張永雙 ，郭長寶 ，李向全 ，畢俊擘 ，馬劍飛 ，劉 峰

（1.中國地質(zhì)科學院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北 石家莊 050061；2.中國地質(zhì)調(diào)查局第四紀年代學與水文環(huán)境演變重點實驗室，河北 石家莊 050061；3.中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所，北京 100081）

川藏鐵路是我國區(qū)域重大交通戰(zhàn)略工程，東起四川省成都市，向西經(jīng)雅安、康定、昌都、林芝、山南到拉薩，全長1 543 km。復雜的地質(zhì)演化歷史導致鐵路廊道地質(zhì)環(huán)境條件差異大，水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)問題復雜多變，故川藏鐵路建設采取了總體規(guī)劃、分段實施的思路。成都—雅安段于2018年12月通車，拉薩—林芝段于2021年6月通車。雅安—林芝段于2020年9月批復實施，該段長1 008.45 km，穿越8座4 000 m以上的高山，跨過7條大江大河，橋隧占比達95.8%，長度超過15 km的隧道20座，成為世界上最難修建的鐵路[1]。

川藏鐵路穿越的青藏高原東部是世界上地質(zhì)條件最復雜、構造活動最強烈的地區(qū)。高原快速隆升導致河流下切作用增強，形成高山峽谷地貌。鐵路沿線歷史上曾多次發(fā)生強震，康定—道孚和波密—林芝兩個地區(qū)的地震動峰值加速度達到或接近0.3g，部分地段超過0.4g（圖1）。

圖1 川藏鐵路廊道地質(zhì)背景圖Fig.1 Geological background of Sichuan-Tibet traffic corridor

長期以來，國內(nèi)外學者對青藏高原的地質(zhì)研究積淀較厚，但在工程建設領域仍有很多地質(zhì)問題尚未認知，甚至以往從未遇到。近十余年來，圍繞川藏鐵路建設，大批科研和工程技術人員開展了卓有成效的工作，對川藏鐵路建設的地質(zhì)安全風險有了總體認識[2-4]，但仍有不少問題需要從地球系統(tǒng)科學視角進一步探索。本文試圖結(jié)合川藏鐵路前期工作進展，剖析工程建設及運營中面臨的關鍵水工環(huán)地質(zhì)問題，并從公益性地質(zhì)調(diào)查和工程建設地質(zhì)工作的角度提出相關對策建議，期望對水工環(huán)地質(zhì)學科發(fā)展有一定促進作用。

1 川藏鐵路廊道地質(zhì)工作的簡要回顧

川藏鐵路的規(guī)劃建設經(jīng)歷了百年歷程。早在民國初年，孫中山先生就提出“川藏鐵路事關中國國家安危存亡”。新中國成立以來，在20世紀50年代，原鐵道部第二勘察設計院開始對川藏鐵路開展前期勘察和專題研究工作，20世紀90年代進入初步選線階段。1997年10月原鐵道部計劃司召開進藏鐵路方案研討會，確定了滇藏鐵路和青藏鐵路作為進藏鐵路的兩大方案[5]，川藏鐵路處于暫緩狀態(tài)。在2011年3月通過的“十二五”規(guī)劃綱要中，再次提出研究建設川藏鐵路。2014年12月，川藏鐵路成都—雅安段開工建設、拉薩—林芝段控制性工程開工建設。2020年9月國家發(fā)展改革委批復同意建設川藏鐵路雅安—林芝段，標志著這一重大工程正式進入全面實施階段。2020年11月8日，川藏鐵路雅安—林芝段開工建設。

1.1 區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作

川藏鐵路相關的地質(zhì)工作與青藏高原的基礎地質(zhì)研究割離不開，最早可追溯到19世紀末20世紀初[6]。系統(tǒng)的地質(zhì)調(diào)查工作始于20世紀50年代，陸續(xù)開展了1∶100萬和1∶20萬區(qū)域地質(zhì)、礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查；1980年，原地質(zhì)礦產(chǎn)部青藏高原綜合地質(zhì)調(diào)查大隊會同有關地礦局，在分析已有資料和綜合研究的基礎上，編制出版了青藏高原及鄰區(qū)1∶150萬地質(zhì)圖。20世紀90年代，鐵路沿線1∶20萬地質(zhì)圖相繼出版，但由于青藏高原氣候環(huán)境差、工作條件艱苦，地質(zhì)調(diào)查和勘測程度普遍較低。自2000年開始，中國地質(zhì)調(diào)查局組織實施青藏高原空白區(qū)1∶25萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查計劃，截至2014年，青藏高原1∶25萬地質(zhì)圖幅全部完成出版，對青藏高原的地質(zhì)認識不斷提高。2018年以來，川藏鐵路沿線1∶5萬地質(zhì)調(diào)查工作加快推進，預計2021年全面完成鐵路沿線帶狀地質(zhì)圖，將為鐵路設計和建設提供重要的基礎地質(zhì)支撐。

1.2 水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查工作

川藏鐵路廊道部署了一系列公益性水工環(huán)地質(zhì)工作，但總體工作程度較低。相較而言，水文地質(zhì)調(diào)查比較系統(tǒng)，工程地質(zhì)工作以地質(zhì)災害調(diào)查為主，環(huán)境地質(zhì)工作以專題性調(diào)查為主。

在水文地質(zhì)方面，二十世紀七八十年代起開展了區(qū)域水文地質(zhì)普查工作，初步查明了區(qū)域水文地質(zhì)條件。川西地區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查精度為1∶50萬[7-9]，藏東地區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查精度僅為1∶100萬[10-11]。有關的成果主要涉及巖溶水、斷裂帶水和地下熱水（高溫熱害）。理塘—義墩幅、康定—寶興幅等1∶50萬水文地質(zhì)調(diào)查報告論述了區(qū)內(nèi)巖溶地貌基本特征、巖溶含水層分布及富水性。此外，崔之久[12]、朱學穩(wěn)[13]、張之淦[14]研究了上新世以前形成的古巖溶地貌特征及現(xiàn)代冰川作用對巖溶發(fā)育的影響。張恒等[15]分析了活動構造帶對熱水形成的控制作用。李曉等[16]和張春潮等[17]利用水化學及同位素方法，研究了康定、察雅地下熱水的補給來源和循環(huán)深度，分析了地下熱水成因?？傮w上，川藏鐵路廊道水文地質(zhì)調(diào)查和研究程度偏低，基巖水文地質(zhì)工作程度更低。

在工程地質(zhì)和地質(zhì)災害方面，為最大限度降低地質(zhì)災害對公眾生命和財產(chǎn)的危害，20世紀90年代以來，國家和地方陸續(xù)部署開展了以縣域為單元的1∶10萬地質(zhì)災害調(diào)查與區(qū)劃，初步查明了全國地質(zhì)災害分布特征[18]。2010年以后，中國地質(zhì)調(diào)查局和地方政府組織實施了部分縣域1∶5萬地質(zhì)災害調(diào)查，進一步查明了縣域內(nèi)地質(zhì)災害發(fā)育特征和分布規(guī)律。2014年以后，在川藏鐵路沿線及鄰區(qū)組織開展以圖幅為單元的1∶5萬地質(zhì)災害調(diào)查工作，但尚未實現(xiàn)全覆蓋。

對于環(huán)境地質(zhì)的界定，有不同的認識。2010年以來，鐵路沿線部分地區(qū)（昌都縣、芒康縣、乃東縣、洛隆縣、林芝縣）開展的1∶5萬環(huán)境地質(zhì)調(diào)查屬于廣義的水工環(huán)綜合調(diào)查。不少研究者對川藏鐵路從施工到運營面臨的諸多環(huán)境地質(zhì)問題給予了高度關注，例如，隧道工程對地下水環(huán)境會造成一定影響，主要表現(xiàn)在地下水疏排對植被和濕地生態(tài)環(huán)境、居民生產(chǎn)生活用水的影響以及地下熱水、成礦帶地下水疏排對受納水體的影響等[19]。隨著研究的不斷深入，環(huán)境地質(zhì)工作將逐漸擴展到生態(tài)環(huán)境和生態(tài)保護修復領域。

1.3 專項地質(zhì)調(diào)查和研究工作

原鐵道部第二勘察設計院在20世紀60年代就開始了川藏鐵路的地質(zhì)考察工作，并編制完成《川藏高原鐵路考察報告》等，2000年以后開展了鮮水河方案、新龍方案和巴塘方案、波密/通麥方案的比選，2017年完成了《川藏鐵路昌都至林芝段預可行性研究》。2018年10月起，根據(jù)國鐵集團（原中國鐵路總公司）的統(tǒng)一部署，相關鐵路勘察設計單位圍繞鐵路選線、勘察設計和施工中可能面臨的問題，開展了較為系統(tǒng)的地質(zhì)勘察工作，完成全線1∶5萬遙感解譯、工程地質(zhì)測繪和重點地段1∶2000～1∶10 000測繪，在重點地段部署了航空物探、地面物探、鉆探、地應力測量和綜合測井等工作，并與國內(nèi)有關地質(zhì)勘查單位、科研院所、高等院校等合作開展了活動斷裂、地質(zhì)災害、高地應力（巖爆和大變形）、高地溫和高溫熱水、巖溶及斷裂帶涌突水等專題研究，于2019年6月完成了可行性研究，2020年6月完成加深地質(zhì)工作，為鐵路工程可研報批、建設施工積累了大量地質(zhì)資料。

自2008年以來，中國地質(zhì)調(diào)查局在西南地區(qū)部署了一系列與國家重大工程相關的專項地質(zhì)調(diào)查工作，特別是2013—2015年組織開展了川藏鐵路沿線活動斷裂調(diào)查與地質(zhì)災害效應評價[20]，2018年以來組織開展了川藏鐵路全線1∶5萬區(qū)域地質(zhì)、地質(zhì)災害、水文地質(zhì)與地熱地質(zhì)調(diào)查等，初步查明了鐵路沿線及鄰區(qū)地層巖性與地質(zhì)構造、活動斷裂發(fā)育特征與地殼穩(wěn)定性、工程地質(zhì)與地質(zhì)災害、水文地質(zhì)與地熱地質(zhì)等特征，先后提交了《川藏鐵路推薦線路方案地質(zhì)咨詢報告》（2019）和《川藏鐵路建設地質(zhì)安全風險評價報告》（2020），為川藏鐵路規(guī)劃建設提供了有力支撐。

2020年國家自然科學基金委專門啟動了“川藏鐵路重大基礎科學問題”專項，圍繞高原東部深部物質(zhì)結(jié)構構造及動力演化過程、高原峽谷區(qū)內(nèi)外動力耦合致災機理、深埋超長隧道工程災變機制、鐵路重大災害風險識別與預測等問題開展研究。國家科學技術部與國鐵集團聯(lián)合，針對川藏鐵路建設面臨的地質(zhì)安全風險、工程技術風險和生態(tài)環(huán)境風險，策劃并擬于2021年實施相應的重點研發(fā)工作。此外，部分工程建設單位針對具體工程問題開展了一系列技術攻關[21]。

專項地質(zhì)調(diào)查工作進一步明晰了川藏鐵路建設面臨的地質(zhì)安全風險，明確提出區(qū)域活動斷裂、地質(zhì)災害與高邊坡、高地應力與隧道巖爆和大變形、隧道高溫熱害與涌水突泥等是制約鐵路建設的關鍵地質(zhì)問題。

2 鐵路建設面臨的水工環(huán)地質(zhì)問題

2.1 主要水文地質(zhì)問題

（1）高原構造巖溶高壓突涌水問題

青藏高原復雜的地質(zhì)構造條件造就了川藏鐵路廊道獨特的高原構造巖溶類型，極易發(fā)生隧道高壓突涌水災害，直接影響鐵路安全施工。調(diào)查分析表明，鐵路全線共分布75套碳酸鹽巖地層（圖2），時代貫穿震旦紀至三疊紀，巖性以灰?guī)r、白云巖和大理巖為主，巖溶分布明顯受鮮水河斷裂帶、金沙江斷裂帶、瀾滄江斷裂帶、怒江斷裂帶、嘉黎斷裂帶等區(qū)域性構造帶控制，主要分布于二郎山—康定、巴塘—羅麥、貢覺—昌都、邦達—康玉、多吉—魯朗等5個主要區(qū)段，涉及的主要隧道有莫西、格聶山、東達山、紅拉山、芒康山、果拉山、夏里、康玉、易貢和多吉等隧道。

圖2 川藏鐵路廊道區(qū)域水文地質(zhì)簡圖Fig.2 Sketch map of regional hydrogeology along the Sichuan-Tibet Railway corridor

川藏鐵路廊道構造巖溶具有以下基本特征：①巖溶洞穴沿斷裂、褶皺構造線分布，70%的巖溶洞穴發(fā)育在構造影響帶內(nèi)；②巖溶水存在高位穩(wěn)定補給源，海拔5 000 m左右的冰蝕臺塬區(qū)廣泛發(fā)育溶蝕洼地、落水洞等，成為地下水高位補給區(qū)；③區(qū)域構造控制巖溶水主徑流帶發(fā)育，地下水經(jīng)構造巖溶發(fā)育帶，呈管道流向下游徑流，以巖溶大泉形式集中排泄，泉流量可達100～40 000 m3/d；④巖溶地下水徑流途徑一般較長，可以穿越若干地表次級流域單元，最遠常達數(shù)十公里；⑤地下水循環(huán)深度大，補給區(qū)與排泄區(qū)高差多在1 000 m以上，常導致水溫和水壓都偏高。

（2）斷裂帶基巖裂隙高壓突水突泥問題

大型斷裂帶地下水同樣具有高位補給、遠程運移、水動力條件強勁和壓高量大的特點。沿大型斷裂帶地下水不斷接受冰川融雪補給、地表水滲漏補給、上覆第四系孔隙水補給以及基巖風化裂隙水補給，以致下游表現(xiàn)為水量充沛、高水頭的水力性質(zhì)。川藏鐵路穿越多條區(qū)域性活動斷裂帶，次級斷裂及牽引褶皺普遍發(fā)育，斷裂帶穿越花崗巖、火山巖、砂巖和板巖等硬質(zhì)巖區(qū)段，巖石破碎，斷裂破碎帶膠結(jié)差，為地下水提供了良好的賦存場所和運移通道。例如，金沙江斷裂帶闊達曲一帶泉流量可達78.72 L/s，卡孜拉山斷裂帶水平鉆孔單孔涌水量達50 L/s。

（3）高溫熱水熱害問題

川藏鐵路廊道位于地中?！蟻喌責岙惓?，其大地熱流值由東向西逐漸變大，變化范圍60～127 mW/m2，平均值76.3 mW/m2，高于全球陸區(qū)平均值61.2 mW/m2，屬于大地熱流高異常區(qū)。雅安—林芝段穿越6條大型地熱活躍帶，與區(qū)域性活動斷裂帶密切相關。①鮮水河地熱帶主要受鮮水河斷裂帶控制，溫泉出露較多，多高于60 ℃，如康定榆林宮耶姆擦沸泉高達85 ℃。②甘孜—理塘地熱帶主要受甘孜—理塘活動斷裂控制，出露溫泉最多，54.8%的溫泉高于40 ℃，甘孜縣拖把鄉(xiāng)溫泉高達89 ℃。③金沙江地熱帶主要受巴塘斷裂控制，巴塘段地溫高、沸泉多、水活動強烈，其中杠日隆沸泉高達97 ℃。④瀾滄江地熱帶受瀾滄江斷裂帶控制，呈西北—東南向帶狀展布，屬于中低溫地熱異常區(qū)，出露溫泉一般低于40 ℃，區(qū)域熱害程度相對較弱。⑤怒江—八宿地熱帶受怒江斷裂控制，出露溫泉大多40～60 ℃。⑥嘉黎—察隅地熱帶主要受嘉黎—察隅斷裂帶和雅魯藏布江斷裂帶控制，在斷裂交匯處形成地熱異常區(qū)，出露溫泉多高于60 ℃，其中通麥鎮(zhèn)熱泉達92 ℃（圖3）。

圖3 川藏鐵路廊道地熱異常區(qū)分布圖Fig.3 Distribution of geothermal anomalous areas along the Sichuan-Tibet Railway corridor

受高溫熱害影響，鐵路隧道建設存在高壓熱水、高溫巖體、熱水侵蝕等熱害問題，對康定隧道、折多山隧道、拉月隧道等深埋隧道施工安全構成嚴重威脅。拉薩—林芝段桑珠嶺隧道在建設過程中遇到了嚴重高溫熱害問題，隧道內(nèi)巖溫最高達89.9 ℃，洞內(nèi)溫度最高達56 ℃，是目前國內(nèi)鐵路隧道修建中遇到的最高巖溫隧道[22]。

2.2 主要工程地質(zhì)問題

青藏高原東緣內(nèi)外動力地質(zhì)作用強烈交織與轉(zhuǎn)化，不僅是新構造活動帶、差異隆升和深切峽谷分布區(qū)，而且是特殊不良地質(zhì)體的集中發(fā)育區(qū)。潘桂棠等[23]認為川藏鐵路雅安—林芝段穿越7條混雜巖帶，伴隨中新世以來高原強烈隆升均轉(zhuǎn)化為活動構造帶、地熱活躍帶和地質(zhì)災害頻發(fā)帶。因此，川藏鐵路建設面臨多種復雜工程地質(zhì)問題。

（1）活動斷裂斷錯與強震災害

川藏鐵路廊道晚更新世以來的活動斷裂極為發(fā)育、規(guī)模巨大且活動性強。研究表明，川藏鐵路穿越龍門山斷裂帶、鮮水河斷裂帶、玉農(nóng)希斷裂帶、理塘—德巫斷裂帶、巴塘斷裂帶、瀾滄江斷裂帶（巴青—類烏齊斷裂）、怒江斷裂帶（羊達—亞許斷裂、邦達斷裂）、邊壩—洛隆斷裂帶、嘉黎—察隅斷裂帶和魯朗—易貢斷裂帶等10余條全新世活動斷裂帶[24]，以及大渡河斷裂帶、金沙江斷裂帶、香堆—洛尼斷裂帶等3條晚更新世活動斷裂帶（圖1），每條活動斷裂帶又包含多條次級斷裂，如鐵路穿越鮮水河斷裂帶的雅拉河斷裂、色拉哈—康定斷裂、折多塘斷裂和木格措南斷裂等4條次級斷裂[25]，故對鐵路具有危害性的活動斷裂達40余條?；顒訑嗔巡粌H可直接造成工程斷錯，而且斷裂活動誘發(fā)的強震和斜坡地質(zhì)災害[26]，嚴重威脅鐵路安全。

（2）高地應力與深埋隧道巖爆和大變形

受板塊構造擠壓作用以及塊體內(nèi)部構造活動等因素影響，鐵路廊道處于水平構造應力為主導的復雜地應力環(huán)境[27-28]，具有應力值高、方向多變等特點。川藏鐵路雅安—康定段、拉薩—林芝段最大水平主應力的梯度分別為7.1 MPa/100 m、5.7 MPa/100 m[24]，高于青藏地塊背景值2.9 MPa/100 m。雅安—康定段高爾寺山隧道實測最大主應力值達74.4 MPa[3]，在郭達山鉆探巖心中出現(xiàn)餅狀巖心（圖4），最大水平主應力方向以NWW—NW向為主。拉薩—林芝段色季拉山隧道實測最大主應力值達76 MPa[3]，最大水平主應力方向以近NS—NNE向為主。康定—林芝段區(qū)域構造應力場最大水平主應力方向由NW向NNE偏轉(zhuǎn)，鐵路線與區(qū)域最大水平主應力方向夾角在5°～45°之間。

圖4 郭達山隧道鉆孔餅狀巖心發(fā)育特征Fig.4 Characteristics of the pie-shaped core of a borehole in the Guodashan tunnel

川藏鐵路擬規(guī)劃新建隧道72座，總長838.2 km，最長隧道達40 km以上，埋深達2000 m以上。高地應力對鐵路建設的突出影響表現(xiàn)為深埋隧道圍巖巖爆和大變形，如2014年12月開工建設的拉薩—林芝段桑珠嶺隧道全長16.5 km，巖爆段長達9.5 km，施工中共發(fā)生16 000多次巖爆，嚴重影響隧道建設安全。對于軟質(zhì)圍巖，易導致大變形，如拉薩—林芝段藏噶隧道DK169+025—DK169+090附近，從2017年4月25日開始出現(xiàn)變形，至2017年9月6日累計最大變形量達1.5 m，初期支護鋼架被剪斷，嚴重影響了隧道施工安全。

（3）特殊巖土體的不良工程特性與災害效應

川藏鐵路廊道地層巖性復雜，其穿越的雅魯藏布江蛇綠混雜巖帶、嘉黎—帕龍藏布蛇綠混雜巖帶、怒江俯沖增生雜巖帶、瀾滄江增生雜巖帶、金沙江增生雜巖帶、甘孜—理塘增生雜巖帶及爐霍—康定蛇綠混雜巖帶等，寬度從幾十米到幾十公里不等，混雜巖帶內(nèi)的巖體具有結(jié)構復雜、空間變化快、易蝕變、力學性質(zhì)差異大等特點（圖5），是隧道和邊坡工程可能遇到的特殊巖體[29]。特別是黏土化蝕變軟巖易誘發(fā)隧道大變形和邊坡失穩(wěn)，由于以往研究程度低，值得格外關注。

圖5 構造混雜巖帶中的黏土化蝕變軟巖發(fā)育特征Fig.5 Development characteristics of clay-altered soft rock in structural mélange

（4）高位遠程滑坡災害鏈

川藏鐵路廊道高位遠程地質(zhì)災害及災害鏈極為發(fā)育且典型[30-31]，主要分布在大江大河兩側(cè)，如易貢滑坡[32-33]、白格滑坡[34]，具有隱蔽性、突發(fā)性、鏈生性和巨大危害性，對鐵路大橋和隧道進出口工程施工和安全運營構成嚴重威脅。鐵路在穿越區(qū)域性活動斷裂帶時，也面臨大型-巨型高位遠程滑坡災害鏈。此外，遙感調(diào)查揭示鐵路兩側(cè)各30 km范圍發(fā)育冰崩災害鏈66處，其中11處冰湖潰決和4處堵潰鏈式災害主要分布在帕隆藏布流域、易貢藏布流域等冰川冰湖集中發(fā)育區(qū)，對波堆藏布特大橋、波密車站、東久曲特大橋和易貢藏布大橋等可能構成潛在危害。

2.3 主要環(huán)境地質(zhì)問題

我國科研工作者對環(huán)境地質(zhì)問題的認識不斷向廣義延伸，逐漸擴展到了生態(tài)地質(zhì)、生態(tài)環(huán)境等方面。隨著川藏鐵路規(guī)劃建設全面啟動，應重點關注以下環(huán)境地質(zhì)問題。

（1）含煤地層和熱液礦床酸性水腐蝕問題

川藏鐵路穿越9套石炭紀、二疊紀、三疊紀和白堊紀含煤地層，其中硫化物在水的侵蝕作用下，易氧化水解形成酸性水，腐蝕鐵路設施。在地表析出的鹽類沉淀物除了瀉鹽（MgSO4·7H2O）和石膏（CaSO4·2H2O）外，多為成分和性質(zhì)非常復雜的礬類沉淀物。1∶10水提取液的pH值除個別樣品呈弱堿性外，含鎂葉綠礬、葉綠礬、黃鉀鐵礬等硫酸鹽沉淀物均呈強酸性，加之這些沉淀物富含結(jié)晶水，因此具有強溶解性、強膨脹性、強腐蝕性（表1）。此外，鐵路廊道還分布一些熱液礦床，在礦床氧化帶表面或地下水溢出帶周邊，也易形成酸性水，可能對工程造成潛在危害[35]。

表1 八宿-然烏一帶鹽類沉淀物礦物成分及工程評價Table 1 Mineral composition and engineering evaluation of salt deposits in Basu-Ranwu region

（2）濕地生態(tài)退化演替問題

受南北向高大山系和東亞季風及印度季風氣候控制，青藏高原東緣水文與環(huán)境系統(tǒng)地域差異顯著。在氣候變化及人類活動共同影響下，植被涵養(yǎng)水源、保持水土的功能發(fā)生改變，生態(tài)退化加劇了生態(tài)-水文-巖土之間關系的快速變化。例如，毛埡壩盆地是典型的高寒生態(tài)草原區(qū)，受大氣降水、地表水和地下水等多源水支撐維系，理塘河從盆地中部穿過，多年平均徑流量13.29×108m3，河水滲漏補給盆地第四系孔隙水。盆地西側(cè)的碳酸鹽巖裂隙巖溶水以大泉形式向盆地排泄，也是重要的補給水源。鐵路建設可能影響盆地多源水轉(zhuǎn)化，制約草原生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展。

（3）鐵路建設與敏感生態(tài)環(huán)境的互饋效應

鐵路施工對生態(tài)環(huán)境的影響主要是破壞植被、改變含水層結(jié)構、擾動破壞地形地貌等，具體表現(xiàn)在：① 施工中的隧道突涌水可能引發(fā)淺層地下水及地表水枯竭，降低地下水位，加速水循環(huán)及水文地球化學過程，影響地表植被和山地冰川賦存狀態(tài)；②嚴重擾動含水層結(jié)構和破壞地形地貌，加劇水土流失，甚至引發(fā)地面塌陷等[36]；③大量棄渣可能進入江河湖庫，某些渣場選址或處置不當，還會誘發(fā)滑坡泥石流等次生災害。因此，如何全面掌握超長建設周期鐵路廊道生態(tài)水文變化及水土流失狀況是生態(tài)保護的關鍵[37]。

3 值得關注的關鍵科學技術問題

重大工程建設的成敗在于能否及時發(fā)現(xiàn)問題，而解決問題的關鍵在于查清可能發(fā)生問題的成因和規(guī)律。針對川藏鐵路建設中面臨的水工環(huán)地質(zhì)問題，需要深入研究以下關鍵科學技術難題。

3.1 水文地質(zhì)方面

（1）高原巖溶發(fā)育層序規(guī)律與構造巖溶蓄水構造類型

受多期快速隆升影響和圈層結(jié)構控制，高原巖溶發(fā)育呈現(xiàn)多期性，表現(xiàn)為發(fā)育高程、規(guī)模、結(jié)構與形態(tài)差異顯著。地質(zhì)構造類型、性質(zhì)、巖性控制著巖溶的發(fā)育特征和空間分布規(guī)律，也影響著高原巖溶地下水補給、賦存及運移條件，形成不同結(jié)構形式的巖溶蓄水構造類型。因此，巖溶層序規(guī)律和蓄水構造類型研究可為有效預測突水災害風險提供依據(jù)。

（2）深埋隧道突水突泥的孕災致災模式與預測方法

川藏鐵路廊道大型斷裂帶、構造混雜巖帶、巖溶、含煤和石膏的特殊巖層區(qū)，都是重大突水突泥災害的易發(fā)區(qū)段。特別是構造巖溶水和斷裂帶水具有高位遠程補給的特征，水動力條件強勁，水量大、水壓高。只有準確把握隧址區(qū)地質(zhì)結(jié)構、地下水動力條件及演變過程，才能構建切合實際的孕災致災模式、水害判識模型和定量預測方法。

（3）活動斷裂控熱機制與地下熱水循環(huán)模式

前期研究表明，川藏鐵路廊道高地溫異常區(qū)空間分布明顯受區(qū)域性活動斷裂影響，活動斷裂類型、性質(zhì)和規(guī)模對高溫巖體分布、熱泉出露有明顯的控制作用。深入研究活動斷裂導熱控熱機制及地下熱水循環(huán)特征，建立相應的地熱系統(tǒng)成因模式，是川藏鐵路熱害防治的關鍵。

（4）高溫熱害風險識別及地熱資源化技術

針對不同熱害成因模式，建立深埋隧道高溫熱害風險識別指標體系和有效的預測評價方法，提出基于熱害防治與地熱資源化利用于一體的綜合技術方案。

3.2 工程地質(zhì)與地質(zhì)災害方面

（1）活動斷裂的精細特征與工程斷錯效應

川藏鐵路廊道區(qū)域性活動斷裂帶的空間特征已基本清晰，但部分斷裂帶的分支斷裂特征和活動性因研究程度低而存在爭議，需創(chuàng)新強烈侵蝕山區(qū)及基巖活動斷裂的調(diào)查方法。此外，關于活動斷裂的避讓距離也存在不同意見，例如《活動斷層避讓》（征求意見稿，2019）提出需避讓晚更新世和全新世活動斷層，而《鐵路工程抗震設計規(guī)范》（GB 50111—2006）僅提出了避讓全新世活動斷裂。因此，亟需研究適用于高山峽谷區(qū)的活動斷裂的工程斷錯效應及安全避讓距離。

（2）復雜地質(zhì)構造區(qū)深部構造應力場特征

川藏鐵路跨越多個大地構造單元，構造應力場的特征受地質(zhì)構造、地形地貌和測試方法等因素影響。已有實測結(jié)果表明，鐵路廊道不同構造部位、不同埋深和不同地貌位置的地應力值離散性較大[24,28]。因此，亟需基于關鍵構造部位深孔地應力測量、監(jiān)測與數(shù)值模擬，揭示青藏高原東部構造應力場變化規(guī)律，解剖復雜地質(zhì)條件下構造應力賦存特征及隧道開挖應力調(diào)整規(guī)律。

（3）構造混雜巖帶工程地質(zhì)特性與災害效應

構造混雜巖帶是川藏鐵路建設的關鍵區(qū)帶[23]，目前關于其工程地質(zhì)特性的專門性研究較少，亟需研究混雜巖帶高分辨率三維精細物質(zhì)結(jié)構、空間變化特征及巖體力學性質(zhì)演變規(guī)律，研究不同工程類型情景下的構造混雜巖帶孕災、災變模式，提出定量化的工程地質(zhì)評價方法。

（4）水-力-熱多場耦合作用下深埋隧道圍巖穩(wěn)定性與災害效應

在水-力-熱多場耦合作用下，巖石力學性質(zhì)、變形破壞機制發(fā)生變化，隧道巖爆和大變形機理更為復雜，亟需研究川藏鐵路廊道水熱活動機制與斷裂活動和地應力場的耦合災變機理，研發(fā)深埋長大隧道地熱能利用技術。

（5）內(nèi)外動力耦合作用下的高位遠程滑坡機理及風險防控技術

針對高原峽谷區(qū)高位遠程滑坡災害（鏈），亟需研究構造縫合帶內(nèi)外動力耦合作用下高位滑坡成災機理以及復雜結(jié)構高陡巖質(zhì)斜坡的災變理論，建立川藏鐵路廊道特大災害鏈臨界轉(zhuǎn)化能量條件、物質(zhì)條件及地形條件判別指標，突破鏈生災害成鏈機制、遠程效應及風險防控關鍵技術。

3.3 環(huán)境地質(zhì)方面

（1）高原多源水轉(zhuǎn)化循環(huán)機制與生態(tài)脆弱區(qū)生態(tài)需水量控制技術

高原高寒生態(tài)系統(tǒng)靠多源水支撐維系，高原暖濕化進程加劇和大型人類工程活動將會影響多源水轉(zhuǎn)化循環(huán)機制，使維系高原濕地、草甸、森林的水源補給發(fā)生變化，造成生態(tài)系統(tǒng)退化。因此，亟需深入研究高原多源水轉(zhuǎn)化循環(huán)機制、生態(tài)需水量及其控制技術。

（2）隧道建設的水文生態(tài)環(huán)境效應

川藏鐵路位于國家“青藏高原生態(tài)屏障”的核心區(qū)域，生態(tài)環(huán)境脆弱、敏感而獨特，鐵路建設會在局部改變區(qū)域水文地質(zhì)結(jié)構，引起地表水循環(huán)路徑和地下水補徑排條件的變化。亟需開展超長周期橋隧工程建設對高寒生態(tài)系統(tǒng)的影響研究，揭示生態(tài)-水文-災害時空分布及耦合作用規(guī)律，建立工程施工對復雜敏感生態(tài)環(huán)境影響評估及生態(tài)環(huán)境修復綜合技術。

（3）生態(tài)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測評價與保護關鍵技術

工程脅迫下地質(zhì)環(huán)境的改變對生態(tài)系統(tǒng)的影響非常明顯。亟需從“隧道涌水突泥-含水層疏干破壞-地表水體干枯-高原植被退化”和“橋梁施工棄渣堆放-土地資源挖損壓占-野生動物棲息地損毀”等方面，分析研究人類工程脅迫下地質(zhì)環(huán)境改變對自然生態(tài)系統(tǒng)的影響機理，研發(fā)工程施工對生態(tài)地質(zhì)環(huán)境影響監(jiān)測與評估技術，以及工程脅迫下生態(tài)保護修復技術。

（4）全球氣候變暖的地質(zhì)生態(tài)環(huán)境效應

全球性氣候變暖對青藏高原地質(zhì)環(huán)境造成了不可忽視的影響。近百年來，青藏高原氣溫變暖傾向率為全球平均值的7～8倍[2]，應高度關注高原氣候變化驅(qū)動機制與極端氣候預測、高原生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的響應與適應機制、高原冰凍圈災害對氣候變化的響應機制與風險預測、氣候變化引起的環(huán)境災害防控等，及時掌握冰川、冰湖活動變化情況及可能對鐵路的影響。

4 水工環(huán)地質(zhì)工作的發(fā)展方向

川藏鐵路廊道是我國基礎設施建設和“一帶一路”的重點區(qū)域，鐵路建設面臨的首要風險是地質(zhì)安全風險。由于以往地質(zhì)工作程度偏低，可能有一些重大地質(zhì)風險尚未發(fā)現(xiàn)，或者對已發(fā)現(xiàn)風險的危害程度還難以做出準確判斷。結(jié)合前人研究和作者長期從事青藏高原東緣工程地質(zhì)研究的體會，從公益性地質(zhì)調(diào)查和商業(yè)性工程勘察相結(jié)合的角度，提出以下工作建議。

4.1 堅持公益性地質(zhì)調(diào)查與專項地質(zhì)調(diào)查相結(jié)合，是提高地質(zhì)認識的基礎

公益性地質(zhì)調(diào)查可圍繞川藏鐵路建設需求，加快提升地質(zhì)調(diào)查程度與精度。例如，基于關鍵地段中-大比例尺基礎地質(zhì)調(diào)查，揭示鐵路廊道不同地段工程問題差異性的地質(zhì)背景；開展區(qū)域性活動斷裂和高山峽谷區(qū)卸荷松動帶的分布和變形破壞規(guī)律調(diào)查，建立高位滑坡、冰川/冰湖潰決型高勢能泥石流的災變機理和早期識別模型。開展川藏鐵路廊道水文地質(zhì)和重要水源地調(diào)查，高度關注巖溶地質(zhì)和突水突泥問題，評估可能產(chǎn)生的水源地枯竭、生態(tài)環(huán)境損毀和破壞。

專項地質(zhì)調(diào)查工作著重開展主要活動斷裂精細化調(diào)查、關鍵構造部位地應力測量和重要場區(qū)穩(wěn)定性評價；在深大構造結(jié)合帶、隧洞口、橋址等重點區(qū)域，可在詳細地質(zhì)填圖的基礎上開展工程勘察工作。由于高山峽谷區(qū)極其險峻，常規(guī)的地面調(diào)查、遙感調(diào)查、地球物理方法等難以有效達到目的，需探索新型的調(diào)查方法。

從長遠考慮，要以川藏鐵路建設為契機，探索建立服務國家重大工程（滇藏鐵路、中尼鐵路和雅魯藏布江下游水電開發(fā)等）規(guī)劃建設的前瞻性地質(zhì)調(diào)查機制，推動傳統(tǒng)的水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查向地質(zhì)安全綜合評價方向發(fā)展。通過綜合集成地質(zhì)調(diào)查、工程勘察等多源信息，構建重大工程地質(zhì)安全風險評價方法和工作機制。既體現(xiàn)公益性地質(zhì)調(diào)查支撐重大工程規(guī)劃建設，又考慮工程建設運營對區(qū)域地質(zhì)環(huán)境影響的調(diào)查和風險管控。

4.2 堅持重點疑難地質(zhì)問題科技攻關，是解決問題的關鍵

圍繞迫切需要解決的關鍵地質(zhì)科技問題，進一步明確重點攻關方向，解決重大災害隱患防治的技術短板。加強多圈層相互作用的青藏高原構造演化理論研究，揭示高原隆升的地質(zhì)災害效應。開展活動構造區(qū)工程地質(zhì)問題與探測技術研究，形成復雜艱險山區(qū)工程地質(zhì)理論和技術體系。開展內(nèi)外動力耦合作用下重大地質(zhì)災害過程研究，揭示青藏高原深部和地表災變機理與演變趨勢，提供精準化災害風險預測方法與模型。針對高寒高海拔山區(qū)地質(zhì)環(huán)境特點，研發(fā)巖土力學、地熱、地應力等測試技術與裝備，以及深埋隧道高溫熱害防控技術。

針對構造巖溶、斷裂帶高壓突水突泥、超高溫熱水熱害問題，開展高原山區(qū)水循環(huán)與水動力條件演化機理研究，建立隧道突水水源識別、導水-突水通道示蹤預測模型；突破復雜構造山區(qū)地表水與地下水轉(zhuǎn)化機理，攻克深埋隧道高壓突水突泥風險預測和超前預報技術，以及水文地質(zhì)空-天-地立體化綜合勘察技術。開展工程擾動條件下山體結(jié)構變化及其水動力響應機制研究，推演重大工程區(qū)地表生態(tài)水文演變過程，支撐鐵路廊道生態(tài)保護修復。加強工程影響區(qū)生態(tài)風險評估研究，提出大型棄渣場地工程防護、植被恢復等立體綜合防控技術。

4.3 堅持災害隱患監(jiān)測與工程治理協(xié)調(diào)推進，是保障工程安全的長效機制

工程治理具有“短平快”的功效，在我國西部山區(qū)已有較成熟的經(jīng)驗，但往往成本過高，因此災害隱患監(jiān)測成為保障工程安全的重要內(nèi)容。在川藏鐵路廊道，很有必要按照輕重緩急，逐步建立基于大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能技術的自然資源監(jiān)測平臺與觀測網(wǎng)，例如高精度GPS監(jiān)測網(wǎng)、水文地質(zhì)與地溫觀測網(wǎng)、地應力監(jiān)測網(wǎng)、典型地質(zhì)災害隱患監(jiān)測站等，形成服務重大工程安全的監(jiān)測預警網(wǎng)絡。同時，盡快構建川藏鐵路生態(tài)保護監(jiān)測和綜合決策系統(tǒng)，研究隧道地下水排放影響及防控技術，降低施工排水和水文地質(zhì)結(jié)構變化可能產(chǎn)生的生態(tài)風險。

5 結(jié)語

川藏鐵路是我國戰(zhàn)略性世紀工程，是世界上地質(zhì)條件最復雜、施工難度最大的鐵路工程，面臨的重大工程地質(zhì)問題前所未有。圍繞川藏鐵路全生命周期安全需求，系統(tǒng)開展地質(zhì)調(diào)查和研究，精準判識地質(zhì)安全風險，成為保障高起點高質(zhì)量高標準建設川藏鐵路的關鍵。

為更好地服務國家重大工程規(guī)劃建設，提出了水工環(huán)地質(zhì)工作的發(fā)展方向：堅持公益性地質(zhì)調(diào)查與專項地質(zhì)調(diào)查相結(jié)合，是提高地質(zhì)認識的基礎；堅持重點疑難問題科技攻關，是解決問題的關鍵；堅持災害隱患監(jiān)測與工程治理協(xié)調(diào)推進，是保障工程安全的長效機制?！笆奈濉逼陂g，國家重大工程規(guī)劃建設將持續(xù)推進，積極探索貫穿于工程選線、勘察、建設、運營全過程的關鍵技術，對未來青藏高原其他重大工程建設也具有極其重要的應用前景。

大量實踐表明，從重大工程建設需求出發(fā)，建立關鍵科學問題協(xié)同攻關機制十分必要。建議通過多部門、多學科聯(lián)合，實施青藏高原重大工程地質(zhì)安全方面的大科學計劃，可有效提升支撐服務重大工程建設和國土地質(zhì)安全的科技創(chuàng)新能力和水平，不斷推動水工環(huán)地質(zhì)學科的發(fā)展。

致謝：成文過程中，得到崔鵬院士、彭建兵院士、殷躍平研究員的指導，中國地質(zhì)調(diào)查局相關直屬單位和專家提供了大力支持，深表謝意！