热点回顾‖郭长宝等：川藏铁路雅安—林芝段典型地质灾害与工程地质问题

川藏铁路雅安—林芝段典型地质灾害与工程地质问题

郭长宝1,2,吴瑞安1,2,蒋良文3,钟宁1,2,王炀1,2,王栋3,张永双4,杨志华1,2,孟文1,2,李雪1,2,刘贵1,2

摘 要

川藏铁路是中国正在规划建设的重点工程,穿越地形地貌和地质构造都极为复杂的青藏高原东部。铁路沿线活动断裂发育、地震频发,新建铁路雅安—林芝段直接穿越或近距离展布于龙门山断裂带、鲜水河断裂带等10条大型区域性活动断裂带,部分断裂活动速率值达10 mm/a,潜在强震危险性高。在内外动力耦合作用下,铁路沿线地质灾害极为发育,密集分布于大渡河、雅砻江、金沙江、澜沧江、怒江和雅鲁藏布江及其一级支流、活动断裂带和公路沿线,其中高位远程滑坡及链式灾害、深层蠕变-剧滑型滑坡、地震滑坡等灾害危害严重,成为了铁路建设的“拦路虎”。铁路沿线处于以水平构造应力为主导的高地应力环境,穿越华南主体应力区、龙门山—松潘应力区、川滇应力区、墨脱—昌都应力区和喜马拉雅应力区等5个大的一级构造应力区;雅安—康定段最大主应力方向为NWW—NW向,并向林芝方向呈现NNE向偏转,地应力在平面和垂向空间上表现为强烈局部差异性,如折多山某隧道地应力测试结果揭示了在垂向上存在应力释放区。在高地应力条件下,铁路沿线深埋隧道潜在围岩岩爆和大变形危害风险大。铁路建设应加强活动断裂安全避让、重大地质灾害早期识别和监测预警、深埋隧道地应力和岩爆大变形超前预测预报等工作,科学指导铁路选线与防灾减灾。

关键词

川藏铁路;地质灾害;活动断裂;地应力;工程地质问题

0 引 言

川藏铁路是我国正在规划建设的重大铁路工程,从海拔不足500 m的成都平原,向西穿越西南地形陡变带至海拔4 000 m以上的青藏高原,铁路沿线地形地貌和地质构造条件极为复杂,地质灾害极为发育[1,2,3,4]。该工程采用分段规划建设的思路,其中雅安至林芝段已于2018年12月建成通车,拉萨至林芝段也已完成全线47座隧道贯通和架设120座桥梁,预计2021年6月通车。目前正在规划建设的川藏铁路雅安—林芝段全长约1 011.01 km[5],新建24座车站,桥隧总长约965.75 km,约占全线比例95.8%,2020年11月8日已开工建设“两隧一桥”——康定2号隧道、色季拉山隧道和大渡河大桥[6]。

川藏铁路穿越的青藏高原中东部地区地质条件复杂,主体受控于印度板块向欧亚板块俯冲碰撞侧向挤出的地质背景,跨越扬子陆块、羌塘—三江造山系、冈底斯—喜马拉雅造山系等多个一级构造单元,现今构造活动非常强烈,河流深切,内外动力耦合作用下的地质灾害和重大工程地质问题频繁发生,如2000年发生的易贡高位远程滑坡[7,8],2018年发生的白格滑坡-堵江-溃坝灾害链[9,10],拉林铁路桑珠岭隧道建设遇到高达89.5 ℃的高岩温与热害[11],巴玉隧道位于高-极高地应力区并有94%段落位于岩爆区[12]等。川藏铁路雅安—林芝段的规划建设也面临活动断裂与断错、地质灾害、高地应力与深埋隧道围岩岩爆和大变形、隧道高温热害与高压涌水突泥等重大工程地质问题与地质灾害的制约。2018年以来,中国地质调查局“川藏铁路交通廊道地质调查工程”、“川西—藏东地区交通廊道活动构造与地质调查”等项目对川藏铁路雅安—林芝段铁路规划建设面临的典型地质灾害与工程地质问题开展了调查研究,本文在上述工作的基础上,系统梳理铁路沿线重大活动断裂、高位远程地质灾害、高地应力与深埋隧道围岩岩爆灾害特征与形成机制,以指导该区铁路、公路和水利水电工程、城镇规划建设和防灾减灾。

1 地质背景

川藏铁路整体位于青藏高原中东部,东起四川成都,向西经雅安、康定、理塘、巴塘、贡觉、昌都、波密、林芝、山南至拉萨(图1),从位于第二阶梯的四川盆地台阶式上升至第一阶梯的青藏高原。受印度板块向北东向的持续挤压作用,青藏高原晚新生代以来新构造运动强烈,铁路沿线地貌形态以高原盆地和高原深切峡谷为主,从东向西穿越扬子地块、川滇块体、甘青块体、西藏块体和喜马拉雅块体等构造分区[13,14],铁路沿线地层分布多样,受地质构造控制作用显著,除寒武系外,自第四系至震旦系均有分布。

铁路沿线地质构造复杂,活动断裂和强震极为发育,龙门山断裂带、鲜水河断裂带、金沙江断裂带、澜沧江断裂带、怒江断裂带、察隅—嘉黎断裂带等典型大型区域性活动断裂带控制着区域内的地形地貌,同时对地震分布也具有显著的控制作用。根据中国地震局2015年发布的《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015),川藏铁路沿线地震动峰值加速度均≥0.10 g(即抗震设防烈度≥7度),在泸定—康定段和波密—林芝段的地震动峰值加速度达到0.3 g,其中康定部分地段和林芝东南部超过0.4 g(图1),历史上多次发生强震并造成重大伤亡,如1950年墨脱察隅MS8.6级地震、1786年康定MS7.6级地震、2008年汶川MS8.0级地震等。

2 典型活动断裂发育特征及工程危害

活动断裂主要是指晚更新世以来(距今约12.6万年)活动过,在未来一定时期内仍有可能活动的断裂[15],一般也称为活断层。自20世纪20年代Willis和Wood提出活断层的概念以来,活动断裂的研究一直受到国际地学组织、地质学家和工程地质专家的重视。

川藏铁路穿越扬子陆块、羌塘—三江造山系、班公湖—双湖—怒江对接带、冈底斯—喜马拉雅造山系等4个一级构造单元,在一级构造单元边界及其内部发育大量活动断裂[16]。本文通过资料收集、野外调查和综合分析认为铁路直接穿越或近距离展布的大型全新世区域性活动断裂带主要有龙门山断裂带、鲜水河断裂带、玉农希断裂带、理塘—德巫断裂带、巴塘断裂带、澜沧江断裂带(巴青—类乌齐断裂)、怒江断裂带(羊达—亚许断裂、邦达断裂)、边坝—洛隆断裂带、嘉黎—察隅断裂带和鲁朗—易贡断裂带等10条(图2和表1),晚更新世以来有过活动的大型区域性活动断裂带主要有大渡河断裂带、金沙江断裂带、香堆—洛尼断裂带等3条。

图2 川藏铁路雅安—林芝段活动断裂与地震分布图(据郭长宝等[18];铁路线为走向示意图,非正式线路)

F1.双石—大川断裂;F2.盐井—五龙断裂;F3.耿达—陇东断裂;F4.大渡河断裂带;F5.鲜水河断裂带;F6.玉农希断裂带;F7.理塘—徳巫断裂带;F8.巴塘断裂带;F9.香堆—洛尼断裂;F10.怒江断裂带;F11.边坝—洛隆断裂;F12.嘉黎—察隅断裂;F13.鲁朗—易贡断裂

川藏铁路沿线的活动断裂随着工程勘察和活动断裂调查研究的深入,部分断裂的新展布特征和活动性也得到了进一步揭露,如王栋等认为川藏铁路成康段活动断裂主要有龙门山断裂带、鲜水河断裂带(雅拉河断裂、色拉哈—康定断裂、折多塘断裂)和玉农希断裂带[16],潘家伟等在鲜水河断裂带原调查研究认为的3条分支断裂基础上,新发现了木格措南断裂的存在及其全新世活动性(图3)[17]。本文将对近年来的调查研究取得创新性认识的鲜水河断裂带、理塘—德巫断裂带和嘉黎—察隅断裂带等3条典型活动断裂带的发育分布、活动性及其对铁路工程的潜在影响进行分析论述。

2.1 鲜水河活动断裂带

鲜水河断裂带是新生代以来青藏高原隆升过程中,川滇块体向SE方向快速挤出而发展并形成的大型岩石圈活动断裂带,全新世活动显著,主要呈左旋走滑活动,总体走向NW向,北西起自甘孜卡苏,向南东经炉霍、康定至石棉田湾南一带。一般认为鲜水河断裂带由甘孜断裂、炉霍断裂、道孚断裂、乾宁断裂、色拉哈断裂、雅拉河断裂、折多塘断裂和磨西断裂等8个分支断裂组成[16,17,18,19],呈雁列状组合,最新活动时代为全新世,滑动速率达9.6~9.9 mm/a[20,21]。潘家伟等通过高分辨率卫星影像的地质地貌解译和野外构造地质填图,在色拉哈断裂和折多塘断裂之间折多山花岗岩体内新发现一条长约24 km的活动断裂,并命名为木格措南断裂[17],该断裂空间上可分成北、中、南三段,呈(正滑)左旋右阶雁行状排列;因此,目前认为鲜水河断裂带具有一定规模的活动断裂达9条。木格措南断裂线性特征明显(图3(b)),可见明显的槽谷地貌、断层陡坎及地表破裂(图3(c)),运动学特征由正断为主逐渐转变为左行走滑为主,为一条全新世活动断层;其新鲜地表破裂带很可能是1725年7级大地震的同震地表破裂带[17]。自1725年有地震记载以来,鲜水河断裂迄今共发生了7级以上的地震9次,6~6.9级地震15次,强震发生频繁、地表破裂清晰。

川藏铁路自东向西先后大角度斜交雅拉河断裂、色拉哈断裂、木格措南断裂和折多塘断裂,强烈的断裂活动易诱发强震、引起破碎带岩体失稳、隧道围岩和路基断错等工程地质问题,对折多塘特大桥路基、康定隧道、折多山隧道等围岩稳定性具有潜在危害。

2.2 理塘—德巫活动断裂带

理塘—德巫断裂带北西起于蒙巴,向南东延伸经查龙、毛垭坝、理塘、甲洼、德巫至木里(图4),全长约145 km,由毛垭坝盆地北缘断裂、理塘断裂和康嘎—德巫断裂3条次级断裂斜列组成[22]。断裂新生代以来活动性明显,古近系—第四系地层普遍遭受了褶皱或断错作用,沿断裂有线性温泉分布、明显的水系、山脊错动现象,理塘—德巫间全新世以来平均水平滑动速率为3.2~4.4 mm/a,在理塘以北为2.6~3.0 mm/a;平均垂直滑动速率为0.1~1.8 mm/a[23,24]。该断裂带曾多次发生地震[22-23,25],地震复发间隔为1 000 a,为1948年理塘MS7.3级地震的发震断裂,地表破裂至今仍清晰可见(图4(b))。铁路进入理塘盆地后,多以路基工程与理塘—德巫断裂主断面小角度斜交,理塘县城西南的规划车站与断裂相距约300 m,而与德格—乡城断裂等断裂大角度斜交。进入毛垭坝盆地时,约12 km路基与该分支断裂的断面近距离展布,断裂活动可影响该段路基、桥基及车站场地等工程的稳定性。

图4 理塘—德巫断裂带空间发育分布特征

2.3 嘉黎—察隅活动断裂带

嘉黎—察隅活动断裂带为一条岩石圈断裂,形成于中新世早期[26]。该断裂也构成了青藏高原主体大幅度向东挤出的南部边界。嘉黎—察隅断裂带具有明显的分段性,大致以东构造结通麦为界分为3段:东构造结以西为嘉黎—察隅断裂西北段,东构造结顶端易贡—通麦—波密为嘉黎—察隅断裂中段,东构造结东南部波密—察隅为嘉黎断裂东南段。

嘉黎—察隅断裂带受控于青藏高原东向和绕喜马拉雅东构造结的顺时针旋转运动,全新世以来具有强烈的活动性,总体上以右旋走滑为主(图5),通过对嘉黎—察隅断裂带中段和南段的遥感解译和地质调查,以及断错地貌和晚第四纪湖相沉积的软沉积物变形构造的研究,结合古地震探槽和14C地质测年等手段,新识别出2次古地震事件,时间限定在(16.13±1.06)~(15.66±0.92) ka和(8 630±600)~(9 561±37) a B.P.[27]。结合宋键等[28]和Wang等[29]资料,分析认为嘉黎—察隅断裂带中南段晚第四纪以来可能发生了5次古地震事件,分别为16 130~15 660 a B.P.、(11 060±940) a B.P.、8 630~9 561 a B.P.、2 780~2 160 a B.P.和650 a B.P.,地震复发周期为2 000~5 000 a。地表GPS位移监测数据表明,嘉黎—察隅断裂带中段和东南段水平滑动速率为1.3~2.0 mm/a和2~4 mm/a,挤压速率为2.5~2.9 mm/a和5.1~6.2 mm/a[28,30-31],为右旋挤压性质,均存在南北两支断层。嘉黎—察隅断裂带与龙门山断裂带均具有低滑动速率、长复发周期地震特征,考虑到喜马拉雅东构造结顶部目前仍处于较高的构造挤压状态,未来有发生MS≥7级地震的可能性。

川藏铁路南线方案约有51 km长的线路与嘉黎—察隅断裂带近平行展布,局部潜在斜交,而嘉黎—察隅断裂带诱发强震危险性较高,铁路在未来可能遭遇的最大突发位错量为5~6 m(右旋走滑)。受断裂活动影响,易贡隧道、通麦隧道等隧道可能出现活动断裂位错、断裂破碎带、软岩大变形和涌水突泥等工程地质问题。

3 地质灾害发育特征与危险性分析

根据中国地质调查局所属单位,以及四川、西藏两省区自然资源系统在川藏铁路沿线开展的县市地质灾害调查资料(截至2018年12月),川藏铁路雅安—林芝段崩塌、滑坡和泥石流等地质灾害极为发育,在拟建铁路交通廊道共发现崩塌、滑坡和泥石流等地质灾害隐患点3 043处,通过已有地质灾害点,在ArcGIS软件上制作铁路沿线地质灾害发育密度图(图6),地质灾害沿大渡河、雅砻江、金沙江、澜沧江、怒江和雅鲁藏布江及其一级支流,以及活动断裂带和国道、省道等地段密集发育。地质灾害可以造成铁路路基、车站、隧道等变形破坏,对川藏铁路选线选址危害较大的主要有高位远程滑坡及灾害链、深层蠕滑型滑坡、地震滑坡等,如乱石包高位远程滑坡、易贡高位远程滑坡、白格滑坡、日扎滑坡、摩岗岭滑坡等(图6),这些地质灾害成为了铁路规划建设的“拦路虎”。

图6 川藏铁路雅安—林芝段沿线及邻区地质灾害发育分布(图中线路为走向示意图)

3.1 典型高位远程滑坡及其危害

高位远程滑坡是指一种滑体剪出口高、落差大和滑动距离长的滑坡类型[32,33,34]。高位远程滑坡在青藏高原极为发育,如2000年发生的易贡滑坡[7,35-37]、2017年发生的新磨村滑坡[32,38-39]等,都具有体积大、运动速度快、强动能和强烈碎屑化-流体化等特点,危害巨大。川藏铁路规划建设面临高位远程滑坡灾害及其潜在堵江-溃坝灾害链的影响,典型的已发现的潜在高位远程滑坡有乱石包高位远程滑坡、易贡高位远程滑坡等。

3.1.1 乱石包高位远程滑坡

乱石包高位远程滑坡位于四川理塘毛垭坝盆地北缘,该滑坡发育于花岗岩岩体中,滑坡长3 830 m,落差高820 m,滑坡体积达0.64×108~0.94×108 m3,理塘—德巫断裂带的毛垭坝盆地北缘断裂从滑坡体中部穿越(图7)。Guo Changbao等首次发现并研究了乱石包高位远程滑坡[40],认为该滑坡形成于距今(2 870±30) a,是在一次古地震作用下形成的古高位远程滑坡,滑坡运动过程中发生高速滑动,平均速度约53.25 m/s。Wang等进一步调查了滑坡堆积区地貌形态特征,从力学机制角度解释不同微地貌分区的成因[41]。Zeng等通过10Be暴露年龄推测该滑坡形成于(3 510±346) a B.P.,推测该滑坡是由理塘断裂毛垭坝段活动引起强烈地震诱发而形成[42]。乱石包滑坡所在斜坡两侧具有与之类似的坡形和岩体结构,在强震作用下同样存在发生高位启动和远程运动的可能,直接威胁坡脚一定范围内工程设施的安全。

3.1.2 易贡高位远程滑坡

2000年4月9日,在西藏波密扎木弄沟源头,约3 000×104 m3的花岗岩岩体从高5 200 m地方发生高位崩塌-碎屑流-堵江-溃坝灾害链,称为易贡高位远程滑坡(图8),其最大滑动距离达6.7~7.0 km,滑坡堆积体堰塞易贡藏布,形成了体积超过3×108 m3的滑坡坝[7-8,43],溃坝后引起的泥石流-碎屑流冲毁下游约17 km处的通麦大桥,水位上涨约41.77 m,高出通麦大桥桥面约32 m,洪水到达下游500 km印度境内[44]。Guo Changbao等研究认为在内外动力耦合作用下,易贡滑坡具有原址溯源周期性复发的特征,通过典型剖面测量与14C等年代学测试,认为在过去5 500 a中,沿着扎木弄沟的源头,即2000年易贡滑坡的源区,至少发生了包含1900年在内的8次以上高位远程滑坡-堵江-溃坝灾害链事件[37]。在易贡滑坡源区,目前还发育2个潜在失稳岩体,潜在失稳方量分别达9 400×104m3和9 600×104 m3[45],一旦整体或部分失稳,极易再次堵塞易贡藏布-溃坝,形成高速碎屑流灾害链事件,对下游已建设或正在规划建设的桥梁、公路、铁路和城镇等造成极大危害。

3.2 典型深层蠕变-剧滑型滑坡及其致灾机理

大型-巨型滑坡的形成往往需要经历极长的地质孕育过程,往往具有流变(蠕变)-剧滑等特征。彭国喜等认为2009年发生的鸡尾山滑坡存在数十万年的孕育过程[46],在鸡尾山滑坡南部和西侧分别发育的4.1~13.9万年前和2.6~5.3万年前深大裂缝,对鸡尾山滑坡岩体失稳起到了关键的促进作用。1960年意大利Vaiont水库上游山体出现蠕滑迹象,历经3年蠕滑后在1963年约2.7×108 m3的岩土体突然高速滑动,滑体及涌浪摧毁下游3 km的城镇[47]。长江三峡的新滩滑坡于1964年出现变形,之后经过21 a的显著发展、加剧变形、急剧变形等阶段,约3 000×104 m3的堆积体高速滑动而堵塞长江[48]。无论是岩质滑坡还是堆积层滑坡,在经历长时间深层蠕滑后,一旦失稳,极易形成规模大、滑动速度快、危害严重的灾难性事件。

3.2.1 西藏江达白格滑坡

2018年10月11日和11月3日,西藏江达白格先后发生两次高位滑坡-堵江-溃坝灾害链事件(图9),两次分别发生滑动的岩体体积为2 200×104 m3和370×104 m3,溃坝后形成的高速泥石流造成下游竹巴龙大桥等数座桥梁损毁,并影响到下游700 km的云南虎跳峡一带。许强等认为早在1966年白格滑坡中部就出现了明显拉裂缝和小规模滑塌迹象[49],但后缘未见明显下错台坎;2011年滑坡后缘已形成基本贯通拉裂面,之后逐渐整体下错,直至2018年10月发生滑动堵江。白格滑坡变形过程经历了50余年,部分区域的地表位移量接近50 m,是构造缝合带内软弱破碎岩体在长期重力作用下发生变形并最终失稳导致破坏[10,50-51]。目前,在白格滑坡后缘仍存在K1、K2和K3等3处规模较大的残留潜在崩滑体[52,53],方量分别为220×104 m3、154×104 m3和119×104 m3,残留体以渐进蠕变和匀速变形为主,并有再次失稳堵江的可能。

3.2.2 四川白玉日扎滑坡

日扎滑坡位于巴塘至白玉公路西侧、降曲河西岸,又称为格聂山滑坡;该滑坡高1 380 m、宽2 100 m,轴向长约2 150 m。郭长宝等认为日扎滑坡具有潜在高位失稳-滑动-堵江、深层蠕滑变形破坏等两种地质力学模式(图10),其中潜在高位失稳体积达6×108~10×108 m3,深层蠕变带厚度约300 m。该类滑坡可能发生2种类型的危害:(1)高位启动-堵江-溃坝灾害链,在强降雨、地震和岩溶水动力学作用下,潜在高位滑坡体失稳,堵塞降曲河-溃坝,形成灾害链;(2)深层蠕变,在长期重力作用和河流切割坡脚作用下,在蠕变带附近形成应力场异常,从而影响建设在蠕变带附近的隧道等工程设施[54]。

3.3 典型地震滑坡及其危害

地震滑坡是山区地震活动中最为常见的地震地质灾害类型,具有分布密集、数量多、规模大、危害严重等特点,一般由MS≥4.0级地震诱发形成,在强震和大震活动中地震滑坡灾害往往更为突出。2008年汶川地震触发了数以万计的滑坡,直接造成约2万人死亡,给人民生命财产安全带来了巨大损害[55,56]。地震滑坡除直接掩埋城镇和居民区外,还容易形成滑坡-堵江-溃坝-洪水灾害链,如汶川地震诱发的唐家山堰塞湖等。川藏铁路穿越鲜水河断裂带、巴塘断裂带等多条全新世活动断裂,历史上已经发生过大量灾难性地震滑坡事件。在铁路规划建设中,不仅面临断裂蠕滑直接导致工程错断的潜在危险,还可能遇到断裂活动诱发强震形成地震滑坡。地震滑坡受到抛掷力作用,启动快、势能大、行程远,可能对坡脚构筑物造成整体掩埋或转化为摧毁性的链式地质灾害。

3.3.1 摩岗岭地震滑坡-堵江-溃坝

摩岗岭滑坡位于泸定县南35 km得妥乡金光村摩岗岭东坡(图11),大渡河右岸,为1786年6月1日MS7.8级地震触发形成。已有研究表明,摩岗岭滑坡形成演化经历了河谷高边坡形成、浅部岩体卸荷拉裂、拉裂隙扩展、形成潜在滑动面、震动拉裂和高速启滑、抛射撞击、滑体堵江及溃决等7个阶段。滑坡破坏失稳后瞬间完全堵断大渡河形成堰塞坝,大渡河水位迅速上升至上游泸定桥。在堰塞坝堵断大渡河9天后,不断上升的堰塞湖水导致坝体内部形成多处渗流通道,最终在1786年6月10日左右发生溃决[57],形成的泥石流、洪水使下游成为一片汪洋,造成数万人伤亡[58]。

3.3.2 巴塘断裂带地震滑坡

巴塘断裂带是位于青藏高原东部的一条大型右旋走滑断裂带,全新世以来活动性强[24],历史地震频发。在构造活动影响下,断裂带内岩体结构破碎,大型地质灾害发育。根据历史地震资料和野外调查结果,沿巴塘断裂带仍残留有大量历史/古地震滑坡(图12(a)),发育特征表现为:主要沿断裂带分布,滑坡形态特征明显,平面以舌形、半圆形为主,部分地震滑坡后缘处陡坎和冠裂缝清晰,如特米滑坡等;滑坡发育区地形高陡,顶底高差一般在200 m左右,滑前坡度一般在30°以上;规模较大,部分为大型-特大型,容易堵塞狭窄河道,形成滑坡-堰塞湖-洪水等链式灾害;受地形限制,部分滑坡失稳后直接堆积在坡脚,形成明显的鼓包状堆积体,现今基本稳定,如郎多二村滑坡古滑坡等(图12(b)和(c)),其堆积体即处于基本稳定状态。

4 高地应力与深埋隧道围岩稳定性问题

4.1 铁路沿线地应力分区特征

地应力是指赋存在岩体内部未受到扰动的应力,主要来源于区域构造运动和岩体自重,并受地形起伏、岩体结构和外部载荷等因素影响[59]。印度板块向欧亚板块持续性挤压作用,在造成青藏高原隆升和侧向挤出的同时,也导致了青藏高原内部形成空间非均匀性显著的复杂构造应力环境[60,61]。

川藏铁路自东向西穿越华南主体应力区、龙门山—松潘应力区、川滇应力区、墨脱—昌都应力区和喜马拉雅应力区[62]。川藏铁路部分地应力实测点和应力方向分布在不同的应力分区中,已有测试结果表明区域地应力的方向和大小均不同(图13),在空间上呈现出高度的非均匀性。

4.1.1 铁路沿线高地应力值特征

根据雅安—康定段、林芝—拉萨段及邻区已开展的地应力测量结果,Meng Wen等认为川藏铁路沿线处于以水平构造应力作用为主导的高地应力环境[63],地壳浅表层应力状态以逆断型(最大水平主应力SH>最小水平主应力Sh>垂向应力Sv)为主,其次为走滑型(SH>Sv>Sh)。雅安至泸定段实测地应力最大达51.83 MPa(HF03孔,测深1 305 m),泸定至康定段的实测最大主应力达35.75 MPa(HF11孔,测深1 150 m),在雅安林芝段高尔寺隧道实测最大地应力达到42.74 MPa(HF14孔,测深1 036 m)[64],充分揭示了川藏铁路建设过程中面临的极高地应力和地应力区域差异较大的问题。本文根据川藏铁路沿线已测和已发表的水压致裂地应力实测结果,拟合了雅安—康定段、林芝—拉萨段最大水平主应力(SH)随深度(H)变化(公式(1)和(2)),公式(3)为杨树新等[65]提出的青藏地块内最大水平主应力随深度变化拟合关系(式中标注深度为统计数据范围)。

雅安—康定段:

SH= 0.071H+1.631(0H

(1)

林芝—拉萨段:

SH= 0.057H-1.022(0H

(2)

青藏地块:

SH= 0.029H+5.185(0H

(3)

由公式(1)和(2)可见,雅安—康定段、林芝—拉萨段及邻近区域最大水平主应力的应力梯度分别为7.1 MPa/hm和5.7 MPa/hm,高于青藏地块背景值2.9 MPa/hm。在康定KD-2测点171~173 m深度内钻孔取样,可以发现高地应力部位取出的岩心呈现出高度破碎的饼状特点,预示着在该区域进行隧道建设时极易出现破碎性围岩垮塌、岩爆和大变形等破坏现象。

4.1.2 铁路沿线最大主应力方向特征

川藏铁路沿线构造应力场方向主要受印度板块持续NE向挤压、块体之间相互作用以及块体内部构造活动的影响,同时局部构造、地形等因素也会对构造应力场方向产生影响。从图13中可以看出最大主应力作用方向复杂多变,呈现出高度的不规律性。在雅安—康定段穿越龙门山—松潘应力区和川滇应力区,其最大水平主应力方向以NWW—NW向为主[66]。但是在康定测点,最大水平主应力方向表现为NE向,这是由于受龙门山断裂带与鲜水河断裂带交汇影响,该区域构造特征复杂,从而产生了与背景应力场方向不一致的现象。在康定—林芝段区域构造应力场最大水平主应力方向由NW向NNE逐渐偏转,规划铁路线与最大水平主应力夹角主要分布在5°~45°之间。在林芝—拉萨段穿越墨脱—昌都应力区和喜马拉雅应力区,最大水平主应力方向以近NS—NNE向为主,整体上地应力方向分布较为一致。

4.1.3 折多山某隧道地应力实测结果

徐正宣等[66]利用水压致裂法对折多山某深埋隧道开展了地应力测量,测量结果表明隧道区域以水平构造应力为主,在测试深度范围内水平主应力随深度增加而增加,且应力增加梯度高于中国大陆背景值。在测量深度域196~642 m范围内,最大水平主应力值在9.32~35.68 MPa之间,最小水平主应力值在5.92~19.59 MPa之间(表2),并且发现在389.50~560.50 m深度范围内应力值出现了降低的趋势;其原因可能是该深度范围内裂隙节理较为发育,导致存在小型破碎带,造成应力水平降低。该区域随着深度的增加,应力值并未增加,属于应力释放区。应力结构整体表现为SH>Sh>Sv,属逆断型分布,以水平主应力作用占主导。应力释放区内主应力关系主要为SH>Sv>Sh,属走滑型分布。

表2 折多山某隧道水压致裂地应力测量结果[66]

4.2 深埋隧道围岩岩爆特征

岩爆是在高地应力条件下由于隧道开挖引起工作面卸荷而导致围岩发生崩落、弹射的一种地质灾害现象。深埋隧道多处于高地应力的环境中,在隧道施工期间,受应力重分布及开挖动荷载的影响,极易产生岩爆灾害。如已建设的川藏铁路林芝—拉萨段的桑珠岭隧道,全长16.5 km,隧道岩爆区长达9.5 km,埋深达1 347 m,隧道最大水平主应力值为12.74~32.98 MPa,最大垂直应力为35.8 MPa,施工中共发生16 000多次岩爆[67,68](图14(a)) ,严重影响铁路隧道建设安全。川藏铁路拉萨到林芝段巴玉隧道全长13.1 km,最高海拔3 500 m左右,最大埋深2 080 m,其中94%的区域为岩爆区,最大单次岩爆时间达20小时以上[12] (图14(b)),岩爆发生的强度大、频率高,被称为世界上的岩爆博物馆。

(a)桑珠岭隧道岩爆(据田四明等[68]);(b)巴玉隧道岩爆(据严健等[12])

川藏铁路雅安至林芝段全长约1 011.01 km,桥隧占比为96.4%,隧道最长超过40 km,最大埋深超过2 000 m。前述分析认为川藏铁路沿线处于高地应力环境,已测1 300 m深度范围的地应力值可达42.74~51.83 MPa,推测埋深2 000 m以上的隧道遇到的地应力值更高;而铁路有很大段隧道的围岩为燕山期花岗岩、早白垩世晚期片麻岩和奥长岩等硬质岩石,根据川藏铁路拉萨—林芝段桑珠岭隧道和巴玉隧道在建设过程中所面临的岩爆灾害程度,以及川西地区正在建设的雅安—康定高速公路跑马山隧道发生强烈岩爆等实例,通过工程地质类比法可知,新修建的雅安至林芝段同样面临着深埋超长隧道岩爆灾害问题。

4.3 深埋隧道围岩大变形特征

对于深埋隧道软质围岩,在高地应力条件下极易产生围岩大变形破坏现象,隧道围岩变形通常具有位移量大和位移速度快等特点,极大地影响隧道的安全运营。深埋隧道围岩所处的构造环境多会影响岩石的力学性质,当环境应力极高时,岩石相对应力环境成为工程软岩,在持续的高应力作用下,围岩体会产生蠕变变形,当累积到一定程度时就会引起围岩大变形破坏。如川藏铁路林芝—拉萨段藏噶隧道从2017年4月25日起,在DK169+025处出现变形[69],主要表现为初支砼开裂,拱部裂缝呈纵向展布,钢架扭曲变形,甚至出现接头直接断裂的情况;2017年9月6日在DK169+090处隧道围岩累计最大变形达1.5 m,初期支护钢架被剪断,严重影响了隧道施工安全(图15(a))。西藏林芝—拉萨高等级公路的米拉山隧道,全长5 720 m,平均海拔为4 700余米,在YK4480+550断面处,米拉山隧道开挖后围岩最大变形量达60~80 cm[70](图15(b)),给隧道施工进度、质量和安全带来了极大的影响,成为该段公路的控制性工程。

(a)藏噶隧道钢架被剪断(据方星桦等[69]);(b)米拉山隧道混凝土开裂(据吴树元[70])

川藏铁路新建雅安至林芝段最大埋深超过2 000 m,新建隧道多处于高-极高地应力环境中,隧道在穿越断裂破碎带、板岩和片岩等软质岩体时,在修建过程中要重点防范由于高地应力造成的围岩大变形破坏。

5 结论与讨论

5.1 活动断裂及其避让原则

川藏铁路沿线活动断裂极其发育,铁路直接穿越或近距离展布的全新世区域性活动断裂带主要有10条,这些断裂带活动方式复杂、活动性强,其中龙门山断裂带、鲜水河断裂带、理塘—德巫断裂带、巴塘断裂带和嘉黎—察隅断裂带等5条断裂带潜在地震危险性高。活动断裂对铁路规划建设具有重要影响:(1)断裂剧烈活动诱发强震,引起强震区地表破裂、工程构筑物损坏;(2)断裂蠕滑造成地表破裂和位移,错断路基与桥梁变形等;(3)断裂活动造成崩塌、滑坡和泥石流等地质灾害。

关于活动断裂的避让距离,国内外相关勘察设计规范、评价指南等均进行了相关规定和研究。如我国《岩土工程勘察规范》(GB50021—2001,2009年版)规定,对于强烈活动断裂,当设防烈度9度时宜避开断裂带约3 000 m,设防烈度8度时宜避开1 000~2 000 m并选择断裂下盘;对于中等活动的宜避开断裂带500~1 000 m并选择断裂下盘。《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)规定,烈度8和9度时甲类建筑要专门研究;乙类建筑在8和9度不宜小于200 m和400 m;丙类建筑在8和9度不宜小于100 m和200 m。《铁路工程抗震设计规范》(GB 50111—2006)指出,位于抗震设防烈度6度地区、场地类别为Ⅲ、Ⅳ类的重要桥梁,除进行抗震验算外,应按7度区采取防止落梁措施;其他桥梁、路基、挡土墙及隧道工程可不进行抗震设防。国际上,美国加利福尼亚州于1994年修订的《Alquist-Priolo Earthquake Fault Zoning Act》(简称AP地震断层区划法案)规定,活动断层管制区的外边界定在距离活动断层主要迹线约150 m处,或距离位置明确的次级活动断层60~90 m处。徐锡伟等认为活动断裂“避让带”宽度为30 m,其主编的《活动断层避让》(征求意见稿,2019)提出了活动断层避让距离基本值(D):一般建筑物避让全新世断层距离,15~49 m;避让晚更新世断层距离,8~42 m;特殊构筑物,A类避让5 000 m,B类避让3 000 m,C类避让400 m等[72]。张永双等[73,74]提出了不同类型活动断裂的影响带宽度和避让距离,并认为逆断型断裂上盘与下盘地表破裂影响带宽度的比值一般为2:1~3:1。

川藏铁路沿线穿越的活动断裂活动性强,断裂在蠕滑作用下累积的位移形变和应力效应对铁路工程危害严重,铁路工程建设应在查明活动断裂空间结构特征、活动性和致灾机理等基础上,精准判别活动断裂的潜在活动方式和风险区域,做好活动断裂的避让和抗灾防灾设计。

5.2 重大地质灾害及防灾减灾

川藏铁路沿线地质灾害主要集中发育在活动断裂带、深切峡谷、道路两侧,对铁路选线选址威胁较大的地质灾害主要有高位远程滑坡及其灾害链、深层蠕滑型滑坡和地震滑坡等。川藏铁路大部分区段以隧道形式穿越,但明线段的路基、隧道洞口和桥站场址等依然可能面临着地质灾害风险,尤其是高位远程灾害(链)的威胁。

链式地质灾害是崩塌、滑坡、碎屑流、泥石流等多灾种复合作用的结果,影响范围大,在重大工程规划建设前必须予以高度重视,铁路建设应充分采用基于InSAR、LiDAR等先进遥感技术开展潜在高位滑坡隐患识别和基于致灾模式的危险性评价,尽量绕避存在该类风险的地段,如果无法绕避时,要做好防治工程,科学设计桥站和路基高程,并预留可能发生重大灾害的运动路径和堆积空间。

5.3 深埋隧道重大工程地质问题

川藏铁路沿线区域构造应力场分析及地应力实测结果表明,拟建川藏铁路处于以水平构造应力场为主导的高地应力环境中,区域最大主应力方向以白玉—昌都为界,康定—昌都段最大主应力方向为NWW向,昌都—林芝段最大主应力方向以NEE向为主,在鲜水河断裂带—龙门山断裂带交汇区,以及喜马拉雅东构造结地段等局部地应力特征显著,方向变化差异较大。

拟建铁路穿越活动断裂带,受构造应力场、自重应力场叠加影响十分严重,铁路建设中面临高地应力环境及最大主应力方向的不确定性等问题,铁路隧道极易产生围岩岩爆和大变形破坏,将对铁路的施工和运营的安全性产生重大影响。从地应力的角度考虑,深埋隧道设计应考虑隧道轴向方向及断面形状的影响,隧道的轴向方向决定了其与最大水平主应力方向夹角,当σn≥Sv时,隧道轴向与最大水平主应力方向夹角越大,越不利于围岩稳定性;当σnSv时,隧道轴向与最大水平主应力方向夹角越小,越不利于围岩稳定性。理论和实践证明,隧洞断面几何形状为似椭圆状时,能够增强抗侧压能力,隧洞更易保持稳定[75]。因此,在隧道设计时要充分考虑与隧道轴向方向和断面形状,当隧道夹角及断面形状与地应力分布相互协调时,将有助于提升隧道围岩的稳定性。

因此对于深埋长隧道,应沿隧道轴线开展地应力专项测量工作,掌握地应力大小及分布特征,开展隧道围岩岩爆和大变形预测分析,对高地应力区域进行重点监测,加强支护工作,确保隧道的安全建设。施工过程中应根据具体情况选择采用适宜的隧道施工技术,并加强超前地质探测、超前预报和施工预案。

致谢

本项研究得到中国地质调查局水文地质环境地质部邢丽霞主任的指导,中国地质灾害防治技术指导中心首席科学家殷跃平研究员给予指导,硕士研究生闫怡秋、张怡颖、倪嘉伟、李彩虹、袁浩等参与完成本文的部分图件,在此一并感谢。

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