從地質(zhì)條件分析，CK方案優(yōu)于C7K方案。

6 結(jié)論

新建某鐵路怒江至伯舒拉嶺段位于班公湖—怒江結(jié)合帶及拉達克—岡底斯—察隅弧盆系交匯處，構(gòu)造發(fā)育，地形陡峻，巖體破碎，不良地質(zhì)作用密集分布。沿線地質(zhì)條件是鐵路選線的控制性因素。通過對本段工程地質(zhì)條件的分析，得出以下結(jié)論。

(1)影響本段鐵路選線的工程地質(zhì)問題，主要為高壓構(gòu)造突涌水、越嶺段深埋長大隧道高地應(yīng)力、高地溫及隧道進出口高位危巖落石等。

(2)在現(xiàn)場調(diào)查及鉆探、物探成果分析的基礎(chǔ)上，提出了怒江至伯舒拉嶺段鐵路選線的原則，其中為減小高壓構(gòu)造突涌水、越嶺段深埋長大隧道高地應(yīng)力及高地溫的影響，傍河隧道方案優(yōu)勢明顯。

(3)通過對本段3處重點方案具體工程地質(zhì)條件的比選，依據(jù)選線原則，怒江橋位處，CK方案的吉村橋位受重力型不良地質(zhì)影響較?。辉诳涤袼淼捞?，CK傍河隧道方案受高壓構(gòu)造突涌水、越嶺段深埋長大隧道高地應(yīng)力、高地溫影響較?。辉谙睦镏敛爝_溝谷段，CK德曲南岸方案巖性為硬質(zhì)巖，且埋深較小，方案較優(yōu)。