甄秉國

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

1 工程概況

新建蘭渝鐵路蘭州至廣元段北起蘭州東站，向南經(jīng)蘭州市榆中縣、定西市渭源縣、漳縣、岷縣后，翻越長江、黃河分水嶺，經(jīng)隴南市宕昌縣、武都區(qū)，沿白龍江東岸而下，以28.238 km隧道穿越西秦嶺，在姚渡鎮(zhèn)附近跨過兩省交界進入四川省廣元市青川縣境內，并沿川陜界行進進入廣元市。

蘭州至廣元段正線線路總長約493 km，全段隧道工程集中，長大隧道比例較高，該段共分布有隧道66座，隧道總長343.263 km，隧道占線路總長度的比例為70%，其中長度大于10 km的特長隧道9座，長度143.96 km，占隧道工程的比例為 42%;橋梁 77 km，占 15.66% 。

2 工程地質背景

2.1 區(qū)域地質環(huán)境(圖1、圖2)

蘭渝鐵路通過黃土高原區(qū)和秦嶺高中山區(qū)，在區(qū)域地質上位于華北地塊、揚子地塊、青藏地塊及塔里木地塊四大地塊相互匯集部位合圍之隆起造山帶，屬青藏高原隆升區(qū)邊緣地帶，地質環(huán)境極為復雜特殊。

尤其是新生代以來印度板塊與歐亞板塊碰撞，導致青藏高原隆升及其向北東的持續(xù)擴展擠壓作用，造成本區(qū)域斷裂、褶皺發(fā)育，初始地應力狀態(tài)極其復雜，多為高—極高的地應力環(huán)境背景。

2.2 地質構造

蘭渝鐵路蘭廣段從北向南線路經(jīng)過祁連褶皺系、秦嶺褶皺系、松潘—甘孜褶皺系、揚子準地臺四個一級大地構造單元，線路位于其接合部位。在漫長的地質歷史時期內經(jīng)歷了多期次的構造運動，后期活動對前期形成的構造體系加以改造、歸并、復合，使構造環(huán)境愈加復雜，形成了隧道通過部位特殊的構造變形、復雜的地應力場及巖性。

圖1 板塊構造簡圖

圖2 青藏高原東向擠出的效應圖

線路穿越區(qū)域性大斷裂10條，沿線與線路有關的較大斷層有 87條，大的褶皺43個，次級斷層、褶皺(曲)及小構造十分發(fā)育。

2.3 區(qū)域地應力場

通過現(xiàn)場實測，蘭渝線地應力的分布特征是:以水平應力為主，應力值隨深度的增加而增大;以合作-岷縣斷裂構造帶(F3)為界，F(xiàn)3斷裂以北，最大水平主應力方向以北東向為主，即 N29°E～N68°E，最大水平主應力最大值為27.16 MPa，F(xiàn)3斷裂以南，以北西向為主，即 N29°W ～N75°W，最大水平主應力最大值為33.82 MPa。

2.4 不良地質及特殊巖土

蘭渝鐵路沿線不良地質極為發(fā)育，主要有滑坡、泥石流、危巖落石、巖堆、巖溶、高烈度地震區(qū)、人工坑洞、有害氣體等，以滑坡、泥石流為主，巖堆次之，調查沿線范圍內共有滑坡206處，泥石流溝127條，巖堆27處。不良地質體在全線分布并不均勻。

沿線特殊巖土主要為濕陷性黃土、軟土、膨脹巖。

2.5 地震

2.5.1 區(qū)域地震的分布

蘭渝鐵路沿線屬于青藏地震區(qū)北部地震亞區(qū)的龍門山地震帶，地震活動相當強烈，是青藏高原北部地震亞區(qū)主要強震活動帶之一。自有地震記載以來，本帶共發(fā)生 M≥4.7級地震197次，其中 5.0～5.9級地震109次，6.0～6.9級地震 35次，7.0～7.9 級 9次，8 級地震3次，分別為1654年天水8級地震、1879年武都8級地震和2008年汶川8級地震。

根據(jù)對蘭渝鐵路沿線兩側各50 km范圍內有震源深度的儀器記錄地震資料的統(tǒng)計分析，沿鐵路地震震源深度絕大部分在39 km以內，90%的地震在24 km以內，基本上是發(fā)生在地殼中上層的淺源地震。

2.5.2 汶川地震對沿線地質條件的影響

汶川8級大地震是我國歷史上最嚴重的破壞性地震之一，其地震規(guī)模和破壞程度均是罕見的。此次地震造成了嚴重的人員傷亡和大量的建筑物損毀，基礎設施嚴重損毀，震中地區(qū)周圍的16條國道、省道、干線公路和寶成線等6條鐵路受損中斷;次生災害多發(fā)，山體崩塌、滑坡、泥石流頻發(fā)。

根據(jù)汶川8級地震等烈度線圖，線路在渭源以南均在≥Ⅵ度區(qū)范圍之內，其中武都以南到廣元約120 km經(jīng)過≥Ⅷ度區(qū)，經(jīng)過Ⅸ度區(qū)的線路長約30 km。

蘭渝鐵路沿線高地應力軟巖地段是汶川地震影響嚴重地段，區(qū)域巖體中構造節(jié)理裂隙較震前會更加發(fā)育，隧道圍巖狀態(tài)及軟巖流變特性受地震影響明顯，地震使得地應力狀態(tài)變得更加復雜、區(qū)域內降雨量增大。

2.6 區(qū)域氣候變化對沿線工地條件影響嚴重

蘭渝鐵路縱貫甘肅省東南部、陜西省西南部和四川省東北部，屬北亞熱帶濕潤向暖溫半濕潤過渡的季風氣候，受境內高山峽谷地形的影響，氣候上有明顯的區(qū)域特征，氣候差異懸殊，垂直分帶的差異性明顯，河谷炎熱，山地寒冷。

自2008年汶川地震以來，在建蘭渝鐵路沿線各地區(qū)降水強度、降水量、持續(xù)時間等方面都有不同程度的變化。如:對照一次最大降水量發(fā)現(xiàn)，岷縣、宕昌、青川和廣元2007年至2011年間一次最大降水量都超過了2000年前30年中的極值。

工程區(qū)域近年降雨量增加，各種地質災害頻發(fā)。2010年8月7日甘南藏族自治州舟曲縣突降強降雨，持續(xù)了9h，降雨量達96.3 mm，縣城北面的羅家峪、三眼峪泥石流下泄，由北向南沖向縣城，造成沿河房屋被沖毀，泥石流阻斷白龍江、形成堰塞湖;2010年8月11日，隴南市境內突發(fā)暴雨，引發(fā)泥石流、山體滑坡等地質災害，致使多處交通路段堵塞;2012年5月10日，甘肅省岷縣發(fā)生特大冰雹、強降雨，引發(fā)大量洪災、泥石流災害等等，降雨強度和持續(xù)時間都屬歷史罕見。

3 特殊復雜的工程地質問題及特征

蘭渝鐵路通過區(qū)域地質環(huán)境特殊復雜，自開工建設以來，出現(xiàn)了許多的工程地質問題。

3.1 第三系砂巖復雜的水穩(wěn)特性

3.1.1 形成背景及分布特征

區(qū)域第三系地層劃分為隴東區(qū)、隴西盆地的甘肅群，為一套桔黃色、淺棕黃色泥質砂巖、泥巖互層，屬陸相湖盆及山間凹地沉積，厚度小于296 m。

第三系砂巖在蘭渝鐵路主要分布于桃樹坪隧道、胡麻嶺、馬家坡隧道及哈達鋪隧道等隧道，長度約8 km。

3.1.2 砂巖基本特征

第三系砂巖顆粒組成以粉細粒為主，粒徑主要為0.075 ～0.25 mm，滲透性差(滲透系數(shù)約 10-5cm/s)具有原始狀態(tài)下密實度高(e=0.236～0.448)、不擾動狀態(tài)下承載力和變形模量比較高的巖石特性。但第三系砂巖為泥質弱膠結，成巖作用差，由于黏粒含量少，結構脆弱，極易破壞，圍巖穩(wěn)定性差，工程性質極差。

3.1.3 主要工程地質問題

(1)復雜的水文地質條件。第三系粉細砂巖屬陸相湖盆及山間凹地沉積而成，地層巖性較單一，顆粒較均一，結構緊密，屬新生代沉積，受構造運動影響較小，節(jié)理裂隙不發(fā)育。因此，在天然狀態(tài)下，存在構造裂隙的可能性非常小，地下水主要賦存于砂巖孔隙水中，由于砂巖膠結程度、黏粒含量及補給途徑的不同，使地下水分布具有不均勻性，表現(xiàn)為局部溝谷地段砂巖含水偏高或地下水相對富集，水文地質條件十分復雜。

(2)砂巖在水作用下穩(wěn)定性變差、變形大、開挖及支護難度大。

(3)涌水、涌砂。

(4)軟硬不均、降水及開挖困難。第三系砂巖受沉積環(huán)境的影響，在形成過程中多為泥質弱膠結，局部為鈣質半膠結或膠結的薄層、透鏡體或結核狀砂巖，其分布規(guī)律性差。由于掌子面上下圍巖軟硬不均、滲透性的差異，存在降排水較困難，較軟圍巖易變形、坍塌，而鈣質膠結層強度和厚度較大，人工開挖困難。

3.1.4 措施建議

經(jīng)過不斷探索和科研后，對前期的各項施工方案和工法、輔助施工措施進行了系統(tǒng)的研究分析和施工探索，建議采用“重降水、密導管、強支護、輔注漿、快挖快支快封閉”的原則進行設計施工。

3.2 高地應力軟巖隧道大變形問題

3.2.1 軟巖分布

蘭渝線軟巖分布廣泛，主要為二疊系板巖、炭質板巖;三疊系板巖;志留系千枚巖、炭質千枚巖;泥盆系下統(tǒng)千枚巖等，總長約83 km，涉及隧道15座。

3.2.2 巖石特征

二疊系、三疊系板巖礦物成分中綠泥石、伊利石、高嶺石等黏土礦物含量占14% ～49%，局部變質程度較深巖石中絹云母等軟質片狀礦物含量高達37%，具有強度低、遇水易軟化、崩解或膨脹等特性;志留系千枚巖呈鱗片變晶結構，以新生礦物絹云母為主，含量高達81% ～88%，片狀礦物粘結力差，經(jīng)受應力擾動和地下水的作用，層片裂解，整體弱化，易變形，其結構特征主要為:

(1)軟硬不均、巖性、層厚變化頻繁，片理面發(fā)育，層間光滑、結合差;

(2)局部受構造影響較重，揉皺現(xiàn)象發(fā)育;(3)節(jié)理裂隙較發(fā)育、發(fā)育。

3.2.3 軟巖大變形特征

軟巖地層均以薄層或片狀構造為主，結構面發(fā)育，巖質軟，又處于復雜高地應力區(qū)，施工中圍巖變形具有變形時間長、初期支護難以穩(wěn)定的特點。

(1)二疊系、三疊系圍巖變形均以水平收斂變形為主，主要發(fā)生在邊墻、拱腰部位，初期表面出現(xiàn)環(huán)、縱向裂縫，支護內鼓，變形速率39～682 mm/d，最大變形量達1 915 mm。

(2)志留系拱頂下沉及收斂變形量均較大，一般變形量在600～800 mm，局部有底鼓現(xiàn)象，噴射混凝土大量環(huán)向開裂、掉塊，部分鋼拱架扭曲、斷裂，初期支護結構失穩(wěn)，侵入襯砌凈空，具有變形速率快、變形量大、周期長等特點。

(3)三疊系板巖巖層直立，走向與洞軸線近平行，圍巖變形較大，且難以控制。

3.2.4 大變形控制措施

通過對掌子面超前小導洞應力釋放試驗和初期支護措施調整試驗進行總結分析，確定二疊系板巖、炭質板巖隧道初期支護以I20b、H175型鋼為主進行系統(tǒng)設計;三疊系板巖和志留系炭質千枚巖隧道初期支護以H175為主進行系統(tǒng)設計。

3.3 巖溶隧道涌水問題

蘭渝線蘭廣段灰?guī)r主要分布于化馬隧道，施工中主要問題為隧道突涌水。

心肌損傷后釋放CK-MB、cTnI等特異性酶。室壁張力負荷較大時心肌能量代謝障礙，使大量CK-MB、cTnI通過受損的細胞膜向細胞間質內彌散。因此，血清CK-MB、cTnI水平的高低可靈敏反映心肌損傷的嚴重程度［17］。本研究中并發(fā)惡性心律失?；颊叩难錍K-MB、cTnI水平高于未并發(fā)惡性心律失常患者。這一結果提示，并發(fā)惡性心律失常的AMI患者心肌損傷更為嚴重，這可能與受損心肌細胞的傳導及收縮能力下降有關。

3.3.1 工程概況

2011年1月5日，化馬隧道進口 DK302+926，巖性為二疊系灰?guī)r，在進行開挖鉆眼作業(yè)時，右側拱腰處一孔在鉆到3.5 m時，突然發(fā)生涌水，水柱噴射距離達到12 m左右。

隨后在止?jié){墻外側施作超前探孔，深度達到3 m時水壓急劇上升，達到4.5 m時探明前方有一 5～10 cm裂隙，鉆孔深度達到5 m時，由于探孔前方水壓過高，水流噴射距離瞬間達到 25 m，最高涌水量達35 000 m3/d。

對超前鉆孔實測水壓在2.0 MPa左右。

3.3.2 主要處理措施

(1)掌子面設止?jié){墻后施作超前地質預報?，F(xiàn)場通過多次TSP、紅外探水、雷達等物探及超前水平鉆孔，查明了本次為灰?guī)r裂隙水及管道水。

(2)迂回導坑繞避。在掌子面 DK302+926后方DK302+890處設置迂回導坑繞避該段巖溶管道，迂回導坑平行隧道，距隧道30～40 m。

(3)設置泄水洞?；R隧道預測正常涌水量為11.2萬m3/d，而隧道的側溝與中心水溝的最大排水量為7萬m3/d，為保證施工及正常運營需設置泄水洞進行排水。

3.4 瓦斯隧道問題

化馬隧道化馬溝斜井正洞蘭州方向掌子面DK304+190，揭示地層為F36斷層壓碎巖，原巖以石炭系炭質板巖為主，夾有石炭系灰?guī)r薄層，巖質軟，巖體破碎，無水。2012年7月15日，電焊切割超前小導管時，導管口發(fā)生氣體燃燒現(xiàn)象，測得瓦斯?jié)舛葹?.63%，現(xiàn)場停止施工，到26日，測得瓦斯?jié)舛葹?.25%。

3.4.2 處理措施

通過現(xiàn)場取樣、試驗，對該隧道瓦斯進行了綜合評估，經(jīng)專家研討會論證，確定為高瓦斯隧道，建議設計、施工及運營均按高瓦斯隧道標準進行。

3.5 斜坡穩(wěn)定問題

蘭渝鐵路通過黃土高原區(qū)和秦嶺高中山區(qū)，山前斜坡地帶工程分布較多，由于地質條件復雜，施工中出現(xiàn)了邊坡穩(wěn)定性的問題，以魯壩隧道出口邊坡為例進行說明。

3.5.1 工程概況

工程位于角弓鎮(zhèn)白龍江右岸二級階地后緣，岸坡坡度變化較大，約25°～30°，植被稀少。表層為全新統(tǒng)坡積細角礫石土，厚30～35 m，其下為中更新統(tǒng)沖積粗圓礫土，下伏志留系炭質千枚巖。

由于2008年汶川大地震的災后重建，地方有關部門在隧道出口段右側取土，形成高20～45 m，坡度約60°的高陡邊坡，在2010年8月8日凌晨在強降雨的作用下，形成工程滑坡。

3.5.2 原因分析

(1)人工取土:在隧道出口段右側前緣取土，形成高陡臨空面，破壞了該段斜坡的穩(wěn)定性，加之降雨下滲，導致山體失穩(wěn)滑塌。

(2)5.12汶川特大地震:地表坡積細角礫土松散，分析認為受2008年5月12日汶川特大地震的影響較大，地震對表層土體有較強的松動作用，使巖土體結構進一步破壞，抗剪強度降低，并為地表水下滲和徑流提供了便利條件。

(3)強降雨:該地區(qū)降雨主要集中在6～9月份，降雨量大且集中，對隧道出口段坡積層侵蝕、浸潤嚴重，降低巖土體的強度，對坡體穩(wěn)定極為不利。

3.5.3 主要處理措施建議

(1)根據(jù)現(xiàn)場實際，隧道出口接長明洞;

(2)在隧道洞門兩側及下部設置重力式擋土墻防護;

(3)右側坡腳支擋并反壓回填，仰坡采用土釘和注漿等綜合加固措施。

4 結論

(1)蘭渝鐵路經(jīng)過黃土高原區(qū)、西秦嶺高中山區(qū)，穿過4個一級構造單元及10條區(qū)域性斷裂帶，巖性復雜多變且工程性質差，不良地質及特殊巖土普遍發(fā)育，又處于高烈度地震區(qū)，地質環(huán)境條件極為特殊復雜，是我國現(xiàn)階段在建的又一條艱、險、難的山區(qū)鐵路。

(2)蘭渝線隧道所處的特殊地質環(huán)境，施工中遇到的軟巖大變形及流砂等屬于特殊復雜地質環(huán)境引發(fā)的工程地質問題，需在科研的基礎上進行特殊設計。

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