新藏鐵路主要工程地質(zhì)問題研究

王 朋

(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)

1 概述

擬建新疆至西藏鐵路為5條進藏鐵路之一。線路起點位于日喀則，經(jīng)過拉孜縣、薩嘎縣、仲巴縣、阿里地區(qū)、日土縣，然后經(jīng)昆侖山進入塔里木盆地，最終到達和田。途經(jīng)舉世聞名的昆侖山、喀喇昆侖山、岡底斯山、喜馬拉雅山脈。全線要穿越十幾處冰達坂、幾十條冰河、沿途橫臥著逾千千米的荒漠戈壁、永凍土層和常年積雪的崇山峻嶺、人跡罕至的羌塘草原及上百里的無人區(qū)，全線平均海拔在4 500 m以上[1]。

2 自然地理特征

2.1 地貌單元極為多變

沿線經(jīng)過的地貌單元有雅魯藏布江河谷區(qū)、卻薩高山區(qū)、朋曲河谷區(qū)、拉軌崗日高山區(qū)、噶爾藏布及雅魯藏布寬谷區(qū)、岡底斯中高山區(qū)、喀喇昆侖高山區(qū)、羌塘高原區(qū)、昆侖山高山區(qū)、塔里木盆地山前沖洪積平原區(qū)[1]。除河谷區(qū)和平原區(qū)外，大部分地區(qū)相對高差多在500～1 500 m，地形陡峭，山勢巍峨挺拔，溝谷發(fā)育，相對切割深度大于1 000 m。

2.2 氣象條件極為惡劣

沿線氣候受緯度和海拔控制，由高原溫帶半干旱氣候向高原寒帶干旱氣候區(qū)逐漸過渡，并由高原氣候區(qū)進入暖溫帶干旱半干旱氣候區(qū)，氣候條件極為惡劣。

日喀則至定日段屬高原溫帶半干旱氣候區(qū)，定日至薩嘎屬高原嚴寒半干旱季風氣候區(qū)，薩嘎至仲巴屬高原亞寒帶半干旱氣候區(qū)，仲巴至日土段屬高原亞寒帶季風半干旱氣候區(qū)，日土至郎如段屬高原寒帶干旱區(qū)，郎如至和田段屬暖溫帶大陸性干旱氣候區(qū)。

區(qū)內(nèi)年平均氣溫-3～12.5 ℃，極端最低氣溫-40 ℃，極端最高氣溫41.1 ℃；降雨量年分布不均衡，雨季多集中在每年的6～9月，年平均降水量166.38～470 mm，年最大降水量750 mm左右，年平均蒸發(fā)量2 070～2 420 mm，年平均風速1.5～4.4 m/s，最大風速可達30.0 m/s，年大風日數(shù)可達149 d。

2.3 地層巖性極為混雜

沿線地層自新生界至元古界均有分布，包括沉積巖、變質(zhì)巖及巖漿巖等各種巖類，極為混雜多變。各個地貌單元地層分述如下。

(1)雅魯藏布河谷區(qū)，主要為第四系沖洪積黏性土、砂類土和碎石土，古近系砂巖、泥巖等，中生界砂巖、灰?guī)r等，燕山期和喜馬拉雅期花崗巖、閃長巖等。

(2)拉軌崗日高山區(qū)，主要為中生界頁巖、砂巖等，燕山期花崗巖、閃長巖等。

(3)朋曲河谷區(qū)，主要為第四系湖積、沖積黏性土、砂類土和碎石類土，中生界頁巖、砂巖等。

(4)岡底斯中高山區(qū)，主要為新近系砂巖、泥巖等，中生界砂巖、泥巖等，燕山期、印支期、華里西期、喜馬拉雅花崗巖、閃長巖等。

(5)喀喇昆侖高山區(qū)，主要為新近系、古近系砂巖、泥巖等，中生界砂巖、泥巖等，古生界灰?guī)r、砂巖等，燕山期花崗巖、閃長巖等。

(6)羌塘高原區(qū)，主要為第四系冰川、冰水沉積砂類土、碎石類土以及黏性土，中生界砂巖、泥巖等，古生界灰?guī)r、砂巖、板巖等，燕山期花崗巖等。

(7)昆侖高山區(qū)，主要為新近系砂巖、泥巖等，中生界砂巖、礫巖、泥巖等，古生界砂巖、千枚巖等，元古界片巖等，燕山期、印支期、華里西期花崗巖、閃長巖等。

(8)塔里木盆地山前沖洪積傾斜平原區(qū)，主要為第四系沖洪積黃土、黏性土、砂類土以及碎石類土，新近系礫巖、砂巖及泥巖，局部分布有風積沙。

2.4 地質(zhì)構造極為復雜

2.4.1 區(qū)域地質(zhì)構造

線路通過區(qū)分屬兩大構造體系，分別為塔里木地臺和青藏高原。青藏高原是印度板塊北移與歐亞板塊拼合的直接作用帶，中生代和新生代多次擠壓拼貼事件，產(chǎn)生了諸多縫合帶和板片。近場區(qū)的一級構造單元有塔里木地臺、阿爾金構造帶、南昆侖—巴顏喀拉板片、羌塘—三江復合板片、岡底斯一念青唐古拉板片、喜馬拉雅板片和板片之間的金沙江縫合帶、班公錯—怒江縫合帶、雅魯藏布江縫合帶。如圖1所示。總體上呈近東西向、北西—南東向展布。這些構造單元直接控制著本區(qū)沉積建造、巖漿活動、變質(zhì)作用及褶皺和斷裂構造活動[2-3]。

Ⅰ阿爾金構造帶 Ⅱ金沙江縫合帶 Ⅲ班公錯—怒江縫合帶 Ⅳ班公湖—怒江縫合帶 Ⅴ雅魯藏布江縫合帶圖1 新藏鐵路所經(jīng)區(qū)域構造分區(qū)略圖

2.4.2 新構造運動

線路主要位于青藏高原及塔里木盆地，自新生代以來，印度板塊與歐亞板塊的碰撞導致青藏高原隆升，新構造運動十分活躍。高原的隆起，具有空間上大范圍的整體性、局部的差異性和時間上明顯的階段性等特點。根據(jù)新構造運動表現(xiàn)形式和強弱程度的不同、地貌特征的差異，可劃分為喜馬拉雅邊界翹起帶、岡底斯—念青唐古拉山斷塊隆起區(qū)、喀喇昆侖—唐古拉斷塊隆起區(qū)、藏東綏傾斜斷塊隆起區(qū)、西昆侖—阿爾金邊界翹起帶等。

青藏高原是新生代的造山地區(qū)，構造活動帶十分發(fā)育，與之相隨的地震活動也強烈發(fā)生，地震數(shù)量多、強度大，共發(fā)生≥8級地震4次，7～7.9級地震11次，6～6.9級地震86次，其中8級以上地震數(shù)量居全國之首。1950年8月15日發(fā)生的察隅—墨脫地震，震級達8.7級，是目前我國有記錄的震級最高特大地震[3-6]。

2.4.3 主要斷裂構造(表1)

表1 沿線深大斷裂構造

3 主要工程地質(zhì)問題

3.1 滑坡、錯落

沿線新構造運動活躍，斷裂構造發(fā)育，地震頻發(fā)，加之喜馬拉雅以北廣大區(qū)域植被稀疏，使得該區(qū)域內(nèi)廣泛分布規(guī)模不一的滑坡、錯落。沿線的滑坡類型主要有兩類，一類為堆積層滑坡，成因是由于河流下切，堆積層前緣形成高陡臨空面，在地下水及其他因素的長期作用下，堆積層失穩(wěn)形成滑動；另一類為沿不利結(jié)構面如層理、大型節(jié)理、斷層等形成的基巖滑坡，由于存在著各種軟弱面，容易產(chǎn)生滑動或錯動[7]。如圖2所示。

圖2 馬甲藏布江右岸滑坡群

選線及應對措施：原則上線路應對滑坡、錯落進行繞避。無法繞避時，應選擇在有利于滑坡穩(wěn)定和線路安全的部位通過，并對其進行削方減載、設置抗滑措施等工程處理。

3.2 危巖落石和崩塌

線路通過高原山區(qū)，地形陡峻，植被稀疏，風化嚴重，局部受冰川作用影響，巖體破碎，坡面多堆積松散層，易形成危巖、落石和崩塌現(xiàn)象。

特別是雅魯藏布江河谷區(qū)，受“V”形谷約束，縱橫坡大，枯洪水位落差大，水流湍急，彎多水急流速快，兩岸堆積層邊坡段物質(zhì)松散，河道狹窄，切割和側(cè)蝕十分強烈，巨大的臨空面為山坡變形創(chuàng)造了條件，多分布有危巖，在風化、降雨及自身重應力作用下，危巖與母巖分離而產(chǎn)生崩塌、落石，在坡腳形成巖堆。如圖3所示。

選線及應對措施：線路方案繞避危巖、落石、崩塌發(fā)育區(qū)，無法繞避的盡量以隧道、明洞等形式通過，并采取必要的防護措施[8]。

圖3 馬甲藏布峽谷區(qū)危巖

3.3 巖堆

沿線中高山區(qū)山體陡峻，巖性多為脆性巖體，受地質(zhì)構造影響嚴重，節(jié)理裂隙發(fā)育，多見高陡臨空面，局部呈現(xiàn)“凹”槽狀凌空突出，在強烈物理風化作用下，導致表層巖體破碎，裂隙張開，邊坡穩(wěn)定性很差，多分布有危巖，在風化、降雨及自身重應力作用下，危巖與母巖分離而產(chǎn)生崩塌、落石，在坡腳形成巖堆[9]。如圖4所示。

病原菌一般經(jīng)氣孔或傷口侵入，侵入后在適宜條件下，葉片上一般3～6天，果實上一般5～7天，即可發(fā)病，葉片表皮的損壞、葉毛擦傷以及細胞間充水過多都能加重病情。高溫高濕，多雨天氣或暴風雨過后易流行。連作田、低洼地、土質(zhì)黏重、田間積水、窩風或缺肥、植株生長不良的地塊發(fā)病重。病菌發(fā)育的最低溫度為5℃，最高溫度為40℃，最適溫度為27～30℃，在59℃條件下，經(jīng)10分鐘可致病菌死亡。據(jù)調(diào)查，大田內(nèi)有10%的植株發(fā)病，只要溫濕度適宜，就可傳染到整個地塊以至造成流行。

圖4 紅柳灘河谷巖堆

選線及應對措施：線路應繞避補給來源豐富、結(jié)構松散、處于發(fā)展階段或具有軟弱夾層、地面和巖堆基底橫坡較陡、地下水豐富、極易產(chǎn)生變形或滑動且工程處理困難的大型巖堆以及溜石坡。

3.4 泥石流

沿線坡面形、溝谷形泥石流普遍發(fā)育，為全線主要的工程地質(zhì)問題，以中、小型泥石流為主。沿線山體巖體多裸露且表層風化破碎嚴重，并有部分受冰川作用影響，巖體極其破碎，溝谷內(nèi)碎石類土普遍發(fā)育，為泥石流提供了豐富的物質(zhì)來源。青藏高原降水量往往較為集中，特別是雪山、冰川融水、冰湖潰決，均易造成泥石流的發(fā)生[10]。

選線及應對措施：線路應繞避處于發(fā)育期的特大型、大型泥石流溝和淤積嚴重的泥石流溝；一般不宜穿越泥石流區(qū)。經(jīng)過泥石流溝谷時，嚴禁在洪積扇上設挖方工程，宜選擇在流通區(qū)以橋梁工程通過，留足凈空，并做好導流措施，確保泥石流排泄暢通。

3.5 風沙

昆侖山山前沖洪積平原區(qū)和青藏高原均有分布。昆侖山區(qū)風沙類型以固定沙地為主，地表以角礫土、碎石土為主，植被覆蓋率為10%～50%，局部有輕微積沙，沙害較輕微。

青藏高原由于蒸發(fā)量大、氣候干燥、植被稀疏、風季時間長，沙漠化嚴重。風沙主要出現(xiàn)在高原的湖濱平原、沖洪積平原、河流谷地和下切河流寬谷的河灘、階地、洪積扇緣及谷坡、平河床和山麓前緣等地貌部位。線路附近主要分布區(qū)域，一是雅魯藏布江上游馬泉河寬谷區(qū)，中游薩嘎—拉孜；二是朋曲中下游和主要支流河谷；三是森格藏布(獅泉河)、噶爾藏布、浪欽藏布(象泉河)和班公錯等胡盆地；四是昆侖山前傾斜平原和塔里木盆地。風沙地表形態(tài)主要有平地沙、山坡沙地、新月形沙丘及沙丘鏈、格狀沙丘、高大復合型沙丘。沙丘高度一般在2～20 m，植被覆蓋率小于10%。主導風向為SW，風沙來源主要為就地起沙[11]。如圖5所示。

圖5 當卻藏布附近沙丘

選線及應對措施：線路通過風沙山地時，應避開溜沙坡等陡坡積沙地段，選擇在背風側(cè)影響部分以外的地段或沿山地積沙帶的丘間地通過。

3.6 地震

本段所經(jīng)區(qū)域地震動峰值加速度為0.10g～0.20g，地震活動頻繁、強烈，應按地震區(qū)進行工程地質(zhì)勘察。

根據(jù)其地形條件分析，位于寬闊河谷地段且覆蓋層極厚段的線路為抗震有利地段，陡峻岸坡地段為抗震不利地段。地震可能引起的災害主要有兩類：一是由地震造成地面破壞而導致鐵路工程建筑物破壞，如斜坡失穩(wěn)、山體變形及飽和砂土、粉土液化地基土失效等，這種震害是間接的；二是由地震的震動直接造成工程建筑物的破壞，這種震害是直接的。但受場地工程地質(zhì)條件的影響，不同的場地土，地震慣性力不同，破壞程度也有所不同[12]。

沿線平原區(qū)、谷地湖盆區(qū)、大型河谷區(qū)地勢低平地段地下水位埋深較淺，飽和粉土、砂類土存在地震液化的風險。

選線及應對措施：勘察階段應查清易發(fā)生地震災害的地段，在抗震設計時，應予以考慮。

3.7 高地溫

線路位于青藏高原多個地熱活動帶內(nèi)，帶內(nèi)天然熱流異常區(qū)特別集中，水熱活動形式多種多樣，諸如溫泉、沸泉、水熱爆炸、間歇噴泉以及水汽兩相、放熱地面等。西藏水熱區(qū)的分布與活動構造帶的關系十分密切，水熱活動強度基本上與所在活動構造帶內(nèi)新構造運動顯示的強度相當，地熱顯示點主要出露于不同方向活動斷裂交匯地區(qū)、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[13-14]。與線路有關的高地溫帶主要有：日土—申扎—那曲一帶，活動強度中等，以溫泉為主；噶爾縣—公珠錯地區(qū)，呈北西向分布，地熱顯示強烈，以水熱爆炸、沸泉為主；雅魯藏布江谷地，以汽水兩相為主[15-18]。如圖6所示。

選線及應對措施：線路應盡量繞避地熱發(fā)育地段，當無法繞避時，宜選擇在地熱邊緣地帶，構造簡單、地熱強度弱的地段，盡量以橋、路形式通過。

圖6 日喀則地區(qū)間歇地熱噴泉

3.8 雪害

沿線的雪害分為風吹雪和雪崩兩種類型。

線路位于高海拔地區(qū)，山峰常年積雪，降雪多發(fā)，且風力大，給風吹雪的形成創(chuàng)造了有利條件。風吹雪主要分布于沿線泉水溝—甜水灣、噶爾—拉孜段落。風吹雪地段宜以橋梁工程通過；以路基通過時，需做好防風措施和路基防護措施，避免積雪掩埋路基。

線路通過高原中高山區(qū)，地形陡峻，山峰上有常年積雪和季節(jié)性降雪，達到臨界深度或受外力如施工等影響時易觸發(fā)雪崩。

選線及應對措施：勘察階段應查清其分布范圍，線路應盡量繞避或遠離雪崩危險區(qū)域，無法繞避時應筑構防雪崩工程。

3.9 凍土

多分布于海拔4 500 m以上，凍土分為多年凍土和季節(jié)性凍土。多年凍土主要分布于昆侖山區(qū)和羌塘高原，以高含冰量(富冰凍土、飽冰凍土、含土冰層)多年凍土為主。多年凍土區(qū)主要不良凍土現(xiàn)象有凍脹融沉、熱融滑塌、熱融湖塘、凍脹丘、冰椎冰丘等[19]。季節(jié)性凍土分布于除多年凍土區(qū)以外的段落，一般厚0.5～2.0 m。

選線及應對措施：勘察階段應查清其分布范圍，工程設置及應對措施應充分借鑒青藏鐵路的相關研究成果和技術經(jīng)驗。

4 主要工程地質(zhì)問題研究及對策展望

新藏線平均海拔在4 500 m以上，沿線自然環(huán)境惡劣，人口稀少，大部分線路走行于無人區(qū)，地質(zhì)調(diào)繪難度極大，傳統(tǒng)的技術手段無法滿足地質(zhì)調(diào)繪和勘察的要求。

本線與正在勘察設計的川藏鐵路、中尼鐵路工程地質(zhì)環(huán)境特征類似，主要工程地質(zhì)問題及特征基本相同，在勘察設計階段應充分借鑒其勘察設計經(jīng)驗及先進勘察技術，使用“空天地一體化”的綜合勘察方法，推動多學科聯(lián)合勘察手段，利用遙感技術、真實感大場景技術、航空物探以及無人機三維技術等先進技術手段，滿足不同技術要求、勘察精度要求，確保為新藏鐵路的選線、設計提供可靠的地質(zhì)基礎資料，對主要工程地質(zhì)問題做到過有依據(jù)，繞有通道。同時，青藏鐵路遇到的多年凍土問題[20]、拉林鐵路及拉日鐵路遇到的高地溫與巖爆問題[21]在施工及運營中的應對措施，對新藏鐵路類似工程地質(zhì)問題均有借鑒意義。

因此，在充分借鑒青藏鐵路、拉日鐵路、拉林鐵路、川藏鐵路、中尼鐵路等科研成果和勘察設計、施工經(jīng)驗的基礎上，針對不同的地形地貌、地質(zhì)構造以及工程地質(zhì)條件，采用相適應的新技術、新方法，探索新型勘察技術和手段。

對重點的工程地質(zhì)問題開展專項研究工作。采用綜合勘察方法和手段，通過科研、專題等研究形式，研究沿線滑坡和錯落、危巖、落石和崩塌、巖堆、泥石流、風沙、地震、高地溫、雪害及凍土等工程地質(zhì)問題，建立重大地質(zhì)災害的現(xiàn)場勘察技術體系，提高我國山區(qū)鐵路勘察、設計的理論和技術水平。

5 結(jié)論

(1)新藏線地形地貌多樣、氣候環(huán)境惡劣、地層巖性多變、地質(zhì)構造單元復雜、深大斷裂密集分布，致使沿線地質(zhì)環(huán)境復雜。

(2)沿線影響鐵路建設的主要工程地質(zhì)問題：滑坡、危巖落石和崩塌、巖堆、泥石流、風沙、地震、放射性、有害氣體、高地溫、雪害以及凍土。

(3)應在充分吸收和利用既有先進技術成果的基礎上，探索新型的勘察技術和手段，對重點的工程地質(zhì)問題開展專項研究工作。