復雜艱險山區(qū)防災減災選線原則研究

李孝攀

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043)

川藏鐵路始于四川省省會成都市，經雅安、康定跨過金沙江進入西藏，再經昌都、林芝到達西藏自治區(qū)省會拉薩市，線路全長約1 500 km，項目計劃于2029年建成通車。川藏鐵路昌都至林芝段位于青藏高原及其邊緣地帶，處于我國地勢第二級階梯和第三級階梯的過渡區(qū)域，是典型的復雜艱險山區(qū)。線路行經區(qū)域具有顯著的地形高差、強烈的板塊活動、頻發(fā)的山地災害、敏感的生態(tài)環(huán)境等四大特點[1]。

減災選線是以規(guī)避、防范鐵路全壽命周期(建設及運營期間)可能發(fā)生的地質災害為根本目的和出發(fā)點，運用系統(tǒng)工程、風險管理等先進的理論、方法，對災害風險進行判識，并在此基礎上科學選擇鐵路線位、工程方案及災害防控措施的技術過程[2]。

在勘察設計階段考慮地質災害的影響，合理規(guī)避潛在的工程風險，不僅可以從源頭上預防施工運營階段的意外災害，還可以提高全壽命周期的綜合效益。本文以川藏鐵路昌都至林芝段為研究對象，對線路行經區(qū)域的地質災害進行研究，分析地質災害對橋梁、隧道等重點工程構筑物的影響，研究復雜艱險山區(qū)防災減災的選線原則。

1 川藏鐵路昌都至林芝區(qū)域工程地質研究

川藏鐵路昌都至林芝段跨越瀾滄江、怒江和雅魯藏布江這三大流域，穿越他念他翁山、念青唐古拉山這兩這大山系。線路行經區(qū)域地勢跌宕起伏、巖層褶皺錯雜、風化剝蝕強烈、重力卸荷廣泛，區(qū)域工程地質具有“三大一強”的特點，即地形高差大、地災速度大、地災規(guī)模大、構造活動強[3]。在勘察設計和施工運營階段都不得不面臨地形高差大、板塊活動強、地質災害頻發(fā)等問題。

1.1 地層巖性

川藏鐵路昌都至林芝區(qū)域地層巖性十分復雜，地層時代從震旦系至新生界均有分布，主要巖性：①砂巖、板巖、千枚巖為主的沉積巖、變質巖；②以花崗巖為主的侵入巖；③以灰?guī)r為主的可溶巖[1]。

1.2 特殊巖土

川藏鐵路昌都至林芝段線路行徑區(qū)域大部分海拔在3000 m以上，邦達草原海拔達到4 300 m，區(qū)域內存在大面積的季節(jié)性凍土，在波密以東局部地段分布有第三系、白堊系、頁巖等黏土巖，膨脹巖、軟土、鹽漬土也伴隨分布。區(qū)域內強烈的構造運動，形成大面積軟弱易風化的蝕變巖，大塊的巖體脫落，通過冰川消融的搬運，在平緩地帶形成大面積冰磧物和松散堆積體。

1.3 不良地質

川藏鐵路昌都至林芝區(qū)域以高寒、高海拔、大高差和劇烈的地殼隆升擠壓作用為典型的地質背景，內外動力引起的地質作用十分劇烈，由此衍生出來的不良工程地質問題主要有活動斷裂、高烈度地震、滑坡、泥石流、崩塌、高地溫、高溫熱水、溜砂坡、巖爆、大變形[4]。

1.3.1 活動斷裂和高烈度地震

川藏鐵路昌都至林芝段線路行經區(qū)域斷裂、褶皺密集發(fā)育，以深大活動斷裂為主控構造，主要發(fā)育有瀾滄江斷裂帶、怒江斷裂帶、邊壩-洛隆-八宿斷裂帶、嘉黎斷裂帶、雅江縫合帶、米林-魯朗斷裂帶，區(qū)域內斷裂帶分布如圖1所示[5]。區(qū)域內地震活動頻繁，存在錯斷、震壞，屬于高烈度地震多發(fā)區(qū)，根據國家地震局GB 18306-2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》顯示昌都至林芝區(qū)域地震動峰值加速度主要是0.15g，在林芝附近達到0.4g，相當于地震基本烈度為Ⅸ度，區(qū)域內地震烈度如圖2所示。

圖1 昌都至林芝區(qū)域斷裂帶分布示意

圖2 昌都至林芝區(qū)域地震烈度區(qū)劃示意

1.3.2 滑坡、崩塌、錯落

川藏鐵路昌都至林芝段線路行經區(qū)域地形地貌變化劇烈、活動斷裂發(fā)育、新構造運動強烈，巖體破碎。受降雨、降雪極端天氣的影響，溝河水流沖刷劇烈，致使滑坡、崩塌、錯落等不良地質發(fā)育，且數(shù)量多，規(guī)模大，難以整治。雖然在不同路段都有崩滑體分布，但危害性較大的崩滑體分布相對集中于地質構造交叉復合部位和新構造運動活躍的峽谷地段，特別是瀾滄江、玉曲、怒江、東久河、魯朗河、雅魯藏布江的峽谷地段[3]。

1.3.3 泥石流

川藏鐵路昌都至林芝段線路行經區(qū)域主要河流的支溝縱坡大，受構造、風化等作用影響，泥石流發(fā)育且數(shù)量眾多、規(guī)模宏大，山體破碎、松散固體物質豐富，山地 災害爆發(fā)頻繁、破壞力及極強，尤其是在構造發(fā)育的瀾滄江、怒江、帕龍藏布及其支流的兩側。除了降雨型泥石流外，由于高山冰雪消融，還分布有部分冰川型泥石流[1]。

1.3.4 溜砂坡、巖堆

由于反復的冰雪消融和強烈的自然剝蝕，山體風化十分嚴重，隨著高山融雪和自然降雨，剝落的碎屑巖石散落于山坡或被搬運到山腳，斜坡上的砂石依靠摩擦咬合作用，形成暫時穩(wěn)定的溜砂坡，堆積在山腳的碎屑巖石形成大面積巖堆。

1.3.5 高地應力

從大范圍來看，該區(qū)域屬喜馬拉雅運動形成的造山帶，構造擠壓強烈且伴有巖漿侵入，水平地應力場值也普遍較高。昌都至林芝區(qū)域新構造運動強烈、活動斷裂發(fā)育、廣泛分布有巖漿侵入體，存在大量構造應力高度集中的地質環(huán)境。隧道在施工過程中可能會遇到高地應力環(huán)境，在隧道埋深較大時，存在高巖爆風險，硬脆圍巖易發(fā)生巖爆，而軟質圍巖可能發(fā)生大變形，構造強烈的區(qū)域，硬質巖破碎帶也可能產生大變形。

1.3.6 高地溫、高溫熱水

川藏鐵路昌都至林芝區(qū)域地處西南地熱帶，該地熱帶沿雅魯藏布江，經三江并流區(qū)，折向東南經高黎貢山進入云南騰沖火山區(qū)，這是我國大陸上地熱活動最強烈的地帶。川藏鐵路昌都至林芝段所經過的藏東南地區(qū)大地熱流密度值高，平均80～100 mw/m2，而地下熱水密集區(qū)常沿晚近期有強烈活動的斷裂帶呈條狀分布[1]，在區(qū)域范圍內主要存在三處地熱異常帶，主要有瀾滄江斷裂帶、怒江斷裂帶、雅江縫合帶，初步預測隧道受地熱異常影響，部分地段洞內溫度可達60 ℃?？紤]地溫梯度、地表溫度、地形、地下水的影響，在埋深達到800～1 000 m以上的隧道，可能存在高地溫的風險[7]。

2 重點工程災害風險分析

鐵路是典型的帶狀工程構筑物，由橋隧等重點工程串聯(lián)而成，川藏鐵路昌都至林芝段線路全長約374 km，橋隧比高達98.3 %，橋梁、隧道、重點車站的安全性決定了整個線路的通暢性。運用德爾菲法和因子分析法，分析橋梁、隧道、重點車站可能會面臨的災害風險，在工程建設源頭—工程設計環(huán)節(jié)，做好風險規(guī)避、風險防控工作，提前考慮地質災害的影響，避免施工、運營期間災害的發(fā)生，從而達到防災減災的目的。

2.1 橋梁災害風險

川藏鐵路昌都至林芝段地貌形態(tài)主要受青藏高原地貌隆升的影響，總體地勢西高東低，地勢急劇隆升抬起，河流急劇侵蝕下切，為典型的“V”形高山峽谷地貌。鐵路穿越橫斷山高山峽谷區(qū)和藏南嶺谷地區(qū)時，橋墩設置困難，橋梁主要考慮大跨通過，川藏鐵路昌都至林芝段正線設置橋梁18座，全長29.4 km，橋梁比例7.9 %。高山峽谷區(qū)的橋梁安全風險主要來源于自然降雨和冰壺潰決所引發(fā)的洪水、滑坡、崩塌、泥石流、落石、雪崩，峽谷地區(qū)峽谷風的橫向力對橋梁的威脅也比較大，地殼運動活躍的區(qū)域地震以及次生災害帶來的影響不可忽視。地震對橋梁的破壞主要是由于地表破壞和橋梁受震破壞引起的，其中地表破壞有地裂、滑坡、塌方、岸坡滑移和砂土液化等現(xiàn)象[8]。地裂會造成橋梁跨度的縮短、伸長或墩臺下沉。在陡峻山區(qū)或砂性土和軟粘土河岸處，強烈地震引起的塌方、岸坡滑動以及山石滾落，可使橋梁遭到破壞。

2.2 隧道災害風險

川藏鐵路昌都至林芝段穿越他念他翁山、伯舒拉嶺、念青唐古拉山，正線設置隧道16座，全長338.3 km，隧道比例高達90.4 %，可以說是一條名副其實的“高原地鐵”。昌都至林芝段行經區(qū)域特殊的地形地貌、活躍的地質災害和破碎的山體結構，隧道埋深普遍都比較深，隧道洞身部分可能會面臨高地溫、強巖爆、大變形、斷層等問題，地殼巖層在外部壓力作用下發(fā)生破裂，并且沿隧道破裂面產生了相對移動，容易引發(fā)塌方、落石、涌水、突水、掉塊等地質災害。困難艱險山區(qū)，隧道除了洞身部分面臨高的風險外，洞口位置也面臨巨大的威脅，陡峭的山體結構、破碎的巖體表面、發(fā)育的地質災害是隧道洞口面臨的主要風險，這也使得隧道洞口的選擇異常困難。

2.3 重點車站災害風險

川藏鐵路昌都至林芝段線路經過區(qū)域多位于高山峽谷區(qū)，很難有理想的開闊平地建設車站，部分車站只能設置在橋梁上或隧道里。車站安全面臨的威脅主要來自河谷水流沖刷和山谷間的滑坡、崩塌、泥石流、落石等災害，高山落石和泥石流可能會損壞車站設施，高山峽谷區(qū)高山融雪和自然降雨都會引起水位變化，對車站有一定的影響。

3 防災減災選線策略

鐵路的災害主要發(fā)生在施工和運營期間，而災害發(fā)生時鐵路所面臨災害風險的大小在一定程度上取決于設計的合理程度。在設計階段充分考慮各種災害的潛在威脅，權衡各個致災因子的影響程度，合理優(yōu)化線路走向和工程設置，不僅能夠從源頭上避免災害的不利影響，還能提升鐵路全生命周期的綜合效益。

3.1 合理選擇技術標準，優(yōu)化確定技術參數(shù)

復雜艱險山區(qū)特殊的地形地貌和地質環(huán)境，在技術標準的選定時既要考慮一定的安全富余，又要因地制宜地考慮適應該區(qū)域的技術標準，特別是牽引種類和限制坡度的選擇。應該貫徹移動設備適應固定設備的理念，在滿足運營安全的前提下，采用大功率的電力機車牽引技術，川藏鐵路建設周期較長，可以考慮一定的技術預期，用未來的技術水平來研究設計階段的技術標準。川藏鐵路復雜的地貌環(huán)境，高橋長隧在所難免，在滿足運輸和列車安全運營的條件下，考慮用足限制坡度，減少線路展線，轉變用線路展長和土建工程來換取坡度減緩的思路。用足限制坡度不僅可縮短線路長度，其工程建設費、防災減災費和長遠期運營費也會有明顯的降低[9]。

3.2 選擇合理地形，保持自然穩(wěn)定，減少山體擾動

川藏鐵路起伏的自然地貌使得鐵路工程設計和施工都十分困難，很難選擇理想的區(qū)域設置橋隧、車站等工程構筑物。盡量選擇與線路走向一致、岸坡平緩、兩岸開闊、地質條件較好的溝谷，不僅可以有效地客服高程障礙，還可以有效的減少地質災害的影響[10]。線路行經區(qū)域緩坡地段工程設置容易，但存在大面積的溜砂坡、巖堆、冰磧物等松散堆積體，沿線區(qū)域災害規(guī)模大，清坡和治理，對自然的擾動較大，工程艱巨，往往不夠現(xiàn)實，還容易引發(fā)次生災害。陡坡巖性條件較好，開挖對周邊的影響較小一些，適當防護即可保持穩(wěn)定，但輔助道路等設置困難。

3.3 繞避地質災害點，路跨河、進洞躲避山地災害群

川藏鐵路昌都至林芝段線路需要經過瀾滄江、怒江、帕隆藏布、雅魯藏布江及其支流，溝谷底部存在大量崩塌、滑坡、泥石流的沖擊區(qū)和堆積場，為重災、群災的多發(fā)地帶。繞避災害歷來是山區(qū)鐵路減災的首選原則，對災害區(qū)進行合理繞避，做到繞有依據、治有辦法，保證鐵路建成后不留后患，盡量縮短線路經過地質災害多發(fā)地段的長度。線路應繞避穩(wěn)定性差、大型堆積體和錯落群，避開地形零亂，坡腳有地下水出露的山坡。如必須要沿河谷，線路宜選擇從巖性單一且?guī)r體完整性較好的地段通過。在繞避時要進行不同繞避方案的比選，減少不必要的展線。

3.4 長隧穿山、大跨越江縮短線路長度

昌都至林芝段線路走向與山系、構造線、斷裂帶基本成正交，為了克服高程障礙，盡可能地減少沿河展線而誘發(fā)的地質災害的不利影響，應貫徹以正交的方式高橋大跨飛越瀾滄江、怒江東久曲等大江大河，以正交或大角度方式長隧穿越他念他翁山、念青唐古拉山等主要山系。在線路必須經過的瀾滄江斷裂帶、怒江斷裂帶、邊壩-洛隆-八宿斷裂帶、嘉黎斷裂帶、雅江縫合帶、米林-魯朗斷裂帶區(qū)域時，考慮線路盡可能以正交或大角度方式穿過斷裂帶，減少線路與斷裂帶的并行長度，在斷裂帶相交的區(qū)域，要避免設置重大復雜工程構筑物，以簡易工程通過。

3.5 傍山高位、寧高勿低，按災害上界確定線位高程

昌都至林芝段線路必須要穿過高山峽谷區(qū)，該區(qū)域構造運動活躍，地質災害復雜，定線愈低的沿河線路，所經山地災害地段愈長，易損的可能性愈大，成災愈嚴重。選線工作的重點在于確定災害群的影響范圍及對線路影響最小的上界位置，將災害風險降到最低限度。群災、重災的沿河線段要貫徹寧高勿低的選線原則，盡量將線路標高定在山地災害群的上界，線路應以挖方通過崩塌滑坡體的上部、用橋梁從泥石流的流通區(qū)或出山口跨越為宜。通過調查部分區(qū)域發(fā)現(xiàn)溫泉，對于存在高地溫、高地熱影響的區(qū)域，要考慮地熱的分布規(guī)律和施工救援的方便，線路應遵循“傍山高位”的定線原則，隧道平面上靠近山邊或溝谷，立面上走高減少埋深。線路傍山有利于輔助坑道的施工，如遇到高地熱和高地溫的情況發(fā)生時，可以就近選擇開挖輔助坑道用于通風和排水，保證隧道的正常施工。按照地熱分布規(guī)律，越往地表水溫越低，線路高程走高可以減少溫泉熱水的不利影響。此外，隧道洞口和橋臺位置的選擇都要按照“下穩(wěn)上凈”的原則，遠離不良地質體，重大工程構筑物應設置在災害影響范圍之外的區(qū)域內[10]。

3.6 加強地質災害風險評估，合理設置工程構筑物

地質災害是在復雜環(huán)境共同作用影響下發(fā)生的，很難對災害情況進行準確預估，在線路勘察設計階段要加強地質科研工作，運用新的勘測技術并結合現(xiàn)場實地踏勘，準確判別地質災害點及其規(guī)模，研究滑坡、崩塌的影響范圍，確定線路中心位置；分析河谷水位和雍水高，確定橋梁墩臺高度；模擬災害發(fā)生情況，設置防護措施。通過理論分析結合現(xiàn)場調研，強化地質科研結論指導工程構筑物的優(yōu)化設置。路線方案的選擇應視滑坡的規(guī)模、穩(wěn)定性和治理的難易程度而定，線路通過滑坡的位置原則上應力求不惡化滑坡的穩(wěn)定性，選擇有利于滑坡的穩(wěn)定和路線安全的位置通過。在災害多發(fā)區(qū)段選線時，不僅要正確的判斷災害的性質、種類、現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢，還要充分估計工程實施后災害的發(fā)展變化情況。通過地質科研攻關，指導線路方案的研究，優(yōu)化工程構筑物的設置。

4 結論

(1)復雜艱險山區(qū)的減災選線要因地制宜，選擇開闊的自然溝谷，減少對自然的擾動，保持山體的自平衡狀態(tài)，降低地質災害對鐵路的影響。

(2)復雜艱險山區(qū)的減災選線要建立在地質調查的基礎之上，要加強地質調查工作，全面識別區(qū)域內地質災害風險，合理確定線路走向和線位高程，規(guī)避地質災害的潛在風險。

(3)復雜艱險山區(qū)的減災選線要繞避重大災害點，跨河、進洞躲避山地災害群，采用長隧穿山、大跨越江的方式縮短地質災害區(qū)的線路長度。

(4)復雜艱險山區(qū)選線還要樹立安全、舒適、環(huán)境保護的理念，要達到最大限度地保護、最小程度地影響、最強力度地恢復自然環(huán)境的目的。