川藏铁路沿线的工程地质问题与挑战

背景介绍

1888年，英国发动侵藏战争，并提出了川藏铁路的设想，企图进一步侵略中国；1899年，孙中山提出要修建川藏铁路，并在民国成立后，将其提升到民族存亡的高度，以阻止列强分裂和瓜分中国；1927年，四川省主席刘文辉深感边地闭塞，向蒋介石提出修建川藏铁路，计划却随着国民党败退台湾成为泡影······ 而如今，一百多年过去，川藏铁路终于将变成现实。

川藏铁路东起四川省成都市，向西经雅安、康定、昌都、林芝、山南到拉萨。根据沿线地势地貌的不同，川藏铁路可以划分为三段：位于第二阶梯的成都-雅安段、位于阶梯过渡处的雅安-林芝段和位于第三阶梯的林芝-拉萨段。

图1 川藏铁路线路图[1]

受青藏高原强烈隆升的影响，川藏铁路地形起伏较大，高山深谷地貌分布广泛：从成都出发，川藏铁路依次穿越二郎山、折多山、高尔寺山、沙鲁里山、芒康山、他念他翁山、伯舒拉岭、色季拉山8座海拔4000米以上的高山，经过大渡河、雅砻江、金沙江、澜沧江、怒江、易贡藏布江、雅鲁藏布江7条大江大河。沿线地势起起伏伏，在全长1543km中，超过90%的路段为桥梁和隧道，超过15km长的隧道就有20座[2]。

图2 川藏铁路沿线地形剖面图[2]

川藏铁路穿越世界上地质、地形、地貌最为复杂的地区，沿线板块构造最为活跃，活动断裂最为密集，地震烈度最为强烈，地形变化最为显著，自然灾害最为发育，是世界上科学和技术难题最多，最难修建的铁路[2]。那么，究竟有哪些难题和挑战呢？

1

构造活动强烈

印度洋板块向亚欧板块的挤压使得青藏高原不断隆升，造就了这一“世界屋脊”。川藏铁路，则正是要穿越这一地区。板块之间的挤压和碰撞，使得板块内部积蓄了大量的能量。根据最新的 GPS 监测结果，印度洋板块每年向青藏高原移动 40 mm，大约 38 mm 被青藏高原的内部变形所吸收[3]。

图3 川藏铁路穿越地区板块构造活动强烈，板块之间运动挤压，使这里地震频发，断层广布。[4]

在强烈的构造活动下，原有板块缩短、增厚、俯冲、滑脱、掀斜、褶皱、错断，活动构造带广布[2]。川藏铁路穿越了三个差异构造变形区：西部在板块冲击下向东西方向伸展、中东部地区则走滑挤出、东部则在挤压下发生倾斜滑动。复杂的构造运动，使得这里发育了大量具有发生大地震能力的活动断层。

图4 川藏铁路穿越了数个断裂带。[7]

图5 川藏铁路沿线区域地震分布（M≥6.0，公元1128-2012年）。可以看到，川藏铁路附近为地震高发区。[7]

图6 川藏铁路沿线地震动参数分布。雅安-雅江、波密-林芝段地震动参数最大。[7]

图7 2008年汶川地震出现的一条地表断裂带。[5]

2

地质灾害频发

活跃的地质构造运动、多发的地震，不仅其本身会造成工程结构的破坏，更会导致一系列的灾害，给工程建设、运营带来挑战。

图8 断裂带活动及地震诱发地质灾害链。[6]

在地面，地震和构造运动使得岩土体变得松散破碎。同时，这里山川广布，地势起起伏伏，山峦被大江大河切割出陡深的峡谷。在降雨的作用下，岩土体的强度大大降低，无法继续保持稳定，则引发生崩塌、滑坡、泥石流等灾害。滑落的岩土体阻断江河的流动，形成堰塞湖。堰塞湖阻碍了江河的流动，在溃决后形成洪水，将淹没沿途的一切。

图9 川藏铁路沿线及临区地质灾害发育分布图[7]

图10 川藏铁路沿线及邻区典型崩塌发育特征[7]

图11 川藏铁路沿线及邻区典型滑坡特征[7]

在地下，断裂带的岩土体内裂隙发育、松散破碎、力学性质差。在开挖隧道的过程中遇到这样的地层，隧道围岩无法保持稳定，就会发生塌方。有的断层带中储存着大量地下水，且在构造运动的挤压作用下，其水压往往很高，即使在地面打一个钻孔，地下水也会喷涌而出，更不用说在成百上千米的地下了。在开挖隧道的过程中，一旦挖到这样的破碎带，地下水夹杂着泥土涌入硐室，发生突水突泥的灾害，后果将不堪设想。

图12 隧道内发生塌方。[8]

图13 川藏铁路沿线的一口钻井，地下水喷涌而出。[9]

图14 隧道突水突泥灾害及地面塌陷[8]

3

高地应力

强烈的构造运动，对地层产生了挤压作用，使得地层内产生了复杂的构造应力场，岩体之间应力极大。同时，川藏铁路隧道的埋深也往往较大，高地应力带来的问题就更不容小觑。

在坚硬岩体中修建隧道，高地应力会导致岩爆。随着隧道的开挖，原本致密的岩石被挖走，一侧凌空，另一侧仍连接着原本的岩体。积蓄的能量在一瞬间爆发，岩块呈片状，四处飞溅，如同爆炸。

图15 岩爆发生的示意图

位于川藏铁路拉林段（拉萨-林芝）的巴玉隧道，全长13073米，最大埋深达2080米，岩爆段占隧道总长的94%，被建设者称为“石头像炮弹一样飞的隧道”。这里的地应力很高，在施工掘进的过程中，首先要对隧道岩体进行应力释放，降低岩爆频率。然而，即便如此，在建设过程中仍然岩爆不断，一般持续3~6小时，最长甚至超过一周。2019年11月2日，巴玉隧道顺利贯通，是我国隧道建设历史上的一个里程碑。

图16 巴玉隧道发生了岩爆灾害。[8]

对于软弱的岩体，则不会发生瞬间的爆炸，而是如同挤牙膏一样，岩体在地应力作用下缓慢地向隧道内挤出，破坏隧道的支护措施，使得隧道变形，这被称之为“软岩大变形”。严重的软岩大变形，甚至会导致隧道报废。

图17 隧道在开挖过程中发生了软岩大变形。[8]

4

高地温

活跃的构造运动，使青藏高原地区水热活动频繁强烈，温泉广布。川藏铁路穿越了川西地热异常带和藏东地热温泉带，沿线及邻区出露有温泉709个，温度最高的为川西巴塘杠日隆温泉，泉口温度97°C。在川藏铁路沿线，平均地温大多在40°C以上，给工程带来重重困难。

图18 川藏铁路沿线及临区温泉及地温等值线分布[7]

高地温，一方面会造成施工人员的不适和施工仪器的故障，影响施工进度，另一方面也会改变岩石的力学性质，使岩石内部产生热应力，使得岩石更容易破坏。同时，青藏高原地区地表温度最低可达零下16.9°C，隧道贯通前后的温差也会使岩石和建筑材料性能发生变化，影响使用寿命。

图19 青藏高原地区构造运动强烈，温泉广布。

拉萨-林芝段的桑珠岭隧道在开挖过程中就遇到了高地温问题。洞内岩石温度最高可达89.9°C，环境温度最高也有56°C。通过加强通风、喷水、放置冰块等措施给硐室降温，才使得隧道施工顺利进行。这条长16.449公里的隧道，历时三年多，于2018年1月17日顺利贯通。

图20 桑珠岭隧道探测孔温度，高温不仅使得施工更加困难，也使岩层的力学性质发生变化，使得灾害更容易发生。

5

冻土冻害

川藏铁路的隧道部分地热充沛，地上却是一片冰雪，冻土广布，是货真价实的“冰火两重天”。在川藏铁路沿线，季节性冻土、多年冻土广布，给工程建设带来了诸多冻害问题。

图21 我国冻土分布图

水冻结成冰，体积增大，对限制其膨胀的物体，就产生了冻胀力。含水的岩土体和建筑材料，在反复冻结-融化的循环中，其强度也将大打折扣。在冻胀和冻融作用的影响下，川藏铁路沿线冻害频发，主要表现为：隧道开裂、酥碎、剥落、漏水、挂冰，隧道截排水沟结冰堵塞，隧道底部冒水、积水、冻胀以及隧道洞口处热融滑塌等，严重影响隧道的安全。

图22 典型隧道冻害现象[10]

2018年12月28日，川藏铁路成雅段投入使用；2021年6月25日，川藏铁路拉林段正式开通运营；2020年11月8日，川藏铁路雅林段正式开工，预计在2030年底完成建设。昔日不可能完成的任务，如今正在一点点变成现实。曾经列强为了方便侵略所提出来的构想，如今正在成为我国实现民族复兴道路上的光辉成就！

参 / 考 / 文 / 献 /

[1]郑宗溪, 孙其清. 川藏铁路隧道工程[J]. 隧道建设, 2017, 37(08): 1049-1054.

[2]彭建兵, 崔鹏, 庄建琦. 川藏铁路对工程地质提出的挑战[J/OL]. 岩石力学与工程学报, 2020, 39(12): 2377-2389. DOI:10.13722/j.cnki.jrme.2020.0446.

[3]ZHANG P Z, SHEN Z, WANG M, 等. Continuous deformation of the Tibetan Plateau from global positioning system data[J/OL]. Geology, 2004, 32(9): 809. DOI:10.1130/G20554.1.

[4]DING L, SPICER R A, YANG J, 等. Quantifying the rise of the Himalaya orogen and implications for the South Asian monsoon[J/OL]. Geology, 2017, 45(3): 215-218. DOI:10.1130/G38583.1.

[5]LIN A, REN Z, JIA D, 等. Co-seismic thrusting rupture and slip distribution produced by the 2008 Mw 7.9 Wenchuan earthquake, China[J/OL]. Tectonophysics, 2009, 471(3-4): 203-215. DOI:10.1016/j.tecto.2009.02.014.

[6]FAN X, SCARINGI G, KORUP O, 等. Earthquake‐Induced Chains of Geologic Hazards: Patterns, Mechanisms, and Impacts[J/OL]. Reviews of Geophysics, 2019, 57(2): 421-503. DOI:10.1029/2018RG000626.

[7]郭长宝, 张永双, 蒋良文, 等. 川藏铁路沿线及邻区环境工程地质问题概论[J]. 现代地质, 2017, 31(05): 877-889.

[8]薛翊国, 孔凡猛, 杨为民, 等. 川藏铁路沿线主要不良地质条件与工程地质问题[J/OL]. 岩石力学与工程学报, 2020, 39(03): 445-468. DOI:10.13722/j.cnki.jrme.2019.0737.

[9]许模, 蒋良文, 李潇, 等. 川藏铁路雅安至林芝段重大工程水文地质问题[J/OL]. 水文地质工程地质, 2021, 48(05): 13-22. DOI:10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202103101.

[10]徐亚峰. 西宁至成都铁路隧道防寒设计方案[J]. 铁道建筑技术, 2021(11): 83-89.

美编：常晨晖

校对：江淑敏 姜雪蛟