中尼鐵路沿線活動斷裂對地質選線的影響淺析

孫先鋒

(軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

中尼鐵路國內段位于西藏自治區日喀則市，由日喀則經吉隆口岸至尼泊爾首都加德滿都。線路由拉日鐵路日喀則車站引出，沿國道G318向西布線，經拉孜后折向南，途經薩迦、定結、定日后向南過吉隆縣至吉隆口岸，出境后在尼泊爾首都北側Tokha設加德滿都車站。項目研究范圍全長595.79 km。沿線所經地貌單元大體上可劃分為雅魯藏布江河谷區、卻薩高山區、朋曲河谷區、馬拉高山區、喜馬拉雅極高山區、吉隆藏布高、中山峽谷區和加德滿都盆地7個地貌單元(圖1)；走行于喜馬拉雅板片、雅魯藏布江縫合帶2個一級構造單元；跨越5條活動斷裂(圖2)[1]。

圖1 中尼鐵路地貌渲染圖

圖2 沿線活動斷裂及地震震級分布[2-3]

1 斷裂的活動性特征及其工程劃分

1.1 區域斷裂活動性地質特征

1.1.1謝通門南北向活動斷裂(F1)

該斷裂帶是區內新活動構造的典型代表，集中分布在南木切—謝通門—扎西崗一線，呈近南北向帶狀展布。其南段為吉定—定結斷裂帶，位于雅魯藏布江以南至定結一帶，1998年7月20日謝通門北6.2級地震，其發震斷裂為謝通門南北向活動斷裂，震后地表破裂長度約10 km。線路在定結縣以北通過該斷裂帶南段，是北喜馬拉雅正斷裂與F1斷裂的交匯部位，活動性較強烈。地貌上，斷裂活動切割了Q3地層，地表構造行跡為南北方向的凹陷盆地或線性地貌[5]，以及分布較為密集的溫泉(圖3)。

圖3 沿線溫泉分布[4]

1.1.2北喜馬拉雅正斷裂(F2)

近期具有一定的活動性，既是喜馬拉雅山脈與藏南高原的分界，也是西藏中部拉張區的南界。近東西向的北喜馬拉雅正斷裂與近南北向的斷裂、斷陷盆地交匯區常發生7級左右的地震[6]。沿斷裂附近記錄的最大地震為1806年和1871年發生的7.5級地震，地表未見破裂帶[2]。

1.1.3參達隱伏斷裂(F3)

隱伏于古錯盆地之下，由一系列近南北向的斷層組成，走向北北西，傾向南西西，傾角70°～80°，長達100 km。在夏雄巖體西側，有反映其活動的片麻理發育，斷層結構面具有張扭性質[6]。南段被F2錯斷，斷層交接處發育熱泉(圖3)。目前無該斷裂附近的地震記錄，但是中尼鐵路近平行通過兩斷裂相交的“閉鎖部位”，即兩組都具有一定活動性的斷裂交匯部位，我國的海城地震、和林格爾地震和松潘地震均發震于這種“閉鎖部位”[7]。推測該斷裂有一定的發震能力，進行選線時，應引起足夠重視。

1.1.4打加錯—佩枯錯南北向斷裂(F4)

打加錯—佩枯錯南北向斷裂由多條正斷層構成，跨越喜馬拉雅和崗底斯地塊，其最大主應力軸為南北向不變的情況下，最小主應力軸由垂直轉變為近東西，導致物質移動方式轉變為東西拉長為主，垂直增厚為輔，第四紀以來的升降運動，在距今1.3Ma形成佩估錯盆地的湖相沉積展布[8]。采用資源3號衛星6 m多光譜數據進行遙感判釋，可觀察到十分發育的線狀斷層三角面(圖4)。

圖4 遙感判釋F4斷層三角面

1.1.5 喜馬拉雅主逆沖斷層(MHT)

喜馬拉雅主逆沖斷層(MHT)是由主中央逆沖斷裂帶(MCT)、主邊界逆沖斷裂帶(MBT)和主前緣逆沖斷裂帶(MFT)組成的北傾大型逆沖推覆構造體系[9]。其中MCT主要活動時間為距今21～3 Ma或23～14 Ma期間，MCT主要活動在晚中新世至上新世之間[10]，MFT是喜馬拉雅造山帶中目前仍正在活動的斷裂帶，為2015年尼泊爾8.1級地震的發震斷裂和主控震構造。歷史上沿這一條活動沖斷帶在中國、印度、尼泊爾和克什米爾等地先后發生過6次8級地震和更多的7級地震，且本項目的研究范圍在其誘發前震范圍內[11]。斷裂全新世滑動速率達15～18 mm/a[12]；GPS資料說明主邊界和山前沖斷帶的滑動速率為10～13 mm/a[13]，是本項目國外段活躍性最強的斷裂。震后GPS觀測，2015年尼泊爾地震造成吉隆縣、聶拉木縣向南水平移動60 cm左右，聶拉木縣垂直下降約10 cm[14]，造成巨大破壞；據InSAR監測結果，加德滿都附近最大的地表變形值總量接近0.7 m(圖5)。

圖5 尼泊爾地震InSAR地表形變[15]

1.2 區域內活動斷裂工程劃分

1.2.1 活動斷裂的地震工程分類

為了適應地震區重大工程建設的需要，根據《巖土工程勘察規范》(GB 50021—2001)(2009年版)5.8.2，可將活動斷裂進行地震工程分類[16]，沿線3條斷裂為發震斷裂，2條為非全新活動斷裂(表1)。

1.2.2 活動斷裂分級

根據《巖土工程勘察規范》(GB 50021—2001)(2009年版)5.8.3，依據全新活動斷裂的活動時間、活動速率及地震強度等因素，對沿線3條發震斷裂進行分級[16]，均為Ⅰ級強烈全新活動斷裂(表1)。

表1 沿線活動斷裂活動特征

2 活動斷裂對鐵路工程的影響

活動斷裂對鐵路工程的影響一般包括蠕變和錯動效應、誘發地質災害、誘發強烈地震。因為該區域地質構造環境極其復雜，斷裂附近還存在斷裂溫泉熱害問題。該工程地質問題在青藏高原地區普遍存在，且其分布特征與活動構造展布方向有密切聯系。以下就活動斷裂導致的4種工程地質問題對鐵路工程的影響進行論述。

2.1 活動斷裂的蠕變和錯段

中尼鐵路所在的喜馬拉雅活動構造帶，是歐亞板塊與印度板塊碰撞后形成的，現代構造活動極為活躍。一般的蠕動變形不會對鐵路工程造成危害，但是長期的累積變形量往往較大，可能破壞鐵路工程的穩定。另一種是錯段效應，即活動斷裂強烈活動后產生的地表錯段，據1998年7月20日謝通門北6.2級地震后GPS觀測數據(表1)，最大垂直錯段可達4 m[2]，這是任何鐵路工程無法承受的，產生的破壞將是災難性的。

2.2 活動斷裂誘發地質災害

活動斷裂誘發的地質災害，破壞程度更大、范圍往往更廣。活動斷裂誘發地質災害主要是為地質災害的發生、發展創造更為有利的物理、力學條件，特別是地震活躍期，更是加速這種過程的發展，主要有以下2個方面。

一是，活動斷裂發育地帶，往往由于地殼相對運動產生較大的地形高差，為斜坡變形失穩創造了有利的空間條件；二是，活動斷裂帶附近，巖土體相對松散破碎，不僅為地質災害的發生和發展提供了豐富的物源條件，還為地表水、地下水富集和運移提供了良好的通道。

例如，我國的云南東川鐵路，沿具有活動性的小江斷裂帶發育大量泥石流，巖體松散破碎，河谷深切，斜坡體失穩嚴重，加上極其豐富的松散固體物質，在多次地震作用下，泥石流長期處于旺盛期，呈現旺盛期多次反復的特點，使東川鐵路近乎廢棄[7]。

2.3 活動斷裂誘發強烈地震

據統計，我國歷來超過7級的地震，80%位于活動斷裂上[17]，超過8級地震100%位于活動斷裂上，例如沿線通過的3條活動斷裂，均發生過一定規模的地震(圖2)。活動斷裂分布區誘發地震的破壞范圍空間分布與斷層展布方向一致，并向兩側擴散，沿線的活動斷裂，放大了地震對線路的破壞范圍，地震效應極為顯著。

2.4 活動斷裂的溫泉熱害

擬建中尼鐵路走形于雅魯藏布江地熱活動帶和雅魯藏布江谷地地熱活動帶[18]，水熱活動強烈。其中對鐵路影響較大的溫泉點有9個溫泉[4]：ZLZ04孜龍低溫溫泉(20.2 ℃)、ZLZ06擦貢溫泉、ZTR07茶曲溫泉(77.5 ℃)、ZTR03崗嘎微溫泉、ZTR01擦隆溫泉(45 ℃)、ZNLM01孔錯溫泉、ZNLM02門卡墩溫泉、ZGY01仲馬低溫溫泉(33 ℃)、ZGY04江村溫泉(60 ℃)，主要分布在活動斷裂附近(圖3)。最高溫度達77.5 ℃的茶曲溫泉分布在謝通門南北向斷裂和北喜馬拉雅正斷裂的交匯部位，正斷裂的張性結構和兩條斷裂相互切割產生的破碎帶為地下熱水的流通循環提供了大量的通道，且兩條斷裂均為發震斷裂，活動性強烈，擴大了原有的通道，增加了流動循環的速度，形成高溫溫泉。國內對溫度高于72 ℃的隧道洞內施工尚無成熟的技術處理措施，對中尼鐵路隧道工程影響極大。

3 活動斷裂分布區選線原則

3.1 總體原則

中尼鐵路將不可避免地通過3條全新活動斷裂及其與2條非全新活動斷裂的交匯部位，為降低活動斷裂帶來的不利影響，應遵循以下地質選線總體原則。

(1)鐵路選線時，應盡量繞避活斷層[20]，必須通過時，也應修建一般低路基，不宜修建高墩大跨等特殊結構橋梁、高填深挖路基工程；因此鐵路選線是線位服從橋位，橋位服從地質的選線原則。

(2)對于不能完全避開亦不能避讓的、只能采取穿越方式的重大工程，應采取控制和適應變形的綜合措施，防范工程錯斷。

(3)鐵路選線宜在不良地質發育區快速通過，再在河谷邊坡相對穩定、不良地質工程可控的部位展線；因此鐵路選線是線位服從隧道洞口位置，隧道洞口位置服從地質的選線原則。

(4)車站的設置是鐵路線位的關鍵節點，具有條形、帶狀展布且較鐵路線位寬等特點，而擬建中尼鐵路多穿越高山峽谷區，多為陡峻斜坡地帶，挖填方高度能最終影響站位是否成立。因此，車站應選擇在邊坡穩定性較好，不良地質工程可控的地段；此外鐵路的修建必須服從地方城市的整體規劃及地方經濟發展的需要，從這個角度來說，鐵路線位必須是線位服從車站，車站服從地質的選線原則。

3.2 地質選線原則

中尼鐵路的活動斷裂分布區地質選線應在遵循總體原則的基礎上，結合通過斷裂的部位等情況綜合考慮以下原則。

(1)對于穿越謝通門南北向活動斷裂、北喜馬拉雅正斷裂和喜馬拉雅主逆沖斷層3條全新世活動斷裂的隧道工程，應加強軟弱巖體探測和地應力測量，優化設計隧道斷面形狀和尺寸，施工過程中實時監測圍巖變形和應力變化，采取適應變形與圍巖加固相結合的措施。

(2)越嶺地段的線路，應避免順活斷層及其影響帶展線，以最短的距離大角度通過為宜。在設計時應加強抗震設防的措施，規模較大的斷裂構造本階段暫按活動斷層考慮，在線路縱坡、隧道寬度和凈空留有余地。

(3)線路應盡量避免通過謝通門南北向活動斷裂、參達隱伏斷裂和打加錯—佩枯錯南北向斷裂與北喜馬拉雅正斷裂交匯區。

(4)線路在佩枯錯至加德滿都段穿越吉隆藏布高、中山峽谷區，地形切割極其強烈，深“V”形溝谷兩側邊坡穩定性極差，應繞避地震誘發滑坡、崩塌、巖堆嚴重發育的地段，盡量行走于峽谷東岸，應避免出現陡坡掛線、高邊坡、深挖方工程，盡量內移設置隧道或外移設置橋梁工程，同時隧道進、出口應選擇在上方坡面危巖體較少或容易處理的地段。

(5)沿線溫泉熱害對隧道工程影響極大，尤其是ZTR07茶曲溫泉(77.5 ℃)，線路應繞避地熱發育地段，盡量走行于構造簡單、強度弱的邊緣地帶，并拔高線路高程，設置路基、橋梁工程以大角度的最短距離通過。實在不可避免須設置隧道工程，也應外移線路，增加橫洞，長隧短打，利用高原特有氣候，降低洞內施工溫度。

4 結論

(1)中尼鐵路穿越謝通門南北向活動斷裂、北喜馬拉雅正斷裂、參達隱伏斷裂、打加錯—佩枯錯南北向斷裂和喜馬拉雅主逆沖斷層5條活動斷裂及其分支斷裂，其中謝通門南北向活動斷裂、北喜馬拉雅正斷裂和喜馬拉雅主逆沖斷層為Ⅰ級發震斷裂，其余為非全新活動斷裂。3條發震斷裂均發生過大地震，2條非全新活動斷裂亦存在發震潛力或分布溫泉熱害等，對鐵路工程影響極大，應進行合理的地質選線工作，降低風險。

(2)活動斷裂對鐵路工程的影響主要有蠕變和錯段、誘發地質災害、誘發強烈地震以及溫泉熱害，這些影響將導致工程方案不可行或施工、運營維護成本、難度陡增。

(3)結合中尼鐵路沿線地形地貌、工程設置特點等，在充分考慮活動斷裂活動特征及其導致的主要工程地質問題的基礎上，總結了中尼鐵路活動斷裂分布區的總體選線原則和地質選線原則。