大瑞鐵路高黎貢山越嶺段主要工程地質問題與地質選線

李光偉，杜宇本，蔣良文，郭長寶，沈 維，劉筱怡

(1.中國鐵路總公司工程設計鑒定中心，北京100844;2.中鐵二院工程集團有限責任公司，成都610031;3.中國地質科學院地質力學研究所，北京100081)

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟建設的快速發(fā)展和西部開發(fā)戰(zhàn)略的不斷深入，滇西南地區(qū)成為當前重大工程建設的重要區(qū)域［1］。一系列大型—超大型生命線工程正在該區(qū)建設和規(guī)劃［2～3］，如大瑞 (大理—瑞麗)鐵路、中緬油氣管道、中印公路等，以大瑞鐵路為代表的西南泛亞鐵路網(wǎng)已初步形成，為向西南入緬甸、向西經(jīng)密支那入印度奠定了基礎。大瑞鐵路是我國首條穿越橫斷山脈的國家Ⅰ級干線鐵路，該區(qū)的地質環(huán)境條件可以概括為“三高、四活躍”，即:高地熱、高地應力、高地震烈度;活躍的新構造運動、活躍的地熱水環(huán)境、活躍的外動力地質條件、活躍的岸坡淺表改造過程［1～3］?；钴S的內外力地質作用導致該區(qū)成為環(huán)境工程地質條件極其復雜的地區(qū)，特殊的地質環(huán)境孕育了多種地質災害和工程地質問題，并以類型全、數(shù)量多、規(guī)模大為特點。在眾多地質災害或不良地質現(xiàn)象中，除了活動斷裂和地震外，以滑坡、崩塌和泥石流等淺表層地質災害以及高地應力、高地熱和深埋隧道巖爆等工程地質問題最為普遍［1，4～6］。近年來該地區(qū)地質災害發(fā)育強烈，單體規(guī)模大，如2007年騰沖7.19蘇家河口水電站滑坡等［7］，導致了大量的人員傷亡和財產(chǎn)損失，嚴重的地質災害事件已成為影響大型工程規(guī)劃建設和社會經(jīng)濟發(fā)展的主要工程地質問題之一［8～9］。

規(guī)劃建設中的大瑞鐵路高黎貢山越嶺段位于橫斷山脈東南段瑞麗和保山之間 (見圖1)，線路長約110 km，西南地區(qū)極其復雜的地質條件在該區(qū)表現(xiàn)尤為突出，活動斷裂、地震、淺表層地質災害 (崩塌、滑坡和泥石流等)、隧道塌方、巖爆、軟巖大變形、突水、高地溫等一系列復雜的地質問題嚴重制約著鐵路規(guī)劃建設。越嶺段方案從2006年即開始研究，目前已進行了多條線路方案的比選，仍未確定。各比選方案［2，10～11］都不可避免地涉及高黎貢山深埋隧道，而復雜的地質條件導致該隧道具有巖爆、軟巖大變形、突水、高地溫等不良工程地質問題［1～4，9～15］。本文結合大瑞鐵路高黎貢山越嶺段綜合地質勘查和專題地質研究工作，對該段的主要工程地質問題進行分析，確定了在復雜地質環(huán)境條件下鐵路地質選線的技術原則，重點研究地下熱水活動區(qū)的綜合地質選線，選定了工程地質條件相對較好的隧道線路方案，并進行優(yōu)化。本文的研究思路和研究方法，既可指導大瑞鐵路高黎貢山越嶺段的規(guī)劃設計，為大瑞鐵路的全線貫通提供技術支撐，又可為以后國家重大工程規(guī)劃和布局提供參考。

圖1 大瑞鐵路高黎貢山越嶺段及鄰區(qū)活動斷裂與地質構造分布Fig.1 The geological tectonic distribution map in Mt.Gaoligong section along Dali-Ruili railway

1 研究區(qū)地質背景

研究區(qū)地處印度板塊與歐亞板塊碰撞縫合帶附近，橫斷山脈南段，鐵路沿線山高谷深。線路橫跨怒江后穿越高黎貢山，地形起伏度大。高黎貢山主峰高約3001.6 m，與怒江河面相對高差2140～2360 m。大地構造上屬滇緬泰亞板塊之保山地塊和騰沖地塊，兩地塊之間為擠壓碰撞的怒江縫合帶。研究區(qū)加里東和燕山末期發(fā)生褶皺變質，形成高黎貢山構造巖漿變質雜巖帶;喜馬拉雅運動以來，受印度板塊向北 (偏東)的強烈推擠和青藏高原向南南東強力楔入的疊加作用，地殼強烈抬升，加之川滇菱形塊體向南南東滑移，導致區(qū)內新構造運動十分強烈，褶皺和斷裂構造極其發(fā)育，表現(xiàn)為強烈的垂直差異運動和塊體的側向滑移及以近南北向斷裂、北西向斷裂右旋位移和北東向斷裂左旋位移為代表的斷裂活動 (見圖1)。大瑞鐵路高黎貢山越嶺段內線路比選區(qū)大型斷裂主要有 (見圖1):怒江斷裂帶 (F8-2)、龍陵—瑞麗斷裂帶 (F4)、黃草壩斷裂 (F4-1)，其中龍陵—瑞麗斷裂、黃草壩斷裂等為第四紀活動斷裂。龍陵—瑞麗斷裂全新世以來的走滑速率為0.81～1.35 mm/a［16］;龍陵—瀾滄斷裂斷錯鎮(zhèn)安盆地晚更新世礫石層。

研究區(qū)除白堊系缺失外，自寒武系至第四系均有出露，巖性復雜，既包括不同時代的碎屑巖、碳酸鹽巖、變質巖，也包括不同時期的巖漿巖。新生界主要分布于河谷及斷陷盆地，巖漿巖在區(qū)內廣泛分布。區(qū)域活動斷裂發(fā)育，新構造運動和水熱活動強烈，強地震頻發(fā)，巖體破碎，滑坡、錯落、危巖落石、崩塌、巖堆、泥石流等斜坡不良地質體極為發(fā)育。

2 越嶺段主要工程地質問題

由于高黎貢山越嶺段地形地貌和地質條件非常復雜，雖然經(jīng)過多輪論證，線路方案仍很難確定。主要比選方案有CK、C1K、C4K、C10K、C12K、C22K和南繞方案 (C5K)等(見圖2)，各方案中除南繞方案外，鐵路主要以隧道和橋梁兩種形式通過，具有橋梁跨度大、隧道長且埋深大等特點。多條比選線路中高黎貢山隧道均較長，無論是39.6 km隧道方案 (CK)、17 km隧道方案 (C4K)、24‰大坡度方案 (C9K、C10K)，還是后期推薦的拉通方案 (C12K)都不可避免地涉及高黎貢山深埋隧道，以CK線路方案為例，隧道全長39.6 km，最大埋深約1600 m(見圖3)。復雜的地質條件導致該隧道具有巖爆、高地溫、地下熱水、涌水突泥和斷裂斷錯等工程地質問題［10～11，12～15］，且工程建設難度大。

2.1 活動斷裂斷錯效應

活斷層作用有時僅引起地震，有時僅造成地面錯動，有時既引起地震，同時又產(chǎn)生地面錯動，此即活斷層的斷錯效應。高黎貢山地區(qū)近年來發(fā)生的多次強震與正在規(guī)劃建設的高黎貢山深埋隧道相距較近，如:1976年龍陵Ms7.4級地震，震中位于隧道東南，最近處僅相距4 km，隧道部分地段位于地震烈度Ⅶ度和Ⅷ度區(qū)內 (見圖1);2001年施甸Ms5.9級地震，震中與隧道怒江端入口相距11 km，隧道口位于地震烈度Ⅶ度區(qū)內 (見圖1)。這些地震在造成地表變形破壞的同時，也導致斷裂帶附近深部巖體產(chǎn)生顯著變形和位移。

高黎貢山深埋隧道越嶺段的黃草壩斷裂、龍陵—瀾滄斷裂帶的鎮(zhèn)安斷裂和勐冒—平達斷裂均為第四紀活動斷裂，斷裂活動性較強，歷史地震較多。高黎貢山深埋隧道越嶺段C12K方案與黃草壩斷裂平行，地表平面上最近處相距約1.9 km，高黎貢山深埋隧道位于黃草壩斷裂的下盤，在隧道埋深附近與斷裂相距一般為1.9～3.0 km，高黎貢山深埋隧道與龍陵—瀾滄斷裂帶的鎮(zhèn)安斷裂和勐冒—平達斷裂近于直交。大量事實表明，發(fā)震斷裂會在地表形成一定寬度的破裂影響帶，影響帶內既會出現(xiàn)新生破裂，也會使原有破裂發(fā)生錯動或進一步擴展，從而影響布設其中的工程設施。因此，對于高黎貢山深埋隧道，存在活動斷裂的斷錯效應問題，應采取有針對性的防治措施。

2.2 高地溫及熱害

圖2 大瑞鐵路高黎貢山越嶺段主要斷裂分布Fig.2 The active faults distribution map in Mt.Gaoligong section along Dali-Ruili railway

圖3 大瑞鐵路高黎貢山深埋隧道工程地質剖面Fig.3 Engineering geological section of the Mt.Gaoligong deep-buried tunnel

高黎貢山越嶺段位于地中?！蟻喌責岙惓?，為區(qū)域性高熱流區(qū)，區(qū)內高溫沸泉、熱泉、溫泉、硫磺噴氣孔等數(shù)量多、密度大，除受構造控制外，還受地形地貌條件的制約。高地溫對工程建設具有極大的影響，如:位于金沙江斷裂帶的娘擁水電站1#施工支洞在施工過程中即受到了高地溫的影響，該支洞地面高程約3060 m，長295 m，出露花崗片麻巖和砂巖夾板巖，2008年4月24日進洞，巖體溫度30～50℃，每進洞10 m，巖溫增加1℃，最高達78℃。地溫升高導致以下問題［12］:①作業(yè)人員經(jīng)常出現(xiàn)頭暈、嘔吐現(xiàn)象，作業(yè)期間開始加大通風;②圍巖表面產(chǎn)生潮解現(xiàn)象，遇水即成粉末，巖面噴射混凝土后立即脫落，無法粘結;③使用普通硝銨炸藥開始產(chǎn)生膨脹甚至包裝紙破裂，導爆管發(fā)生軟化失去彈性，擠壓后無法回復原狀;④施作的砂漿錨桿強度抗拔力不能滿足設計要求;⑤出碴設備每作業(yè)1 h左右，機體溫度升高就要出洞冷卻;⑥測量儀器測距失效。這些問題導致工程投資加大，并且會延誤工期。目前國內外尚無成熟技術處理洞內溫度大于72℃的高地溫、高溫熱水(汽)的經(jīng)驗和措施。

調查表明，高黎貢山越嶺段內出露溫泉群123個，水溫20～102℃，其中低溫泉 (20～40℃)85處，中溫泉 (40～60℃)25處，高溫泉 (60～95℃)12處，沸泉 (＞95℃)1處，主要集中分布在怒江河谷、高黎貢山轉折端、蘇帕河流域、潞西—遮放盆地及騰沖—梁河—攀枝花硝塘等五大區(qū)域，溫度最高的為龍陵邦臘掌溫泉 (見圖4)，泉口溫度102℃。線路比選區(qū)穿越多個地溫熱泉發(fā)育區(qū)，在深埋長隧道施工過程中可能會遇到高溫高壓熱水(汽)及高溫巖體等熱害問題。

2.3 高地應力分布特征

復雜的地質構造演化過程和強烈的新構造活動導致本區(qū)地應力普遍很高，加之該區(qū)比選線路隧道埋深大，高地應力意味著深埋隧道開挖過程中，在硬巖 (石灰?guī)r、片麻巖、花崗巖、砂巖等)分布區(qū)將不可避免地出現(xiàn)巖爆災害，而在泥質巖、斷裂破碎帶等軟弱巖體分布區(qū)會出現(xiàn)圍巖大變形等工程地質問題，給隧道工程建設帶來很大安全隱患。為了進一步掌握隧道附近地應力狀況，中鐵二院在高黎貢山越嶺段深埋隧道線路比選區(qū)采用鉆孔水壓致裂法進行了深孔地應力測試，地應力測試孔主要分布于CK線 (39.6 km隧道方案)、C1K線 (21 km隧道方案)以及C12K線 (34.5 km隧道方案)等線路附近，地應力測試孔深度600～1200 m。

根據(jù)各方案鉆孔內地應力測量結果 (見圖5)，CK方案鉆孔洞身附近最大水平主應力(σH)值20～29 MPa，最小水平主應力 (σh)值13～19 MPa，估算的垂直主應力 (σv)取決于各孔洞身埋深，為17～23 MPa;C1K方案最大水平主應力值14.0～30.7 MPa，最小水平主應力值10～22 MPa，估算的垂直主應力值為16～21 MPa;C12K洞身附近的最大水平主應力值為15～24 MPa，最小水平主應力值11～17 MPa，垂直主應力17～23 MPa。從各方案實測地應力值可見，隧道埋深附近地應力最大值分布特征一般以σv≥σH＞σh為主，部分為σH≥σv＞σh，但此時σH與σv值相差不大，一般僅為1～2 MPa，從最大主應力值大小來看，隧道埋深附近巖體處于高地應力狀態(tài)。

圖4 龍陵邦臘掌溫泉特征 (泉口溫度102℃)Fig.4 Characteristics of Banglazhang hot spring in Longling County

圖5 隧道附近部分鉆孔實測地應力特征Fig.5 Characteristics of the crustal stress test results in Mt.Gaoligong section along Dali-Ruili railway

2.4 深埋隧道巖爆

大瑞鐵路高黎貢山深埋隧道具有埋深大、距離長的特征，復雜的高地應力條件和巖性條件，預示著在該隧道開挖過程中將不可避免地出現(xiàn)巖爆災害。以CK方案為例，高黎貢山隧道長約39.6 km，一般埋深600～1000 m，最大埋深約1600 m。張永雙等［14］對大瑞鐵路高黎貢山越嶺段勘察鉆孔中的花崗巖、大理巖等典型巖體進行了巖石力學實驗和巖爆模擬實驗，巖爆模擬試驗結果表明，高黎貢山深埋隧道圍巖發(fā)生巖爆的可能性高，單純卸載和卸載-加載方式都可以出現(xiàn)巖爆，但卸載-加載方式的巖爆明顯比單一卸載方式的巖爆強烈，說明隧道開挖后二次應力分布引起的應力集中對巖爆的發(fā)生起著十分重要的作用。在復雜地質背景條件下，巖爆會成為制約高黎貢山深埋隧道工程規(guī)劃建設的主要工程地質問題之一［1，13～15］。

2.5 隧道塌方與軟巖大變形

高地應力條件下，隧道工程建設過程中軟巖段常易發(fā)生大變形。高黎貢山深埋隧道穿過中志留統(tǒng) (S2)泥巖和寒武系公養(yǎng)河群上段)泥巖、千枚巖段，這幾種巖石強度均較低，發(fā)生大變形的可能性較大;斷層破碎帶在高地應力條件下也易發(fā)生大變形。此外，研究區(qū)構造巖漿活動強烈，熱液成礦帶分布較多，與此相關的蝕變巖出露較多，如在C12-G-01、C12-G-03、C12-G-06、CZ-G-14、C2-17km-01等鉆孔中均揭露蝕變巖 (見圖6)，多為蝕變花崗巖，蝕變巖的分布和其工程地質性質對工程的規(guī)劃設計具有重要的影響。總體上，蝕變巖在區(qū)內主要發(fā)育于花崗巖、玄武巖等巖漿巖的巖體內，或巖漿巖與其他巖性的交界處，與巖漿活動和地下熱水活動關系密切。蝕變巖具有強度低、易膨脹等不良工程地質特性，在隧道掘進和邊坡開挖過程中常出現(xiàn)巖體變形破壞問題。如:滇藏鐵路大理—麗江段的禾洛山隧道，圍巖為遭受熱液蝕變的玄武巖，宏觀上表現(xiàn)為相對較完整的玄武巖夾蒙脫石化蝕變巖組合。在工程施工過程中，自DK55+622至DK61+710約5 km的范圍內，曾發(fā)生過5次與蒙脫石化蝕變巖有關的塌方問題［17］，有時甚至不到100 m就會出現(xiàn)一次塌方，塌方體積一般20～30 m3，塌方的出現(xiàn)主要是由于蝕變巖富含蒙脫石且性質軟弱，在干濕交替和松弛條件下極易發(fā)生膨脹變形，加上圍巖節(jié)理發(fā)育、破碎程度高，開挖后自穩(wěn)能力差，從而造成圍巖坍塌。因此，在大瑞鐵路高黎貢山越嶺段內鐵路規(guī)劃要密切關注隧道塌方與軟巖大變形問題。

圖6 CZ-G-14鉆孔蝕變巖芯照片F(xiàn)ig.4 Photo of the altered rock in the Drill CZ-G-14

2.6 涌水突泥

大瑞鐵路高黎貢山越嶺段地形地貌復雜，大致以象達—黃草壩—鎮(zhèn)安—邦邁—小地方為分水嶺，以東地帶屬怒江流域，以西地帶屬瑞麗江流域。分水嶺以東主要分布有巖溶斷塊山底、中山中切割陡坡、壟崗谷地及高中山深切割峽谷等地貌，近山脊部位可見陡崖分布，地形條件有利于地表水的排泄。地表水均向東或南東方向排泄于怒江河谷，但在斜坡中部及近河谷地帶，由于巖溶斷塊山地及壟崗谷地形、地表溶蝕裂隙、落水洞、漏斗發(fā)育，利于地表水入滲，潛在的涌水威脅和危害較大。分水嶺以西斜坡地帶屬瑞麗江流域，地形條件有利于地表水排泄，主要為低中山淺切割緩坡、巖溶斷塊山地及中山中切割陡坡地形，地表水均向西或南西方向排泄于龍川江及芒市河;龍陵縣城南西側多分布巖溶斷塊山地地形，地表溶蝕裂隙發(fā)育，地表水入滲條件較好，隧道在施工過程中存在較大的突涌水危害和威脅。

越嶺段鐵路沿線碳酸鹽巖類主要分布于怒江左岸中侏羅統(tǒng) (J2)，分布范圍較廣，巖性主要為石灰?guī)r、白云質灰?guī)r、白云巖等，另外在龍陵以南隧道出口附近，也分布有大套的泥盆系回賢組 (D2h)白云巖、石灰?guī)r。區(qū)內碳酸鹽巖富水性中等—強，巖溶弱—中等發(fā)育。地表局部可見溶蝕孔洞，但未發(fā)現(xiàn)大規(guī)模的溶洞。在隧道巖溶地下水垂直滲流地段，施工中可能遇豎井狀溶洞，雨季隧道易受涌水、突泥的危害;另外，地下水水平徑流帶內巖溶水量較大，隧道開挖揭露該地帶時，常易形成大規(guī)模突水。

越嶺段內地質構造發(fā)育，斷層破碎帶中斷層角礫和構造裂隙發(fā)育，巖體破碎疏松，斷裂和褶皺內有潛在充水現(xiàn)象，隧道施工中可能存在多處由斷裂導水通道、裂隙型與巖溶型導水通道等帶來的涌水突泥災害風險，涌突水水源可能來自地下水及地表大氣降水等。

此外，越嶺隧道工程施工人為地破壞了地質與地下水系統(tǒng)的壓力平衡狀態(tài)，爆破過程中隧道圍巖也遭到破壞，隧道頂板易形成冒落帶、裂隙帶及整體移動帶，其中冒落帶、裂隙帶可成為隧道充水水源進入隧道的通道，從而改變含水系統(tǒng)地下水的補給、徑流條件，使隧道采空區(qū)成為地下水的排水場所，從而引起涌水突泥及對隧道圍巖穩(wěn)定造成影響。

2.7 邊坡穩(wěn)定性問題

高黎貢山越嶺段內地質災害發(fā)育強烈，地質災害類型主要有崩塌、滑坡和泥石流，區(qū)內發(fā)育有528個崩塌 (含巖堆)、滑坡和泥石流等地質災害點。在區(qū)域上，地質災害多分布于怒江兩岸及龍川江兩岸，人類活動密集區(qū)也有較多分布。如C12K線怒江大橋兩側橋墩即受等子滑坡 (見圖7)等的影響，C12K高黎貢山深埋隧道龍陵出口處分布有凹子地古滑坡體等，是隧道工程勘察設計和施工中應重點防護的部位。

3 高地溫、高地熱分布特征及其對鐵路選線的影響

3.1 地溫帶劃分與熱害評價標準

所謂高溫，是指建設工程的工作面氣溫超過28℃;所謂高濕，是指相對濕度超過80%［2］。根據(jù)工程施工及勞動防護要求，高黎貢山越嶺段地溫帶可劃分為常溫帶 (T≤28℃)、低高溫帶 (Ⅰ)(28＜T≤37℃)、中高溫帶 (Ⅱ)(37＜T≤60℃)和超高溫帶(Ⅲ)(T＞60℃)等4級 (見表1)，中高溫帶進一步細分為中高溫帶Ⅱ1(37＜T≤50℃)、中高溫帶Ⅱ2(50＜T≤60℃);斷裂導熱水能力、熱害分析評估標準、隧道施工處理措施也相應分為4級。

圖7 怒江左岸等子滑坡 (鏡向東)Fig.7 Dengzi landslide at the left side of Nujiang

表1 地溫帶劃分、熱害分析評估標準Table 1 The temperate zone，heat damage evaluation standard table

3.2 地下熱水與地溫場特征

3.2.1 地下熱水成因

研究區(qū)位于印度板塊與歐亞板塊碰撞帶東部，地質構造復雜，地熱顯示與地質構造密切相關，大部分溫泉熱源是較高大地熱流背景下，大氣降水沿斷裂裂隙帶下滲，經(jīng)深循環(huán)加熱形成帶狀分布的斷裂深循環(huán)型中低溫地熱系統(tǒng)。研究區(qū)162組溫泉水和地表水體同位素分析結果顯示，地熱水的δD均落在騰沖大氣降水線上或附近，少數(shù)水熱區(qū)的δ18O稍有漂移，證明區(qū)內地熱水來源于大氣降水，δ18O漂移量小，亦說明區(qū)內水熱區(qū)多為中、低溫水熱系統(tǒng)(溫度低于150℃)。

越嶺段內斷裂以南北向為主，次為北東向、北西向 (見圖2)。在現(xiàn)代近南北向構造應力場的作用下，近南北向壓扭性超殼斷裂轉化為張性或張扭性斷裂，是地熱水的主通道。北東向、北西向斷裂與主應力交角大者主要以壓扭性為主，對地熱水徑流起著阻隔作用;交角小者多為張扭性，起導水作用，即黃草壩斷裂 (F3-1，見圖2)多為阻水隔熱斷裂，F(xiàn)3-1-1(見圖2)多為導水導熱斷裂。黃草壩斷裂 (F3-1)是區(qū)內阻水隔熱的主要斷裂之一，直接控制了高黎貢山—三臺山弧形構造水熱活動帶南北兩側朝陽—平達水熱活動亞帶、邦臘掌—黃草壩水熱活動亞帶地下熱水的補給、徑流、排泄條件。

3.2.2 地溫場平面發(fā)育特征

研究區(qū)水熱活動顯現(xiàn)與巖漿長期大規(guī)模的持續(xù)侵入、變質巖帶的分布和活動性斷裂系統(tǒng)密切關聯(lián)，其空間展布明顯與區(qū)域構造帶相一致。水熱活動以怒江斷裂、龍川江斷裂為界，劃為怒江南北向構造帶 (Ⅰ)、高黎貢山—三臺山弧形構造帶 (Ⅱ)、騰沖—梁河弧形構造水熱活動帶 (Ⅲ)等3個水熱活動帶 (見圖8);高黎貢山—三臺山弧形構造水熱活動帶(Ⅱ)以黃草壩斷裂為界，進一步可分為邦臘掌—黃草壩水熱活動亞帶 (Ⅱ-1)和朝陽—平達水熱活動亞帶 (Ⅱ-2)2個亞帶。

圖8 大瑞鐵路高黎貢山越嶺地段地溫帶分布Fig.8 The ground temperature belt distribution map in Gaoligong Mt.section along Dali-Ruili railway

3.2.3 地溫梯度分布特征

根據(jù)研究區(qū)專題地質研究實施的55個深孔及20個淺孔鉆探孔內測溫測試分析結果，研究區(qū)地溫場有以下特征:

①除邦臘掌一個鉆孔屬對流熱流外，其他鉆孔溫度類型均為傳導熱流。

②地溫變化總的趨勢是:東西方向，高黎貢山東西側相對較低，中部相對較高;南北方向，北部溫度等值線較密，向南部撒開，與區(qū)內構造線相一致。

③研究區(qū)平均地溫梯度為3.02℃/100 m。在新生代，盆地的地溫梯度一般均高于基巖;地溫梯度變化趨勢是由東至西從低變高，由北向南則從低至高再變低。

3.3 隧道層面地熱分布特征

根據(jù)上述劃分標準，用區(qū)內施鉆的55個鉆孔資料及123處水熱區(qū)泉水溫度，在地熱地質圖上做出最高溫度等值線，并結合地下水點、斷流構造、地層巖性以及地形地貌圈定地溫帶。隧道埋深層面的地溫研究采取擬選隧道底面做溫度等值線，即把C12K、CK、C1K、C4K的隧道底面視為一個平面，沒有鉆孔控制的部位用區(qū)內平均地溫梯度 (3.02℃/100 m)算至底面溫度;水熱區(qū)用對流熱流值計算底面溫度，最終形成隧道底面溫度等值線圖 (見圖9)。從圖9可見，隧道埋深層面地溫變化值為20～100℃，主要分布在30～70℃之間，根據(jù)表1的劃分標準，隧道層面地溫共劃分出11個超高溫帶 (Ⅲ)，面積14.46 km2，占總面積的0.39%;中高溫帶18個，面積682.95 km2，占總面積的18.24%;低高溫帶11個，面積1008.96 km2，占總面積的26.95%;常溫帶3個，面積2037.06 km2，占總面積的54.42%。超高溫帶零星分布在中高溫帶中間，其中以龍陵邦臘掌溫泉地區(qū)面積最大，其次為潞西澡堂頭和象達鄉(xiāng)一帶。

圖9 大瑞鐵路高黎貢山越嶺隧道層面地溫等值線圖Fig.9 Ground temperature contour map on the tunnel plane in Gaoligong Mt.section along Dali-Ruili railway

常溫帶沿龍川江、怒江河谷沿岸及芒市盆地周邊山麓分布，就工程而言，主要體現(xiàn)在越嶺隧道進出口淺埋段、地熱水補給區(qū)、徑流區(qū)。

高溫帶 (低高溫帶、中高溫帶、超高溫帶)分布主要受構造控制，占總面積的45.58%，分布廣泛，嚴重制約了越嶺線路方案、尤其是隧道工程的比選和工程可行性。

受黃草壩斷裂阻水隔熱作用，邦臘掌—黃草壩水熱活動亞帶地熱水排泄區(qū)以南，朝陽—平達水熱活動亞帶地熱水補給區(qū)一定范圍內，存在一條相對低溫區(qū)，為越嶺長隧道的選址提供了通道。

4 高黎貢山越嶺段地質選線研究

4.1 復雜地質條件下深埋長大隧道地質選線原則

影響高黎貢山越嶺地區(qū)選線和重大工程設置的地質因素眾多，地質選線原則的確定直接關系著選線質量和重大工程的可行性。選線原則需要在綜合地質勘察的基礎上，結合相關專題研究成果確定。

①由于國內外尚無成熟技術處理洞內溫度大于72℃的高地溫、高溫熱水 (汽)的經(jīng)驗和措施，隧道工程必須繞避可能大范圍出現(xiàn)嚴重熱害的高地溫地區(qū)。

②隧道工程必須通過高地溫地區(qū)時，應盡量繞避或遠離中高溫帶及高溫帶，選擇在常溫帶和低高溫帶通過。

③線路通過高地溫地區(qū)時，宜以橋與路基形式通過;當必須以隧道通過時，應盡可能減少隧道埋深。

④高烈度地震區(qū)選線，應盡量提高線路抵御地震次生地質災害的能力，有條件時應優(yōu)先選用隧道工程。

⑤應綜合考慮地質、地震因素，重視地震放大效應、近場區(qū)的地震效應，線路應繞避既有的地震及地震次生災害嚴重地段和重力不良地質集中發(fā)育地段。

⑥線路宜短距離、大角度通過深大斷裂，應避免在深大斷裂帶內迂回展線;避免采用高墩大跨及特殊結構橋直接跨越全新世活動斷裂。

⑦鑒于研究區(qū)特殊的地質、地震和地應力場環(huán)境，選線應盡量減少順巖層走向隧道長度。

⑧隧道洞口、橋梁墩臺和路基工程應避開斜坡不穩(wěn)定、不良地質發(fā)育或可能發(fā)生重大地震次生災害的地段或地貌部位。

隨著重大工程建設的發(fā)展，在地質災害和工程地質問題防治領域的技術也日益發(fā)展，包含深埋隧道巖爆防治與預測、涌水突泥、軟巖大變形等方面，并且在施工過程中取得良好的效果［8，11，13］，因而高地溫、高地熱是制約高黎貢山越嶺段地質選線的關鍵問題。綜合上述地質選線原則，在高黎貢山越嶺地區(qū)是否能發(fā)現(xiàn)相對低溫的通道就成了選線的重點;同時，考慮活動斷裂和邊坡穩(wěn)定性，開展地質選線綜合研究，從而有利于綜合防災減災。

4.2 線路方案綜合比選分析

從圖8、圖9中可以看出，雖然常溫帶和低高溫帶占總面積的80%以上 (地表為90.2%，隧道層面為81.37%)，但有較多的中高溫帶和高溫帶穿插其間，對鐵路線路，尤其是隧道工程影響較大。

根據(jù)CK、C1K、C4K、C5K、C10K、C12K和C22K等方案的工程地質條件和工程地質問題，從高地溫、斷裂構造及不良地質條件3方面進行綜合對比 (見表2)。

綜合分析表明，南繞方案 (C5K)大范圍穿越朝陽—平達水熱活動亞帶地熱水排泄區(qū)，深埋長大隧道高溫熱害問題突出，引線段平行于構造線，不良地質構造發(fā)育，線路抵御自然災害和地震次生災害的能力低;C1K、C4K等線路不同程度通過中高溫帶，C10K、C22K在邦臘掌一帶有約2.5 km左右通過高溫帶。相對比而言，C12K(34.5 km隧道方案)和CK(39.6 km隧道方案)位于黃草壩阻水隔熱斷層之南相對低溫通道內，地熱危害較輕，線路與斷裂構造大角度相交，工程地質條件較好。C12K作為CK的優(yōu)化方案，線路抬高了156 m，改善了隧道環(huán)境地溫，繞避了引線段不良地質構造，線路抵御自然災害的能力相對較強，工程地質條件相對較好。

經(jīng)綜合比選，推薦采用工程地質條件相對較好，位于黃草壩阻水隔熱斷層之南相對低溫通道內的C12K(34.5 km隧道)方案。但越嶺長隧道開挖后，會形成新的地下水排泄低勢面，改變地下水徑流、排泄條件，如果隧道開挖不限制地下水排放，仍會導致隧道區(qū)水文地質條件復雜化，在高水頭滲流條件下致使黃草壩阻水隔熱斷層的隔水能力減弱，甚至可能襲奪邦臘掌—黃草壩水熱活動亞帶的地下熱水。因此施工過程中需要及時進行地下水監(jiān)測與分析，并根據(jù)監(jiān)測結果及時控制地下水排放。

表2 高黎貢山比選方案隧道地質條件綜合對比Table 2 Comprehensive geological condition comparison for alternative schemes along Mt.Gaoligong deep-buried tunnel section

5 結論與討論

大瑞鐵路高黎貢山越嶺段主要工程地質問題有:高地溫、高地應力、活動斷裂斷錯、巖爆、涌水突泥、軟巖大變形和邊坡穩(wěn)定性等，其中高地溫、高地熱是制約高黎貢山深埋隧道規(guī)劃建設的關鍵問題。

高黎貢山越嶺段的地熱分布在平面上可以分為3個區(qū)，地下熱水的分布和運移與斷裂構造密切相關，黃草壩斷層的阻水隔熱斷層特性和地熱水的空間分布特征，使得該斷層之南存在一個相對低溫通道。

從高地溫、斷裂構造和不良地質條件3個方面的差異特征對比選方案進行綜合比選表明，通過黃草壩阻水隔熱斷層之南相對低溫通道內的C12K方案地熱危害較輕，是相對較好的一條方案，并且受斷裂活動和邊坡地質災害影響較小。

復雜地質構造條件下，越嶺鐵路的地質選線是一個復雜的工程地質問題，需要綜合考慮多種不良工程地質條件，特別是在具有高地熱、高地下熱水發(fā)育區(qū)內進行具有深埋隧道的地質選線，目前國內外經(jīng)驗還不足，相關理論和方法需要結合實際工程經(jīng)驗進一步完善。

致謝 云南地質工程第二勘察院騰沖地熱隊和勇高級工程師、余仕勇高級工程師，成都理工大學許模教授、楊艷娜博士，中國地震局地殼應力研究所郭啓良研究員、包林海博士等參加了野外調查、測試分析工作。中國科學院地質與地球物理研究所曲永新研究員對本文提出了修改建議，在此一并感謝。

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