李孝攀
(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,陜西西安 710043)
川藏鐵路始于四川省省會(huì)成都市,經(jīng)雅安、康定跨過(guò)金沙江進(jìn)入西藏,再經(jīng)昌都、林芝到達(dá)西藏自治區(qū)省會(huì)拉薩市,線路全長(zhǎng)約1 500 km,項(xiàng)目計(jì)劃于2029年建成通車(chē)。川藏鐵路昌都至林芝段位于青藏高原及其邊緣地帶,處于我國(guó)地勢(shì)第二級(jí)階梯和第三級(jí)階梯的過(guò)渡區(qū)域,是典型的復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)。線路行經(jīng)區(qū)域具有顯著的地形高差、強(qiáng)烈的板塊活動(dòng)、頻發(fā)的山地災(zāi)害、敏感的生態(tài)環(huán)境等四大特點(diǎn)[1]。
減災(zāi)選線是以規(guī)避、防范鐵路全壽命周期(建設(shè)及運(yùn)營(yíng)期間)可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害為根本目的和出發(fā)點(diǎn),運(yùn)用系統(tǒng)工程、風(fēng)險(xiǎn)管理等先進(jìn)的理論、方法,對(duì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行判識(shí),并在此基礎(chǔ)上科學(xué)選擇鐵路線位、工程方案及災(zāi)害防控措施的技術(shù)過(guò)程[2]。
在勘察設(shè)計(jì)階段考慮地質(zhì)災(zāi)害的影響,合理規(guī)避潛在的工程風(fēng)險(xiǎn),不僅可以從源頭上預(yù)防施工運(yùn)營(yíng)階段的意外災(zāi)害,還可以提高全壽命周期的綜合效益。本文以川藏鐵路昌都至林芝段為研究對(duì)象,對(duì)線路行經(jīng)區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行研究,分析地質(zhì)災(zāi)害對(duì)橋梁、隧道等重點(diǎn)工程構(gòu)筑物的影響,研究復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)防災(zāi)減災(zāi)的選線原則。
川藏鐵路昌都至林芝段跨越瀾滄江、怒江和雅魯藏布江這三大流域,穿越他念他翁山、念青唐古拉山這兩這大山系。線路行經(jīng)區(qū)域地勢(shì)跌宕起伏、巖層褶皺錯(cuò)雜、風(fēng)化剝蝕強(qiáng)烈、重力卸荷廣泛,區(qū)域工程地質(zhì)具有“三大一強(qiáng)”的特點(diǎn),即地形高差大、地災(zāi)速度大、地災(zāi)規(guī)模大、構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)[3]。在勘察設(shè)計(jì)和施工運(yùn)營(yíng)階段都不得不面臨地形高差大、板塊活動(dòng)強(qiáng)、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)等問(wèn)題。
川藏鐵路昌都至林芝區(qū)域地層巖性十分復(fù)雜,地層時(shí)代從震旦系至新生界均有分布,主要巖性:①砂巖、板巖、千枚巖為主的沉積巖、變質(zhì)巖;②以花崗巖為主的侵入巖;③以灰?guī)r為主的可溶巖[1]。
川藏鐵路昌都至林芝段線路行徑區(qū)域大部分海拔在3000 m以上,邦達(dá)草原海拔達(dá)到4 300 m,區(qū)域內(nèi)存在大面積的季節(jié)性凍土,在波密以東局部地段分布有第三系、白堊系、頁(yè)巖等黏土巖,膨脹巖、軟土、鹽漬土也伴隨分布。區(qū)域內(nèi)強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng),形成大面積軟弱易風(fēng)化的蝕變巖,大塊的巖體脫落,通過(guò)冰川消融的搬運(yùn),在平緩地帶形成大面積冰磧物和松散堆積體。
川藏鐵路昌都至林芝區(qū)域以高寒、高海拔、大高差和劇烈的地殼隆升擠壓作用為典型的地質(zhì)背景,內(nèi)外動(dòng)力引起的地質(zhì)作用十分劇烈,由此衍生出來(lái)的不良工程地質(zhì)問(wèn)題主要有活動(dòng)斷裂、高烈度地震、滑坡、泥石流、崩塌、高地溫、高溫?zé)崴?、溜砂坡、巖爆、大變形[4]。
1.3.1 活動(dòng)斷裂和高烈度地震
川藏鐵路昌都至林芝段線路行經(jīng)區(qū)域斷裂、褶皺密集發(fā)育,以深大活動(dòng)斷裂為主控構(gòu)造,主要發(fā)育有瀾滄江斷裂帶、怒江斷裂帶、邊壩-洛隆-八宿斷裂帶、嘉黎斷裂帶、雅江縫合帶、米林-魯朗斷裂帶,區(qū)域內(nèi)斷裂帶分布如圖1所示[5]。區(qū)域內(nèi)地震活動(dòng)頻繁,存在錯(cuò)斷、震壞,屬于高烈度地震多發(fā)區(qū),根據(jù)國(guó)家地震局GB 18306-2015《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》顯示昌都至林芝區(qū)域地震動(dòng)峰值加速度主要是0.15g,在林芝附近達(dá)到0.4g,相當(dāng)于地震基本烈度為Ⅸ度,區(qū)域內(nèi)地震烈度如圖2所示。
圖1 昌都至林芝區(qū)域斷裂帶分布示意
圖2 昌都至林芝區(qū)域地震烈度區(qū)劃示意
1.3.2 滑坡、崩塌、錯(cuò)落
川藏鐵路昌都至林芝段線路行經(jīng)區(qū)域地形地貌變化劇烈、活動(dòng)斷裂發(fā)育、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈,巖體破碎。受降雨、降雪極端天氣的影響,溝河水流沖刷劇烈,致使滑坡、崩塌、錯(cuò)落等不良地質(zhì)發(fā)育,且數(shù)量多,規(guī)模大,難以整治。雖然在不同路段都有崩滑體分布,但危害性較大的崩滑體分布相對(duì)集中于地質(zhì)構(gòu)造交叉復(fù)合部位和新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍的峽谷地段,特別是瀾滄江、玉曲、怒江、東久河、魯朗河、雅魯藏布江的峽谷地段[3]。
1.3.3 泥石流
川藏鐵路昌都至林芝段線路行經(jīng)區(qū)域主要河流的支溝縱坡大,受構(gòu)造、風(fēng)化等作用影響,泥石流發(fā)育且數(shù)量眾多、規(guī)模宏大,山體破碎、松散固體物質(zhì)豐富,山地 災(zāi)害爆發(fā)頻繁、破壞力及極強(qiáng),尤其是在構(gòu)造發(fā)育的瀾滄江、怒江、帕龍藏布及其支流的兩側(cè)。除了降雨型泥石流外,由于高山冰雪消融,還分布有部分冰川型泥石流[1]。
1.3.4 溜砂坡、巖堆
由于反復(fù)的冰雪消融和強(qiáng)烈的自然剝蝕,山體風(fēng)化十分嚴(yán)重,隨著高山融雪和自然降雨,剝落的碎屑巖石散落于山坡或被搬運(yùn)到山腳,斜坡上的砂石依靠摩擦咬合作用,形成暫時(shí)穩(wěn)定的溜砂坡,堆積在山腳的碎屑巖石形成大面積巖堆。
1.3.5 高地應(yīng)力
從大范圍來(lái)看,該區(qū)域?qū)傧柴R拉雅運(yùn)動(dòng)形成的造山帶,構(gòu)造擠壓強(qiáng)烈且伴有巖漿侵入,水平地應(yīng)力場(chǎng)值也普遍較高。昌都至林芝區(qū)域新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈、活動(dòng)斷裂發(fā)育、廣泛分布有巖漿侵入體,存在大量構(gòu)造應(yīng)力高度集中的地質(zhì)環(huán)境。隧道在施工過(guò)程中可能會(huì)遇到高地應(yīng)力環(huán)境,在隧道埋深較大時(shí),存在高巖爆風(fēng)險(xiǎn),硬脆圍巖易發(fā)生巖爆,而軟質(zhì)圍巖可能發(fā)生大變形,構(gòu)造強(qiáng)烈的區(qū)域,硬質(zhì)巖破碎帶也可能產(chǎn)生大變形。
1.3.6 高地溫、高溫?zé)崴?/p>
川藏鐵路昌都至林芝區(qū)域地處西南地?zé)釒В摰責(zé)釒а匮鹏敳夭冀?,?jīng)三江并流區(qū),折向東南經(jīng)高黎貢山進(jìn)入云南騰沖火山區(qū),這是我國(guó)大陸上地?zé)峄顒?dòng)最強(qiáng)烈的地帶。川藏鐵路昌都至林芝段所經(jīng)過(guò)的藏東南地區(qū)大地?zé)崃髅芏戎蹈?,平?0~100 mw/m2,而地下熱水密集區(qū)常沿晚近期有強(qiáng)烈活動(dòng)的斷裂帶呈條狀分布[1],在區(qū)域范圍內(nèi)主要存在三處地?zé)岙惓В饕袨憸娼瓟嗔褞?、怒江斷裂帶、雅江縫合帶,初步預(yù)測(cè)隧道受地?zé)岙惓S绊?,部分地段洞?nèi)溫度可達(dá)60 ℃??紤]地溫梯度、地表溫度、地形、地下水的影響,在埋深達(dá)到800~1 000 m以上的隧道,可能存在高地溫的風(fēng)險(xiǎn)[7]。
鐵路是典型的帶狀工程構(gòu)筑物,由橋隧等重點(diǎn)工程串聯(lián)而成,川藏鐵路昌都至林芝段線路全長(zhǎng)約374 km,橋隧比高達(dá)98.3 %,橋梁、隧道、重點(diǎn)車(chē)站的安全性決定了整個(gè)線路的通暢性。運(yùn)用德?tīng)柗品ê鸵蜃臃治龇ǎ治鰳蛄?、隧道、重點(diǎn)車(chē)站可能會(huì)面臨的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn),在工程建設(shè)源頭—工程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),做好風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避、風(fēng)險(xiǎn)防控工作,提前考慮地質(zhì)災(zāi)害的影響,避免施工、運(yùn)營(yíng)期間災(zāi)害的發(fā)生,從而達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的目的。
川藏鐵路昌都至林芝段地貌形態(tài)主要受青藏高原地貌隆升的影響,總體地勢(shì)西高東低,地勢(shì)急劇隆升抬起,河流急劇侵蝕下切,為典型的“V”形高山峽谷地貌。鐵路穿越橫斷山高山峽谷區(qū)和藏南嶺谷地區(qū)時(shí),橋墩設(shè)置困難,橋梁主要考慮大跨通過(guò),川藏鐵路昌都至林芝段正線設(shè)置橋梁18座,全長(zhǎng)29.4 km,橋梁比例7.9 %。高山峽谷區(qū)的橋梁安全風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)源于自然降雨和冰壺潰決所引發(fā)的洪水、滑坡、崩塌、泥石流、落石、雪崩,峽谷地區(qū)峽谷風(fēng)的橫向力對(duì)橋梁的威脅也比較大,地殼運(yùn)動(dòng)活躍的區(qū)域地震以及次生災(zāi)害帶來(lái)的影響不可忽視。地震對(duì)橋梁的破壞主要是由于地表破壞和橋梁受震破壞引起的,其中地表破壞有地裂、滑坡、塌方、岸坡滑移和砂土液化等現(xiàn)象[8]。地裂會(huì)造成橋梁跨度的縮短、伸長(zhǎng)或墩臺(tái)下沉。在陡峻山區(qū)或砂性土和軟粘土河岸處,強(qiáng)烈地震引起的塌方、岸坡滑動(dòng)以及山石滾落,可使橋梁遭到破壞。
川藏鐵路昌都至林芝段穿越他念他翁山、伯舒拉嶺、念青唐古拉山,正線設(shè)置隧道16座,全長(zhǎng)338.3 km,隧道比例高達(dá)90.4 %,可以說(shuō)是一條名副其實(shí)的“高原地鐵”。昌都至林芝段行經(jīng)區(qū)域特殊的地形地貌、活躍的地質(zhì)災(zāi)害和破碎的山體結(jié)構(gòu),隧道埋深普遍都比較深,隧道洞身部分可能會(huì)面臨高地溫、強(qiáng)巖爆、大變形、斷層等問(wèn)題,地殼巖層在外部壓力作用下發(fā)生破裂,并且沿隧道破裂面產(chǎn)生了相對(duì)移動(dòng),容易引發(fā)塌方、落石、涌水、突水、掉塊等地質(zhì)災(zāi)害。困難艱險(xiǎn)山區(qū),隧道除了洞身部分面臨高的風(fēng)險(xiǎn)外,洞口位置也面臨巨大的威脅,陡峭的山體結(jié)構(gòu)、破碎的巖體表面、發(fā)育的地質(zhì)災(zāi)害是隧道洞口面臨的主要風(fēng)險(xiǎn),這也使得隧道洞口的選擇異常困難。
川藏鐵路昌都至林芝段線路經(jīng)過(guò)區(qū)域多位于高山峽谷區(qū),很難有理想的開(kāi)闊平地建設(shè)車(chē)站,部分車(chē)站只能設(shè)置在橋梁上或隧道里。車(chē)站安全面臨的威脅主要來(lái)自河谷水流沖刷和山谷間的滑坡、崩塌、泥石流、落石等災(zāi)害,高山落石和泥石流可能會(huì)損壞車(chē)站設(shè)施,高山峽谷區(qū)高山融雪和自然降雨都會(huì)引起水位變化,對(duì)車(chē)站有一定的影響。
鐵路的災(zāi)害主要發(fā)生在施工和運(yùn)營(yíng)期間,而災(zāi)害發(fā)生時(shí)鐵路所面臨災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的大小在一定程度上取決于設(shè)計(jì)的合理程度。在設(shè)計(jì)階段充分考慮各種災(zāi)害的潛在威脅,權(quán)衡各個(gè)致災(zāi)因子的影響程度,合理優(yōu)化線路走向和工程設(shè)置,不僅能夠從源頭上避免災(zāi)害的不利影響,還能提升鐵路全生命周期的綜合效益。
復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)特殊的地形地貌和地質(zhì)環(huán)境,在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的選定時(shí)既要考慮一定的安全富余,又要因地制宜地考慮適應(yīng)該區(qū)域的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),特別是牽引種類和限制坡度的選擇。應(yīng)該貫徹移動(dòng)設(shè)備適應(yīng)固定設(shè)備的理念,在滿足運(yùn)營(yíng)安全的前提下,采用大功率的電力機(jī)車(chē)牽引技術(shù),川藏鐵路建設(shè)周期較長(zhǎng),可以考慮一定的技術(shù)預(yù)期,用未來(lái)的技術(shù)水平來(lái)研究設(shè)計(jì)階段的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。川藏鐵路復(fù)雜的地貌環(huán)境,高橋長(zhǎng)隧在所難免,在滿足運(yùn)輸和列車(chē)安全運(yùn)營(yíng)的條件下,考慮用足限制坡度,減少線路展線,轉(zhuǎn)變用線路展長(zhǎng)和土建工程來(lái)?yè)Q取坡度減緩的思路。用足限制坡度不僅可縮短線路長(zhǎng)度,其工程建設(shè)費(fèi)、防災(zāi)減災(zāi)費(fèi)和長(zhǎng)遠(yuǎn)期運(yùn)營(yíng)費(fèi)也會(huì)有明顯的降低[9]。
川藏鐵路起伏的自然地貌使得鐵路工程設(shè)計(jì)和施工都十分困難,很難選擇理想的區(qū)域設(shè)置橋隧、車(chē)站等工程構(gòu)筑物。盡量選擇與線路走向一致、岸坡平緩、兩岸開(kāi)闊、地質(zhì)條件較好的溝谷,不僅可以有效地客服高程障礙,還可以有效的減少地質(zhì)災(zāi)害的影響[10]。線路行經(jīng)區(qū)域緩坡地段工程設(shè)置容易,但存在大面積的溜砂坡、巖堆、冰磧物等松散堆積體,沿線區(qū)域?yàn)?zāi)害規(guī)模大,清坡和治理,對(duì)自然的擾動(dòng)較大,工程艱巨,往往不夠現(xiàn)實(shí),還容易引發(fā)次生災(zāi)害。陡坡巖性條件較好,開(kāi)挖對(duì)周邊的影響較小一些,適當(dāng)防護(hù)即可保持穩(wěn)定,但輔助道路等設(shè)置困難。
川藏鐵路昌都至林芝段線路需要經(jīng)過(guò)瀾滄江、怒江、帕隆藏布、雅魯藏布江及其支流,溝谷底部存在大量崩塌、滑坡、泥石流的沖擊區(qū)和堆積場(chǎng),為重災(zāi)、群災(zāi)的多發(fā)地帶。繞避災(zāi)害歷來(lái)是山區(qū)鐵路減災(zāi)的首選原則,對(duì)災(zāi)害區(qū)進(jìn)行合理繞避,做到繞有依據(jù)、治有辦法,保證鐵路建成后不留后患,盡量縮短線路經(jīng)過(guò)地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)地段的長(zhǎng)度。線路應(yīng)繞避穩(wěn)定性差、大型堆積體和錯(cuò)落群,避開(kāi)地形零亂,坡腳有地下水出露的山坡。如必須要沿河谷,線路宜選擇從巖性單一且?guī)r體完整性較好的地段通過(guò)。在繞避時(shí)要進(jìn)行不同繞避方案的比選,減少不必要的展線。
昌都至林芝段線路走向與山系、構(gòu)造線、斷裂帶基本成正交,為了克服高程障礙,盡可能地減少沿河展線而誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害的不利影響,應(yīng)貫徹以正交的方式高橋大跨飛越瀾滄江、怒江東久曲等大江大河,以正交或大角度方式長(zhǎng)隧穿越他念他翁山、念青唐古拉山等主要山系。在線路必須經(jīng)過(guò)的瀾滄江斷裂帶、怒江斷裂帶、邊壩-洛隆-八宿斷裂帶、嘉黎斷裂帶、雅江縫合帶、米林-魯朗斷裂帶區(qū)域時(shí),考慮線路盡可能以正交或大角度方式穿過(guò)斷裂帶,減少線路與斷裂帶的并行長(zhǎng)度,在斷裂帶相交的區(qū)域,要避免設(shè)置重大復(fù)雜工程構(gòu)筑物,以簡(jiǎn)易工程通過(guò)。
昌都至林芝段線路必須要穿過(guò)高山峽谷區(qū),該區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍,地質(zhì)災(zāi)害復(fù)雜,定線愈低的沿河線路,所經(jīng)山地災(zāi)害地段愈長(zhǎng),易損的可能性愈大,成災(zāi)愈嚴(yán)重。選線工作的重點(diǎn)在于確定災(zāi)害群的影響范圍及對(duì)線路影響最小的上界位置,將災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)降到最低限度。群災(zāi)、重災(zāi)的沿河線段要貫徹寧高勿低的選線原則,盡量將線路標(biāo)高定在山地災(zāi)害群的上界,線路應(yīng)以挖方通過(guò)崩塌滑坡體的上部、用橋梁從泥石流的流通區(qū)或出山口跨越為宜。通過(guò)調(diào)查部分區(qū)域發(fā)現(xiàn)溫泉,對(duì)于存在高地溫、高地?zé)嵊绊懙膮^(qū)域,要考慮地?zé)岬姆植家?guī)律和施工救援的方便,線路應(yīng)遵循“傍山高位”的定線原則,隧道平面上靠近山邊或溝谷,立面上走高減少埋深。線路傍山有利于輔助坑道的施工,如遇到高地?zé)岷透叩販氐那闆r發(fā)生時(shí),可以就近選擇開(kāi)挖輔助坑道用于通風(fēng)和排水,保證隧道的正常施工。按照地?zé)岱植家?guī)律,越往地表水溫越低,線路高程走高可以減少溫泉熱水的不利影響。此外,隧道洞口和橋臺(tái)位置的選擇都要按照“下穩(wěn)上凈”的原則,遠(yuǎn)離不良地質(zhì)體,重大工程構(gòu)筑物應(yīng)設(shè)置在災(zāi)害影響范圍之外的區(qū)域內(nèi)[10]。
地質(zhì)災(zāi)害是在復(fù)雜環(huán)境共同作用影響下發(fā)生的,很難對(duì)災(zāi)害情況進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)估,在線路勘察設(shè)計(jì)階段要加強(qiáng)地質(zhì)科研工作,運(yùn)用新的勘測(cè)技術(shù)并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地踏勘,準(zhǔn)確判別地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)及其規(guī)模,研究滑坡、崩塌的影響范圍,確定線路中心位置;分析河谷水位和雍水高,確定橋梁墩臺(tái)高度;模擬災(zāi)害發(fā)生情況,設(shè)置防護(hù)措施。通過(guò)理論分析結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,強(qiáng)化地質(zhì)科研結(jié)論指導(dǎo)工程構(gòu)筑物的優(yōu)化設(shè)置。路線方案的選擇應(yīng)視滑坡的規(guī)模、穩(wěn)定性和治理的難易程度而定,線路通過(guò)滑坡的位置原則上應(yīng)力求不惡化滑坡的穩(wěn)定性,選擇有利于滑坡的穩(wěn)定和路線安全的位置通過(guò)。在災(zāi)害多發(fā)區(qū)段選線時(shí),不僅要正確的判斷災(zāi)害的性質(zhì)、種類、現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì),還要充分估計(jì)工程實(shí)施后災(zāi)害的發(fā)展變化情況。通過(guò)地質(zhì)科研攻關(guān),指導(dǎo)線路方案的研究,優(yōu)化工程構(gòu)筑物的設(shè)置。
(1)復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)的減災(zāi)選線要因地制宜,選擇開(kāi)闊的自然溝谷,減少對(duì)自然的擾動(dòng),保持山體的自平衡狀態(tài),降低地質(zhì)災(zāi)害對(duì)鐵路的影響。
(2)復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)的減災(zāi)選線要建立在地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)之上,要加強(qiáng)地質(zhì)調(diào)查工作,全面識(shí)別區(qū)域內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn),合理確定線路走向和線位高程,規(guī)避地質(zhì)災(zāi)害的潛在風(fēng)險(xiǎn)。
(3)復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)的減災(zāi)選線要繞避重大災(zāi)害點(diǎn),跨河、進(jìn)洞躲避山地災(zāi)害群,采用長(zhǎng)隧穿山、大跨越江的方式縮短地質(zhì)災(zāi)害區(qū)的線路長(zhǎng)度。
(4)復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)選線還要樹(shù)立安全、舒適、環(huán)境保護(hù)的理念,要達(dá)到最大限度地保護(hù)、最小程度地影響、最強(qiáng)力度地恢復(fù)自然環(huán)境的目的。