某铁路怒江至伯舒拉岭段主要工程地质问题及地质选线

霍 欣

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 工程概况

某铁路怒江至伯舒拉岭段是昌都至林芝段的一部分，位于西藏昌都地区的八宿县、洛隆县，线路整体呈东西走向，东起同卡镇吉巴村怒江右岸，西至昌都县与波密县交界处，长度约72.5 km。本段属喜马拉雅造山带[1]，地壳抬升剧烈，岩体受推挤变形强烈，造就了高地应力、高地温的地质环境。由于地质构造复杂，地形陡峻，岩性多变，沿线不良地质作用强烈，崩塌、危岩落石、岩堆等不良地质随处可见；受古地理环境的影响，飞来峰等大型推覆构造亦有分布，这都给该区域的铁路选线带来很大困难。

2 地质特征

2.1 地形地貌特征

本段位于藏东南横断山高山峡谷区(图1)，总体地势北高南低，西高东低。线路走行于横断山系腹地西部，山岭海拔3 000～5 500 m，地形高差1 500～2 000 m，河谷狭长幽深，两侧山峰高耸，形成了特殊的封闭性高山峡谷地貌，在极端气候条件和复杂地质构造影响下，危岩落石、崩塌随处可见，泥石流、滑坡、岩屑坡等地质灾害十分发育。

图1 怒江峡谷区地形地貌

2.2 地层岩性

本段三大岩性均有分布，其中，沉积岩主要为古近系、白垩系的泥岩、砂岩、砾岩及二叠系至石炭系的砂岩，局部分布侏罗系的砂岩、晚古生代的灰岩；侵入岩以燕山期和喜马拉雅期花岗岩、闪长岩为主；沉积岩和早期的岩浆岩在后期岩浆作用和动力变质作用下，常形成变质岩，本段常见的变质岩为变质砂岩、片岩、大理岩、片麻岩等。

2.3 地质构造

本段位于二级构造单元班公湖—怒江结合带及拉达克—冈底斯—察隅弧盆系交汇处，线路大段落走行于三级构造单元伯舒拉岭岩浆弧构造内，沿线构造发育，主要以北西-南东向挤压性断裂构造为主，规模较大，一般在几十千米，个别区域性断裂延伸长度可达上百千米，断带宽度从几十米至上百米不等；次级断裂主要分布在两个二级构造单元结合处，多与主断裂呈“人”字形相交，发育密集。

2.4 气象水文

本段为高原亚温带亚湿润气候，年平均气温为1.5～13.6 ℃，夏季温和湿润，冬季寒冷干燥，年温差小，日温差大，整体而言以寒冷为主。区内年平均降水量在300～500 mm，降雨集中，季节分布不均，多集中在5～9月份，占全年降雨量的77.9%～95.8%。区内年平均蒸发量1 600～2 100 mm，蒸发量远大于降水量。该区域怒江、德曲等河谷深切，峡谷高差大，气候垂直变化大于水平变化。

3 主要工程地质问题

本段具有高海拔、大高差、地壳隆起抬升、构造运动强烈、河流剥蚀急速下切的特殊地质背景，在内外动力地质作用下，本段主要存在高压构造突涌水、越岭段深埋长大隧道高地应力、高地温及隧道进出口处高位危岩落石等工程地质问题，铁路选线面临复杂、严峻的安全形势。

3.1 高压构造突涌水问题

本段构造发育，存在断裂及大型推覆构造。该段共发育有19条区域型大断裂，23条支断裂，其中，在班公湖—怒江缝合带的西边界发育有边坝—洛隆活动断裂，该断裂为全新世左旋活动性区域断裂，延伸长500余 km，断层产状N37°W∠70°N，在本段与康玉隧道呈大角度相交。此外，在活动断裂东侧发育有大型逆冲推覆构造(飞来峰)，该构造形成于早期的中侏罗世，覆盖于侏罗系中统地层之上，岩性主要为上古生界瞎绒曲组(Pz2x)的灰岩、大理岩。断裂及推覆构造分布于隧道工程处，对深埋隧道的影响主要体现在高压构造突涌水问题。

一方面，断裂[2-3]尤其是区域性活动断裂处的岩体，以及受推覆构造[4-6]影响、改造的岩体，一般完整性差，节理裂隙发育，富含大量基岩裂隙水，受完整基岩的隔水作用，水体常具有承压性，在深埋(埋深一般>1 200 m)隧道开挖时，极易碰到高压突涌水。

另一方面，组成推覆构造的灰岩和大理岩等可溶岩，在水流侵蚀作用下形成岩溶，伴随多次构造运动的抬升-夷平过程，岩溶被封闭或半封闭于基岩中，隧道施工将引起岩溶水的突涌问题。本段岩溶的发育受地壳升降及自然气候效应控制，岩溶的发育程度与夷平面的形成规模呈正相关，岩溶的发育特征如下。

(1)隧址区在4 500～4 800 m和3 400～3 600 m高程段为地势相对平缓的宽谷区。其中，4 500～4 800 m高程段是区内各级切沟水流发源地，沟内坡降较小，是区内主夷平面重要组成部分，该高程段岩溶发育强；3 400～3 600 m高程段是区内河流剥蚀面的重要组成部分，该高程段地貌平缓，为水平岩溶作用提供了有利的环境条件，该高程段岩溶发育较强。

(2)高程3 600～4 500 m段位于主夷平面以下，往往是坡度为30°～40°的斜坡段。由于此时高原已经抬升，岩溶发育所需的自然气候条件已经弱化，因此该期岩溶作用发育相对较弱。

(3)在3 400 m以下高程段，地形多为狭窄的“V”形峡谷，表明该阶段地壳处于强烈的抬升运动中，区内以干燥寒冷的气候条件为主，岩溶的下蚀作用远远跟不上河流的下切作用，岩溶发育程度较弱。

因此，岩溶发育程度在垂向上具有明显的分带性，即4 500～4 800 m高程段岩溶发育强，3 400～3 600 m高程段岩溶发育较强，3 600～4 500 m及3 400 m高程以下岩溶发育较弱。

3.2 越岭段深埋长大隧道高地应力问题

通过资料收集和现场地应力实测，结合数值计算和模拟分析，本区最大主应力方向为N19.2°E-N82°W，在越岭隧道埋深66.5～712.45 m的实测地应力范围内，最大水平主应力(SH)为3.63～30.1 MPa，对应的最小水平主应力(Sh)为3.05～20.23 MPa，用岩石容重估算的垂直主应力(Sv)为1.79～19.88 MPa。场区三向主应力值的关系为：SH>Sh>Sv，主要以水平应力为主，在全线最大2 100 m的埋深处，最大主应力可达80 MPa，高地应力环境下，硬质岩将发生岩爆[7-9]，软质岩将发生大变形[10]。

3.3 高地温问题

线路所经的藏东南地区是地中海-南亚地热异常带的重要组成部分，根据收集的资料并结合地质调绘，怒江至伯舒拉岭段发现有温泉共64处，多集中在怒江断裂带内，温度最高的为江云温泉，温度高达60 ℃。

根据深钻孔测温数据，怒江至伯舒拉岭段正常地温梯度为2.7～3 ℃/100 m，考虑地温梯度、地表温度、地形、地下水的影响，在埋深800～1 000 m及以上的隧道，可能存在热害的风险，一般为28～37 ℃，最高可达50 ℃，高地温一方面恶化隧道施工及运营环境，同时影响隧道衬砌材料选择及施工方法[11-12]。

3.4 隧道进出口高位危岩落石问题

受构造、风化、冻融等作用的影响，裸露的基岩表面节理裂隙发育，岩体被块状切割，完整性差，陡坡上方普遍发育危岩落石。特别是在怒江、德曲、娃拉拥等冲沟的两侧，由于河流深切，岸坡陡峻，地形落差巨大，高位危岩落石及高位崩塌规模较大。经过地质选线，贯通及对比方案已经避绕了对工程影响较大的高位危岩落石，但在怒江两侧的果拉山隧道出口、夏里隧道进口及德曲右岸的察达隧道出口处仍面临高位危岩落石的威胁，其中夏里隧道进口上方140 m处分布面积8.2×104m2的高位危岩落石，对工程安全影响大。

4 地质选线原则

鉴于怒江至伯舒拉岭段地质条件复杂，控制线路的工程地质问题众多，为指导铁路线位的选择，便于方案比选过程中开展针对性的工作，在现场调查并结合钻探、物探成果的基础上，制订了本段线路的选线原则。

(1)线路应尽量绕避断裂[13-14]，尽可能少地穿越断层破碎带，无法绕避时，应选择在完整性相对较好的地段或硬质岩区通过[15]。线路应绕避大型推覆构造，在垂向上远离推覆构造与原始基岩的接触带。线路通过岩溶发育区时应选择合理的高程，避开高程4 500～4 800 m岩溶强发育段[16-17]，同时避免隧道反坡施工，平行导坑设置在地下渗流方向的上游一侧。

(2)在高地应力区，应通过展线拔高线位或通过傍河隧道降低隧道埋深，线路走向应与区域最大主应力方向平行或呈小角度，以减小隧道洞室开挖后的切向应力；同时隧道应优先考虑走行于硬质岩地区；在软质岩地区应选择在构造不发育或发育较弱、地下水不发育的地段通过；越岭隧道不宜行走于驼峰应力增高区域，尽量走在应力降低区或原岩应力区。

(3)线路应绕避可能大范围出现严重热害的高地温地区，无法避开地热异常带时应垂直或以大角度通过地热异常带[18-19]；隧道通过高地温地区时，宜减少隧道埋深，尽量设置傍河隧道以优化辅助坑道条件。

(4)隧道进出口尽量避开高位危岩落石发育区[20]，无法绕避时，应抬高线位高程或选择在危岩落石易整治且整治范围较小处通过。

5 线路方案比选

5.1 怒江桥位比选

怒江特大桥为设计跨度大于1 000 m的悬索桥，是本段线路的控制性工程。根据沿线地形地质条件，结合影响线路的主要因素研究了吉村桥位和拥巴桥位两大线路走向方案(图2)。两大走向方案的区别在于跨越怒江的位置不同，拥巴桥位(IICK)方案在拥巴乡东侧约3 km处跨怒江；吉村桥位方案在怒江既有公路桥上下游5 km范围内跨越怒江，该方案细化研究了C16K、CK、C1K、C2K、C3K共5处桥位方案。

图2 怒江桥位方案对比示意

两大方案同属于怒江高山峡谷地貌，构造上都处于班公湖-怒江结合带，桥址处都面临断裂构造、危岩落石、泥石流等不良地质的影响，各方案地质条件对比分析情况详见表1。

表1 各方案工程地质条件评价

通过对各桥址处地质条件分析评价，拥巴桥位(IICK)方案地层以片岩、板岩等软质岩为主，并发育有区域性大断裂，两岸岩体破碎，节理裂隙、揉皱较发育，坡面整体稳定性差，滑坡、岩堆、泥石流、危岩落石等不良地质集中、连续分布，两端引线隧道工程软岩大变形问题突出，该方案最差。吉村桥位方案地层以花岗岩、闪长岩等硬质岩为主，不良地质主要为危岩落石，工程地质条件相对较好，其中CK方案桥位受断裂影响小，岩体较为完整，桥台上方危岩落石发育程度一般，两端引线工程条件较好，该方案最优。

5.2 康玉隧道方案比选

本段为越岭地段，线路位于怒江支流德曲南侧山体中，距离德曲河谷3～7 km，主要比选CK傍河隧道方案、C13K半取直方案及C14K取直方案(图3)。CK方案傍德曲河谷展线，降低隧道埋深，并绕避了飞来峰，该方案隧道长20.25 km；C13K方案线路走向与CK方案相似，为减小线路长度，该方案下穿飞来峰北侧边角，隧道长19.90 km；C14K方案近似直线，从飞来峰中部大段落穿越，该方案隧道长度最短，为19.20 km。

图3 康玉隧道方案对比

三方案同属高山峡谷地貌，所经地层岩性、穿越的构造基本相当，隧道进出口位置相同，影响方案的地质因素主要为断裂构造、高地应力、高地温和岩溶。三方案地质条件对比分析情况见表2。

通过对各方案受断裂构造、地应力、地温、岩溶等方面的影响评价(表2)，CK方案通过靠向德曲河谷一侧展线，减小了隧道埋深，降低了热害风险，同时减少了岩爆段落的长度和等级；另外，该方案辅助坑道施工条件较好，有利于处理岩溶水问题，施工风险相对较小，综合比较，该方案最优。C14K方案隧道长度最短，但受构造、地应力引起的岩爆和软岩大变形的段落长度及强度最严重，受高地温、岩溶突涌水的风险最大，因此该方案最差。

表2 各方案工程地质条件评价

5.3 夏里至察达沟谷方案对比

该段为越岭段，线路拟沿德曲南北两侧展线，主要比选了德曲南岸CK方案、德曲北岸C7K方案，方案走向详见夏里至洛隆方案走向图(图4)。两方案主要区别在于CK方案在希塘附近继续沿德曲向西展线，向西跨越康玉曲，穿越察达隧道至察达沟谷；C7K方案在希塘附近转向北，跨越德曲后沿德曲北侧进察达隧道至察达沟谷。

两方案同属怒江高山峡谷区向伯舒拉岭高山区过渡区域，比选段落内主要工程为康玉隧道和察达隧道，两方案地质构造发育程度及其影响基本相同，控制方案的地质因素主要为地层岩性、地应力(岩爆与软岩大变形)及明线段的不良地质，两方案地质条件对比分析见表3。

表3 夏里至察达沟谷段地质条件对比分析

通过对比分析，在康玉隧道段，CK、C7K两方案地层岩性相同，明线段不良地质主要为岩屑坡、岩堆，对工程影响不大，两方案整体上工程地质条件相当。在察达隧道，CK、C7K方案隧道主要区别在于洞身条件，CK隧道洞身地层主要为燕山期二长花岗岩、花岗闪长岩等硬质岩，工程地质问题主要为轻微-中等岩爆，围岩条件相对较好；C7K隧道洞身地层主要为白垩系多尼组砂岩、板岩、页岩，其中页岩、板岩岩体破碎、层间结合差、局部含煤层，岩质软，工程地质问题主要以软岩大变形为主，围岩条件相对较差。另外，从不良地质角度分析，C7K察达隧道进口受泥石流影响较为严重。因此，从地质条件分析，CK方案优于C7K方案。

6 结论

新建某铁路怒江至伯舒拉岭段位于班公湖—怒江结合带及拉达克—冈底斯—察隅弧盆系交汇处，构造发育，地形陡峻，岩体破碎，不良地质作用密集分布。沿线地质条件是铁路选线的控制性因素。通过对本段工程地质条件的分析，得出以下结论。

(1)影响本段铁路选线的工程地质问题，主要为高压构造突涌水、越岭段深埋长大隧道高地应力、高地温及隧道进出口高位危岩落石等。

(2)在现场调查及钻探、物探成果分析的基础上，提出了怒江至伯舒拉岭段铁路选线的原则，其中为减小高压构造突涌水、越岭段深埋长大隧道高地应力及高地温的影响，傍河隧道方案优势明显。

(3)通过对本段3处重点方案具体工程地质条件的比选，依据选线原则，怒江桥位处，CK方案的吉村桥位受重力型不良地质影响较小；在康玉隧道处，CK傍河隧道方案受高压构造突涌水、越岭段深埋长大隧道高地应力、高地温影响较小；在夏里至察达沟谷段，CK德曲南岸方案岩性为硬质岩，且埋深较小，方案较优。