大瑞铁路保山至瑞丽段及邻区地壳稳定性定量评价

郭长宝，张永双，屈 科，熊探宇，付晓晓，杜宇本

(1.中国地质科学院地质力学研究所，北京100081;2.国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室，北京100081;3.中铁二院工程集团有限责任公司，成都610031)

大瑞铁路保山至瑞丽段及邻区地壳稳定性定量评价

郭长宝1，2，张永双1，2，屈 科3，熊探宇1，2，付晓晓1，杜宇本3

(1.中国地质科学院地质力学研究所，北京100081;2.国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室，北京100081;3.中铁二院工程集团有限责任公司，成都610031)

大瑞铁路地处印度板块与欧亚板块碰撞带附近，地质构造条件复杂，活动断裂、高地应力、高地温、深埋隧道岩爆、软岩大变形等与地壳稳定性相关的地质问题严重制约着铁路工程规划建设。通过对大瑞铁路保山—瑞丽段及邻区地质背景、新构造活动、地壳隆升速率、潜在震源区、构造应力场、岩土体工程地质特征、地质灾害特征等因子分析，采用基于GIS的层次分析法，按照稳定、较稳定、较不稳定和不稳定4个等级，对大瑞铁路保山至瑞丽段及邻区的地壳稳定性进行了综合评价，将其划分为88个区;推荐线路C12K方案穿越19个地壳稳定性分区，其中不稳定分区占全线长度的9.79%，较不稳定分区占46.70%，较稳定分区占36.70%，稳定分区占6.81%。地壳稳定性评价结果对于指导铁路规划建设和线路优化具有重要的意义。

大瑞铁路;高黎贡山;活动断裂;地壳稳定性;铁路选线

0 引言

大瑞铁路是我国正在规划建设的重大工程，是西南泛亚大通道的重要组成部分［1］。该工程的保山至瑞丽段横穿保山地块与腾冲地块相互碰撞汇聚的怒江缝合带，地质构造条件复杂，各线路比选方案均遇到活动断裂、地震、地质灾害、高地温等与地壳稳定性相关的地质难题［2］，线路方案难以最后确定。

已有研究表明，灾难性的地质灾害事件往往发生在地质构造脆弱或地壳的不稳定区［3～4］。区域地壳稳定性评价是在中国兴起并发展起来的一门科学，主要用来评价在内外动力 (以内动力为主)耦合作用下地壳及其表层的稳定性，对于工程建设的稳定程度和适宜性评价具有重要作用［5～6］。近年来已经发展到定量化阶段［7］，并在一系列大型水电站、铁路、公路等生命线工程建设中得到广泛应用［4，8～9］。

本文在研究区主要地质问题分析的基础上，系统分析了影响大瑞铁路保山至瑞丽段区域地壳稳定性的7个因素:活动断裂、构造应力场、潜在震源区、浅表层地质灾害、工程地质岩组、地壳隆升速率和大地热流场，采用层次分析法，基于ArcGIS软件平台，对研究区的地壳稳定性进行定量评价，为铁路地质选线和线路优化设计提供了地质依据。

1 研究区地质背景

规划建设中的大瑞铁路位于东亚、南亚和青藏高原三大地理区域的交汇处，地处印度板块与欧亚板块相互碰撞汇聚带附近。新生代以来，受印度板块向北东强烈推挤和青藏高原向南南东强力楔入的叠加作用，该区地壳物质以断块形变位移方式向东及南东强力楔入，导致该区发生强烈的垂直差异运动和块体边界断裂发生强烈的水平剪切错动［10～11］，形成复杂的地质构造格局 (见图1)，是现今地壳强烈活动区和中强地震多发区。

图1 大瑞铁路保山至瑞丽段及邻区主要活动断裂及地震等震线分布Fig.1 Drstribution of the main active faults and isoseismal in Gaoligong Mt.section along Dali-Ruili railway

我国西南地区极其复杂的地质条件在大瑞铁路保山至瑞丽段尤为突出，铁路规划面临着活动断裂、强烈地震、高地应力、高热异常和浅表层地质灾害等地质问题 (见图2)。深大活动断裂直接制约着铁路线的走向，断裂活动及未来中、强地震产生的位错以及地震诱发的地质灾害将对铁路造成极大的危害。以推荐线路C12K方案为例，高黎贡山深埋隧道全长34.5 km，最大埋深约1200 m，复杂的地质条件导致该隧道具有岩爆、软岩大变形、突水、高地温等不良工程地质问题［1，12～13］。

图2 大瑞铁路保山至瑞丽段典型工程地质问题与地质灾害特征Fig.2 Typical engineering geological problems and geo-hazard characteristics along Dali-Ruili railway

2 地壳稳定性影响因素

区域地壳稳定性评价是在地质背景研究基础上，全面考虑内外动力地质作用、岩土体介质条件等因素与工程建筑物相互作用和影响下的现今地壳及其表层的相对稳定程度，即以构造稳定性为主，结合地面稳定性、岩体和土体的稳定性进行综合评价［4～9］。影响地壳稳定性的因素主要有:活动断裂分布及活动性、构造应力场、新生代地壳升降速率、地震活动、工程地质岩组、地温变化梯度、地质灾害等。

2.1 活动断裂

在地壳稳定性评价中，各类地质构造，特别是活动断裂的展布和活动性是需要重点考虑的因素。研究区内主要发育有15条大型活动断裂 (见图1)，分别是恩梅开江断裂 (F1)、大盈江断裂 (F2)、瓦德龙断裂 (F3)、龙陵—瑞丽断裂 (F4)、畹町断裂 (F5)、腾冲火山断裂 (F6)、龙川江断裂 (F7)、怒江断裂带 (F8)、蒲缥—施甸断裂 (F9)、栗柴坝断裂(F10)、保山断裂 (F11)、柯街断裂 (F12)、昌都断裂 (F13)、澜沧江断裂 (F14)、龙陵—澜沧断裂 (F15)。其中龙陵—瑞丽断裂、腾冲火山断裂等为全新世活动断裂，龙陵—瑞丽断裂全新世以来的走滑速率为0.81～1.35 mm/a;龙陵—澜沧断裂断错镇安盆地晚更新世—全新世砾石层 (见图2a)。

对工程建设而言，活动断裂的工程错断效应和地震的危害是不可低估的［15］。根据构造位置相似原则，选取研究区Ms≥5级的地震及其等震线 (见图1)，通过等震线与发震断裂之间的距离关系统计，将活动断裂的影响程度划分为极强、强、中等、较弱和弱5个级别(见图3a)，分别与地震发生时的Ⅹ度及以上、Ⅸ度、Ⅷ度、Ⅶ度和Ⅵ度地震烈度区相对应。铁路工程建设应尽量避让活动断裂强和极强影响区。

2.2 构造应力场

地壳内的应力活动是以往和当今地壳克服阻力、不断运动发展的原因。地壳各处发生的一切形变包括断裂在内，都是地应力作用的反映，地壳现今应力场的特征和量级是评价地壳稳定性的重要因素。GPS位移观测结果表明，包含研究区在内的青藏高原呈巨型右旋旋转特征。近年来基于GPS位移数据进行构造应力场的反演在构造应力场评价中取得较好的效果［14］，并成功应用于地壳稳定性评价中［4］。在ANSYS平台进行反演计算结果表明，以GPS位移观测结果作为已知条件模拟计算的地壳位移速度场再现了地壳物质绕东喜马拉雅构造结发生的涡旋运动特征，地壳位移运动表现出明显的非均一性，总体上与GPS位移监测值反映的规律相一致［16］。研究区内分布有多个地应力高值区，如保山东北、龙陵东北和东南、梁河至陇川 (见图3b)，这些地带正是断裂强烈活动及历史地震的高发区，对铁路工程建设影响大，也是铁路工程应重点避让的地区。

2.3 潜在震源区

地震是影响地壳稳定性最重要的因素之一，大瑞铁路位于滇西南地震带内，历史地震频发，近几十年来的大震主要有1976年龙陵Ms7.4级地震、2001年施甸Ms5.9级地震群和2008年盈江Ms5.9级地震等 (见图1)。根据潜在震源区划分的原则、标志，在中国地震动参数区划图 (2011修订版)潜在震源区划分方案基础上，将研究区划分为8个潜在震源区，其中1个7.5级潜在震源区、5个7.0级潜在震源区和2个6.5级潜在震源区。

2.4 浅表层地质灾害

崩塌、滑坡、泥石流等浅表层地质灾害不仅本身严重影响着工程建设的安全，有时还可以综合反映各类地质作用的强度，反映外动力地质条件对地质环境和地壳稳定性的影响。不少研究者在地壳稳定性评价过程中，倡导考虑外动力地质作用的形式和强度［7］。在活跃的地壳内外动力耦合作用下，大瑞铁路保山至瑞丽段崩塌、滑坡和泥石流等地质灾害极其发育(见图2d)，在区域分布上具有不均一性。近年来该区地质灾害发育强烈，单体规模大，导致了大量的人员伤亡和财产损失，如2004年7月19日腾冲滑坡泥石流，2004年7月5日、7月20日盈江特大泥石流，2007年7月19日腾冲苏家河口水电站滑坡［18］、2010年8月8日贡山特大泥石流等致灾严重的地质灾害事件，表明地质灾害已成为影响重大工程规划建设和社会经济发展的重要因素。本文对研究区的地质灾害发育规律、发育密度进行分析，并进行地质灾害易发性分区，共划分出2个地质灾害极高发育区、4个高发育区、7个中等发育区和6个低发育区等19个分区 (见图3c)。

2.5 工程地质岩组

岩性和岩体结构不同，不仅影响建筑物地基或斜坡的稳定性，而且在各种内、外动力因素作用下，特别是在地震作用下，地面震害程度与场地岩性和岩体结构之间的关系密切，因此在地壳稳定性评价过程中划分工程地质岩组是非常必要的。参照国际工程地质协会提出的分类原则和方法，根据岩石的成因类型、坚硬程度、结构类型、风化特征及力学强度，将研究区各类岩体划分为坚硬中厚层—块状碳酸盐岩岩组等11个工程地质岩组，并进一步划分为工程性质较差、中等、较好和好等4类 (见图3d)。

图3 大瑞铁路保山至瑞丽段及邻区地壳稳定性评价Fig.3 Crustal stability zoning thematic maps of the study area

2.6 地壳隆升速率

在印度洋板块北东向挤压碰撞作用下，大瑞铁路保山至瑞丽段区域上属上升区，上升速率一般为5～9 mm/a，在保山西南形成一个北东向9 mm/a的上升中心，大瑞铁路保山至瑞丽段横跨上升中心，该区的上升速率及趋势与印度洋板块北东向挤压作用及现今构造应力场的主压应力方向一致。根据区内地壳垂直形变的升降速率值及其对地壳稳定性的影响程度，将地壳垂直形变速率 (v)分为4级:高值区，v≥9 mm/a;中值区，7≤v＜9 mm/a;低值区，6≤v＜7 mm/a;极低值区，v＜6 mm/a(见图3e)。

2.7 大地热流场

地热温泉是近期构造运动的伴生现象，研究区位于地中海—南亚地热异常带，出露有温泉205个，温度最高的龙陵邦腊掌温泉 (见图2b)，泉口温度102℃。由地温等值线反映的大地热流值可以直接反映地壳近代活动性，高热流值反映地壳深部热源距地表近，地壳上部受拉张应力，开放性良好，地壳活动性强;相反，热流值低的地方岩浆融熔体埋深大，地震活动性低，地壳稳定条件良好。根据温泉近地表温度场值 (T)的相对大小及其对工程施工的危害程度，将地温划分为4个等级:高值区，T≥60℃;中值区，40℃≤T＜60℃;低值区，30℃≤T＜40℃;极低值区，T＜30℃ (见图3f)。

3 评价指标的确定及其权重的数值化

区域地壳稳定性评价的核心是确定各影响因素对地壳稳定性影响的大小、分布和强度，计算出不同地区的地壳稳定性指数作为量化指标。根据以往研究成果，并结合研究区的地质条件，本文采用基于GIS的层次分析法［19～20］作为区域地壳稳定性评价的研究方法。基于GIS层次分析法进行区域地壳稳定性评价主要有以下几个步骤 (见图4):①确定研究区，进行影响因素分析，并建立相关数据库;②建立层次分析模型，对评价指标赋权重;③基于GIS的空间分析功能进行栅格化、计算区域地壳稳定性指数;④对地壳稳定性进行综合分析评价。

3.1 评价指标的确定

对地壳稳定性影响较大的因素主要有:大地构造、构造应力场、地壳结构、新生代地壳升降速率、断裂活动性、地震活动、工程地质岩组、大地热流场、外动力地质作用等，所有这些因素都是相互关联的，特别是断裂活动性和地震活动的关系更为密切，对地壳稳定性的影响也更为显著和直接。本文综合选取了活动断裂、潜在震源区、构造应力场、地壳隆升速率、大地热流场、工程地质岩组和地质灾害易发程度等7个指标作为直接影响因素，即层次分析法中的约束层 (一级评价指标)。

3.1.1 建立层次结构模型

根据层次分析法评价指标体系组建和操作的原则，采用分层递阶方法，将区域地壳稳定性评价指标体系分为总体目标层、约束层 (一级指标层)、评价指标层 (二级指标层)和对象层 (评价对象层)等4个层次 (见图5)。

3.1.2 评价指标的量化途径

在上述评价指标确定后，基于GIS强大的数据处理和空间分析功能，在ArcGIS 10.0软件平台上形成活动断裂、潜在震源区、构造应力场、地形变场、大地热流场、工程地质岩组、地质灾害等相关的专题图 (见图3)，各专题图的栅格大小为50 m×50 m，将面积3×104km2的研究区划分为1200×104个栅格单元，并分别量化评价指标和进行赋值。

图4 基于GIS层次分析法的地壳稳定性评价框图Fig.4 Flow diagram of crust stability evaluation by Analytical Hierarchy Process based on GIS

图5 大瑞铁路保山至瑞丽段地壳稳定性分区评价层次分析模型Fig.5 The AHP model of the crust stability zoning for the study area

3.2 权重的确定

基于专家打分法获取各影响因素的因子，构造层次分析相关判断矩阵，求解得到各影响因素的权重，计算得λmax=7.2182，CI=0.0364，RI=1.32，CR=0.0275(＜0.1)，符合层次分析法的一致性判据。求解得到一级评价指标活动断裂的影响权重为0.18、潜在震源区影响权重为0.15、地应力场影响权重为0.20、地形变场影响权重为0.10、大地热流场影响权重为0.15、工程地质岩组影响权重为0.10、地质灾害影响权重为0.12。在各影响因素权值确定的基础上，对各评价指标层进行权重划分和赋值 (见表1)，数值的大小表示其对地壳稳定性的影响程度，数值越大，表示该因素越不利于地壳稳定性，从而不利于铁路工程的规划建设。

表1 大瑞铁路保山至瑞丽段及邻区地壳稳定性评价指标及权重分配表Table 1 Calculated results of the weight of crust stability evaluation index for the study area

4 地壳稳定性评价结果分析

4.1 计算结果

在上述指标因素分析计算的基础上，利用地理信息系统软件ArcGIS 10.0的空间分析功能计算了研究区的地壳稳定性指数 (B)，根据计算结果，各栅格的地壳稳定性指数B值分布在0.1630～0.3575之间。参考各评价指标的分布特征及其对地壳稳定性的影响程度，确定了地壳稳定性分区的指标阀值，将地壳稳定性划分为稳定 (0.163＜B≤0.20)、较稳定(0.20＜B≤0.25)、较不稳定 (0.25＜B≤0.30)和不稳定 (B＞0.30)4个层次，经过局部平滑和去噪处理，获得了研究区地壳稳定性综合评价结果图 (见图6)。共将研究区地壳稳定性划分为88个区，其中稳定区 (Ⅰ)16个，面积为7730.86 km2，占总面积的25.77%;较稳定区 (Ⅱ)28个，面积为12018.23 km2，占总面积的40.06%;较不稳定区 (Ⅲ)30个，面积为 7772.41 km2，占总面积的 25.91%;不稳定区 (Ⅳ)14个，面积为2478.50 km2，占总面积的8.26%。

图6 大瑞铁路保山至瑞丽段及邻区地壳稳定性综合分区图Fig.6 Crust stability zoning map of the study area

4.2 地壳稳定性对铁路工程规划的影响

从大瑞铁路保山至瑞丽段各比选线路方案与地壳稳定性分区之间的关系来看，各比选方案均不同程度地穿越地壳不稳定区，推荐线路C12K全长约229.04 km，铁路全线共计穿越19个地壳稳定性分区，其中穿越地壳不稳定区22.42 km，占全线长度的9.79%，较不稳定区106.98 km，占全线的46.70%，较稳定区84.05 km，占全线长度的36.70%，稳定区15.59 km，占全线长度的6.81%。地壳不稳定区主要分布在高黎贡山深埋隧道段，线路可根据地壳稳定性评价结果，有针对性地进行线路优化和开展防灾减灾工作。

5 结论

大瑞铁路位于中国地质条件最为复杂的横断山区南段，横穿保山地块与腾冲地块碰撞汇聚的怒江缝合带，活动断裂和新构造运动活动强烈，高地温、高地应力和高密度的地质灾害等强烈影响着铁路线路的规划设计。

影响大瑞铁路保山至瑞丽段地壳稳定性的因素主要有:活动断裂、构造应力场、新生代地壳升降速率、地震活动、工程地质岩组、大地热流场和地质灾害等，其中构造应力场、活动断裂、潜在震源区和地壳隆升速率等因素对地壳稳定性的影响最大。

在综合分析各种影响因素的基础上，基于ArcGIS软件平台，采用层次分析法，对各影响因素进行了权重划分，并计算获得了研究区的地壳稳定性，共将研究区划分为稳定(Ⅰ)、较稳定 (Ⅱ)、较不稳定 (Ⅲ)和不稳定 (Ⅳ)等4大类，88个地壳稳定性分区，其中稳定区16个，占25.77%;较稳定区28个，占40.06%;较不稳定区30个，占25.91%;不稳定区14个，占8.26%。

地壳稳定性评价结果表明，C12K推荐线路方案是各比选线路中较好的一条线路，但仍存在活动断裂、深埋隧道岩爆等问题的影响，且主要集中分布于高黎贡山深埋隧道段，在铁路规划设计中，应有针对性地开展相关专题研究工作。

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QUANTITATIVE EVALUATION OF CRUSTAL STABILITY ALONG THE BAOSHAN-RUILI SECTION OF DALI-RUILI RAILWAY AND ITS ADJACENT REGION

GUO Chang-bao1，2，ZHANG Yong-shuang1，2，QU Ke3，XIONG Tan-yu1，FU Xiao-xiao1，DU Yu-ben3
(1.Institute of Geomechanics，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100081，China;2.Key Laboratory of Neotectonic Movement and Geohazard，Ministry of Land and Resources，Beijing 100081，China;3.China Railway Eryuan Engineering Group Co.Ltd.，Chengdu 610031，China)

The Dali-Ruili Railway is located near the India and Eurasian plate's collision belt，where the geologic structure conditions are very complicated.The railway planning and constructions are restricted by the complex engineering geological problems related to the crustal stability，such as active fault，high geo-stress，rock burst of deep tunnel，large deformation of soft rock.This paper make the crustal stability zoning assessment on the basis of crustal stability influencing factors analysis，including the geological background，new tectonic movement，crust uplift rates，potential seismic source area analysis，tectonic stress field，engineering geological characteristics of rock and soil mass，as well as the geological hazards characteristics.The AHP method based on GIS was used in the analyzing process.As a result，the crustal stability is divided into 4 grades:stable area，relatively-stable area，relatively unstable area and unstable area.88 zoning sections are made along the Baoshan-Ruili section of Dali-Ruili Railway and its adjacent region.According to the zoning result，there are 19 crustal stability zoning sections along the recommended C12K scheme，including 9.79%of unstable area，46.71%of relatively unstable area，36.7%of relatively-stable area，and 6.18%of stable area.The regional crustal stability assessments have some important significance for the railway construction and line optimization.

Dali-Ruili railway;Mt.Gaoligong;active faults;regional crustal stability;railway location research

P553

A

1006-6616(2014)01-0070-12

2013-11-12

“十二五”科技支撑计划课题 (2011BAK12B09，2012BAK10B02);科技基础性工作专项 (2011FY110102);铁道部科技研究开发计划项目 (2008G027-B)

郭长宝 (1980-)，男，博士，地质工程专业，工程师，主要从事工程地质与地质灾害方面的研究。E-mail:guochangbao@163.com