中尼铁路沿线活动断裂对地质选线的影响浅析

孙先锋

(轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院),西安 710043)

中尼铁路国内段位于西藏自治区日喀则市，由日喀则经吉隆口岸至尼泊尔首都加德满都。线路由拉日铁路日喀则车站引出，沿国道G318向西布线，经拉孜后折向南，途经萨迦、定结、定日后向南过吉隆县至吉隆口岸，出境后在尼泊尔首都北侧Tokha设加德满都车站。项目研究范围全长595.79 km。沿线所经地貌单元大体上可划分为雅鲁藏布江河谷区、却萨高山区、朋曲河谷区、马拉高山区、喜马拉雅极高山区、吉隆藏布高、中山峡谷区和加德满都盆地7个地貌单元(图1)；走行于喜马拉雅板片、雅鲁藏布江缝合带2个一级构造单元；跨越5条活动断裂(图2)[1]。

图1 中尼铁路地貌渲染图

图2 沿线活动断裂及地震震级分布[2-3]

1 断裂的活动性特征及其工程划分

1.1 区域断裂活动性地质特征

1.1.1谢通门南北向活动断裂(F1)

该断裂带是区内新活动构造的典型代表，集中分布在南木切—谢通门—扎西岗一线，呈近南北向带状展布。其南段为吉定—定结断裂带，位于雅鲁藏布江以南至定结一带，1998年7月20日谢通门北6.2级地震，其发震断裂为谢通门南北向活动断裂，震后地表破裂长度约10 km。线路在定结县以北通过该断裂带南段，是北喜马拉雅正断裂与F1断裂的交汇部位，活动性较强烈。地貌上，断裂活动切割了Q3地层，地表构造行迹为南北方向的凹陷盆地或线性地貌[5]，以及分布较为密集的温泉(图3)。

图3 沿线温泉分布[4]

1.1.2北喜马拉雅正断裂(F2)

近期具有一定的活动性，既是喜马拉雅山脉与藏南高原的分界，也是西藏中部拉张区的南界。近东西向的北喜马拉雅正断裂与近南北向的断裂、断陷盆地交汇区常发生7级左右的地震[6]。沿断裂附近记录的最大地震为1806年和1871年发生的7.5级地震，地表未见破裂带[2]。

1.1.3参达隐伏断裂(F3)

隐伏于古错盆地之下，由一系列近南北向的断层组成，走向北北西，倾向南西西，倾角70°～80°，长达100 km。在夏雄岩体西侧，有反映其活动的片麻理发育，断层结构面具有张扭性质[6]。南段被F2错断，断层交接处发育热泉(图3)。目前无该断裂附近的地震记录，但是中尼铁路近平行通过两断裂相交的“闭锁部位”，即两组都具有一定活动性的断裂交汇部位，我国的海城地震、和林格尔地震和松潘地震均发震于这种“闭锁部位”[7]。推测该断裂有一定的发震能力，进行选线时，应引起足够重视。

1.1.4打加错—佩枯错南北向断裂(F4)

打加错—佩枯错南北向断裂由多条正断层构成，跨越喜马拉雅和岗底斯地块，其最大主应力轴为南北向不变的情况下，最小主应力轴由垂直转变为近东西，导致物质移动方式转变为东西拉长为主，垂直增厚为辅，第四纪以来的升降运动，在距今1.3Ma形成佩估错盆地的湖相沉积展布[8]。采用资源3号卫星6 m多光谱数据进行遥感判释，可观察到十分发育的线状断层三角面(图4)。

图4 遥感判释F4断层三角面

1.1.5 喜马拉雅主逆冲断层(MHT)

喜马拉雅主逆冲断层(MHT)是由主中央逆冲断裂带(MCT)、主边界逆冲断裂带(MBT)和主前缘逆冲断裂带(MFT)组成的北倾大型逆冲推覆构造体系[9]。其中MCT主要活动时间为距今21～3 Ma或23～14 Ma期间，MCT主要活动在晚中新世至上新世之间[10]，MFT是喜马拉雅造山带中目前仍正在活动的断裂带，为2015年尼泊尔8.1级地震的发震断裂和主控震构造。历史上沿这一条活动冲断带在中国、印度、尼泊尔和克什米尔等地先后发生过6次8级地震和更多的7级地震，且本项目的研究范围在其诱发前震范围内[11]。断裂全新世滑动速率达15～18 mm/a[12]；GPS资料说明主边界和山前冲断带的滑动速率为10～13 mm/a[13]，是本项目国外段活跃性最强的断裂。震后GPS观测，2015年尼泊尔地震造成吉隆县、聂拉木县向南水平移动60 cm左右，聂拉木县垂直下降约10 cm[14]，造成巨大破坏；据InSAR监测结果，加德满都附近最大的地表变形值总量接近0.7 m(图5)。

图5 尼泊尔地震InSAR地表形变[15]

1.2 区域内活动断裂工程划分

1.2.1 活动断裂的地震工程分类

为了适应地震区重大工程建设的需要，根据《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)(2009年版)5.8.2，可将活动断裂进行地震工程分类[16]，沿线3条断裂为发震断裂，2条为非全新活动断裂(表1)。

1.2.2 活动断裂分级

根据《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)(2009年版)5.8.3，依据全新活动断裂的活动时间、活动速率及地震强度等因素，对沿线3条发震断裂进行分级[16]，均为Ⅰ级强烈全新活动断裂(表1)。

表1 沿线活动断裂活动特征

2 活动断裂对铁路工程的影响

活动断裂对铁路工程的影响一般包括蠕变和错动效应、诱发地质灾害、诱发强烈地震。因为该区域地质构造环境极其复杂，断裂附近还存在断裂温泉热害问题。该工程地质问题在青藏高原地区普遍存在，且其分布特征与活动构造展布方向有密切联系。以下就活动断裂导致的4种工程地质问题对铁路工程的影响进行论述。

2.1 活动断裂的蠕变和错段

中尼铁路所在的喜马拉雅活动构造带，是欧亚板块与印度板块碰撞后形成的，现代构造活动极为活跃。一般的蠕动变形不会对铁路工程造成危害，但是长期的累积变形量往往较大，可能破坏铁路工程的稳定。另一种是错段效应，即活动断裂强烈活动后产生的地表错段，据1998年7月20日谢通门北6.2级地震后GPS观测数据(表1)，最大垂直错段可达4 m[2]，这是任何铁路工程无法承受的，产生的破坏将是灾难性的。

2.2 活动断裂诱发地质灾害

活动断裂诱发的地质灾害，破坏程度更大、范围往往更广。活动断裂诱发地质灾害主要是为地质灾害的发生、发展创造更为有利的物理、力学条件，特别是地震活跃期，更是加速这种过程的发展，主要有以下2个方面。

一是，活动断裂发育地带，往往由于地壳相对运动产生较大的地形高差，为斜坡变形失稳创造了有利的空间条件；二是，活动断裂带附近，岩土体相对松散破碎，不仅为地质灾害的发生和发展提供了丰富的物源条件，还为地表水、地下水富集和运移提供了良好的通道。

例如，我国的云南东川铁路，沿具有活动性的小江断裂带发育大量泥石流，岩体松散破碎，河谷深切，斜坡体失稳严重，加上极其丰富的松散固体物质，在多次地震作用下，泥石流长期处于旺盛期，呈现旺盛期多次反复的特点，使东川铁路近乎废弃[7]。

2.3 活动断裂诱发强烈地震

据统计，我国历来超过7级的地震，80%位于活动断裂上[17]，超过8级地震100%位于活动断裂上，例如沿线通过的3条活动断裂，均发生过一定规模的地震(图2)。活动断裂分布区诱发地震的破坏范围空间分布与断层展布方向一致，并向两侧扩散，沿线的活动断裂，放大了地震对线路的破坏范围，地震效应极为显著。

2.4 活动断裂的温泉热害

拟建中尼铁路走形于雅鲁藏布江地热活动带和雅鲁藏布江谷地地热活动带[18]，水热活动强烈。其中对铁路影响较大的温泉点有9个温泉[4]：ZLZ04孜龙低温温泉(20.2 ℃)、ZLZ06擦贡温泉、ZTR07茶曲温泉(77.5 ℃)、ZTR03岗嘎微温泉、ZTR01擦隆温泉(45 ℃)、ZNLM01孔错温泉、ZNLM02门卡墩温泉、ZGY01仲马低温温泉(33 ℃)、ZGY04江村温泉(60 ℃)，主要分布在活动断裂附近(图3)。最高温度达77.5 ℃的茶曲温泉分布在谢通门南北向断裂和北喜马拉雅正断裂的交汇部位，正断裂的张性结构和两条断裂相互切割产生的破碎带为地下热水的流通循环提供了大量的通道，且两条断裂均为发震断裂，活动性强烈，扩大了原有的通道，增加了流动循环的速度，形成高温温泉。国内对温度高于72 ℃的隧道洞内施工尚无成熟的技术处理措施，对中尼铁路隧道工程影响极大。

3 活动断裂分布区选线原则

3.1 总体原则

中尼铁路将不可避免地通过3条全新活动断裂及其与2条非全新活动断裂的交汇部位，为降低活动断裂带来的不利影响，应遵循以下地质选线总体原则。

(1)铁路选线时，应尽量绕避活断层[20]，必须通过时，也应修建一般低路基，不宜修建高墩大跨等特殊结构桥梁、高填深挖路基工程；因此铁路选线是线位服从桥位，桥位服从地质的选线原则。

(2)对于不能完全避开亦不能避让的、只能采取穿越方式的重大工程，应采取控制和适应变形的综合措施，防范工程错断。

(3)铁路选线宜在不良地质发育区快速通过，再在河谷边坡相对稳定、不良地质工程可控的部位展线；因此铁路选线是线位服从隧道洞口位置，隧道洞口位置服从地质的选线原则。

(4)车站的设置是铁路线位的关键节点，具有条形、带状展布且较铁路线位宽等特点，而拟建中尼铁路多穿越高山峡谷区，多为陡峻斜坡地带，挖填方高度能最终影响站位是否成立。因此，车站应选择在边坡稳定性较好，不良地质工程可控的地段；此外铁路的修建必须服从地方城市的整体规划及地方经济发展的需要，从这个角度来说，铁路线位必须是线位服从车站，车站服从地质的选线原则。

3.2 地质选线原则

中尼铁路的活动断裂分布区地质选线应在遵循总体原则的基础上，结合通过断裂的部位等情况综合考虑以下原则。

(1)对于穿越谢通门南北向活动断裂、北喜马拉雅正断裂和喜马拉雅主逆冲断层3条全新世活动断裂的隧道工程，应加强软弱岩体探测和地应力测量，优化设计隧道断面形状和尺寸，施工过程中实时监测围岩变形和应力变化，采取适应变形与围岩加固相结合的措施。

(2)越岭地段的线路，应避免顺活断层及其影响带展线，以最短的距离大角度通过为宜。在设计时应加强抗震设防的措施，规模较大的断裂构造本阶段暂按活动断层考虑，在线路纵坡、隧道宽度和净空留有余地。

(3)线路应尽量避免通过谢通门南北向活动断裂、参达隐伏断裂和打加错—佩枯错南北向断裂与北喜马拉雅正断裂交汇区。

(4)线路在佩枯错至加德满都段穿越吉隆藏布高、中山峡谷区，地形切割极其强烈，深“V”形沟谷两侧边坡稳定性极差，应绕避地震诱发滑坡、崩塌、岩堆严重发育的地段，尽量行走于峡谷东岸，应避免出现陡坡挂线、高边坡、深挖方工程，尽量内移设置隧道或外移设置桥梁工程，同时隧道进、出口应选择在上方坡面危岩体较少或容易处理的地段。

(5)沿线温泉热害对隧道工程影响极大，尤其是ZTR07茶曲温泉(77.5 ℃)，线路应绕避地热发育地段，尽量走行于构造简单、强度弱的边缘地带，并拔高线路高程，设置路基、桥梁工程以大角度的最短距离通过。实在不可避免须设置隧道工程，也应外移线路，增加横洞，长隧短打，利用高原特有气候，降低洞内施工温度。

4 结论

(1)中尼铁路穿越谢通门南北向活动断裂、北喜马拉雅正断裂、参达隐伏断裂、打加错—佩枯错南北向断裂和喜马拉雅主逆冲断层5条活动断裂及其分支断裂，其中谢通门南北向活动断裂、北喜马拉雅正断裂和喜马拉雅主逆冲断层为Ⅰ级发震断裂，其余为非全新活动断裂。3条发震断裂均发生过大地震，2条非全新活动断裂亦存在发震潜力或分布温泉热害等，对铁路工程影响极大，应进行合理的地质选线工作，降低风险。

(2)活动断裂对铁路工程的影响主要有蠕变和错段、诱发地质灾害、诱发强烈地震以及温泉热害，这些影响将导致工程方案不可行或施工、运营维护成本、难度陡增。

(3)结合中尼铁路沿线地形地貌、工程设置特点等，在充分考虑活动断裂活动特征及其导致的主要工程地质问题的基础上，总结了中尼铁路活动断裂分布区的总体选线原则和地质选线原则。