宋 章 魏永幸 王 朋 張廣澤 蔣良文

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

受印度板塊向歐亞板塊俯沖及青藏高原向南東強烈擠壓的耦合作用，我國西部復(fù)雜艱險山區(qū)地勢跌宕起伏、高差大，構(gòu)造活動強烈、地震頻繁，斷裂褶曲發(fā)育、巖體破碎，內(nèi)外動力地質(zhì)作用復(fù)雜、災(zāi)害頻發(fā)[1-3]。山區(qū)重大重力不良地質(zhì)[4]，如崩滑泥石流、巖溶涌突水泥、深大活動斷裂、高地應(yīng)力、地震及其引發(fā)的次生災(zāi)害等給鐵路工程地質(zhì)選線、橋位及站場選址、工程建設(shè)、運營維護(hù)等帶來了巨大挑戰(zhàn)。隨著西部鐵路建設(shè)的加速，如何從早期的“地形選線”、“地質(zhì)選線”向快速實現(xiàn)災(zāi)害早期判識和加強災(zāi)害風(fēng)險規(guī)避與防控的“減災(zāi)選線”、“智慧選線”邁進(jìn)[5]，關(guān)注全壽命周期的工程與運營安全變得極為重要。本文在分析復(fù)雜艱險山區(qū)災(zāi)害分布及特征的基礎(chǔ)上，闡述地質(zhì)災(zāi)害對鐵路減災(zāi)選線的影響，進(jìn)而研究工程地質(zhì)選線原則，以期為工程建設(shè)服務(wù)。

1 復(fù)雜艱險山區(qū)重大地質(zhì)災(zāi)害特征

復(fù)雜艱險山區(qū)往往具有大高差的地貌特征，為重力不良地質(zhì)災(zāi)害的產(chǎn)生和發(fā)展提供了巨大的勢能條件；地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷裂褶曲發(fā)育，地震頻發(fā)，內(nèi)外動力地質(zhì)作用強烈，為重力不良地質(zhì)的產(chǎn)生和發(fā)展提供了動能條件，且進(jìn)一步強化了構(gòu)造應(yīng)力場，為高溫?zé)岷?、有害氣體的存儲和運移提供了良好的通道條件；加之干濕交替頻繁變化的氣候條件，進(jìn)一步加劇了重力不良地質(zhì)的發(fā)生發(fā)展。

1.1 重力地質(zhì)作用下的崩塌、滑坡、泥石流災(zāi)害

首先，西部復(fù)雜艱險山區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，新構(gòu)造運動強烈，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，為斜坡重力不良地質(zhì)如崩塌、滑坡、泥石流等的產(chǎn)生提供了良好的物源基礎(chǔ)；其次，區(qū)內(nèi)地形陡峻，地勢高差大，為重力不良地質(zhì)如崩塌、滑坡、泥石流等的發(fā)生和發(fā)展提供了巨大的勢能條件； 再者降雨、地震及人類活動等內(nèi)外動力因素的影響，加劇了重力不良地質(zhì)的產(chǎn)生，加速了其發(fā)生和發(fā)展的過程。

西南山區(qū)重力不良地質(zhì)數(shù)量多、規(guī)模大、分布廣泛且難于防治，尤其是川藏、滇藏等高海拔、大高差地區(qū)，其高位遠(yuǎn)程崩塌、滑坡、泥石流等重力不良地質(zhì)，隱蔽性強，危害巨大，已成為西南山區(qū)鐵路選線的重點和難點。

1.2 巖溶山區(qū)隧道施工突水、突泥、地表失水災(zāi)害

據(jù)統(tǒng)計，我國巖溶總面積約363萬km2，占國土面積的1/3以上，主要分布于我國西南山區(qū)，西南地區(qū)云、貴、川、桂、渝及中南地區(qū)湘、鄂、粵等地的裸露型巖溶面積約75.64萬km2 [6]。其境內(nèi)氣候濕潤，雨水充沛，巖溶極為發(fā)育，且類型之多，堪稱世界之最，主要有巖溶盆地、巖溶洼地、巖溶槽谷、巖溶丘陵、峰林、峰叢、盲谷、漏斗、落水洞、巖溶(準(zhǔn))平原、巖溶高原、溶溝、石芽等。巖溶地質(zhì)問題已成為西南鐵路建設(shè)中最突出的工程地質(zhì)問題之一。

與淺埋隧道相比，深埋長大隧道因其復(fù)雜的水文地質(zhì)單元、充足的水源補給量、高水頭壓力等特征，潛在的風(fēng)險因素較多，更易發(fā)生涌水、突泥等風(fēng)險事故。我國西南地區(qū)隧道巖溶段曾多次發(fā)生涌水、突泥，如川黔鐵路涼風(fēng)埡、婁山關(guān)隧道，貴昆鐵路梅花山、梅子關(guān)、裸納隧道，成昆鐵路沙馬拉達(dá)隧道，襄渝鐵路中梁山、大巴山隧道，盤西鐵路勝境關(guān)隧道，南昆線新橋、砂鍋寨2號隧道，株六復(fù)線大竹林、花苗隧道，水柏鐵路何家寨、紅梁子、新寨2號隧道，遂渝鐵路荊竹嶺、桐子林隧道，渝懷鐵路圓梁山、武隆、彭水隧道等，施工中都曾發(fā)生過較大規(guī)模的涌水、突泥，造成了重大損失。隧道施工發(fā)生巖溶涌水、突泥時，常伴隨地表水或地下水漏失，如襄渝鐵路中梁山隧道，施工期間多次發(fā)生涌水、突泥并伴隨地表及地下水漏失，部分井泉干枯，導(dǎo)致當(dāng)?shù)剞r(nóng)田灌溉、居民用水困難，且誘發(fā)多處地面塌陷。

1.3 高烈度地震山區(qū)工程震害及地震引發(fā)的次生地質(zhì)災(zāi)害

我國是一個地震多發(fā)的國家，歷史上曾多次發(fā)生較大地震，尤其在西南山區(qū)，新中國成立以來，7.0級及以上的地震事件主要有1950年“8.15西藏墨脫8.6級地震”、1988年“11.6云南瀾滄7.6級”、“耿馬7.2級地震”、2001年“11.14昆侖山8.1級地震”、2008年“5.12四川汶川8.0級地震”、2010年“4.14青海玉樹7.1級地震”、2013年“4.20蘆山7.0級地震”及2017年“8.8九寨溝7.0級地震”等，均造成了極為慘重的損失。地震震害主要體現(xiàn)在兩方面，一是對工程的震害，如損毀房屋建筑、橋梁、隧道、路基等；二是地震誘發(fā)的系列次生地質(zhì)災(zāi)害，如崩塌、滑坡、泥石流等山地災(zāi)害。據(jù)研究[7-9]，山區(qū)地震次生地質(zhì)災(zāi)害具有沿主發(fā)震斷裂帶和河流、溝谷成帶狀分布的特點，其規(guī)模大、數(shù)量多、密度高、類型復(fù)雜、損失慘重，是改變山河地貌的主控因素。

1.4 高山峽谷區(qū)溝谷型災(zāi)害鏈

在強震、降雨等因素的影響下，高山峽谷區(qū)溝谷型災(zāi)害，尤其是高海拔、大高差溝谷型高位滑坡-堵江-潰決、高位崩塌-泥石流-堵江-潰決等災(zāi)害時有發(fā)生，造成重大人員傷亡、構(gòu)筑物破壞及巨大的財產(chǎn)損失。歷史上較著名的有：1933年8月15日，疊溪7.5級地震造成岷江兩岸多處高位山體崩塌，形成山崩堵江-水位上漲-壩體潰決-洪流-沖毀災(zāi)害鏈?zhǔn)录瑢?dǎo)致疊溪古鎮(zhèn)被掩埋于岷江，形成的洪流災(zāi)害沖毀岷江下游至成都平原100多公里的道路橋梁及沿岸房屋等，死傷 2 000余人；1953年7月8日，古鄉(xiāng)溝受墨脫8.6級地震、冰川消融、雪崩、強降雨等影響，形成崩塌-堵溝-堰塞湖-潰決-特大型泥石流-沖毀災(zāi)害鏈?zhǔn)录?，形成的碎屑流傾瀉而下，瞬間吞噬了140余人的生命，造成川藏公路斷道，堵塞帕隆藏布并形成如今的古鄉(xiāng)湖；2000年4月9日，西藏易貢藏布在冰川消融、強降雨等條件下，形成高位崩塌滑動-碎屑流-土石水氣浪-特大型泥石流-堵江-堰塞湖-潰決災(zāi)害鏈?zhǔn)录?，形成的巨大洪流席卷了下游幾百公里沿岸的道路橋梁和城?zhèn)，亦給下游的印度帶來了巨大損失；2013年7月22日，汶川草坡受5.12汶川8.0級地震及多年降雨等因素影響，產(chǎn)生了高位山體滑坡，緊急轉(zhuǎn)移250余人，造成巨大損失；2017年6月24日，茂縣疊溪鎮(zhèn)新磨村受5.12汶川8.0級地震、余震及多年降雨等因素影響，產(chǎn)生了高位遠(yuǎn)程崩塌滑坡-堵江災(zāi)害鏈?zhǔn)录?，造?0人遇難、93人失聯(lián)、3人受傷的巨大人員財產(chǎn)損失；2018年10月11日，金沙江白格高速滑坡-堵江-堰塞湖，由于應(yīng)急處置及時得當(dāng)，對下游造成影響較小，但11月3日發(fā)生第二次滑坡，堵塞了原來的過水通道，形成超大型堰塞湖，處置過程中超高位水流傾瀉而下，沖垮了松散壩體，巨大的洪流給下游幾百公里沿江兩岸帶來了巨大的財產(chǎn)損失；2018年10月17日，雅魯藏布江米林附近的色東普溝受11.18米林6.9級地震、冰雪融水及重力侵蝕等影響，形成冰磧物高速崩滑-泥石流-堵江-堰塞湖-潰決災(zāi)害鏈?zhǔn)录?，亦給沿江兩岸及上、下游造成了重大損失。

1.5 高地應(yīng)力環(huán)境隧道巖爆大變形災(zāi)害

西南復(fù)雜艱險山區(qū)構(gòu)造環(huán)境復(fù)雜，具有深大活動斷裂發(fā)育、地震活動頻發(fā)、新構(gòu)造運動強烈等構(gòu)造特征，地應(yīng)力場尤其是構(gòu)造應(yīng)力場復(fù)雜多變。高地應(yīng)力環(huán)境下隧道開挖硬巖巖爆及軟巖大變形災(zāi)害問題較為突出，是西南山區(qū)鐵路工程建設(shè)中不可回避的工程地質(zhì)問題之一。近年來，隨著西南山區(qū)鐵路建設(shè)的加速，工程建設(shè)中巖爆和大變形問題越來越突出，如在建的川藏拉林段、成蘭、麗香、大瑞、玉磨、鄭萬、成昆等鐵路在隧道開挖和支護(hù)過程中均出現(xiàn)了不同程度的硬巖巖爆和軟巖大變形問題。硬巖巖爆主要表現(xiàn)為開挖后1～7 d的即時型巖爆和開挖后7～30 d甚至更長時間的時滯型巖爆[10]；軟巖大變形因其成因機制復(fù)雜，呈現(xiàn)形式各異，主要表現(xiàn)為構(gòu)造應(yīng)力擠壓型、構(gòu)造巖體碎裂松散型、順層偏壓型、膨脹型、結(jié)構(gòu)群洞型及施工因素型等大變形。還有巖爆和大變形同時出現(xiàn)的現(xiàn)象，如川藏鐵路拉林段巴玉隧道和成昆鐵路的保安營隧道，巖爆和大變形共生，或可稱之為巖爆型大變形。

1.6 高地溫?zé)崴疄?zāi)害

我國西南山區(qū)處于印度板塊與歐亞板塊碰撞而隆升的青藏高原東、南部及其邊緣地帶，屬于地中海-喜馬拉雅地?zé)釒Х秶?，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巖漿活動頻繁，變質(zhì)作用強烈，巖類繁雜多變。地?zé)嵬芸赜隈耷?、活動斷裂及深大斷裂，呈帶狀展布。地?zé)岢梢蝾愋涂傮w可劃分為褶皺斷裂型和巖漿活動型兩類。隨著西南山區(qū)鐵路隧道建設(shè)向山體縱深發(fā)展，高地溫及熱水活動已成為鐵路選線和工程建設(shè)的攔路虎之一，如大瑞鐵路的高黎貢山隧道、川藏鐵路的折多山隧道、海子山隧道等的地?zé)徇x線問題及川藏鐵路拉林段桑珠嶺隧道89.9°高巖溫隧道的建設(shè)問題等。高溫?zé)崴疄?zāi)害不僅影響施工安全及工期，亦對運營安全、耐溫及防腐蝕性材料提出了更高的要求。

1.7 有害氣體災(zāi)害

鐵路工程呈線狀展布，當(dāng)穿越煤系地層、深大斷裂帶、巖漿巖分布區(qū)等區(qū)域時，往往會遇到一氧化碳、硫化氫等瓦斯有害氣體，這也是復(fù)雜艱險山區(qū)鐵路建設(shè)無法完全繞避的地質(zhì)災(zāi)害問題。有害氣體按其產(chǎn)生成因大致可以分為煤系氣、構(gòu)造氣和非煤瓦斯三類。(1)煤系氣即煤系地層、含炭質(zhì)地層中往往高瓦斯聚集，如不按規(guī)范嚴(yán)格施工及防護(hù)，極易產(chǎn)生爆炸事故，如成貴鐵路七扇巖隧道因煤系地層瓦斯爆炸造成12人死亡；(2)構(gòu)造氣即深大斷裂因其剖面上發(fā)育的深度深、平面上發(fā)育的廣度延伸具有區(qū)域性，往往把深部有害氣體或斷層穿越遠(yuǎn)處煤系地層、含瀝青地層等所含瓦斯氣體隨水導(dǎo)入隧道區(qū)，隨著隧道開挖壓力的降低，溶解于水的有害氣體釋放出來，造成瓦斯聚集對施工和運營產(chǎn)生較大影響，如成蘭鐵路躍龍門隧道硫化氫氣體就屬于此類型；(3)非煤瓦斯即當(dāng)隧道穿越巖漿巖發(fā)育區(qū)時，由于巖漿巖冷卻時，局部有害氣體無法排出而形成高濃度、高壓氣包裹體埋藏于地下，當(dāng)隧道穿越此包裹體時，高濃度、高壓有害氣體瞬間釋放而產(chǎn)生爆炸，對施工人員和機具產(chǎn)生較大的危害，如云南大臨鐵路紅豆山隧道非煤瓦斯爆炸造成6人死亡，此類有害氣體難于勘測，具有不可預(yù)測性，危害較大。

1.8 活動構(gòu)造災(zāi)害

受印度板塊和亞歐板塊碰撞的影響，我國西部山區(qū)新構(gòu)造運動強烈，深大活動斷裂及活動褶曲發(fā)育，是西部復(fù)雜山區(qū)鐵路建設(shè)中不可繞避的工程地質(zhì)問題?；顒訕?gòu)造按其運動特性大致可分為粘滑構(gòu)造和蠕滑構(gòu)造。龍門山斷裂為粘滑構(gòu)造，一定時期內(nèi)無法探知其運動特征，但當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力聚集大于巖體強度時，能量驟然釋放，產(chǎn)生地震破壞；鮮水河斷裂為蠕滑構(gòu)造，每年產(chǎn)生一定量的豎向和水平方面的位移，構(gòu)造應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)應(yīng)力大于巖體強度時亦產(chǎn)生地震破壞。

2 對鐵路選線的影響及減災(zāi)選線原則

2.1 重力不良地質(zhì)減災(zāi)選線

重力不良地質(zhì)如崩塌、滑坡、泥石流等，已成為山區(qū)選線的重點和難點，往往控制著線路的走向及重大控制性工程(如跨溝跨河橋梁、站場、隧道進(jìn)出口等)的設(shè)置。針對重大崩滑流地質(zhì)災(zāi)害分布的高山峽谷地段，鐵路減災(zāi)選線應(yīng)在查明崩滑流災(zāi)害分布的基礎(chǔ)上，以傍山隧道長隧短打的方案加以繞避，或通過溝谷兩岸地質(zhì)比選加以繞避。

2.2 巖溶減災(zāi)選線

巖溶發(fā)育具有高度不均一性、隱蔽性、隨機性、復(fù)雜性等特點，平面上完全繞避巖溶發(fā)育區(qū)、剖面上完全繞避深部巖溶發(fā)育帶極其困難。巖溶對隧道的影響主要表現(xiàn)為高壓涌突水泥問題，對路基的影響主要表現(xiàn)為隱伏巖溶的塌陷問題，因此巖溶災(zāi)害仍是西南鐵路工程建設(shè)中的難題。針對巖溶災(zāi)害，鐵路減災(zāi)選線應(yīng)在盡最大可能查明巖溶的空間分布形態(tài)及發(fā)育規(guī)律的基礎(chǔ)上，遵循“先繞避、短通過、抬高程、傍河邊、靠既隧、順坡排、淺覆蓋、防崩滑”的減災(zāi)選線原則[11]。

2.3 高烈度地震減災(zāi)選線

地震引發(fā)的震裂及次生地質(zhì)災(zāi)害，具有不可預(yù)見性、災(zāi)害規(guī)模大、破壞力強、類型和數(shù)量多等特點。通過對汶川“5.12”地震、蘆山“4.20”地震等的調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)地震引發(fā)的次生地質(zhì)災(zāi)害對鐵路的影響遠(yuǎn)甚于工程本身，尤其是對傍山工程和傍河明線工程的影響極大。鐵路減災(zāi)選線應(yīng)遵循“抗震、隔震、減震”設(shè)防措施原則，在查明區(qū)域地震發(fā)生情況及震害烈度的條件下，工程盡可能選擇地震遠(yuǎn)場區(qū)，避免布設(shè)于地震波入射方向[12]。

2.4 溝谷災(zāi)害鏈減災(zāi)選線

高山峽谷區(qū)溝谷型災(zāi)害鏈因其災(zāi)害的多種性和復(fù)雜性，具有規(guī)模大、破壞力強、難于預(yù)測和預(yù)防等特點，對山區(qū)鐵路選線及工程設(shè)置影響較大。鐵路減災(zāi)選線應(yīng)遵循“拔高程、高墩大跨越”的選線原則，首先應(yīng)進(jìn)行流域潛在災(zāi)害風(fēng)險的判識、邊坡穩(wěn)定性評價，重視鐵路跨江、跨河的工程地質(zhì)條件和橋梁高度、基礎(chǔ)設(shè)置及基礎(chǔ)抗沖刷能力等；其次應(yīng)預(yù)防上游溝谷崩滑泥石流堵江-潰壩后傾瀉而下的洪水夾裹沿線泥石對下游岸坡、基礎(chǔ)的沖刷破壞。

2.5 高地應(yīng)力減災(zāi)選線

高應(yīng)力作用下的硬巖巖爆和軟巖大變形，已成為復(fù)雜艱險山區(qū)鐵路建設(shè)中的普遍性難題，因其成因機制的復(fù)雜性，目前的勘察技術(shù)還不能做到完全的預(yù)測和預(yù)防。高地應(yīng)力在施工階段主要表現(xiàn)為破壞支護(hù)結(jié)構(gòu)、造成人員傷亡，在后期運營階段主要表現(xiàn)為造成隧道隆起、導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。針對高應(yīng)力災(zāi)害，鐵路減災(zāi)選線應(yīng)在查明區(qū)域地應(yīng)力場特性的基礎(chǔ)上，考慮工程開挖二次應(yīng)力場的影響，選擇與主應(yīng)力方向大角度相交、短距離、快速穿越高構(gòu)造應(yīng)力區(qū)，在工程設(shè)計和施工中，應(yīng)遵循“放抗相宜、強支強護(hù)”的原則。

2.6 地?zé)釡p災(zāi)選線

隨著復(fù)雜艱險山區(qū)鐵路建設(shè)的加速，地?zé)嵋殉蔀殍F路建設(shè)中不能完全繞避的工程地質(zhì)問題之一。針對高溫?zé)岷?zāi)害，鐵路減災(zāi)選線應(yīng)在查明區(qū)域地?zé)岱植继匦?、地?zé)岢梢驒C制的基礎(chǔ)上，綜合考慮工程選型、可行性、經(jīng)濟(jì)性、安全性等因素，無法繞避時，選擇地?zé)岱植嫉蜏刈呃韧ㄟ^。

2.7 有害氣體減災(zāi)選線

煤系地層、深大斷裂構(gòu)造氣及非煤系地層氣等有害氣體為近年來鐵路工程建設(shè)中遭遇較多的工程地質(zhì)問題，對隧道施工建設(shè)安全及工期影響較大。針對有害氣體，鐵路減災(zāi)選線應(yīng)在查明有害氣體分布范圍、有害氣體類型、濃度等的基礎(chǔ)上，評價其對工程的影響，選擇在有害氣體含量較少、濃度較低的部位，以短距離、快速穿越。同時，施工中遵循“超前地質(zhì)預(yù)報先行、強通風(fēng)、勤檢測、強監(jiān)測”的施工組織原則。

2.8 活動構(gòu)造減災(zāi)選線

活動構(gòu)造亦是鐵路建設(shè)中不可忽視的重大工程地質(zhì)問題，往往控制著鐵路線路的走向和重大工程(如橋梁、車站等)的設(shè)置。針對活動構(gòu)造，鐵路減災(zāi)選線應(yīng)在查明構(gòu)造活動位置、活動方向、活動速率、活動頻率等活動特性的基礎(chǔ)上，遵循“或繞避、或于斷裂被動盤(下盤)展線、或簡單工程大角度快速穿越”的選線原則。

3 結(jié)束語

隨著西部鐵路路網(wǎng)規(guī)劃及建設(shè)的加速，地質(zhì)災(zāi)害已成為復(fù)雜艱險山區(qū)不可繞避和忽視的工程地質(zhì)問題。減輕地質(zhì)災(zāi)害對鐵路工程的影響，應(yīng)在綜合考慮工程可行性、工程安全性、經(jīng)濟(jì)性等因素的基礎(chǔ)上，從工程選線、設(shè)計、施工等方面出發(fā)，加強減災(zāi)選線和工程的防控對策。首先，鐵路選線應(yīng)樹立減災(zāi)選線理念，重視地質(zhì)災(zāi)害的早期識別和判示，并在此基礎(chǔ)上，做好規(guī)避災(zāi)害、減輕災(zāi)害的線路方案研究，從源頭上減輕地質(zhì)災(zāi)害對鐵路建設(shè)及運營的影響；其次，工程設(shè)計應(yīng)充分考慮工程全壽命周期內(nèi)結(jié)構(gòu)的可靠性、耐久性和堅固性，確保工程質(zhì)量；最后，施工階段應(yīng)加強施工組織設(shè)計、超前地質(zhì)預(yù)報、施工地質(zhì)等工作，預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害對工程建設(shè)的影響，按藍(lán)圖施工，確保質(zhì)量。