甄秉國

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,陜西西安 710043)

1 概述

蘭渝鐵路自蘭州樞紐引出,經甘肅蘭州市、定西市、隴南市,以28 km特長隧道穿越西秦嶺山脈到達四川省廣元市,全線長493 km。蘭州至渭源段沿線經蘭州東、夏官營鎮(zhèn)、高崖鎮(zhèn)、楊家川至渭源縣,全長約130 km。

2 工程地質概況

2.1 地形地貌

本段線路通過區(qū)在地貌上屬于黃土高原區(qū)。由河谷階地,黃土臺源,黃土梁、峁以及基巖孤丘的中低山組成,高程在1 500～2 600 m之間,相對高差200～360 m?？傮w地形北高南低,北面起伏小,南面起伏大,溝壑交織。主要河流有黃河、宛川河、秦祁河、崔家河、鍬峪河等。

2.2 地層巖性

本段屬古河西構造體系,中新生代以沉降為主,分布第三系(N、E)的砂巖、泥巖、礫巖及震旦系混合巖等,地表廣泛分布有第四系(Q)松散層堆積。

(1)第四系松散層堆積物以砂質黃土為主,碎(礫)石土次之,分布于沿線各河流、溝谷階地和斜坡地帶以及黃土塬的頂部,沖積、洪積、坡積、風積成因,淡黃色、褐黃色,分布面積較廣,以粉粒為主,土質純凈,黃土特征明顯,一般15～30 m不等,局部厚度大于50 m,大孔隙,垂直節(jié)理發(fā)育,Ⅱ級普通土。

(2)第三系(N、E)泥巖、砂巖、礫巖、泥巖夾砂巖,多呈夾層或互夾層狀。

泥巖:棕紅色,夾有少量的灰綠色斑塊,礦物成分以高嶺石、蒙脫石等黏土礦物為主,泥質結構,泥質膠結,層狀構造,強風化層厚度3～18 m,多呈粉質黏土及碎塊狀;手掰易碎,遇水軟化,Ⅲ級硬土。弱風化,巖層完整,Ⅳ級軟石。但固結成巖作用差,抗壓強度低,具有遇水浸泡或暴曬交替作用后顯著崩解軟化的特性,屬于極軟巖。

砂巖:紅褐色,細粒結構,顆粒成分為石英、長石,中厚層狀,成巖作用差,膠結不良,巖質軟,遇水易軟化,飽水后呈流砂狀,Ⅲ級硬土。

礫巖:暗紅色,礫狀結構,礫石成分主要砂巖、灰?guī)r等,顆粒呈圓—圓棱狀,礫石以直徑20～80 mm為主,最大達150 mm。鐵鈣質膠結,厚層—巨厚層狀,強風化層厚4～6 m,Ⅲ級硬土,弱風化層,Ⅳ級軟石。

泥巖夾砂巖:以棕紅色泥巖為主,粉砂泥質結構,泥質膠結,礦物成分以黏土礦物為主,巖石新鮮斷面可見不規(guī)則灰綠色斑狀蒙脫石集合體;砂巖呈夾層分布,粉細粒結構,泥質膠結,強風化厚10～21.4 m,多呈黏土及砂土狀,Ⅲ級硬土;弱風化,Ⅳ級軟石。

(3)白堊系(K)礫巖:灰白色、暗紅色,礫狀結構,礫石成分主要砂巖、灰?guī)r等,顆粒呈圓—圓棱狀,礫石以直徑20～80 mm為主,最大達150 mm。砂質、鐵鈣質膠結,厚層—巨厚層狀,強風化層厚4～6 m,Ⅲ級硬土,弱風化層,Ⅳ級軟石。

(4)混合巖 (Z):分布于 DK85+650～DK100+400段,棕紅色、灰黃色、灰綠色等,礦物成分以石英、長石、角閃石、黑云母等,中、粗粒結構,塊狀構造,節(jié)理發(fā)育,差異風化嚴重,風化層厚5～20 m,強風化,Ⅳ級軟石,弱風化,Ⅴ級次堅石。

(5)構造巖:由各種地質構造作用產生,分布于斷層帶內的壓碎巖、斷層角礫巖等。

2.3 地質構造

線路通過甘肅省東部、南部,地質構造十分復雜,大的構造屬于祁連褶皺系(蘭州至臨夏—漳縣—天水斷裂帶F1)。古河西構造體系斜貫于陰山—天山、秦嶺—昆侖兩個緯向構造體系之間,其兩端分別與之成斜接復合。自晚古生代發(fā)展起來的祁呂系西翼褶皺帶對古河西系的影響最為強烈,在六盤山以西廣大地域造成大面積的沉降,致使新生代堆積疊覆于古河西系的成分之上,也就是祁呂系賀蘭山字形構造體系馬蹄形盾地之一的阿寧盾地。隨著隴西系的卷入,將盾地中的古老巖層從新生界下面翻了上來,使古生界和更老的地層得以在盾地出露。本段線路通過區(qū)無大的構造斷裂發(fā)育,但支斷裂、不整合接觸帶、節(jié)理等構造現象發(fā)育。

2.4 水文地質特征

本段線路通過區(qū)地下水主要為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水,受大氣降水及冰雪融水補給,水量較小,水位受季節(jié)影響較大。

3 主要工程地質問題

本段線路走行于河谷階地及黃土梁、峁區(qū),主要工程地質問題有滑坡、濕陷性黃土及膨脹性巖(土)等。而線路方案的選擇主要受滑坡和不穩(wěn)定性斜坡的控制。

3.1 滑坡及不穩(wěn)定斜坡

(1)分布特征

本段沿線經過黃土高原,滑坡極為發(fā)育,規(guī)模大小、類型不一,數量較多,大都發(fā)育于黃土梁、峁邊緣及溝谷兩岸斜坡地帶。在時間劃分上,古滑坡、老滑坡、新滑坡均有發(fā)育。從物質組成分析,土質滑坡與巖質滑坡均有發(fā)生,土質滑坡以黃土淺層滑坡為主,巖質滑坡多發(fā)生于第三系泥巖、砂巖體中,以厚層、大型滑坡為主,典型的如苦河兩岸、渭源車站左側斜坡處的滑坡(群)。對選線影響較大,應以繞避為原則。

(2)形成原因分析

地形地貌:本段無論是黃土梁、峁區(qū)和高階地前緣斜坡范圍,還是溝谷兩岸及山前斜坡地帶,受雨水沖涮,地表沖溝發(fā)育,坡面破碎,極易形成滑坡,如周家溝右岸和苦河兩岸斜坡均發(fā)育有巨型滑坡(群)。因此,斜坡地形是可能產生滑坡首要條件。

地層結構:滑動面是滑坡體的關鍵要素,而且滑動面的形成往往與地層結構有密切關系。本段地表多為沖、風積砂質黃土,下伏第三系成巖性差且具有膨脹性的泥巖夾砂巖,基巖面常為第四系沉積前的老的侵蝕、剝蝕斜面、緩坡,與上覆第四系松散層從結構上就存在著明顯的差異,在其他外因作用下沿基巖面易發(fā)生滑坡等不良地質現象。

地下水:地下水活動是形成滑坡的重要因素之一。在土質邊坡或巖質邊坡(含泥質巖層,如泥巖等)受地下水浸潤泡透后,泥質巖層即產生表層泥化,形成厚度很薄的黏粒層,使巖土體抗剪強度極低,正是這些黏粒薄層在滑坡的發(fā)育中起到決定性作用。另外,地下水使孔隙水壓增高,產生浮托力、動水壓力,這些都會使巖土體抗剪強度降低,容易形成軟弱面。本段山體上覆黃土質土為透水層,下伏第三系泥巖夾砂巖為相對隔水層,第四系松散層內下滲的地下水在此附近改變流向順基巖面流動,軟化基巖面附近的地層接觸帶,長期作用的結果,產生滑動,易形成滑坡或不穩(wěn)定斜坡體。

3.2 濕陷性黃土

本段沿線經過河溝谷階和黃土、梁峁上,黃土廣布,且厚度較大,以第四系全新統沖洪積、上更統沖風積為主,土體結構疏松,孔隙發(fā)育,基本上都具有濕陷性。河谷一級階地一般具Ⅰ～Ⅱ級濕陷性,濕陷土層厚度3～10 m;二級階地多具Ⅲ～Ⅳ級自重濕陷性,濕陷土層厚度15～20 m;高階地以及斜坡地帶表層多為風積砂質黃土,多具Ⅳ級濕陷性,濕陷土層厚度15～25 m。黃土濕陷易造成建筑物基礎產生不均勻沉降,嚴重的會破壞建筑結構,對工程危害較大。對具有濕陷性黃土地基應消除其濕陷性,并加強地表防排水。

3.3 黃土陷穴

本段河谷階和和黃土斜坡砂質黃土分布廣泛,且厚度較大,且土體結構疏松,黃土陷穴極其發(fā)育,以宛川河二級階地上分布最多,形狀多為圓形、橢圓形,直徑大小、深度不一,呈串珠狀分布,底部多連通,對工程的危害也較大。工程應回填夯實處理。

3.4 膨脹巖土

本段第四系中更新統黃土和第三系成巖性差的泥巖,多具弱—中等膨脹性,對工程有一定影響,設計應根據工程類型、結構設置等,采取必要的處理措施。

4 局部線路方案比選

蘭州至渭源段工程地質勘察工作從2006年開始,在2007～2009年的初、定測勘察過程中,曾結合沿線地形地貌及工程地質條件,進行過多次線路方案研究,2008年10月至12月定測選線過程中,重點對張家莊至楊家川四個大方案進行了分析比選:即長隧道取直方案Ⅰ(DK)、長隧道取直方案Ⅱ(初測方案D1K)、胡麻嶺短隧道方案(D2K)及路基方案(D3K)。工作中重點對上述四方案進行了詳細的工程地質條件比選(如圖1所示)。

圖1 張家莊至楊家川段線路方案示意

各比選方案通過地區(qū)均為黃土梁、峁區(qū),地層巖性基本相同,主要為第四系砂質黃土,第三系粉砂巖、泥巖、礫巖以及震旦系混合巖,且各方案均要穿越胡麻嶺和黑山各溝谷。

長隧道取直方案Ⅰ(DK):由從張家莊車站引出后,沿宛川河右岸行進,跨曲兒岔溝及道群取直行進,分別穿越胡麻嶺隧道及黑山隧道,于糜川河谷階地楊家川附近設站;長隧道取直方案Ⅱ(D1K)將胡麻嶺隧道出口向苦河上游移動,將黑山隧道與兩座小隧道聯成一體,線路在胡麻嶺隧道進口以前與DK共線。經實地詳細勘察、比選,兩方案地層結構基本相同,即胡麻嶺隧道洞身均穿越第三系成巖性差的泥巖、砂巖及白堊系礫巖。除上述工程地層相同外,D1K方案胡麻嶺隧道出口至黑山隧道進口間還存在較難處理的工程地質問題,一是胡麻嶺隧道出口及苦河大橋均位于滑坡(群)內,滑坡體范圍大,厚度均大于20 m,處理難度非常大,對隧道、橋梁工程及今后列車的運營安全構成重大威脅;二是胡麻嶺出口至黑山進口段近3 km大部分陡坡掛線,坡面沖溝、黃土和第三系泥、砂巖滑坡及不穩(wěn)定斜坡極為發(fā)育,工程地質條件復雜,處理難度極大。

胡麻嶺短隧道方案(D2K):在D1K方案胡麻嶺隧道從石門水庫上游左岸出洞,以橋跨越水庫,再以短隧道于苦河左岸與DK方案相接。此方案雖繞過了胡麻嶺滑坡(群),且將胡麻嶺長隧道分為兩短隧道,但是石門水庫兩岸斜坡表層為第四系黃土,下部為第三系成巖性差的粉細砂巖。受雨水沖蝕,地表沖溝發(fā)育,多為不穩(wěn)定斜坡,并且隧道在淺埋、偏壓嚴重,存在較大的潛在安全隱患;而DK方案直接以特長隧道下穿石門水庫,相對安全可靠。

路基方案(D3K):從張家莊車站引出后,向西南跨既有隴海鐵路和宛川河進入水坡溝左岸,以隧道繞避右岸的西北第二彈藥庫,經水家坡村至王寺溝附近進入胡麻嶺隧道和黑山隧道后線路接DK方案至楊家川設站。此方案沿水坡溝兩岸路基多為斜坡挖方工程,短隧道較多,其中紅崖頭、李家山、高莊隧道洞身淺埋段也多,加之溝谷兩岸沖溝發(fā)育,坡面陡峻,滑坡及不穩(wěn)定斜坡分布較多,線路雖已繞避大部分滑坡等不良地質,但多次頻繁跨越易滑地層,潛在滑坡發(fā)生幾率及安全隱患較大。DK方案基本繞過了大部分滑坡等不良地質,雖有小型不良地質發(fā)育,但處理相對比較容易,且DK方案線路順直通過黃土、膨脹巖(泥巖)的特殊巖土挖方段落長度最短,工程地質條件相對較好。

經上述綜合比選,綜合分析,DK方案以長隧道穿行于黃土梁峁底部,工程地質條件相對最好,工程安全可靠性高;D2K、D3K方案次之,D1K方案最差。

5 結束語

本段線路通過河谷階地、黃土梁、峁及中低山區(qū),地層結構復雜,不良地質和特殊巖土發(fā)育,工程地質條件差,應全面、詳細地進行地質調查、分析研究,抓住主要工程地質問題的關鍵,才能為工程設計提供準確的處理措施和意見。

山區(qū)鐵路應通過大面積地質調繪,運用綜合勘探手段,認真分析研究,為選擇既經濟、又合理的線路方案提供準確依據。

[1]中鐵第一勘察設計院集團有限公司.新建鐵路蘭州至重慶線初步設計第四篇(地質)[R].中鐵第一勘察設計院集團有限公司,2008

[2]鐵道第一勘察設計院.鐵路工程地質勘察規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,2007

[3]鐵道第二勘察設計院.鐵路工程不良地質勘察規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,2001

[4]鐵道第一勘察設計院.鐵路工程地質手冊[M].北京:中國鐵道出版社,1999