孫先鋒

(軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

中尼鐵路國內(nèi)段位于西藏自治區(qū)日喀則市，由日喀則經(jīng)吉隆口岸至尼泊爾首都加德滿都。線路由拉日鐵路日喀則車站引出，沿國道G318向西布線，經(jīng)拉孜后折向南，途經(jīng)薩迦、定結(jié)、定日后向南過吉隆縣至吉隆口岸，出境后在尼泊爾首都北側(cè)Tokha設(shè)加德滿都車站。項目研究范圍全長595.79 km。沿線所經(jīng)地貌單元大體上可劃分為雅魯藏布江河谷區(qū)、卻薩高山區(qū)、朋曲河谷區(qū)、馬拉高山區(qū)、喜馬拉雅極高山區(qū)、吉隆藏布高、中山峽谷區(qū)和加德滿都盆地7個地貌單元(圖1)；走行于喜馬拉雅板片、雅魯藏布江縫合帶2個一級構(gòu)造單元；跨越5條活動斷裂(圖2)[1]。

圖1 中尼鐵路地貌渲染圖

圖2 沿線活動斷裂及地震震級分布[2-3]

1 斷裂的活動性特征及其工程劃分

1.1 區(qū)域斷裂活動性地質(zhì)特征

1.1.1謝通門南北向活動斷裂(F1)

該斷裂帶是區(qū)內(nèi)新活動構(gòu)造的典型代表，集中分布在南木切—謝通門—扎西崗一線，呈近南北向帶狀展布。其南段為吉定—定結(jié)斷裂帶，位于雅魯藏布江以南至定結(jié)一帶，1998年7月20日謝通門北6.2級地震，其發(fā)震斷裂為謝通門南北向活動斷裂，震后地表破裂長度約10 km。線路在定結(jié)縣以北通過該斷裂帶南段，是北喜馬拉雅正斷裂與F1斷裂的交匯部位，活動性較強(qiáng)烈。地貌上，斷裂活動切割了Q3地層，地表構(gòu)造行跡為南北方向的凹陷盆地或線性地貌[5]，以及分布較為密集的溫泉(圖3)。

圖3 沿線溫泉分布[4]

1.1.2北喜馬拉雅正斷裂(F2)

近期具有一定的活動性，既是喜馬拉雅山脈與藏南高原的分界，也是西藏中部拉張區(qū)的南界。近東西向的北喜馬拉雅正斷裂與近南北向的斷裂、斷陷盆地交匯區(qū)常發(fā)生7級左右的地震[6]。沿斷裂附近記錄的最大地震為1806年和1871年發(fā)生的7.5級地震，地表未見破裂帶[2]。

1.1.3參達(dá)隱伏斷裂(F3)

隱伏于古錯盆地之下，由一系列近南北向的斷層組成，走向北北西，傾向南西西，傾角70°～80°，長達(dá)100 km。在夏雄巖體西側(cè)，有反映其活動的片麻理發(fā)育，斷層結(jié)構(gòu)面具有張扭性質(zhì)[6]。南段被F2錯斷，斷層交接處發(fā)育熱泉(圖3)。目前無該斷裂附近的地震記錄，但是中尼鐵路近平行通過兩斷裂相交的“閉鎖部位”，即兩組都具有一定活動性的斷裂交匯部位，我國的海城地震、和林格爾地震和松潘地震均發(fā)震于這種“閉鎖部位”[7]。推測該斷裂有一定的發(fā)震能力，進(jìn)行選線時，應(yīng)引起足夠重視。

1.1.4打加錯—佩枯錯南北向斷裂(F4)

打加錯—佩枯錯南北向斷裂由多條正斷層構(gòu)成，跨越喜馬拉雅和崗底斯地塊，其最大主應(yīng)力軸為南北向不變的情況下，最小主應(yīng)力軸由垂直轉(zhuǎn)變?yōu)榻鼥|西，導(dǎo)致物質(zhì)移動方式轉(zhuǎn)變?yōu)闁|西拉長為主，垂直增厚為輔，第四紀(jì)以來的升降運動，在距今1.3Ma形成佩估錯盆地的湖相沉積展布[8]。采用資源3號衛(wèi)星6 m多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行遙感判釋，可觀察到十分發(fā)育的線狀斷層三角面(圖4)。

圖4 遙感判釋F4斷層三角面

1.1.5 喜馬拉雅主逆沖斷層(MHT)

喜馬拉雅主逆沖斷層(MHT)是由主中央逆沖斷裂帶(MCT)、主邊界逆沖斷裂帶(MBT)和主前緣逆沖斷裂帶(MFT)組成的北傾大型逆沖推覆構(gòu)造體系[9]。其中MCT主要活動時間為距今21～3 Ma或23～14 Ma期間，MCT主要活動在晚中新世至上新世之間[10]，MFT是喜馬拉雅造山帶中目前仍正在活動的斷裂帶，為2015年尼泊爾8.1級地震的發(fā)震斷裂和主控震構(gòu)造。歷史上沿這一條活動沖斷帶在中國、印度、尼泊爾和克什米爾等地先后發(fā)生過6次8級地震和更多的7級地震，且本項目的研究范圍在其誘發(fā)前震范圍內(nèi)[11]。斷裂全新世滑動速率達(dá)15～18 mm/a[12]；GPS資料說明主邊界和山前沖斷帶的滑動速率為10～13 mm/a[13]，是本項目國外段活躍性最強(qiáng)的斷裂。震后GPS觀測，2015年尼泊爾地震造成吉隆縣、聶拉木縣向南水平移動60 cm左右，聶拉木縣垂直下降約10 cm[14]，造成巨大破壞；據(jù)InSAR監(jiān)測結(jié)果，加德滿都附近最大的地表變形值總量接近0.7 m(圖5)。

圖5 尼泊爾地震InSAR地表形變[15]

1.2 區(qū)域內(nèi)活動斷裂工程劃分

1.2.1 活動斷裂的地震工程分類

為了適應(yīng)地震區(qū)重大工程建設(shè)的需要，根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)(2009年版)5.8.2，可將活動斷裂進(jìn)行地震工程分類[16]，沿線3條斷裂為發(fā)震斷裂，2條為非全新活動斷裂(表1)。

1.2.2 活動斷裂分級

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)(2009年版)5.8.3，依據(jù)全新活動斷裂的活動時間、活動速率及地震強(qiáng)度等因素，對沿線3條發(fā)震斷裂進(jìn)行分級[16]，均為Ⅰ級強(qiáng)烈全新活動斷裂(表1)。

表1 沿線活動斷裂活動特征

2 活動斷裂對鐵路工程的影響

活動斷裂對鐵路工程的影響一般包括蠕變和錯動效應(yīng)、誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害、誘發(fā)強(qiáng)烈地震。因為該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境極其復(fù)雜，斷裂附近還存在斷裂溫泉熱害問題。該工程地質(zhì)問題在青藏高原地區(qū)普遍存在，且其分布特征與活動構(gòu)造展布方向有密切聯(lián)系。以下就活動斷裂導(dǎo)致的4種工程地質(zhì)問題對鐵路工程的影響進(jìn)行論述。

2.1 活動斷裂的蠕變和錯段

中尼鐵路所在的喜馬拉雅活動構(gòu)造帶，是歐亞板塊與印度板塊碰撞后形成的，現(xiàn)代構(gòu)造活動極為活躍。一般的蠕動變形不會對鐵路工程造成危害，但是長期的累積變形量往往較大，可能破壞鐵路工程的穩(wěn)定。另一種是錯段效應(yīng)，即活動斷裂強(qiáng)烈活動后產(chǎn)生的地表錯段，據(jù)1998年7月20日謝通門北6.2級地震后GPS觀測數(shù)據(jù)(表1)，最大垂直錯段可達(dá)4 m[2]，這是任何鐵路工程無法承受的，產(chǎn)生的破壞將是災(zāi)難性的。

2.2 活動斷裂誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害

活動斷裂誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害，破壞程度更大、范圍往往更廣?；顒訑嗔颜T發(fā)地質(zhì)災(zāi)害主要是為地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生、發(fā)展創(chuàng)造更為有利的物理、力學(xué)條件，特別是地震活躍期，更是加速這種過程的發(fā)展，主要有以下2個方面。

一是，活動斷裂發(fā)育地帶，往往由于地殼相對運動產(chǎn)生較大的地形高差，為斜坡變形失穩(wěn)創(chuàng)造了有利的空間條件；二是，活動斷裂帶附近，巖土體相對松散破碎，不僅為地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生和發(fā)展提供了豐富的物源條件，還為地表水、地下水富集和運移提供了良好的通道。

例如，我國的云南東川鐵路，沿具有活動性的小江斷裂帶發(fā)育大量泥石流，巖體松散破碎，河谷深切，斜坡體失穩(wěn)嚴(yán)重，加上極其豐富的松散固體物質(zhì)，在多次地震作用下，泥石流長期處于旺盛期，呈現(xiàn)旺盛期多次反復(fù)的特點，使東川鐵路近乎廢棄[7]。

2.3 活動斷裂誘發(fā)強(qiáng)烈地震

據(jù)統(tǒng)計，我國歷來超過7級的地震，80%位于活動斷裂上[17]，超過8級地震100%位于活動斷裂上，例如沿線通過的3條活動斷裂，均發(fā)生過一定規(guī)模的地震(圖2)?；顒訑嗔逊植紖^(qū)誘發(fā)地震的破壞范圍空間分布與斷層展布方向一致，并向兩側(cè)擴(kuò)散，沿線的活動斷裂，放大了地震對線路的破壞范圍，地震效應(yīng)極為顯著。

2.4 活動斷裂的溫泉熱害

擬建中尼鐵路走形于雅魯藏布江地?zé)峄顒訋Ш脱鹏敳夭冀鹊氐責(zé)峄顒訋18]，水熱活動強(qiáng)烈。其中對鐵路影響較大的溫泉點有9個溫泉[4]：ZLZ04孜龍低溫溫泉(20.2 ℃)、ZLZ06擦貢溫泉、ZTR07茶曲溫泉(77.5 ℃)、ZTR03崗嘎微溫泉、ZTR01擦隆溫泉(45 ℃)、ZNLM01孔錯溫泉、ZNLM02門卡墩溫泉、ZGY01仲馬低溫溫泉(33 ℃)、ZGY04江村溫泉(60 ℃)，主要分布在活動斷裂附近(圖3)。最高溫度達(dá)77.5 ℃的茶曲溫泉分布在謝通門南北向斷裂和北喜馬拉雅正斷裂的交匯部位，正斷裂的張性結(jié)構(gòu)和兩條斷裂相互切割產(chǎn)生的破碎帶為地下熱水的流通循環(huán)提供了大量的通道，且兩條斷裂均為發(fā)震斷裂，活動性強(qiáng)烈，擴(kuò)大了原有的通道，增加了流動循環(huán)的速度，形成高溫溫泉。國內(nèi)對溫度高于72 ℃的隧道洞內(nèi)施工尚無成熟的技術(shù)處理措施，對中尼鐵路隧道工程影響極大。

3 活動斷裂分布區(qū)選線原則

3.1 總體原則

中尼鐵路將不可避免地通過3條全新活動斷裂及其與2條非全新活動斷裂的交匯部位，為降低活動斷裂帶來的不利影響，應(yīng)遵循以下地質(zhì)選線總體原則。

(1)鐵路選線時，應(yīng)盡量繞避活斷層[20]，必須通過時，也應(yīng)修建一般低路基，不宜修建高墩大跨等特殊結(jié)構(gòu)橋梁、高填深挖路基工程；因此鐵路選線是線位服從橋位，橋位服從地質(zhì)的選線原則。

(2)對于不能完全避開亦不能避讓的、只能采取穿越方式的重大工程，應(yīng)采取控制和適應(yīng)變形的綜合措施，防范工程錯斷。

(3)鐵路選線宜在不良地質(zhì)發(fā)育區(qū)快速通過，再在河谷邊坡相對穩(wěn)定、不良地質(zhì)工程可控的部位展線；因此鐵路選線是線位服從隧道洞口位置，隧道洞口位置服從地質(zhì)的選線原則。

(4)車站的設(shè)置是鐵路線位的關(guān)鍵節(jié)點，具有條形、帶狀展布且較鐵路線位寬等特點，而擬建中尼鐵路多穿越高山峽谷區(qū)，多為陡峻斜坡地帶，挖填方高度能最終影響站位是否成立。因此，車站應(yīng)選擇在邊坡穩(wěn)定性較好，不良地質(zhì)工程可控的地段；此外鐵路的修建必須服從地方城市的整體規(guī)劃及地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，從這個角度來說，鐵路線位必須是線位服從車站，車站服從地質(zhì)的選線原則。

3.2 地質(zhì)選線原則

中尼鐵路的活動斷裂分布區(qū)地質(zhì)選線應(yīng)在遵循總體原則的基礎(chǔ)上，結(jié)合通過斷裂的部位等情況綜合考慮以下原則。

(1)對于穿越謝通門南北向活動斷裂、北喜馬拉雅正斷裂和喜馬拉雅主逆沖斷層3條全新世活動斷裂的隧道工程，應(yīng)加強(qiáng)軟弱巖體探測和地應(yīng)力測量，優(yōu)化設(shè)計隧道斷面形狀和尺寸，施工過程中實時監(jiān)測圍巖變形和應(yīng)力變化，采取適應(yīng)變形與圍巖加固相結(jié)合的措施。

(2)越嶺地段的線路，應(yīng)避免順活斷層及其影響帶展線，以最短的距離大角度通過為宜。在設(shè)計時應(yīng)加強(qiáng)抗震設(shè)防的措施，規(guī)模較大的斷裂構(gòu)造本階段暫按活動斷層考慮，在線路縱坡、隧道寬度和凈空留有余地。

(3)線路應(yīng)盡量避免通過謝通門南北向活動斷裂、參達(dá)隱伏斷裂和打加錯—佩枯錯南北向斷裂與北喜馬拉雅正斷裂交匯區(qū)。

(4)線路在佩枯錯至加德滿都段穿越吉隆藏布高、中山峽谷區(qū)，地形切割極其強(qiáng)烈，深“V”形溝谷兩側(cè)邊坡穩(wěn)定性極差，應(yīng)繞避地震誘發(fā)滑坡、崩塌、巖堆嚴(yán)重發(fā)育的地段，盡量行走于峽谷東岸，應(yīng)避免出現(xiàn)陡坡掛線、高邊坡、深挖方工程，盡量內(nèi)移設(shè)置隧道或外移設(shè)置橋梁工程，同時隧道進(jìn)、出口應(yīng)選擇在上方坡面危巖體較少或容易處理的地段。

(5)沿線溫泉熱害對隧道工程影響極大，尤其是ZTR07茶曲溫泉(77.5 ℃)，線路應(yīng)繞避地?zé)岚l(fā)育地段，盡量走行于構(gòu)造簡單、強(qiáng)度弱的邊緣地帶，并拔高線路高程，設(shè)置路基、橋梁工程以大角度的最短距離通過。實在不可避免須設(shè)置隧道工程，也應(yīng)外移線路，增加橫洞，長隧短打，利用高原特有氣候，降低洞內(nèi)施工溫度。

4 結(jié)論

(1)中尼鐵路穿越謝通門南北向活動斷裂、北喜馬拉雅正斷裂、參達(dá)隱伏斷裂、打加錯—佩枯錯南北向斷裂和喜馬拉雅主逆沖斷層5條活動斷裂及其分支斷裂，其中謝通門南北向活動斷裂、北喜馬拉雅正斷裂和喜馬拉雅主逆沖斷層為Ⅰ級發(fā)震斷裂，其余為非全新活動斷裂。3條發(fā)震斷裂均發(fā)生過大地震，2條非全新活動斷裂亦存在發(fā)震潛力或分布溫泉熱害等，對鐵路工程影響極大，應(yīng)進(jìn)行合理的地質(zhì)選線工作，降低風(fēng)險。

(2)活動斷裂對鐵路工程的影響主要有蠕變和錯段、誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害、誘發(fā)強(qiáng)烈地震以及溫泉熱害，這些影響將導(dǎo)致工程方案不可行或施工、運營維護(hù)成本、難度陡增。

(3)結(jié)合中尼鐵路沿線地形地貌、工程設(shè)置特點等，在充分考慮活動斷裂活動特征及其導(dǎo)致的主要工程地質(zhì)問題的基礎(chǔ)上，總結(jié)了中尼鐵路活動斷裂分布區(qū)的總體選線原則和地質(zhì)選線原則。