川藏铁路从位于第二阶梯的四川盆地台阶式上升至第一阶梯的青藏高原(图1), 地貌形态以高原盆地和深切峡谷为主, 铁路横跨大渡河、雅砻江、金沙江、澜沧江、怒江、雅鲁藏布江等16条大江大河, 穿越横断山脉、念青唐古拉山脉等21座雪山高峰, 被形象地称为“ 世界上技术难度最大的巨型过山车” 。

图1

Fig.1

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	图1 川藏铁路沿线地形地貌(铁路线引自文献[4], 为示意图, 非实际线路, 下同)Fig.1 Topographic diagram along Sichuan-Tibet Railway[4]

川藏铁路从东而西穿越扬子地块、川滇块体、甘青块体、西藏块体和喜马拉雅块体^[4]。

第四纪以来, 印度板块向欧亚板块俯冲与挤压, 致使青藏高原以9.5 mm/a的速度快速隆升^[5], 形成强烈的现代地壳活动和高地应力场^{[5, 6, 7, 8, 9]}, 在地壳运动不均匀部位形成不同方向的活动断裂带, 如龙门山断裂带、鲜水河断裂带、理塘— 德巫断裂带、澜沧江断裂带、金沙江断裂带、怒江断裂带、嘉黎— 察隅断裂带等。

川藏铁路沿线及邻区地层发育齐全, 地质构造对地层分布有显著的控制作用, 地层走向与区域控制性断裂走向基本一致(图2)。铁路沿线除寒武系外, 从震旦系至第四系均有分布, 并以沉积岩为主。工程地质岩组主要为坚硬— 较坚硬的中厚层状砂岩夹砾岩、泥岩、板岩岩组, 软硬相间的中厚层状砂岩、泥岩夹灰岩及互层岩组, 较弱— 较坚硬的薄— 中厚层状千枚岩、片岩夹灰岩及砂岩岩组, 坚硬块状花岗岩、安山岩、闪长岩岩组, 以及断裂带软弱岩体等。

图2

Fig.2

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图2 川藏铁路沿线地层岩性纲要 1.第四系冲洪积、冰碛物等; 2.陆相碎屑岩为主, 海相碎屑岩及火山岩; 3.陆相碎屑岩为主, 藏南海相沉积(砂页岩夹泥灰岩); 4.海相砂板岩夹灰岩、砂页岩、砾岩及火山岩; 5.中生界并层; 6.冈瓦纳相(灰岩、砂板岩夹玄武岩、千枚岩); 7.并层; 8.冈瓦纳相(砂页岩、大理岩、灰岩); 9.中— 上统为磨拉石; 10.上古生界并层; 11.前泥盆系变质砂板岩、片麻岩、大理岩; 12.灰岩夹千枚岩、大理岩夹基性火山岩; 13.并层; 14.碎屑岩及火山岩; 15.下古生界并层; 16.元古宇; 17.太古宇; 18.中生代杂岩; 19.喜山期花岗岩; 20.燕山晚期— 喜山期花岗岩; 21.燕山期花岗岩; 22.华力西期— 燕山期花岗岩; 23.元古宙花岗岩; 24.闪长岩类; 25.超铁镁质岩类; 26.碱性岩类; 27.水系; 28.断裂; 29.已建铁路; 30.在建铁路; 31.拟建铁路方案示意图Fig.2 Outline of stratigraphic lithology along Sichuan-Tibet Railway

川藏铁路沿线山高谷深, 地形切割破碎强烈, 多为陡峻的V型谷, 近直立的岸坡或陡崖常见, 成为崩塌、滑坡和泥石流等外动力地质灾害的高易发区^{[10, 11]}。在内外动力耦合作用下形成的崩塌、滑坡和泥石流等浅表层地质灾害具有发育范围广、规模大、危害大、复发频繁和形成机理复杂等特点, 并发育四川理塘乱石包高位远程滑坡^{[12, 13, 14]}、西藏江达白格滑坡— 堵江— 溃坝灾害链^{[15, 16, 17, 18, 19]}、西藏易贡高位远程滑坡^{[20, 21, 22, 23]}、加查拉岗村高位远程滑坡^[24]等巨型灾害, 制约着川藏铁路选线规划。

3.1.1 川藏铁路沿线基础地质调查研究进展

(1)编制完成川藏铁路雅安— 林芝段1:25万地质图。2019年中国地质调查局成都地质调查中心充分利用已有的1:25万地质资料及综合集成研究成果^{[25, 26, 27]}和近年来完成的地质调查成果, 编制完成“ 川藏铁路交通廊带雅安— 林芝段1:25万地质图” 及说明书。该地质图以铁路线南北各50 km作为编图范围, 突出表达了岩石组合(岩性)、特殊岩性层(煤、石膏、石灰岩等)、劈理、断裂及新构造, 简化沉积相、生物地层、年代地层等地质内容, 提出了川藏铁路规划、工程施工等过程中需要特别关注的炉霍— 康定、甘孜— 理塘、金沙江、北澜沧江、班公湖— 怒江、嘉黎— 察隅、雅鲁藏布江等7条规模巨大的构造(蛇绿)混杂岩带, 构造混杂岩带内新构造活动强烈、岩石劈理密集、地震活动频繁、温泉地热广布、地质灾害频发, 对工程区域稳定性和隧道施工影响较大, 是关系到铁路工程高质量施工的关键区带^[28]。

(2)开展关键段1:5万区域地质调查和1:1万填图。围绕昌都— 察雅段铁路规划开展了5幅1:5万区域地质调查, 查明了察雅县新卡乡— 王卡乡、贡觉县则巴乡— 白玉县盖玉乡沿线构造岩性等地质特征, 编制了廊带状1:5万专题地质图, 在昌都— 贡觉段贡觉隧道、昌都嘎多隧道等关键区开展1:1万地质填图, 查明川藏铁路昌都— 巴塘段不良地质体的空间展布特征, 为支撑服务川藏铁路规划定测、施工提供了重要依据。发现海拔最高的昌都恐龙等动植物化石和金沙江带榴辉岩, 为探索三叠纪古地理、古气候和古特提斯洋壳俯冲碰撞过程提供了新资料。

3.1.2 川藏铁路沿线重要活动断裂调查研究进展

(1)编制完成川藏铁路雅安— 林芝段1:25万活动断裂分布图。受印度板块与欧亚板块碰撞、地壳物质向东挤出位移影响, 在青藏高原东南部自东向西形成了川西逆冲走滑构造带、西南三江走滑构造带及喜马拉雅东构造结弧形走滑逆冲构造带等3个活动构造区。系统梳理了川西— 藏东交通廊道主要活动断裂发育分布特征, 编制完成《川藏铁路雅安— 林芝段活动断裂分布图》(图4)。川藏铁路雅安— 林芝段受13条区域性活动断裂带影响, 并呈不同角度与铁路线相交或近距离展布; 其中全新世活动断裂带10条(龙门山断裂带、鲜水河断裂带(F₅)、玉农希断裂带(F₆)、理塘— 德巫断裂带(F₇)、巴塘断裂带(F₈)、澜沧江断裂带(巴青— 类乌齐断裂)、怒江断裂带(F₁₀)(羊达— 亚许断裂、邦达断裂)、边坝— 洛隆断裂带(F₁₁)、嘉黎— 察隅断裂带(F₁₂)、鲁朗— 易贡断裂带(F₁₃)), 晚更新世活动断裂带3条(大渡河断裂带(F₄)、金沙江断裂带、香堆— 洛尼断裂带(F₉)), 活动断裂及分支断裂多达45条。

图4

Fig.4

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	图4 川藏铁路雅安— 林芝段活动断裂与地震分布 F1.双石— 大川断裂; F2.盐井— 五龙断裂; F3.耿达— 陇东断裂; F4.大渡河断裂带; F5.鲜水河断裂带; F6.玉农希断裂带; F7.理塘— 徳巫断裂带; F8.巴塘断裂带; F9.香堆— 洛尼断裂; F10.怒江断裂带; F11.边坝— 洛隆断裂; F12.嘉黎— 察隅断裂; F13.鲁朗— 易贡断裂Fig.4 Distribution of active faults and earthquakes in Ya'an-Nyingchi section of Sichuan-Tibet Railway

(2)开展了关键活动断裂带空间结构特征与活动性调查。2019年主要开展了大渡河断裂带(F₄)、嘉黎— 察隅断裂带(F₁₂)和鲁朗— 易贡断裂带(F₁₃)等3条活动断裂的空间几何展布与活动性调查研究, 分析了活动断裂对铁路工程的潜在影响。

大渡河断裂带(F₄)总体呈SN走向, 倾向西, 倾角50° ~80° , 断裂带宽为500~1 000 m, 具逆断特征, 晚更新世以来有过活动, 受断裂活动影响, 桥隧区基岩通常表现为切层或顺层挤压破碎, 容易引起工程边坡失稳、桥基不均匀沉降等问题。

理塘— 德巫断裂带(F₇)总体走向310° ~320° , 倾向北东, 倾角60° ~80° , 第四纪以来以左旋走滑为主, 滑动速率为3.2~4.4 mm/a, 全新世活动强烈。铁路进入理塘盆地后, 多以路基工程与理塘— 德巫断裂主断面小角度斜交, 断裂活动可对路基、桥基及车站场地等工程的稳定性造成一定影响。

嘉黎— 察隅断裂带(F₁₂)总体呈NWW走向, 倾向东或东南, 倾角70° ~86° , 断裂带宽为200~300 m, 右旋走滑兼有逆冲分量, 为全新世活动断裂(图5), 铁路在波密— 通麦段与嘉黎— 察隅断裂带近平行展布, 局部线路斜交, 未来可能遭遇的最大突发位错量为5~6 m(右旋走滑)。受断裂活动影响, 易贡隧道、通麦隧道等隧道可能出现断裂破碎带大变形、断裂带错断和涌水突泥等问题。

图5

Fig.5

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	图5 沿嘉黎断裂带(波密至易贡段)发育的断层破碎带Fig.5 Fault fracture zone developed along Jiali fault zone (Bomi-Yigong section)

鲁朗— 易贡断裂带(F₁₃)总体呈NE走向, 倾角70° ~90° , 为逆冲兼左旋走滑性质, 垂直滑动速率为0.17~0.27 mm/a, 全新世以来发生过强烈活动, 断裂总体走向近SN。地貌上, 断裂多表现为深切峡谷、坡中槽或沿断裂发育陡坎, 受断裂活动影响, 拉月、鲁朗等隧道可能出现断裂破碎带大变形、涌水突泥和高温热害等问题。

(3)初步建成川藏铁路沿线GPS位移监测系统。2019年, 成都地质调查中心沿川藏铁路新建36个GPS高精度测站, 完成了48个新、老测站的观测, 积累了183个时段的观测数据。对川藏铁路雅安— 林芝段两侧, 以及嘉黎— 察隅断裂带(F₁₂)等十几条断裂带的GPS测站进行了重点加密增设, 初步建成了川藏铁路沿线GPS动态监测网, 为进一步定量研究川藏铁路沿线区域现今地壳形变、活动断裂运动速率和应变参数奠定了基础。

3.1.3 川藏铁路重点区段地质灾害调查研究进展

川藏铁路沿线地质灾害具有分布广、类型多、危害大、形成机理复杂等特点, 尤其是高位远程滑坡、冰湖溃决型泥石流和地震滑坡灾害链等重大地质灾害对铁路建设和运营具有较大危害。

(1)川藏铁路重点地段1:5万地质灾害调查。采用InSAR、无人机航测、钻探、物探与野外调查等手段, 在川藏铁路天全— 康定段、巴塘比选段、贡觉— 察雅段和波密— 通麦段等地质灾害高易发区开展了1:5万地质灾害调查, 2019年在川藏铁路沿线长度250 km, 两侧各10 km共5 000 km²范围内调查地质灾害隐患点1 423处; 基于InSAR形变分析, 在金沙江大桥上下游解译发现大型— 巨型深层蠕滑型滑坡20余处(图6); 查明直接威胁铁路工程地质灾害隐患点64余处, 如洛隆某潜在高位崩塌、三道桥沟泥石流、折多塘古滑坡和多洛沟泥石流等。地质灾害具有沿深切割河谷、断裂带、公路密集发育的特征, 在四川巴塘地区发育一系列百万方以上的大型— 巨型古滑坡和深层蠕滑型滑坡, 如列衣乡自热村大型深层蠕滑型滑坡厚15~35 m且体积达900× 10⁴ m³, 沿巴塘断裂带发育的朗多二村古地震滑坡(图7)等, 这些滑坡的发育分布在一定程度上影响和制约了铁路的地质选线。

图6

Fig.6

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	图6 川藏铁路巴塘段地质灾害分布Fig.6 Geological disaster distribution of the Batang section

(2)铁路沿线冰崩、冰川及冰湖遥感解译进展。中国自然资源航空物探遥感中心开展了川西藏东地区冰崩、冰湖溃决泥石流等典型冰崩类地质灾害遥感调查研究, 对2018年西藏林芝色东普沟上游冰崩岩崩-碎屑流-堰塞湖-溃决洪水灾害链进行研究, 结合Landsat等中高分辨率遥感影像, 对色东普沟流域近40 a来冰川的分布和变化情况进行研究, 认为地形地貌、冰川后缘裂隙、地震和降雨等是该区2014年以来发生8次碎屑流堵塞雅鲁藏布江事件的主要影响因素。铁路雅安— 林芝段两侧50 km范围内遥感解译出发育冰湖2 360个, 其中面积大于0.04 km²的有600个, 典型冰湖有加桑隆巴冰湖、郭奶隆巴冰湖、丹卡隆巴冰湖(图8)等。冰湖溃决灾害和堵溃链式灾害对铁路工程选址具有一定影响, 应高度关注冰川、冰湖活动变化情况。

图7

Fig.7

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	图7 巴塘断裂带松多乡朗多二村古地震滑坡发育特征Fig.7 Seismic landslide characteristics of Batang fault zone in Langduo'er village, Songduo town

图8

Fig.8

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	图8 波密丹卡隆巴冰湖发育特征Fig.8 Characteristics of Dankalongba ice lake in Bomi

(3)开展了典型滑坡和泥石流灾害监测预警示范站建设。建设了康定三道桥泥石流、江达白格滑坡、巴塘自热村滑坡和贡觉雄巴村滑坡等地质灾害监测站, 建立了集InSAR、雨量、泥位、地声和次声等为一体的空-天-地泥石流自动监测预警系统和集InSAR、降雨量、孔内测斜和地表形变等为一体的深层蠕滑型滑坡自动监测系统, 地质灾害监测预警示范站的建设为支撑服务铁路规划建设和安全运营提供了防灾减灾技术支撑。

3.1.4 川藏铁路沿线重要区段地应力调查研究进展

印度板块向欧亚板块持续挤压作用导致青藏高原强烈隆升, 构造活动强烈, 形成了空间非均匀性显著的复杂构造应力环境。川藏铁路自东向西穿越华南主体应力区、龙门山— 松潘应力区、川滇应力区、墨脱— 昌都应力区和喜马拉雅应力区等4个构造应力分区^[8]。

结合中铁二院、中铁一院在铁路沿线部署的地质勘察钻孔, 完成折多山隧道、郭达山隧道、高尔寺山隧道等20余处关键区段地应力测量, 初步揭示了铁路沿线构造应力场分布特征, 认为川藏铁路沿线构造应力作用强烈, 高地应力现象显著。水平最大主应力方向大致以白玉— 芒康为界, 具有明显的分区特征, 川藏铁路昌都至林芝段, 最大水平主应力作用方向以NE— NEE向为主, 局部区段具有差异性特征, 康定至昌都段则表现为NW向, 且部分区段如康定地区受活动构造、地震活动及深部结构等因素共同影响, 局部应力场特征显著(图9)。

图9

Fig.9

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	图9 川西地区地应力分布Fig.9 Distribution of geostress in Western Sichuan

从地应力的角度, 隧道设计应主要考虑隧道轴向和隧洞断面几何形状。根据地应力实测结果, 川藏铁路昌都— 林芝段最大水平主应力方向大多与铁路轴向平行或小角度斜交, 且该区段水平应力作用强烈, 整体线路规划有利于铁路工程稳定性。隧洞断面几何形状为似椭圆状时, 能够增强抗侧压能力, 隧洞更易保持稳定。由于铁路穿越区地应力强度较高, 且拟建隧道多为深埋长的大隧道, 围岩岩爆可能性较大, 实际施工需综合考虑隧道轴向、断面几何形状、工程地质条件、岩石力学条件、掘进方式、支护方式等因素。

3.1.5 川藏铁路沿线水文地质调查研究进展

开展了川藏铁路雅安— 林芝段水文地质调查, 初步查明了地下水类型及含水量富水程度, 将川藏铁路沿线地下水类型划分为7大类, 识别了金沙江东岸区段、贡觉— 察雅区段和夏里— 波密区段3个大的岩溶分布区。

完成了折多山隧道、格聂山隧道、察雅隧道和易贡隧道等重点区1:5万水文地质调查, 完成主要地表径流和地下水排泄点的测流, 以及格聂山岩溶水主径流带和排泄区等66处主要岩溶泉丰水、枯水2期统测, 完成察雅、易贡2处构造发育区水文地质钻探和原位水文地质试验(图10)。

图10

Fig.10

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	图10 川藏铁路沿线区域水文地质简图Fig.10 Hydrogeological diagram of the area along Sichuan-Tibet Railway

3.1.6 川藏铁路地热地质调查研究进展

川藏铁路地处地中海— 喜马拉雅地热带, 铁路沿线及邻区已发现温泉526处, 其中泉口温度大于60 ℃的有114处, 最高为97 ℃(巴塘杠日隆温泉), 水热活动频繁^[29]。深埋隧道施工过程中易发生高压热水(汽)、高温岩体、热水腐蚀与涌突热水等灾害。初步查明了地下热水、高温热岩分布特征和川西地区地温梯度, 并初步圈定川藏铁路穿越康定(Ⅰ )、理塘(Ⅱ )、巴塘(Ⅲ )、昌都— 察雅(Ⅳ )、八宿(Ⅴ )、波密通麦(Ⅵ )等6个地热异常带(图11)。铁路沿线的地热分布受构造控制作用强烈, 如嘉黎— 察隅地热带主要受嘉黎— 察隅断裂带和雅鲁藏布江断裂带控制, 在断裂交汇处形成地热异常区, 通麦镇长青温泉温度高达95 ℃, 地热热源主要来自雅鲁藏布江缝合带, 沿线NW向张扭性次级断裂对隧道高温具有控制作用; 在区域地热地质调查研究基础上, 建设了6口大地热流地质参数井、8个地温监测站。

图11

Fig.11

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	图11 川藏铁路沿线地热带及地热异常区分布[29]Fig.11 Geothermal zone and geothermal anomaly distribution along Sichuan-Tibet Railway[29]

(1)创新形成千米级超长水平钻孔定向取心钻进技术, 可实现沿隧道掘进方向全程勘察取样; 采用一体式自动推拉阀、压裂器内部双通路设计等工艺, 创新形成基于水压致裂原理的水平孔地应力测量技术; 提出双向自动调节预应力锚索滑坡防治技术。

(2)首次将1:5 000大比例尺航空物探技术引入高寒复杂山地铁路工程勘察, 应用人机交互式联合反演技术开展航空磁力综合解释, 形成三维解释成果。

(3)形成基于“ 空-天-地” 一体化的高位地质灾害和古滑坡识别技术, 成功识别折多塘古滑坡、格聂山潜在高位滑坡等巨型灾害点; 建立了高位冰崩启动条件下的冰川泥石流早期识别模型和基于面积、坡度、高差等要素的冰川储量估算模型。

(4)实现了全国地质灾害数据库与四川、西藏地质灾害数据库的互联互通与动态更新, 发展了基于窄带物联网和微机电技术的地质灾害监测技术。