魏永幸 陳明浩 張廣澤 趙曉彥

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031；2.西南交通大學， 成都 610031)

1 研究背景

設(shè)計是工程建設(shè)的源頭，而鐵路工程設(shè)計的重中之重在于選線，尤其是復(fù)雜艱險山區(qū)的鐵路建設(shè)，線位的確定在很大程度上決定了工程的形式及建設(shè)難度，不但關(guān)系到施工安全、施工效率及工程代價，更關(guān)系到安全運營和維修養(yǎng)護。正因如此，國內(nèi)外山區(qū)的鐵路建設(shè)均強調(diào)選線工作的重要性并為之投入了大量的研究。

我國山區(qū)鐵路選線技術(shù)不斷發(fā)展，20世紀50年代至今經(jīng)歷了“地形選線”、“地質(zhì)選線”、“減災(zāi)選線”三個發(fā)展階段[1]。但也只是本世紀以來，才在渝利[2]、成蘭、拉林鐵路中真正倡導(dǎo)“減災(zāi)選線”，逐步引入風險管理理論、全壽命周期設(shè)計理論、系統(tǒng)工程理論[3]，開展基于風險源、風險事件以及風險損失的線路空間形位和路基、橋梁、隧道等構(gòu)筑物布設(shè)[4]，取得了鐵路減災(zāi)選線的長足進步。

開展減災(zāi)選線的前提無疑是地質(zhì)災(zāi)害的識別，以上減災(zāi)選線的相關(guān)理論均是在已知或假定地質(zhì)災(zāi)害分布及其危害性的基礎(chǔ)上進行的。目前國內(nèi)外不少專家和學者已采用各種手段對地質(zhì)災(zāi)害的識別進行了研究，相關(guān)研究主要集中在某一具體線路方案的比選，某種識別手段的應(yīng)用[5-6]，某類地質(zhì)災(zāi)害的識別等[7]，缺少針對鐵路工程地質(zhì)災(zāi)害識別理論與技術(shù)的系統(tǒng)研究?？梢?，在復(fù)雜艱險山區(qū)開展面向鐵路減災(zāi)選線的地質(zhì)災(zāi)害廣域高效識別具有重要的理論和實際意義，尤其是對于川藏鐵路等復(fù)雜艱險山區(qū)的鐵路建設(shè)具有重要的現(xiàn)實意義。

2 廣域高效識別內(nèi)容

復(fù)雜艱險山區(qū)主要位于我國西藏高原、云貴高原、川西山地高原、四川盆地、渝東山地及廣西盆地等，具有地形切割極為強烈、新構(gòu)造運動極為活躍、巖性極為復(fù)雜、高地應(yīng)力、高地震烈度、高山地災(zāi)害風險、高巖溶(水)風險的環(huán)境特征，地質(zhì)災(zāi)害問題十分突出。

鐵路為線性工程，延伸里程多為數(shù)百甚至上千公里，而線路兩側(cè)數(shù)百米甚至數(shù)公里發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害也可能威脅鐵路的施工及運營，并且在前期階段，還存在經(jīng)過不同經(jīng)濟據(jù)點的多個線路走向的比選，可見，鐵路地質(zhì)災(zāi)害識別的范圍非常廣，其范圍可達數(shù)萬平方公里，具有“長距離、寬廊道、多廊道”的特點。同時，地質(zhì)災(zāi)害的識別在工程可行性研究和初步設(shè)計階段尤為重要，要在有限的時間內(nèi)，實現(xiàn)數(shù)萬平方公里范圍地質(zhì)災(zāi)害的廣域識別，識別效率是其關(guān)鍵，因此，在復(fù)雜艱險山區(qū)開展地質(zhì)災(zāi)害的廣域高效識別是非常必要的。

基于鐵路減災(zāi)選線的需要，以及地質(zhì)災(zāi)害識別需滿足廣域高效的要求，將其識別內(nèi)容劃分為地質(zhì)災(zāi)害特征識別、地質(zhì)災(zāi)害機理識別、地質(zhì)災(zāi)害風險識別三個層次，如圖1所示。

圖1 地質(zhì)災(zāi)害識別“三層次”圖

(1)地質(zhì)災(zāi)害特征識別

研究各類地質(zhì)災(zāi)害在遙感圖像、物探、鉆探等識別手段上的地貌、光譜、溫度、形狀、電性等特征標志，判識地質(zhì)災(zāi)害的類型及分布特征，包括分布位置、分布面積、厚度、體積、大小等。

(2)地質(zhì)災(zāi)害機理識別

研究地質(zhì)災(zāi)害形成機理及演化過程，闡明各類地質(zhì)災(zāi)害的形成條件、形成原因、致災(zāi)可能性、致災(zāi)方式等，提出地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生條件、致災(zāi)模式及易發(fā)性。

(3)地質(zhì)災(zāi)害風險識別

探索地質(zhì)災(zāi)害工程地質(zhì)模型及相關(guān)參數(shù)取值，研究地質(zhì)災(zāi)害的致災(zāi)范圍及致災(zāi)強度，評價鐵路工程修建過程中地質(zhì)災(zāi)害對隧道、橋梁、路基、站房等鐵路工程的危害程度、破壞程度等，劃分地質(zhì)災(zāi)害的風險等級。

3 地質(zhì)災(zāi)害分類

以往地質(zhì)災(zāi)害類型劃分多依據(jù)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的模式或機理[8]，地質(zhì)災(zāi)害廣域高效識別更強調(diào)地質(zhì)災(zāi)害對鐵路工程的影響，由于外生和內(nèi)生地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生和致災(zāi)的位置有明顯區(qū)別，機理也大有不同，對減災(zāi)選線的影響方式及程度也不盡相同，其識別技術(shù)也有所區(qū)別。對鐵路工程具有主要或突出影響的地質(zhì)災(zāi)害，可以劃分為外生地質(zhì)災(zāi)害和內(nèi)生地質(zhì)災(zāi)害兩類，其中外生地質(zhì)災(zāi)害主要有崩塌、滑坡、泥石流三種，內(nèi)生地質(zhì)災(zāi)害主要有巖溶、高地溫、高地應(yīng)力、高烈度地震及活動斷裂四種。

3.1 外生地質(zhì)災(zāi)害特征

(1)崩塌

崩塌常發(fā)生在高陡山麓斜坡或河谷陡岸地帶，尤其是新構(gòu)造運動劇烈、深大張開卸荷裂隙較多的地段，是斜坡上的張、剪應(yīng)力超過巖土體的軟弱結(jié)構(gòu)面強度而崩落的結(jié)果。在地層巖性上，多發(fā)生在厚層、堅硬、性脆的灰?guī)r、砂巖、花崗巖、玄武巖等構(gòu)成的陡崖，以及砂巖與頁巖、灰?guī)r與泥灰?guī)r等軟硬巖互層構(gòu)成的陡坡地帶；在地質(zhì)構(gòu)造上，多發(fā)生在斷層破碎帶、構(gòu)造交匯處、褶曲軸部、節(jié)理密集帶及不整合接觸帶；水是引起崩塌最活躍的因素，絕大多數(shù)崩塌都發(fā)生在雨季或暴雨之后，雨水滲入節(jié)理裂隙，增加了巖土體重量，加大了靜水壓力，巖土體中軟弱結(jié)構(gòu)面抗剪強度降低，或人類工程活動中邊坡開挖過高過陡，爆破、地震等因素影響，都會引起崩塌的發(fā)生。崩塌落石常突然發(fā)生，隱蔽性強、危害性大、性質(zhì)復(fù)雜。

(2)滑坡

滑坡形成的內(nèi)在因素，主要受地層條件和地質(zhì)構(gòu)造條件控制，多分布在各類黏性土、軟質(zhì)巖層、夾軟弱夾層的硬質(zhì)巖層內(nèi)，當存在傾向斜坡，傾角較陡的斷層面、巖層層面、不整合面以及其他軟弱結(jié)構(gòu)面時，易發(fā)生順層滑坡?；滦纬傻耐庠谝蛩?，主要為河流的沖刷、開挖斜坡坡腳、斜坡上部加載、地表水下滲、地下水軟化、地震作用、大爆破及機械震動等。它們改變了斜坡的外形和應(yīng)力狀態(tài)，增大了下滑力或減小坡體內(nèi)的抗滑力，從而引起滑坡。不穩(wěn)定的滑坡對工程和建筑物危害性大，運營期間嚴重威脅行車安全，極易造成行車事故與旅客傷亡。

(3)泥石流

泥石流是由于降水在山區(qū)發(fā)生的一種挾帶大量泥砂、石塊等松散固體物質(zhì)的特殊洪流，形成與地形、地質(zhì)、水文、氣象、植被、地震、人類活動等因素有關(guān)，泥石流的發(fā)生與發(fā)展是流域內(nèi)有豐富的松散物質(zhì)的補給，有陡峻的地形和較大的溝床縱坡，有強大的徑流動力(如暴雨、水庫壩體潰決，急劇的融雪)等綜合作用的結(jié)果。具有較大的密度，速度快，慣性大，具有強大的動力。泥石流在運動過程中具有極大破壞作用，對鐵路工程存在嚴重威脅，往往攜帶巨大漂礫，具有大沖大淤的特點，在流通區(qū)具極強的沖擊危害，在堆積區(qū)通常發(fā)生淤埋作用。

3.2 內(nèi)生地質(zhì)災(zāi)害特征

(1)巖溶

我國南方是碳酸鹽巖的主要分布區(qū)，尤以西南地區(qū)最為集中。巖石和水是巖溶發(fā)育的基本條件，區(qū)內(nèi)氣候濕潤，降雨充沛，巖溶極為發(fā)育，各種巖溶形態(tài)齊全，主要有溶槽、落水洞、溶洞、暗河、漏斗、溶蝕洼地、巖溶盆地、峰林、峰叢等。巖溶及巖溶水對鐵路工程的影響和危害主要表現(xiàn)在以下方面：一是巖溶涌(突)水對地下工程造成危害；二是隱伏巖溶洞穴及其充填物對構(gòu)筑物基礎(chǔ)穩(wěn)定性的影響；三是巖溶地面塌陷威脅建筑物安全；四是巖溶洼地積水浸泡或淹沒路基、涵洞等地面工程；五是隧道施工疏干地下水，引起區(qū)域地下水環(huán)境破壞。

(2)高地溫

西南地區(qū)高烈度地震頻發(fā)、活動斷裂廣泛分布，導(dǎo)致高地溫尤其是水熱表現(xiàn)突出。水熱的表征形式主要為熱水爆炸、沸泉、溫泉等，與活動斷裂的分布密切關(guān)聯(lián)，大部分沿活動斷裂帶呈帶狀展布。溫泉分布呈現(xiàn)與斷裂構(gòu)造以及地震有強烈的相關(guān)性，溫泉分布集中的區(qū)域往往也是斷裂活動強烈和地震發(fā)育所在。深埋長大隧道易遇高溫、高壓熱水(汽)及高溫巖體等熱害問題，嚴重影響施工建設(shè)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。

(3)高地應(yīng)力

西南山區(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，其地應(yīng)力場尤其是構(gòu)造應(yīng)力場復(fù)雜多變。高地應(yīng)力對復(fù)雜山區(qū)長大深埋隧道工程的危害，主要表現(xiàn)在兩個方面：一是軟巖大變形，即地下洞室圍巖在高地應(yīng)力作用下發(fā)生顯著的塑性變形和位移的現(xiàn)象。二是硬巖巖爆，即高地應(yīng)力區(qū)圍巖中聚積的彈性變形能在開挖過程中的突然釋放，使巖石出現(xiàn)爆裂彈射等現(xiàn)象；圍巖強度應(yīng)力比不同，巖爆與變形的程度也不同。

(4)高烈度地震及活動斷裂

西南地區(qū)位于青藏高原地震區(qū)，頻發(fā)高烈度地震，據(jù)地震資料記載，共發(fā)生7～7.9級地震21次、≥8級地震7次(最大震級為西藏察隅地震8.5級)，近年發(fā)生的重大地震包括1973年四川爐霍7.6級地震、2008年四川汶川8級地震、2010年青海玉樹7.1級地震、2013年四川蘆山7.0級地震、2014年云南昭通6.5級地震、2014年新疆于田7.3級地震、2016年康定6.3級地震等，對人民的生命財產(chǎn)造成了巨大的損失，也對西南地區(qū)高速鐵路建設(shè)形成了巨大的挑戰(zhàn)。地震發(fā)生后可產(chǎn)生地面開裂、地面錯動及誘發(fā)山崩、滑坡、泥石流、堰塞湖等次生重力不良地質(zhì)災(zāi)害，導(dǎo)致房屋倒塌、橋梁斷落、水壩開裂、鐵軌變形等。

西南山區(qū)新構(gòu)造運動強烈，活動斷裂廣泛分布，活動斷裂(帶)共包括19條，著名的活動斷裂帶包括龍門山斷裂帶、鮮水河斷裂帶、安寧河斷裂帶、小江斷裂帶、玉樹斷裂帶等?；顒訑鄬?裂)有兩種基本活動方式：一種是以地震方式產(chǎn)生間歇性的突然滑動，稱為地震斷層或粘滑型斷層；另一種是沿斷層面兩側(cè)巖層連續(xù)緩慢地滑動，稱為蠕變斷層或蠕滑型斷層?；顒訑鄬拥幕顒油樯蛞鸬卣稹⒌孛驽e動，并對地面建(構(gòu))筑物和人民的生命安全造成嚴重的影響，對高速鐵路選址和建設(shè)形成巨大的挑戰(zhàn)。

4 廣域高效識別技術(shù)

地質(zhì)災(zāi)害的廣域高效識別技術(shù)，總體上可以劃分為“天域”、“空域”、“地域”三個維度，即地質(zhì)災(zāi)害廣域高效識別技術(shù)由“天域”衛(wèi)星平臺、“空域”航空平臺、“地域”地面平臺“三維度”一系列技術(shù)構(gòu)成，其中各類識別技術(shù)又包括新型識別技術(shù)和常規(guī)識別技術(shù)?！疤煊颉?、“空域”、“地域”可簡稱為“天”“空”“地”。

(1)“天域”衛(wèi)星平臺技術(shù)

“天域”衛(wèi)星平臺識別技術(shù)包括新型識別技術(shù)和常規(guī)識別技術(shù)，常規(guī)識別技術(shù)主要為衛(wèi)星遙感解譯技術(shù)(低分辨率)，而高分衛(wèi)星遙感解譯技術(shù)、高分衛(wèi)星InSAR形變監(jiān)測技術(shù)、衛(wèi)星熱紅外遙感地熱異常識別技術(shù)及多光譜、高光譜衛(wèi)星巖性識別技術(shù)等新型識別技術(shù)，則是在工程實踐中對常規(guī)識別技術(shù)的創(chuàng)新成果。各種“天”類技術(shù)特點及適用范圍如表1所示。

表1 “天”類技術(shù)特點與適用范圍表

(2)“空域”航空平臺技術(shù)

“空域”航空平臺識別技術(shù)包括新型識別技術(shù)和常規(guī)識別技術(shù)，常規(guī)識別技術(shù)主要包括各類航空遙感解譯技術(shù)(低分辨率)，而無人機(機載LiDAR)識別技術(shù)等新型識別技術(shù)，則是在工程實踐中對常規(guī)識別技術(shù)的創(chuàng)新成果。各種“空”類技術(shù)特點及適用范圍如表2所示。

表2 “空”類技術(shù)特點與適用范圍表

(3)“地域”地面平臺技術(shù)

“地域”地面平臺識別技術(shù)包括新型識別技術(shù)和常規(guī)識別技術(shù)，常規(guī)識別技術(shù)主要包括常規(guī)地面地質(zhì)調(diào)繪、物探、鉆探、觀測與測試、超前地質(zhì)預(yù)報等，而地面三維激光掃描技術(shù)、等值反磁通瞬變電磁法技術(shù)、微動探測技術(shù)以及輕便型動力頭式全液壓鉆探技術(shù)等新型識別技術(shù)，則是在工程實踐中對常規(guī)識別技術(shù)的創(chuàng)新成果。

5 廣域高效識別程式

廣域高效識別需面向鐵路減災(zāi)選線工作來開展，從識別的程式上，與鐵路勘察工作的踏勘、初測、定測(含補定測)[9]相對應(yīng)的分為區(qū)域宏觀識別、沿線系統(tǒng)識別、區(qū)段詳細識別“三階段”進行[10]，識別深度應(yīng)滿足各階段的設(shè)計要求。

(1)區(qū)域宏觀識別

以“天”類識別技術(shù)為主，宏觀識別影響線路方案的區(qū)域工程地質(zhì)條件及地質(zhì)災(zāi)害的類型及分布特征，初步提出線路方案的比選意見。

(2)沿線系統(tǒng)識別

以“天”“空”類識別技術(shù)為主，系統(tǒng)識別地質(zhì)災(zāi)害對線路方案的致災(zāi)可能性、致災(zāi)方式等，劃分地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)，提出規(guī)避重大地質(zhì)災(zāi)害的減災(zāi)選線意見。

(3)區(qū)段詳細識別

以“空”“地”類識別技術(shù)為主，詳細識別各類地質(zhì)災(zāi)害對隧道、橋梁、路基、站房等鐵路工程的危害程度、破壞程度等，劃分地質(zhì)災(zāi)害的風險等級，提出減災(zāi)選線風險調(diào)控措施。

6 地質(zhì)災(zāi)害識別技術(shù)體系

地質(zhì)災(zāi)害廣域高效識別研究，就是針對外生地質(zhì)災(zāi)害和內(nèi)生地質(zhì)災(zāi)害，根據(jù)不同的識別階段和災(zāi)害類別，結(jié)合各種識別技術(shù)方法的適用條件，在地質(zhì)調(diào)繪的統(tǒng)籌下，充分發(fā)揮各種識別方法的優(yōu)勢，以最佳的組合模式，選用多種識別方法密切配合，取長補短，進行相互驗證和綜合分析，達到提高地質(zhì)災(zāi)害識別質(zhì)量，縮短地質(zhì)災(zāi)害識別周期和降低地質(zhì)災(zāi)害識別成本的目的。要體現(xiàn)從面到點，從宏觀到微觀，從定性到定量的過渡，促進復(fù)雜艱險山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害廣域高效識別技術(shù)整體水平的提高，復(fù)雜艱險山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害廣域高效識別技術(shù)體系如圖2所示。

圖2 復(fù)雜艱險山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害廣域高效識別技術(shù)體系圖

各類識別技術(shù)的組合原則：實施過程中原則上應(yīng)遵循“先天、后空、再地”的順序，選取相應(yīng)技術(shù)，開展協(xié)同識別，并相互驗證綜合分析。

7 總結(jié)與展望

地質(zhì)災(zāi)害廣域高效識別是面向鐵路減災(zāi)選線的復(fù)雜艱險山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害識別的一次提升。地質(zhì)災(zāi)害廣域高效識別在繼承傳統(tǒng)地質(zhì)災(zāi)害勘察理論、方法、技術(shù)的基礎(chǔ)上，將影響鐵路減災(zāi)選線的地質(zhì)災(zāi)害劃分為外生、內(nèi)生“兩類”“七種”，提出了“三階段”、“三維度”、“三層次”的地質(zhì)災(zāi)害識別方法和技術(shù)，建立了復(fù)雜艱險山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害廣域高效識別技術(shù)體系。

(1)地質(zhì)災(zāi)害廣域高效識別程式分為區(qū)域宏觀識別、沿線系統(tǒng)識別、區(qū)段詳細識別“三階段”。與鐵路勘察工作的踏勘、初測、定測及補定測相對應(yīng)，識別深度應(yīng)滿足各階段的設(shè)計要求。

(2)地質(zhì)災(zāi)害廣域高效識別內(nèi)容分為地質(zhì)災(zāi)害特征識別、地質(zhì)災(zāi)害演化機理識別、地質(zhì)災(zāi)害風險識別“三層次”。分別對地質(zhì)災(zāi)害的類型、分布特征、形成條件、形成原因、致災(zāi)可能性、致災(zāi)方式、危害程度、破壞程度及風險等級進行識別。

(3)地質(zhì)災(zāi)害廣域高效識別技術(shù)分為“天域”衛(wèi)星平臺、“空域”航空平臺、“地域”地面平臺“三維度”。各類識別技術(shù)又包括新型識別技術(shù)和常規(guī)識別技術(shù)，遵循“先天、后空、再地”的順序，充分發(fā)揮各種識別方法的優(yōu)勢，合理選用多種識別方法進行綜合識別。

根據(jù)各類識別技術(shù)，結(jié)合災(zāi)害類別和識別程式，建立的復(fù)雜艱險山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害廣域高效識別技術(shù)體系，顯著提高了山區(qū)鐵路地質(zhì)災(zāi)害識別的效率和質(zhì)量，提升了減災(zāi)選線規(guī)避和防范工程建設(shè)和運營風險的水平，促進了我國復(fù)雜艱險山區(qū)鐵路勘察設(shè)計技術(shù)進步，在新時代“西部大開發(fā)”、“交通強國”戰(zhàn)略、“一帶一路”建設(shè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。