宋 章 王彥東 徐正宣 張廣澤 王 朋 馮 濤 歐陽吉 謝榮強 賈 杰 舒 楊 于振濤

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031， 中國)

0 引 言

鐵路選線需結(jié)合沿線工程地質(zhì)條件、經(jīng)濟據(jù)點、資源開發(fā)、環(huán)保、地方規(guī)劃和國防安全等因素綜合考慮，是一項復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)工程(劉春明， 2007； 潘國強， 2008； 朱穎， 2009)，其中地質(zhì)選線的質(zhì)量直接關(guān)系到線路技術(shù)方案的可行性、工程建設(shè)的安全性和可靠性、工程經(jīng)濟的合理性等。西南復(fù)雜艱險山區(qū)不良地質(zhì)發(fā)育，需正確處理鐵路選線與地質(zhì)災(zāi)害分布的關(guān)系，在特定的地段須貫徹執(zhí)行“地質(zhì)選線”的原則(潘國強， 2008)； 在方案比選中，既要重視投資控制，亦要重視地質(zhì)災(zāi)害對工程建設(shè)和后期運維的影響和安全，只有綜合考慮各種影響因素，做到綜合效益最大化的線路方案才是最優(yōu)方案(朱穎， 2009)。

在我國西南及鄰近的復(fù)雜艱險山區(qū)，因復(fù)雜的地形、地質(zhì)、構(gòu)造等影響，地質(zhì)災(zāi)害往往控制著線路的走向、工程的安全性和經(jīng)濟性，因此開展地質(zhì)災(zāi)害的識別與評估，規(guī)避、減輕及防范地質(zhì)災(zāi)害風險是地質(zhì)減災(zāi)選線的基礎(chǔ)(朱穎等， 2018； 魏永幸等， 2019)，而重視踏勘階段的區(qū)域宏觀識別與評估、初測階段的沿線系統(tǒng)識別與評估、定測與補定測階段的區(qū)段詳細識別與評估“3階段”地質(zhì)災(zāi)害廣域高效識別與評估(魏永幸等， 2020)是減災(zāi)選線的前提； 地質(zhì)減災(zāi)選線是一個貫徹勘察設(shè)計各階段的全過程工作。

CZ鐵路處于青藏高原東南緣，具有顯著的地形高差、強烈的板塊活動、頻發(fā)的山地災(zāi)害等地質(zhì)特征，其內(nèi)外動力地質(zhì)作用下災(zāi)害極其發(fā)育(李渝生等， 2016； 宋章等， 2016， 2017； 許佑頂?shù)龋?2017； 馮文凱等， 2019， 2020； 黃藝丹等， 2020)，控制著鐵路選線的走向和工程建設(shè)的安全。崔建宏等(2014)基于工程地質(zhì)條件比選法，對高山峽谷區(qū)的線路方案進行工程地質(zhì)選線，取得了較好效果； 宋章等(2016)在分析CZ地貌、地質(zhì)構(gòu)造和災(zāi)害發(fā)育分布特征的基礎(chǔ)上，宏觀地提出了線位服從橋位、橋位服從地質(zhì)和線位服從車站、車站服從地質(zhì)的兩大總體選線原則； 蔣鈺峰等(2019)針對金沙江流域，基于地形地貌參數(shù)，采用地理信息系統(tǒng)技術(shù)的各影響因子熵權(quán)法進行了地質(zhì)選線，具有一定的理論意義和工程價值。

本文針對CZ鐵路金沙江(CZ省界)至瀾滄江(昌都)段線路航空走向，基于區(qū)域地質(zhì)調(diào)繪、遙感地質(zhì)解譯、鉆探、物探、相關(guān)試驗測試等方法和工作，闡述三山越嶺段各比較方案的工程地質(zhì)條件并進行對比分析，綜合考慮越嶺段隧道輔助坑道條件、工程規(guī)模、工期和投資等因素，結(jié)合測段經(jīng)濟據(jù)點位置、車站設(shè)置和工程建設(shè)的安全可靠性等因素，對孜拉山、東達山和芒康山三山越嶺段進行地質(zhì)減災(zāi)優(yōu)化選線研究，以期為CZ鐵路建設(shè)后續(xù)勘察設(shè)計、施工及后期運維服務(wù)。

1 金沙江至瀾滄江段工程地質(zhì)環(huán)境背景

1.1 顯著的地形高差特征

CZ鐵路金沙江至瀾滄江段處于橫斷山脈三江并流區(qū)的核心部位，山勢及河流水系近S-N向展布，發(fā)育有金沙江和瀾滄江兩大水系，孜拉山、東達山和芒康山3座大山，為典型的高原高山峽谷地貌區(qū)(圖1)，海拔3000～5200m，相對高差達1500m以上，大高差的地貌特征造就了測區(qū)重力不良地質(zhì)失穩(wěn)的高勢能條件。

圖1 研究區(qū)地形地貌圖(比例 1︰1000000)Fig. 1 Topographic map in the study area(scale 1︰1000000)

1.2 強烈的板塊縫合帶構(gòu)造特征

區(qū)段處于金沙江和瀾滄江兩大板塊縫合帶內(nèi)(圖2)； 發(fā)育有金沙江斷裂帶、巴塘斷裂和瀾滄江斷裂等主干斷裂，高烈度地震頻發(fā)(圖3a)，地震動峰值加速度為0.15～0.20g。

圖2 研究區(qū)主干斷裂分布示意圖(比例 1︰500000)Fig. 2 Distribution of main faults in the study area(scale 1︰500000)

圖3 斷裂、地震及水熱活動分布示意圖Fig. 3 Distribution of faults， earthquakes and hydrothermal activitiesa. 地震分布圖b. 斷裂帶及水熱分布示意圖(比例 1︰500000)

測段深大斷裂數(shù)量多、活動性強，存在錯斷、震壞和地震次生災(zāi)害，對鐵路工程選線及工程危害性大。

1.3 頻發(fā)的表生地質(zhì)災(zāi)害特征

測段具有高海拔、大高差、地殼抬升隆起、構(gòu)造運動強烈、河流剝蝕急速下切、極端天氣頻繁等特殊地質(zhì)環(huán)境背景，內(nèi)外動力地質(zhì)作用下金沙江流域和瀾滄江流域表生重大地質(zhì)災(zāi)害如大型高位遠程滑坡、高位崩塌、高陡邊坡危巖落石、超大型巖堆、冰水型泥石流以及由此衍生的溝谷型鏈生地質(zhì)災(zāi)害等極為發(fā)育，具有規(guī)模大、破壞力強、災(zāi)害發(fā)生頻繁且難以治理等特點，給測段鐵路選線、建設(shè)和運營帶來極大挑戰(zhàn)。

1.4 復(fù)雜的地下重大地質(zhì)災(zāi)害特征

測段活動斷裂、強震及水熱活動等新構(gòu)造運動作用強烈(圖3)，地層巖性紛繁復(fù)雜，內(nèi)動力地質(zhì)作用下的高地應(yīng)力軟巖大變形和硬巖巖爆、高溫熱水、構(gòu)造涌突水、巖溶、有害氣體，及由此引發(fā)的如地應(yīng)力場、溫度場、滲流場等多場耦合地下災(zāi)害等地下重大地質(zhì)災(zāi)害極為發(fā)育，給測段鐵路選線和建設(shè)帶來極大挑戰(zhàn)。

2 三山越嶺段主要工程地質(zhì)問題及減災(zāi)優(yōu)化選線

受經(jīng)濟據(jù)點、車站設(shè)置、江河峽谷、地形地貌等因素控制，測段選線首先應(yīng)堅持線路服從橋位、線路服從車站設(shè)置的選線原則(宋章等， 2016)。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)工程地質(zhì)條件、工程規(guī)模、環(huán)境保護、水土保持、工程投資等因素進行減災(zāi)優(yōu)化選線。

2.1 孜拉山越嶺段減災(zāi)優(yōu)化選線

孜拉山越嶺段選線主要受控于兩方面：一是金沙江橋位的影響，二是孜拉山隧道工程地質(zhì)環(huán)境條件的影響。

2.1.1 越嶺段線路走向服從金沙江橋位的原則

針對金沙江橋位，在葉巴灘至拉哇電站南北約70km范圍內(nèi)，通過室內(nèi)遙感解譯(解譯2800km2查明區(qū)域斷裂構(gòu)造及重大崩塌、滑坡、泥石流等分布)、機載Lidar激光掃描(查明隧道進出口高陡邊坡卸荷帶發(fā)育情況)、現(xiàn)場實地踏勘(查明隧道進出口不良地質(zhì)體、地熱、斷裂等分布情況)、綜合分析研判(控制橋位及隧道方案影響因素及對比分析)等手段，初選了沙馬、崗?fù)?、宗噶隆、羅麥、宗巴、南格、色巴崗等7個橋位，在此基礎(chǔ)上反復(fù)研究選定了沙馬、宗噶隆、色巴崗3個可行橋位(圖4)。由此在金沙江西端引線工程上，確定了沙馬隧道方案(30.4km)、宗噶隆隧道方案(42.3km)和色巴崗方案(25.3km)3個孜拉山越嶺段線位方案(圖4)。

圖4 金沙江橋位及孜拉山越嶺段線路方案示意圖(比例 1︰500000)Fig. 4 Schematic diagram of Jinsha River Bridge site and Zila Mountain route scheme(scale 1︰500000)

2.1.2 越嶺段方案工程地質(zhì)環(huán)境優(yōu)化比選

2.1.2.1 工程地質(zhì)條件對比分析

為查明孜拉山越嶺段高地溫、穿越金沙江斷裂帶、高地應(yīng)力、巖溶等問題，開展了區(qū)域地質(zhì)調(diào)繪、大范圍遙感判釋、航空和地面物探、鉆探以及水文地質(zhì)專題、高地溫地質(zhì)專題等勘察研究工作，各方案主要工程地質(zhì)問題及地質(zhì)條件對比分析見表1。

表1 孜拉山越嶺段隧道工程地質(zhì)條件對比分析一覽表

對比分析表1，地層巖性來說沙馬隧道方案以硬質(zhì)巖為主，構(gòu)造線與線路大角度相交，高地應(yīng)力軟巖大變形發(fā)育相對較輕，通過可溶巖段落較短，高溫熱害發(fā)育程度相對較輕； 而宗嘎隆和色巴崗隧道方案長大段落與構(gòu)造線并行，高地應(yīng)力軟巖大變形和巖溶段落相對較長。綜合比選可知：孜拉山越嶺段沙馬隧道方案最優(yōu)，宗嘎隆隧道方案次之，色巴崗隧道方案最差。

2.1.2.2 綜合影響因素減災(zāi)優(yōu)化選線

在金沙江橋位的基礎(chǔ)上，針對前述工程地質(zhì)條件主控因素，結(jié)合隧道工法、工期、工程投資等對3個方案進行深入論述比選。

(1)宏觀地質(zhì)條件方面比選分析：金沙江斷裂帶以巴塘斷裂為界，以南為全新世活動斷裂(Q4)，以北為更新世活動斷裂(Q3)。中強地震基本分布在巴塘活動斷裂以南，巴塘活動斷裂以北地區(qū)未見6.0級以上地震記錄。相對而言巴塘活動斷裂北側(cè)宏觀地質(zhì)條件相對較好，即沙馬隧道方案優(yōu)于宗嘎隆隧道方案，下游色巴崗隧道方案最差。

(2)交通便利程度、進場道路、輔助坑道條件、工期等方面比選分析：沙馬隧道方案緊鄰既有公路，行經(jīng)區(qū)域的主要支溝均較寬緩，進場及輔助坑道條件較好，工期更具優(yōu)勢； 全段新建施工道路約131km。宗噶隆隧道方案行經(jīng)區(qū)域支溝深、山勢陡，進場條件差，場地受限，工期較長； 全段新建進場便道約217km，遠多于沙馬方案。色巴崗隧道方案較宗噶隆隧道方案進場條件更差、工期更長，新建施工便道達360km。

(3)工程規(guī)模及投資方面分析：綜合主體工程、進場道路、輔助工程等總體規(guī)模，沙馬隧道方案較宗嘎隆隧道方案和色巴崗隧道方案相對較小，土建工程投資較??； 而色巴崗隧道方案工程規(guī)模最大，投資較多。

綜上所述，孜拉山越嶺段沙馬隧道方案最優(yōu)，為線路推薦方案。

2.2 東達山越嶺段減災(zāi)優(yōu)化選線

東達山越嶺段線路方案主要受貢覺站位、東達山巖溶、飲用水源保護區(qū)及高瓦斯等因素控制。合理選擇東達山隧道越嶺段位置、降低隧道巖溶失水和煤系瓦斯風險是線路方案選擇的關(guān)鍵。

2.2.1 方案優(yōu)化背景

原線路貢覺車站采用俄地村方案，東達山隧道穿越可溶巖水平循環(huán)帶，與貢覺縣一級飲用水源取水口垂直距離僅1.3km，可溶巖段施工可能對巖溶水造成嚴重襲奪，對飲用水源點影響較大。同時，東達山隧道洞身及出口段存在高瓦斯風險。

2.2.2 越嶺段方案工程地質(zhì)環(huán)境優(yōu)化比選

基于地質(zhì)調(diào)繪(約300km2調(diào)繪查明測段構(gòu)造、煤系地層、重力不良地質(zhì)等發(fā)育分布情況)、鉆探(深孔10孔查明巖溶發(fā)育程度、地下水發(fā)育情況、煤層瓦斯等情況)、物探(約90延km的地面和航空物探解譯查明沿線圍巖完整性、構(gòu)造線等情況)、測試(深孔地應(yīng)力測試、水文試驗、瓦斯壓力測試等工作)及環(huán)評工作(貢覺縣飲用水源、施工襲奪水源的風險和評價)的基礎(chǔ)上，結(jié)合貢覺車站選址對該段線路方案進行了優(yōu)化。

2.2.2.1 方案概況

俄地村方案：線路自則巴站引出，穿貢覺隧道(26.65km)、于俄地村設(shè)貢覺站(距貢覺縣城約10km)，出站后跨馬曲，于飲用水源取水口南側(cè)約1.3km處穿東達山隧道(18.75km)至方案比較終點(圖5)。

圖5 東達山越嶺段線路方案示意圖(比例 1︰200000)Fig. 5 Schematic diagram of Dongda Mountain route scheme(scale 1︰200000)

查托村方案：線路自則巴站引出，穿貢覺隧道(26.19km)、在查托村設(shè)貢覺站(距貢覺縣城約12km)，出站后跨馬曲，于飲用水源取水口南側(cè)約7km處穿東達山隧道(16.06km)至方案比較終點(圖5)。

2.2.2.2 方案優(yōu)化對比分析

(1)工程地質(zhì)條件：兩方案貢覺隧道通過的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件及主要工程地質(zhì)問題等基本相當，主要差別在東達山隧道地質(zhì)條件(表2)和環(huán)境影響。

表2 東達山隧道工程地質(zhì)條件對比一覽表Table 2 List of comparison of engineering geological conditions of Dongda Mountain tunnel

東達山隧道向南優(yōu)化主要優(yōu)勢有：一是距離貢覺縣飲用水源點7.3km，降低對地下水襲奪風險，二是優(yōu)化后方案繞避了三疊系T3d1煤系瓦斯地層，三是隧道進口通過可溶巖段落較短，更靠近巖溶排泄基準面，處于垂直滲流帶-季節(jié)變動帶內(nèi)，降低巖溶突涌水風險。

總體分析，查托村方案不良地質(zhì)問題得到較大程度的規(guī)避，風險降低，預(yù)測中等高溫熱害、高瓦斯、中等巖爆等地質(zhì)問題全部規(guī)避，輕微熱害、輕微巖爆及可溶巖等不良地質(zhì)分別減少了55.6%、43.5%和20.1%。

(2)工程設(shè)置條件：查托村方案東達山隧道輔助坑道及條件有較大改善，輔助坑道合計減少約6.2km，工期減少10個月，工期風險大幅降低。俄地村方案東達山隧道大段落穿越可溶巖水平循環(huán)帶，隧道中部及出口段穿過三疊系T3d1煤系瓦斯地層，工程風險和工期風險較高。查托村方案東達山隧道穿越可溶巖段落相對較短且基本位于垂直循環(huán)帶，洞身及出口段基本繞避煤系地層，工程風險較低。與俄地村站位相比，查托村站與貢覺縣距離增加2km，站場場址地形更為開闊，便于站區(qū)配套設(shè)施布置。

(3)生態(tài)環(huán)境影響：查托村方案東達山隧道遠離貢覺縣水源，隧道開挖襲奪該水源的可能性極小，同時隧道施工棄渣減少了104.7×104m3，環(huán)境風險進一步降低。

(4)工程規(guī)模及投資：與俄地村方案相比，查托村方案土建工程投資節(jié)省約2.5億元。

綜上所述，查托村方案優(yōu)于俄地村方案，查托村方案為線路推薦方案。

2.3 芒康山越嶺段減災(zāi)優(yōu)化選線

2.3.1 芒康山越嶺隧道工程地質(zhì)條件及選線原則

芒康山屬橫斷山脈一支，為金沙江與瀾滄江的分水嶺，山勢整體呈南北走向。芒康山隧道整體屬構(gòu)造剝蝕中高山-高山地貌，地層巖性主要為砂巖、泥巖、頁巖、灰?guī)r夾煤層等。鐵路線路行經(jīng)區(qū)域山體雄厚，隧道埋深較大，最大埋深約1200m； 額艾普至納古斷裂帶(瀾滄江斷裂的東支斷裂)順山勢于隧道洞身段展布，構(gòu)造作用強烈、巖體軟弱破碎。受埋深和構(gòu)造帶作用影響，該區(qū)域構(gòu)造水平應(yīng)力較高，隧道圍巖軟弱段落的大變形問題突出。

影響該段線路方案的主要地質(zhì)因素為巖溶、高瓦斯、軟巖大變形以及高地溫等，由于線路走向與山體走向基本垂直，芒康山隧道輔助坑道設(shè)置困難，線路走向除考慮巖溶、高瓦斯、軟巖大變形以及高地溫外，還需要考慮輔助坑道設(shè)置條件以解決工期和工程風險問題。

芒康山越嶺段選線思路：一是線路盡量南繞靠近巖溶排泄基準面、并拔高線路高程，于從巖溶條帶的較窄段落通過，并行走于巖溶的垂直循環(huán)帶，以規(guī)避巖溶水的不利影響； 二是盡量從煤系地層較薄處穿越，減少瓦斯段落長度和瓦斯的影響； 三是盡量利用橫向溝谷優(yōu)化隧道輔助坑道條件。

2.3.2 越嶺段方案工程地質(zhì)環(huán)境優(yōu)化比選

基于以上工程地質(zhì)條件和選線原則，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)調(diào)繪(約1000km2調(diào)繪查明測段構(gòu)造、巖溶、煤系地層等發(fā)育分布情況)、物探(約100測線公里地面和航空物探解譯查明沿線圍巖完整性、構(gòu)造線等情況)、深孔鉆探(15孔)及相關(guān)測試(地應(yīng)力測試、水文試驗、煤層瓦斯測試等)的基礎(chǔ)上，芒康山越嶺段重點研究了28.9km隧道方案、29.5km隧道方案以及經(jīng)王卡36km隧道方案，詳見圖6。

圖6 芒康山越嶺段線路方案示意圖(比例 1︰200000)Fig. 6 Schematic diagram of Mangkang Mountain route scheme(scale 1︰200000)

2.3.2.1 工程地質(zhì)條件對比分析

3個方案的主要不良地質(zhì)為巖溶、高地應(yīng)力軟巖大變形和煤層瓦斯。

基于巖溶： 28.9km隧道方案可溶巖段洞身位于水平徑流帶及以下(低于基于深孔鉆探及水文專題綜合分析結(jié)果的推測水位82m)； 29.5km隧道方案可溶巖段位于季節(jié)變動帶(高于推測水位50m)； 經(jīng)王卡36km隧道方案可溶巖段洞身位于垂直滲流帶(高于推測水位260m)； 經(jīng)王卡36km隧道方案最優(yōu)， 29.5km隧道方案次之， 28.9km隧道方案最差。

基于高地應(yīng)力軟巖大變形： 28.9km隧道方案、29.5km隧道方案、經(jīng)王卡36km隧道方案紅拉山、芒康山兩隧道大變形段落合計長度分別為18920m、18280m和21230m； 29.5km隧道方案較優(yōu)， 28.9km隧道方案與之相當，經(jīng)王卡36km隧道方案最差。

基于煤層瓦斯： 28.9km隧道方案、29.5km隧道方案、經(jīng)王卡36km隧道方案紅拉山、芒康山兩隧道瓦斯段落合計長度分別為6330m、4902m和5728m； 29.5km隧道方案最優(yōu)，經(jīng)王卡36km隧道方案次之， 28.9km隧道方案最差。

2.3.2.2 隧道輔助坑道條件及工期對比分析

總體來看， 29.5km隧道方案輔助坑道長度稍長，其余兩方案相當。28.9km隧道方案芒康山隧道工期達107個月，難以滿足全線施工組織設(shè)計要求； 29.5km隧道方案和經(jīng)王卡36km隧道方案芒康山隧道工期分別為103個月和91個月。

2.3.2.3工程規(guī)模及投資對比分析

3個方案的線路長度、工程規(guī)模和投資依次增加； 29.5km隧道方案土建工程投資較經(jīng)王卡36km隧道方案省7.57億元，較28.9km隧道方案增加1.79億元。

綜上所述，經(jīng)王卡36km隧道方案雖輔助坑道條件略好、工期較短，但線路長，土建工程投資增加幅度大； 28.9km隧道方案雖線路長度最短，但Ⅲ級大變形段落最長、輔助坑道條件差，存在極大工期風險； 29.5km隧道方案大變形及煤系地層段落最短，輔助坑道條件相對較好，工期適中。故29.5km隧道方案為芒康山越嶺段推薦方案。

3 結(jié) 論

(1)測段處于金沙江和瀾滄江兩大板塊縫合帶之間； 地形高差顯著，內(nèi)外動力地質(zhì)作用下崩滑流等表生地質(zhì)災(zāi)害極其發(fā)育； 地質(zhì)構(gòu)造作用復(fù)雜強烈，高地應(yīng)力軟巖大變形、高地溫、高原巖溶、煤層瓦斯有害氣體等地下重大地質(zhì)災(zāi)害問題突出。線路走向需根據(jù)工程地質(zhì)條件比選優(yōu)化確定。

(2)測段線路走向受地形地貌、經(jīng)濟據(jù)點的影響，選線首先應(yīng)遵循線路服從橋位地質(zhì)、線路服從車站設(shè)置的選線原則，再根據(jù)工程地質(zhì)條件、工程規(guī)模、環(huán)水保、投資等因素進行減災(zāi)優(yōu)化選線。

(3)在工程地質(zhì)條件比選的基礎(chǔ)上，綜合考慮隧道輔助坑道條件、工程規(guī)模、工期和投資等因素，孜拉山越嶺段沙馬隧道方案最優(yōu)、東達山越嶺段查托村方案最優(yōu)、芒康山越嶺段29.5km隧道方案最優(yōu)，為線路推薦方案。