中尼跨境鐵路工程地質環境特征及主要工程地質問題研究

姚志勇，孟祥連，李 響，苗曉岐，趙 文

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043； 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院)，西安 710043)

ment characteristics; Engineering geological problems

1 概述

2013年習近平總書記提出共建“一帶一路”發展倡議，得到了越來越多國家熱烈響應，共建“一帶一路”正成為我國參與全球開放合作、改善全球經濟治理體系、促進全球共同發展繁榮、推動構建人類命運共同體的中國方案。

中尼跨境鐵路連接中國西藏及尼泊爾加德滿都是“一帶一路”倡議的重要環節，實現我國與周邊鄰國互連互通的關鍵點；是打通喜馬拉雅山脈地理阻隔、擘畫中尼兩國藍圖和人民福祉的選擇，是落實中尼兩國合作協定、帶動跨區域經濟社會發展的需要；是構建面向南亞的便捷鐵路通道，打通斷頭路、補強亞洲路網短板，完善國際化、現代化鐵路運輸網絡的需要；是發展綠色交通、強化節能環保，建設國際化綠色交通體系的需要；是優化尼泊爾交通運輸結構，助力旅游業及相關產業發展，帶動貧困地區脫貧致富的需要；是推動富民興藏，培育西藏發展新動能，促進精準扶貧，助推區域經濟社會發展的需要[1]。

擬建中尼鐵路由2段組成(圖1)，第一段為日喀則至佩枯錯段，是國內中長期鐵路網規劃項目，也是新藏線的共線段。由拉日鐵路日喀則車站引出，沿國道G318，經拉孜后折向南至薩迦，于卻薩山越嶺后向西經定結、定日、聶拉木至佩枯錯，長429.0 km；第二段為中尼跨境鐵路，由佩枯錯車站引出穿喜馬拉雅山支脈馬拉山至吉隆縣，后沿吉隆溝布線至吉隆鎮，設鐵路口岸站，出站后于特耳蘇里河東岸取直至尼泊爾首都加德滿都[2]，長170.4 km。

圖1 擬建中尼鐵路路徑示意

中尼跨境鐵路是首條穿越喜馬拉雅山脈的鐵路，位于印度板塊與歐亞板塊直接碰撞、拼合的作用帶內[3]，其地形、地質條件和自然環境極其復雜，是世界鐵路建設史上難度及風險極大的鐵路工程。研究沿線的工程地質環境特征及影響鐵路建設的主要工程地質問題是本項目的重難點。

2 工程地質環境特征

中尼跨境鐵路工程地質環境特征呈典型的“六極四高”特征[4]，即地形切割極為強烈，氣候條件極為惡劣多變，水文條件極為特殊多樣，巖性條件極為混雜多變，構造條件極為復雜活躍，地震效應極為顯著，高地殼應力、高地震烈度、高地溫和高地質災害風險。

2.1 地形切割極為強烈

中尼跨境鐵路方案經行地貌單元可細劃分為馬拉高山區、吉隆藏布高山峽谷區、吉隆盆地區、吉隆藏布高中山峽谷區及加德滿都盆地區(圖2)，地形切割極為強烈。

線路需翻越喜馬拉雅山余脈馬拉山及沿吉隆藏布高山峽谷區布線。喜馬拉雅山脈南北麓高差巨大，南麓地形陡降。吉隆溝蜿蜒曲折、溝谷狹窄，自然縱坡大，吉隆縣至吉隆鎮段自然縱坡約30‰，前緩后陡，個別地段達到50‰及以上，地形最困難地段為吉隆鎮至吉隆口岸段，直線距離18 km，高差1 100 m，平均自然縱坡達61‰。

圖2 中尼跨境鐵路地貌渲染圖

2.2 氣候條件極為惡劣多變

由于喜馬拉雅山脈對大氣環流起到天然屏障作用，以喜馬拉雅山脈為界，氣候南北差異極大[5]，氣候條件極為惡劣多變。

佩枯錯至吉隆縣屬高原亞寒帶-寒帶半干旱季風氣候區，空氣稀薄，干燥寒冷，年平均氣溫在-4～3 ℃，最熱月平均溫度10 ℃左右，晝夜溫差大，冬長夏短，年無霜期105 d左右，年平均日照時數為3 000 h以上，旱季和雨季分明，雨季基本集中在7～9月，年平均降雨量200 mm左右，年相對濕度40%左右，土壤最大凍結深度200 cm。

吉隆縣以南段自北向南地勢迭次降低，氣候垂直分帶明顯，從寒溫帶、溫帶至亞熱帶、熱帶氣候的垂直變化，呈現“一山有四季，十里不同天”的奇特景觀。海拔2 500 m以上的地方屬高原寒溫帶半濕潤氣候；海拔1 700～2 500 m的地方屬于亞熱帶山地季風濕潤氣候，最暖月平均氣溫20 ℃左右，年降水量1 000 mm左右，降水充足，氣候濕潤，四季如春；海拔1 700 m以下的地區屬于熱帶山地季風濕潤氣候，最暖月平均氣溫在22 ℃以上，最冷月平均氣溫在10 ℃左右，年平均降水量可達2 500 mm，終年溫暖，雨量充沛。

2.3 水文條件極為特殊多樣

中尼跨境鐵路地表水有河流、湖泊、冰川與冰湖，地下水主要為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水、巖溶水、地熱水等，水文條件極為特殊多樣。

沿線跨越朋曲河及吉隆藏布流域，吉隆藏布發源于西藏自治區日喀則市吉隆縣宗嘎鎮西部，干流先向東流，匯集諸多支流后于宗嘎鎮轉向南流，流經吉隆鎮后，于熱索附近流入尼泊爾境內，始稱特耳蘇里河。

據吉隆縣的氣象資料顯示，吉隆藏布上游地區的固態降水占年降水量的40%，加之高海拔地區，因此，雪峰林立，冰川發育，冰湖成群[6](圖3)。喜馬拉雅山脈阻擋了從印度洋南來的氣流，在南坡降水量多，雪線位置低，北坡降水量少，雪線位置高。喜馬拉雅南坡雪線高度為4 400～4 600 m，北坡為5 800～5 900 m。

圖3 中尼跨境鐵路沿線冰川、冰湖衛星影像

2.4 巖性條件極為混雜多變

全線第四系地層分布于河流谷地，地層層序完整，下更新統至全新統齊全，具備沖積、洪積、坡積、風積、冰磧層和冰水沉積層等多種成因類型，沿線基巖露頭較好，元古界-新生界地層發育齊全，沉積巖、變質巖、侵入巖均有出露，巖性條件極為混雜多變。

中尼跨境鐵路經過喜馬拉雅各分區(見圖4)。各分區巖層如下[7]。

(1)北喜馬拉雅分區(Ⅰ4)北部主要為第三系、侏羅系上統頁巖、砂巖；中部主要為三疊系中統灰巖、白云巖，夾頁巖；南部侏羅系下統和石炭系下統頁巖、泥盆系中、下統砂巖；奧陶系灰巖、白云巖；震旦-寒武系片巖、板巖等呈狹窄條帶狀分布，局部有喜馬拉雅期花崗巖侵入。

(2)高喜馬拉雅分區(Ⅰ3)主要為前震旦系片巖、片麻巖、變粒巖、混合巖等變質巖，其北部廣泛有喜馬拉雅期花崗巖侵入，南部局部有晉寧期花崗巖侵入。

圖4 地層區劃示意

2.5 構造條件極為復雜活躍

中尼跨境鐵路位于喜馬拉雅活動構造帶，是印度板塊北移與歐亞板塊碰撞、拼合后形成的新生代造山帶，其現代活動邊界轉移到喜馬拉雅山南麓，構造條件極為復雜活躍。

藏南拆離系(STD)、主中央逆沖斷帶(MCT)、主邊界逆沖斷帶(MBT)、主前緣逆沖斷帶(MFT)組成一條寬100～200 km復雜的前展式活動逆沖斷構造帶，其中最活動的構造為造山帶邊緣的主邊界逆沖斷帶(MBT)和主前緣逆沖斷帶(MFT)[8]，如圖5所示。

圖5 中尼跨境鐵路構造運動示意[8]

喜馬拉雅造山帶劃分為4個不同的構造單元[8]：特提斯喜馬拉雅、高喜馬拉雅、低喜馬拉雅及準喜馬拉雅，見圖6。

圖6 穿過喜馬拉雅造山帶中部的構造坡面示意[8]

2.6 地震效應極為顯著

2015年4月25日發生的尼泊爾地震，震級8.1級，震中位于尼泊爾博克拉，西藏日喀則地區聶拉木、吉隆均震感強烈，震后直接導致樟木口岸至今處于關閉狀態，地震效應極為顯著。

地震直接破壞尼泊爾境內阿尼哥公路36處，破壞總長度為1 415 m，破壞形式主要表現為：邊坡坍塌、山體表層滑落、泥石流、下擋墻松動導致路基下沉等次生災害。隨著雨季的逐漸到來，地震引起的次生災害將進一步顯現，由于阿尼哥公路沿線山高坡陡，對于坡面未落的淺層松散體，在雨季極有發生滑塌的危害，對于地震期間已滑塌的松散體，將隨雨季逐步沖向公路，對公路形成再次災害。地震后保通修復估算造價為168 989萬元人民幣[9]。

2.7 高地殼應力

線路地處印度板塊與亞歐板塊碰撞、擠壓區，兩個水平主應力均大于垂直主應力，屬強烈擠壓區[10]。隧道最大埋深超過3 000 m，為高地殼應力地區。

由于中尼鐵路通道內尚未有相應的地殼應力資料，根據“中國大陸地殼應力環境基礎數據庫”中實測地應力數據為基礎，采用海姆假說與金尼克假說兩種模式估算[11]，中尼跨境鐵路整體位于青藏地塊，最大水平應力σ(單位：MPa)隨深度D(單位：km)變化規律，根據σ=27.248D+2.823進行估算：當隧道埋深達到1 000～3 000 m時，σ=30.1～84.6 MPa。

2.8 高地震烈度

線路穿越喜馬拉雅地震帶，區內新構造運動強烈，地震活動頻繁、強度大。地震基本烈度以Ⅶ～Ⅷ為主，其中邊界至加德滿都段，地震基本烈度 Ⅷ[12](圖7)，屬高地震烈度區。

圖7 中尼鐵路沿線地震基本烈度分布

2.9 高地溫

西藏的地熱分布廣泛。在面狀分布背景上，又大致集中在6個區域帶中。雅魯藏布江南北地熱活動帶、雅魯藏布江谷地地熱活動帶、念青唐古拉山東南麓地熱活動帶、雅魯藏布江大拐彎地熱活動帶、獅泉河地熱活動帶，藏北地熱活動帶[13]。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，屬高地溫地區。

2.10 高地質災害風險

青藏高原強烈隆升，河流深切，下切速度遠遠低于山體隆起速度，導致邊坡類問題突出，存在高地質災害風險。沿線主要不良地質為滑坡、錯落、危巖、落石和崩塌、巖堆、泥石流、風沙、巖溶、地震、放射性、高地溫、風吹雪等。

3 主要工程地質問題及其特征

通過分析中尼鐵路復雜的工程地質環境特征，提出影響鐵路建設的七大地質問題，即極高地應力下的軟巖大變形、硬巖巖爆問題，深大活動斷裂的工程地質效應問題，高烈度地震問題，高地溫熱害問題，邊坡穩定性問題，泥石流水毀問題和其他工程地質問題。

3.1 高地應力下硬巖巖爆及軟巖大變形問題及其分布特征

對鐵路工程來說，受高地應力影響最大的是深埋長隧道工程。高地應力意味著深埋隧道開挖過程中，改變原有應力平衡狀態，不同性質的巖體在高地應力下將產生不同的地質響應，在硬質巖分布區，高地應力地區地下洞室中圍巖脆性破壞時，應變能突然釋放造成動力失穩現象，將不可避免地出現巖爆災害。而在泥質巖、斷裂破碎帶等軟弱巖體分布區，高地應力的作用使地下洞室圍巖發生柔性破壞來釋放應變能，出現側鼓、底鼓等圍巖大變形和隧道塌方工程地質問題，給隧道工程建設帶來安全隱患[14]。

中尼跨境鐵路以深埋長隧道穿越喜馬拉雅山脈，最大埋深超過3000 m，水平構造應力30.1～84.6 MPa，且與最大主應力方向局部地段為大角度相交，隧道承受強烈擠壓作用，為巖爆和大變形的孕育、發展創造了有利的條件。

在峽谷區，地應力有明顯的重分布現象，從谷坡至山體內部，可分為應力釋放帶、應力集中帶、應力穩定帶。中尼跨境鐵路多依山傍河，依次走行于馬拉高山區、吉隆藏布高山峽谷區、吉隆藏布高中山峽谷區，局部段落不可避免地與主應力方向大角度相交，最大主應力、斜坡應力集中帶、傍山偏壓、深埋等對隧道工程的設置及圍巖的穩定不利。

3.2 活動性斷裂的工程地質效應及其特征(表1)

中尼鐵路沿線斷裂構造發育，斷層破碎帶普遍較寬，特別是近東西向、北西向和南北向，這些斷層破碎帶多由斷層泥礫、斷層角礫、碎裂巖和擠壓破碎帶等組成。由于斷層時間短，有些斷層現今仍在活動，經過區域周邊地帶沿斷裂構造帶多次出現中、強地震，未來也有發生中強地震的可能性，工程地質條件極差。

活動性斷裂對鐵路的影響主要表現為：產生地面位移和變形、活動斷裂誘發強烈地震、活動斷裂誘發次生地質災害、活動斷裂產生地溫熱害等一些工程地質問題。

為了適應地震區重大工程建設的需要，根據GB50021—2001《巖土工程勘察規范》(2009年版)5.8.2條，可將活動斷裂進行地震工程分類，沿線3條斷裂為發震斷裂，2條為非全新活動斷裂[15]。

表1 沿線活動斷裂活動特征[15]

3.3 高烈度地震對鐵路工程設置及運營維護影響問題

國內高烈度地震區的公路、鐵路工程，在地震的破壞作用下，不同工程形式震害的空間分布特征差異明顯。路基工程震害空間分布主要與路基形式、地震烈度、邊坡巖石分布等有關；橋梁工程震害空間分布主要與橋梁結構形式、地形地質、水文條件、橋梁線形、跨徑等有關； 隧道工程震害空間分布主要與震中距離、洞身圍巖質量、斷裂帶位置、洞身結構、隧道埋深等關系很大。

路基、橋梁、隧道等工程破壞模式差異較大，運營中應針對不同破壞模式，加強日常維護保養工作，防患于未然。

路基工程：陡坡地段，破碎山體或存在不利構造面的巖層，在地震作用下出現崩塌；松散土體在地震作用下產生坍塌或滑坡；地震烈度Ⅷ度及以上地區，填方路基普遍出現下沉；局部擋土墻破壞。

橋梁工程：橋梁縱向、橫向移位，局部開裂；橋梁支座上、下擺錨固螺栓被剪斷或拔出，支座結構破壞，活動支座位移量超限，搖軸支座軸被破壞等；橋墩彎曲受壓引起混凝土開裂與剝落，或沿水平施工縫剪切破壞；陡坡地段橋臺隨地基滑移。

隧道工程：隧道洞口邊仰坡塌滑或崩塌；斷層附近的隧道局部開裂扭曲[16]。

3.4 高地溫熱害問題及其分布特征

對于鐵路工程，熱害現象特別對隧道施工及結構設計有很大影響。高地溫對隧道工程的不利影響主要表現在：惡化施工作業環境，降低勞動生產效率，威脅作業人員健康和安全；需研究適應高地溫條件的混凝土配合比及防排水材料；高地溫產生的附加溫度應力會引起隧道初期支護及二次襯砌開裂，影響結構安全和耐久性等[17]。

擬建中尼鐵路地熱極其發育，其分布具有如下特征：地熱分布呈條帶狀，帶內天然熱流異常區特別集中，水熱活動形式多種多樣；地熱的分布與活動構造帶的關系十分密切，地熱顯示點主要出露于不同方向活動斷裂交匯地區、地塹式或半地塹式斷陷盆地或切穿斷塊山地的線狀斷陷谷地；地熱以中高溫-超高溫帶為主[18]。

3.5 邊坡穩定性問題及其分布特征

中尼跨境鐵路位于印度板塊與歐亞板塊的碰撞接觸地帶，青藏高原強烈隆升，新構造運動劇烈，地勢高差顯著、切割速度快，新形成的覆蓋層尚未完全穩定，新一輪的切割升降運動已經開始，導致河谷兩岸的山體邊坡穩定性極差。邊坡失穩的形式多樣，如危巖、落石、崩塌、巖堆、雪崩、錯落、滑坡等，發生機制方面有因果關系的災種之間具有連動性，連動性的結果就是形成災害鏈，各災種之間相互轉化，具有密度大、規模大、范圍廣，且成群分布的特點，工程無法根治。隧道進出口、淺埋段、橋梁岸坡及路基邊坡穩定性問題突出。

經遙感解譯和現場核對，中尼跨境鐵路共發育邊坡類問題約38處[2]，其從高程上總結分布特征如下。

中尼跨境鐵路海拔高程基本在1 300～4 800 m，最高海拔處接近7 000 m，跨度極大。高程在2 000～3 000 m的20處，占災害總數的53%；高程在3 000～4 000 m的6處，占災害總數的16%；高程在4 000～4 500 m的12處，占災害總數的31%。

海拔2 000～3 000 m高程附近地質災害是最為發育的地段，而這高程也是河流水動力作用條件最強，農業種植，牧業活動，交通建設等自然和人類工程經濟活動最為頻繁的地區，主要是地質災害的相對集中發育地段。

海拔在4 500 m以上的地區多為高山，極高山地貌，主要受寒凍風化等作用的影響，風化土層薄，河流水動力活動強度小，加之該地段內人口密度較小，人類工程經濟活動極少。所以，邊坡類問題極少。

3.6 冰川性、冰湖潰決型、雨洪型泥石流水毀問題及其特征

冰湖潰決洪水或泥石流是高山冰川作用區常見的自然災害之一，主要分布在歐洲的阿爾卑斯山、南美洲的安第斯山、中亞的天山以及青藏高原和周邊高山地區[19]。中尼跨境鐵路沿線河流的支溝縱坡大，受構造、風化等作用，巖體破碎，松散固體物質豐富，泥石流發育，其數量眾多、規模宏大、爆發頻繁、破壞力強。尤其是在構造發育的吉隆藏布峽谷主溝極其支流的兩側。

按照泥石流形成時的水動力條件，沿線泥石流可分為雨洪型泥石流、冰川型泥石流和冰川-雨洪混合型泥石流3種基本類型[7]。

泥石流對擬建鐵路工程的影響主要表現在：洪水或泥石流沖擊橋墩、洪水或泥石流淤埋鐵路及相關設施、泥石流下切導致路基失穩、大型冰湖潰決泥石流堵江形成堰塞湖淹沒線路等危害。

3.7 其他地質問題及其分布特征

中尼跨境鐵路特殊的地理、地質背景將不可避免地遇見以上工程地質問題，此外，沿線還發育有風吹雪、風沙、放射性、巖溶、凍土、涎流冰等地質問題，對工程的修建和運營也有較大影響。

(1)風吹雪：積雪厚度遠比自然積雪厚，特別在風口地段，可在線路上形成很厚的雪堆，埋沒線路，直接影響線路行車。主要分布于朋曲河谷區及波曲河谷區。

(2)風沙：喜馬拉雅北坡降雨量較少，蒸發量大，氣候干燥，植被稀疏，沿線在朋曲河寬谷區灘地、高原湖盆地邊緣沙漠化較為嚴重，斷續分布有風積沙。風沙類型主要以固定沙地、半固定沙地、半固定沙丘為主，局部分布有活動沙丘、新月型沙丘、沙壟及流動沙地。沙丘、沙壟高度一般1～2 m，局部可達到5 m以上，覆蓋于山坡上的風沙相對高差可達60～200 m。主導風向為SW，風沙來源主要為就地起沙。對鐵路工程的危害主要為風蝕和沙埋。

(3)放射性：沿線分布有花崗巖、閃長巖等，隧道穿行其中，放射性對隧道施工影響大，對運營有一定影響。根據放射性危害程度采取適宜的工程防護措施，確保施工和運營期間人身健康安全。

(4)巖溶：主要分布于吉隆縣附近侏羅系、三疊系的灰巖、白云巖中，多以條帶狀和團塊狀分布，其延伸方向和當地構造線的發育方向基本一致，多呈東西向展布。巖溶類型主要以巖溶溝谷、溶槽、溶洞為主。

(5)凍土：多年凍土主要分布于5 100 m以上，季節性凍土發育在丘狀高原、原間盆地和河谷與高原過渡的海拔較高、地下水發育地段。

(6)涎流冰：是高寒地區的一種獨特的工程地質現象，在西藏地區冬春季節集中出現，而且分布較廣。涎流冰在路面上形成幾十米以至數百米的冰面，形成交通安全的黑點，而且經過多次凍融又對路面和構筑物形成凍融性破壞，可能引發凍脹、翻漿和路基邊坡失穩造成滑坡等一系列工程地質問題。

4 主要工程地質問題關鍵技術對策研究

中尼跨境鐵路工程地質條件極為復雜，勘察條件異常困難，工作中應立足于“科學研究作先導，先進勘察技術為手段，常規調查與勘探是基礎”的勘察設計理念，充分借鑒青藏鐵路、拉日鐵路、蘭渝鐵路等類似地質環境的科研成果和勘察設計、施工經驗，并結合我院在中尼鐵路積累的研究，針對不同的地形、地貌及構造特征劃分地質單元，采取相應的綜合勘察技術，分析主要工程地質問題分布特征、對鐵路工程影響、綜合選線技術、工程措施等研究，降低工程地質風險。

對特殊的工程地質問題，應針對性地開展中尼跨境鐵路主要工程地質問題關鍵技術對策研究，通過科研、專題形式的研究，提高我國山區鐵路勘察、設計的理論和技術水平。建議開展的主要工程地質問題關鍵技術研究項目及內容見表2。

表2 主要工程地質問題關鍵技術研究項目及內容

5 結論

(1)中尼跨境鐵路是首條穿越喜馬拉雅山脈的鐵路，該區的工程地質環境特征具有地形切割極為強烈、氣候條件極為惡劣多變、水文條件極為特殊多樣、巖性條件極為混雜多變、構造條件極為復雜活躍、地震效應極為顯著、高地殼應力、高地震烈度、高地溫和高地質災害風險的典型“六極四高”特征。

(2)通過分析中尼跨境鐵路復雜的工程地質環境特征，提出影響鐵路建設的7個主要工程地質問題，即極高地應力下的軟巖大變形、硬巖巖爆問題，深大活動斷裂的工程地質效應問題，高烈度地震問題，高地溫熱害問題，邊坡穩定性問題，泥石流水毀問題等工程地質問題。

(3)采用“科學研究作先導，先進勘察技術為手段，常規調查與勘探是基礎”的勘察設計理念，建議針對性地開展中尼跨境鐵路主要工程地質問題分布規律、對鐵路工程影響、綜合選線技術、工程措施等關鍵技術研究。