Journal of Engineering Geology工程地质学报1004-9665/2021/29(2)-0326-16
Lan Hengxing,Zhang Ning,Li Langping,et al.2221.Risk analysis of major engikeering geological hazards for Sichuan-Tibet Railway in the phase of feasibility study[J].Joordal of Engikeedng Geology,29(2):326-341.doi：10.13544/jii.jep.2021-0114
川藏铁路可研阶段重大工程地质风险分析*
兰恒星①②张宁①李郎平②田乃满②仇义星②刘世杰①林感①
田朝阳①伍宇明②姚佳明②彭建兵①周成虎②
(①长安大学地质工程与测绘学院，西安710054，中国)
(②中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室，北京142121，中国)
摘要川藏铁路作为史上修建难度最大的铁路，沿线具有显著的地形高差、强烈的板块活动、密集的深大
断裂、频发的山地灾害等恶劣地质环境特点，工程建设面临着复杂多变的地表和地下重大地质安全风险挑战。为深入综合分析川藏铁路可研阶段沿线地质风险，定量评价其对工程的影响，基于川藏铁路沿线翔实的时空数据集及资料，采用三维结构建模、数值统计建模、动力建模、时空建模等方法，进行了地表、地下重大工程地质灾害综合定量风险分析。地表工程地质灾害综合风险分析结果表明：在宏观上，川藏铁路沿线存在3个地表地质灾害高风险区，分别是鲜水河断裂带、金沙江断裂带和东构造结地区。由于川藏铁路采用以隧道为主的设计方案，地表地质灾害的风险大大降低。分别建立了活动断裂、岩爆和大变形等风险评估的普适性模型及综合风险分析模型，以易贡隧道为例，对典型重要隧道全线不同段落断裂活动性、岩爆、大变形等典型地下工程地质风险以及综合风险进行了定量评价。结果表明：川藏铁路沿线的地质灾害、断裂活动、岩爆和大变形等重大工程地质灾害的总体风险等级较高，影响工程安全；定量评估结果可以进一步指导后续的设计与施工的优化和深化。本研究为川藏铁路可行性研究提供了有力的科学支撑，同时也为国内外类似线性工程地质灾害风险分析提供参考。
关键词川藏铁路；重大工程；地表工程地质风险；地下工程地质风险；定量风险分析
中图分类号:P642文献标识码：A doi：14.13544/jki2eg.2221-2^4
RISK ANALYSIS OF MAJOR ENGINEERING GEOLOGICAL HAZARDS FOR SICHUAN-TIBET RAILWAY IN THE PHASE OF FEASIBILITY STUDY
LAN Heoaxina①②ZHANG Ning①LI Lanapina②TIAN Ndirmn②ZHANG Yixing②LIU Shijie①
LIN Gn①TIAN Chaoyang®WU Yuming②YAO Jiaming②PENG Jianama①ZHOU Cheogha②
(①S chof f GologicaO Engineering and Geomatics，Chang'an University,Xian714054,China)
(②State Key Laloratory f Resource,ang Egviroumental Informatiou Systems,Institute of Gographia Sciences aag Natural Resource, Research，Chinese Adems f Sciences，Beijing142121，Chiga)
Abstract The Sknana-Tine Rdilwny is the most challeoging dilwny project ever in the worli.The project reoioo is characterizeO by verioos anverse peoWoicni conaitioas iacWaina active tectonic movement，intensive meon fanlts，dbrupt ypoyappin alWf ang faqaet peoloyichi disasters.Thereforo，the constroctioo of this project is chalWoae0
*收稿日期：2021-05-10；修回日期：2021-04-09.
基金项目：国家自然科学基金(资助号：41041010)，青藏高原二次科考(资助号：2019QZKK0904)国家自然科学基金(资助号: 42041006，41927806,41907201).
This researct ia suppoaee by the Nanonai NaturaW Scieece Foyakatioy of China(Grant No.4104101
0)，the Secong Tinetan Plateau Scieetific Expeqitioy and Researct(STEP)Program(Grakr No.2210QZKK0994)ant the National Natural Scieece Foypkatioy of China(Grakr Nos.
42041006,41027706,4/07291).
第一作者简介：兰恒星(1077-)，男，博士，研究员，主要从事工程地质与灾害地质方面的研究工作.E-maiW：***************.ch
29（2）兰恒星等：川藏铁路可研阶段重大工程地质风险分析327
by complex geological disaster risks from both ground surface and underground.This study comprehensively and quantitatively analyzoa tUn ground sarinco and nnderriround geolouicaO risks alonn tUn SicOnnn-TiVel Railwny,and furthor evalnatou their conseonential inanencot ou iho project sa nt tu support Vs feasiVility stuny.Tho risk analysis utilizou dbnndddi sklunUmporai data,and various anproacocs idclunind tUreo-Timeasiouai structnre mouCind, ndmericoi moUelind,statisticoi moUelind,dynamio moUelind,timo series moUelind and spbim distrinutiou moUelind-Tho resulis show thnt tiere are thrio areos codceatratea with high ground surinco geolouicol hazards risk aloud tUo SicaaadTinc railwnn,namel.tUo Xianskuino U z U zodo-tUo JinsUbiand U z U zouo and tUo ostern Himalayad syntaxit n.However,ground skrinco eadideerind riskt of thit projed are sianificantln r
eaacea, becansa V s anderground tnnneW are ovor80%of tho total railwa.Uno0x0^.Tho miversal qnantitativa risk dssessment moUeW are deveWuea for mnur nnderground roinrrin-geolouicol riskk,idclunino faalt1000x5,rod bursts and largo deformatious.Fur severat mbur tundets suc0ss tho Yivono tnnnel,riskk of typical individnat nnderground d bnrst and largo eeformatiou)ss welt ss the inteorateC risk,are qnanhtativetp eveluaten.Tho results show that both surinco1—sunsurfaco6X010*******risUu are siynificant1—can threaten the safety of project.Thiu stuny providos a scientido and tecdnicat support for the feosidilite stuny of the
SicOnan-Tidel Railwap.and is alsu expecteC tn bo a similar Uno enaineerina projects around the worlW. Key words Sidnan-Tiac Railwap p Major project y geolouicat risk；Qnantitative risk analysis
0引言
川藏铁路是我国正在规划建设的重大铁路工程之一，东起四川省成都市，向西途经雅安、甘孜、昌都、林芝、山南等地区到达拉萨，全长1542km，是西藏自治区对外运输的重要生命线工程之一，也是实现“一带一路”互联互通的重点工程（图1）。规划建设川藏铁路，对国家长治久安和西藏经济社会发展具有重大意义。然而，川藏铁路所处的青藏高原东南部，是全球现今地壳形变和构造活动极为强烈的地区之一，沿线具有显著的地形高差、强烈的板块活动、密集的深大断裂、频发的山地灾害等恶劣
地质环境的特点，工程建设面临着复杂多变的地表和地下重大地质安全风险挑战，给铁路的建设带来了前所未有的复杂性和特殊性（蒋良文等，2016；彭建兵等，2020）。主要表现为：（1）高度起伏的地形地貌：川藏铁路穿越众多高山峡谷区，跨大渡河、雅砻江、金沙江、澜沧江、怒江、雅鲁藏布江等大江大河。地势起伏大，河流切割深，相对高差大、山坡陡峭、沟谷深切；（2）高度活跃的构造地震：川藏铁路穿越世界上最活跃的板块构造区，穿越龙门山、鲜水河、理塘、巴塘、金沙江、澜沧江、怒江、八宿、嘉黎、雅鲁藏布江等十余条深大活动断裂，路线经过处历史大震活跃（Tapponnier el at.,1977；郭长宝等，2217）;referenco for mnor enaineerina geolouicat risk coutrol for Groune surinco enaineerina geolouicat risk；Underground
（3）极度敏感的气候天气：川藏铁路穿越青藏高原东南主体，气候垂直分带明显。由于其独特的地理环境，造成极端降雨、降雪频发，冻土融化、冰川退缩等，也成为了全球气候变化的预警区、敏感区。川藏铁路建设所面临的工程地质环境具有“一极两强三高”的特点，即极度敏感的气候、强烈发育的活动断裂、强烈发育多样化的地质灾害，高海拔、高地应力、高地温（薛翊国等，2222）。因此，川藏铁路成为铁路工程史上工程地质环境最为复杂、灾害防治难度最大的铁路工程之一（图2）。
自22世纪72年代，随着川藏铁路建设方案的提出，我国学者在川藏铁路沿线地区开展了大量的地质灾害方面的分析工作。包括威胁铁路的桥梁、路基等明段的崩塌（吴瑞安等，2217；李秀珍等, 2219）、滑坡（兰恒星等，2216；李宁等，2222；王家柱等，2221）、泥石流（刘曙亮等，2216）
等地表地质灾害分析；以及威胁铁路隧道的岩爆（韩侃等, 2222；任洋等，2222；周航等，2222）、软岩大变形（贾学斌，2216；范新宇等，2219）、断裂活动（王栋等，2216）、高地温（王生仁等，2221）等地下地质灾害分析。此外，一些针对川藏铁路工程设计与施工的技术法规也逐步制定与应用，如《川藏铁路高地应力软岩隧道设计暂定规定》等。
为深入综合分析川藏铁路可研阶段沿线的重大工程地质灾害风险，定量评价其对工程的影响，本文
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Journal of Engineering Gology 工程地质学报 2021
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图1川藏铁路位置与沿线地形高差分布图（蒋良文等，2016；李巍等，2010）
Fin ，1 Locatioo of the Sichpay-Tinct Railway and eyvatiooaWog the W cc
0 50 100 km
图2川藏铁路三维地质构造模型
Fin ，2 3D peoloyichi moyq of Sichpay-Tinct oilway
基于川藏铁路沿线的工程地质灾害风险背景资料, 采用三维结构建模、统计建模、动力建模、时空建模 等方法，进行了地表、地下重大工程地质灾害综合定
量风险分析。地表工程地质灾害风险分析了新建川 藏铁路雅安至林芝段地表灾害综合密度分布规律,
综合危险性分布特征，能量分布特征，在此基础上, 定量分析了全线地表地质灾害综合风险分布特征。
地下工程地质风险分析构建了断裂活动性、岩爆、大
变形风险普适性预测模型。以拟建的易贡隧道为 例，定量预测了断裂活动性、岩爆、大变形的风险等
级及影响范围。在此基础上，构建了地下综合风险
分析模型，定量分析了地下工程综合风险分布情况O 本研究可为川藏铁路可行性研究提供有力的科学支
撑，对于川藏铁路的设计建设和后期运维具有重要
意义，同时也为国内外类似线性工程地质灾害风险 分析提供参考。
1川藏铁路沿线区域地表工程地质风
险评价
川藏铁路全线77余座隧道进出口、80余座桥
梁桥位、50多公里路基明段，均受到地表工程地质
灾害的直接影响（图3）o 为了进行川藏铁路沿线的 地表工程地质灾害风险定量分析，本文采用如下的
通用风险评估模型进行评估（Vaoes 1984； Fell 1994）
:
29(2)兰恒星等：川藏铁路可研阶段重大工程地质风险分析329
图3川藏铁路隧道进出口分布
Fiy.3The distriautiou oU tunnel entranco at exit aWua SicOuan-TiVct railwap
R=HxV(1)式中：R为风险；H为危险性，一般包括地质灾害发生的时间可能性、空间可能性和强度可能性，本文只考虑了空间可能性(易发性)；V为易损性，也叫脆弱性，表示承险体遭受特定强度灾害冲击时的受损程度，取决于承险体特征(材质、结构)和灾害能量。在铁路尚未建成的情况下，为简化风险分析，本文将复杂的铁路假设为单一均质结构，因此易损性或脆弱性主要取决于地质灾害的能量，通过物理动力学模型计算得到的灾害能量分布即可反映承险体的易损性或脆弱性。
91川藏铁路地表灾害综合密度分布规律
灾害密度在很大程度上反应了某一区域的灾害易发性分布特征。通过遥感解译、文献资料和野外调查发现，川藏铁路沿线崩塌落石、滑坡和泥石流等地质灾害多发、频发，各类灾害的数量和规模均不同。该区域大型、中型和小型灾害数量不等，巨型规模并不罕见。基于灾害分布数据，在计算灾害密度时对不同类型、不同规模的灾害赋予不同的权重，从而得到综合地质灾害密度的计算方法：
22
D二工(D；andslideX a")+工(F)+Drockfan C(2) i-1a二1
式中：灾害类型划分参考Hagri at at.,(2214)来区分泥石流、滑坡和崩塌落石；，为灾害规模，i1、2、3、4，分别对应巨型、大型、中型和小型，规模分类参考《滑坡崩塌泥石流灾害调查规范(比例尺1:4万)》的规模划分：泥石流规模划分为巨型(V>52x lO A m3)、大型(ZOxlO A m3W V W SOxlO A m3)、中型(2x124m3W V<22x124m3)和小型(V<2x124m3)，滑坡规模划分为巨型(V M002X124m3)、大型((02x 124m3w V W1002X124m3)、中型(HxH4m3W V< 102x124m3)和小型(V<12X124m3)，崩塌落石统一划分为一类；。爲通-为不同规模滑坡的灾害密度;
D d a bmU°w为不同规模泥石流的灾害密度；^r ockfal i为滚石灾害的密度；a,b,c分别为不同规模的滑坡、泥石流和滚石灾害的权重，权重分配主要依据不同灾害类型数据的比例和专家经验法，滑坡和泥石流中的巨型、大型、中型和小型比重设置为2.4、2.3、2.2、2.1，滑坡、泥石流和崩塌落石3个图层权重分别设置为2.4、2.4和2.2。
郎平个人资料简介根据此方法，得到川藏铁路灾害综合密度分布图(图4)。从图中可知，该区域内的3大类灾害分布具有不均匀的特点，表现为明显的聚集性，大江大河地带多于高原内部和湖盆区，如沿大渡河、澜沧江、易贡藏布和帕隆藏布河谷及两岸附近等聚集明显。地质灾害高密度区主要分布在江河河谷及沿岸和盆地边缘，如大渡河沿岸区域、毛垭坝盆地边缘区域、金沙江沿岸区域、澜沧江沿岸区域、怒江沿岸区
域和波密至通麦段。地质灾害中密度区主要分布于雅安至泸定段、火夹仲至雅江段、白玉至罗麦段、贡觉到扩达段、邦达至夏里段、林芝至鲁朗段。其中：极高密度区和高密度区受断裂带活动影响更明显。
1.2川藏铁路地表灾害综合危险性分布
在川藏铁路地表地质灾害密度综合分布的基础上，本文基于ALSA(Li at at.,2217)等模型进行危险性评价。在评价过程中，综合考虑了影响灾害易发的地质、构造、地貌、降雨、地震、工程地质力学(岩体的黏聚力C和摩擦角°)等因子，得到川藏铁路沿线及邻区的地表地质灾害的综合危险性分布(图5)。其中：地质图因子来自全国1：254
万比例尺地
330Journal of Engineering Geology工程地质学报2021
N灾害密度
■低密度
匚二I中密度
I I咼密度
极咼密度
050100km
图4地质灾害密度综合分布图
Fig.4Comprehensive distribution of geological hazard density
路基综合危险性■低危险
匚二I中危险
匚二|高危险
■极高危险
050100km
图5川藏铁路及邻区综合地质灾害危险性分布图
Fig.5Comprehensive geologicrO hazard distribution ol Sicauan-Tibni railwry and itt adjaceni arert
质图；构造图因子参考Deng oi al.,(2203)的断裂数据；地貌图因子来自全国1：100万比例尺地貌数据；降雨因子来自全国lkm空间分辨率降水栅格数据集；地震因子是指地震动峰值加速度，来自《中国地震动峰值加速度区划图XGB18306-T215)；工程地质力学因子主要来自川藏铁路沿线多个研究区域内相关文献采用的黏聚力C和摩擦角卩值。考虑到川藏铁路沿线地质灾害的实际发生情况，将地质灾害危险性分为4个等级：低危险性(0-0.185)、中危险性(0.185-0.218)、高危险性(0.213〜0.454)、极高危险性(0.454〜5000)。
川藏铁路沿线综合地质灾害综合危险性分布结果表明，深切河谷和深大断裂总体上对该地区的地质灾
害危险性分布具有控制作用，特别是受到东构造结、嘉黎断裂、鲜水河断裂、金沙江断裂、金沙江、雅砻江的明显影响。川藏铁路沿线分布有3大综合地质灾害极高与高危险区，分别位于：鲜水河断裂带及其邻区、金沙江断裂带及其邻区和东构造结地区。3个区域均属于断裂带发育密集区，强烈构造活动的集中区。例如，鲜水河断裂带在全新世的活动速率达到9.6〜9.9mm・a_1。此外,3个区域均处在地形起伏大、强烈切割的高山深谷地区。因此，复杂的地质构造和独特的地貌格局，促使了3个区域地质灾害的频发。例如，2015年5月和5月发生白格巨型滑坡，堵塞金沙江形成堰塞湖。湖水排泄造成金沙江沿途河道两岸严重的冲刷，并相继诱发多处水毁灾害和地质灾害(冯文凯等，2019)。极高危险区和高危险区，地质灾害分布广泛，影响范围大、破坏力强，同时具有工程扰动的敏感性。这些区域应当作为地质灾害巡查的重要区域。处于这些地区的隧道进出口、路基铁路、桥梁底柱应根据实地调查情况设置相应的地质灾害防护措施。
10地表地质灾害综合强度(脆弱性)分布在危险性分析的基础上，采用地质灾害动力学模型(Lan ni al.,3207；Wa ni al,2H8,222。)，计算模拟川藏铁路沿线地质灾害动力学过程，获得灾害能量分布，并根据能量分布得到风险所需要的易损性分布(图6)。结果表明，川藏铁路地表地质灾害高能量区域主要集中在鲁朗段至多吉段、邦达段至昌都段、贡
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