張 喆

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043； 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院)，西安 710043)

寶雞—蘭州高速鐵路位于陜西省西部及甘肅省東部地區(qū)，線路自寶雞南出站后沿渭河南岸向西，在天水市花牛鎮(zhèn)設天水南站，出站后下穿耤河及北山滑坡群，沿天巉公路折向西北經(jīng)秦安、定西等縣市至蘭州西站。甘肅省東部是我國黃土滑坡災害類型多、分布范圍廣、危害嚴重地區(qū)[1]，而天水周邊黃土滑坡是該區(qū)域最嚴重、發(fā)育最密集的地區(qū)，具有明顯繼承性、廣泛性和多期性，嚴重制約著天水至秦安段線路方案的走向和選擇，因此開展地質(zhì)選線工作很有必要。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

1.1 地形地貌及地層結構

寶蘭高鐵天水至秦安段位于西秦嶺北麓向黃土溝壑梁峁區(qū)過渡段的低山丘陵區(qū)，區(qū)內(nèi)黃土沖溝發(fā)育，溝深坡陡，黃土多呈披蓋式上覆于第三系泥巖之上，構成了特殊的黃土—泥巖二元結構。

1.2 區(qū)域地質(zhì)構造與地震

區(qū)域構造為西秦嶺褶皺帶與隴西系內(nèi)旋褶皺帶結合部，地質(zhì)構造復雜且活動性各有差異，斷裂活動性與地質(zhì)災害發(fā)育程度之間有著密切聯(lián)系[2]。渭河大斷裂為沿線區(qū)域性活動斷裂，第四紀以來區(qū)內(nèi)抬升強烈，河流下切形成邊坡高陡的黃土梁峁及沖溝地貌，地形破碎為滑坡形成提供空間條件。區(qū)內(nèi)地震具有活動頻率高、強度大等特點，形成北西向展布的天水—蘭州地震帶(圖1)。

圖1 寶蘭高鐵天水段構造體系及地震帶分布示意

1.3 黃土滑坡分布特征

天水地區(qū)滑坡密度大并具有明顯的時空分布特征[3]：滑體厚度由北至南、自東向西逐漸減小，沿深切河谷成群成帶分布，自然坡度角在15°～30°斜坡區(qū)易發(fā)生大中型滑坡。時間上具有多期次活動性?；滦纬蓷l件復雜成因多樣，有利的地形地貌及地層結構使上覆黃土沿傾斜巖土界面失穩(wěn)，形成大面積多期多次的巨型滑坡，在地震、暴雨等自然災害及人類活動的影響下，可能使新滑坡發(fā)育及老滑坡復活。

2 滑坡區(qū)選線原則及勘察評估方法

2.1 滑坡區(qū)選線原則

對滑坡規(guī)模大且連續(xù)成群分布，地質(zhì)選線確定為敏感點，提出線路繞避原則；沿斷裂分布的滑坡成因復雜、治理難度大或后期維護成本高的滑坡堅決予以繞避；對滑坡治理成本低、風險小宜選擇合理部位通過[4]，做到“繞有依據(jù)、治有措施”的原則，保證高鐵線形平順。

2.2 滑坡區(qū)勘察及評估手段

區(qū)內(nèi)滑坡勘察工作首先采用遙感判釋黃土滑坡的分布，再通過地質(zhì)調(diào)繪定性分析滑坡的規(guī)模及特征，對影響選線的滑坡進一步通過勘探進行定量評價，最后大范圍開展地災危險性評估[5]。

(1)遙感技術在地質(zhì)選線中具有圖像視域寬、信息量豐富等優(yōu)點。為查明工作區(qū)滑坡等不良地質(zhì)分布，采用美國陸地衛(wèi)星Landsat5TM的10 m和2.5 m分辨率數(shù)據(jù)，結合1∶1萬航片進行對照，多尺度遙感進行斷裂構造和不良地質(zhì)判釋。判釋出渭河大斷裂及其分支斷層、天水北山滑坡群等39處。遙感判釋不但能滿足地質(zhì)勘察技術需求，還能提高工作效率減少野外調(diào)查工作量[6]。天水北山滑坡群從地形特征判釋為：滑坡群后壁呈連續(xù)圓弧狀，滑體發(fā)育多級錯落平臺及雞爪狀黃土沖溝，滑坡前緣呈舌狀并侵占河床，單體滑體兩側有雙溝同源現(xiàn)象(圖2)。

圖2 天水北山滑坡群衛(wèi)片判釋及航片判釋成果

(2)依據(jù)遙感判釋成果，重點對天水周邊滑坡密集區(qū)展開野外地質(zhì)調(diào)繪，定性測繪滑坡的范圍及規(guī)模。對控制線位的天水北山滑坡群及渭河兩岸滑坡群進行測繪，初步判定其穩(wěn)定性，根據(jù)滑坡規(guī)模結合工程特性對滑坡區(qū)的線位提出繞避或有利通過部位，從地質(zhì)選線角度穩(wěn)定線路方案。

(3)勘探定量評價滑坡。天水周邊選線主要受控因素有天水市區(qū)規(guī)劃、北山黃土滑坡群及天水機場， 線路完全繞避各類控制因素難度大，尤其北山滑坡群直接控制天水南站位和線路走向。通過鉆探查明北山滑坡體物質(zhì)組成、判識滑面及含水情況，判斷滑坡性質(zhì)[7]，完成滑坡主軸地質(zhì)剖面圖定量檢算滑坡穩(wěn)定性，為穩(wěn)定下穿滑坡及耤河寬谷區(qū)的線路方案提供地質(zhì)依據(jù)。

(4)地質(zhì)災害危險性評估是重大工程項目必須開展的工作。通過地災評估分析建設工程合理性及建設用地適宜性，圈定地質(zhì)災害敏感點，確定災害等級及可控范圍，采取合理工程處理措施確保工程安全建設并不惡化沿線的地質(zhì)環(huán)境條件。

3 線路方案比選研究

3.1 線路走向受控因素

天水市規(guī)劃由秦州區(qū)沿耤河寬谷區(qū)與麥積區(qū)相向發(fā)展融合連成一片，天水南站設在兩區(qū)中間部位，滿足城市發(fā)展需求。為減少天水城區(qū)拆遷，在渭河右岸黃土高階地設天水南站，出站后線路走向受控因素主要有耤河寬谷區(qū)的城市主干道、密集的建筑物及天水機場。以上環(huán)境條件嚴重制約寶蘭高鐵天水至秦安段線路平面位置選擇。

3.2 控制選線地質(zhì)因素

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料結合野外地質(zhì)調(diào)查，天水北山滑坡群是在地殼不均勻抬升，河流長期侵蝕北岸坡腳，在復雜的自然條件下黃土斜坡失穩(wěn)而形成的，地形地貌為黃土滑坡的形成提供空間條件，地質(zhì)構造和地層巖性控制著滑坡的分布，地震、降雨是黃土滑坡誘發(fā)因素[8]。后期滑坡前緣又產(chǎn)生多期多塊的次生滑坡，并因長期的剝蝕使得滑體上沖溝發(fā)育。

天水北山巨型滑坡群分布于渭河一級支流耤河北岸山坡，東西延伸約11 km，黃土梁頂部為滑坡后緣，與河谷高差300 m以上，滑體主軸長0.8～1.2 km，為巨型黃土-泥巖滑坡，形成時代古老并經(jīng)多次活動。鉆探揭示上部殘留滑體厚15～35 m，前緣堆積體厚達35～50 m，壓埋耤河Ⅰ級階地長達180 m。

3.3 方案研究及決策

根據(jù)滑坡區(qū)選線原則，結合北山滑坡群的分布及特征，提出以下選線思路：一是盡量采用平面外繞市區(qū)及北山滑坡群方案；二是借鑒武廣高鐵瀏陽河隧道穿越城市及河流的選線思路[9]，選擇合理部位在隧道內(nèi)設倒人字形縱坡下穿北山滑坡群、城市規(guī)劃區(qū)及機場定向臺。

3.3.1 線路外繞市區(qū)及滑坡方案

線路自天水南站引出后沿耤河右岸而上，呈“U”狀展線，采用長大隧道穿越耤河南北兩岸的低山丘陵區(qū)，上跨隴海線和渭河后溯葫蘆河北上至秦安。該方案線路繞避了北山滑坡群并減少城區(qū)拆遷(圖3)。

圖3 線路外繞方案及取直方案平面示意

3.3.2 線路取直橋隧方案比選

(1)橋隧相連方案：出站后線路折向西北，以橋梁跨越耤河寬谷區(qū)，該方案存在以下問題：一是工程拆遷量大且切割天水城市規(guī)劃；二是橋梁大里程端部分墩臺設置在北山滑坡前緣堆積體上；三是斜穿北山的隧道進口約180 m位于滑坡體內(nèi)，總體工程投資大且橋隧存在安全隱患。

(2)隧道方案：出站后線路以Ⅴ形縱坡足坡而下，設長大隧道下穿耤河寬谷區(qū)及北山滑坡群后在渭河右岸出洞，上跨渭河和隴海線后，溯葫蘆河而上至秦安縣。該方案渭河隧道全長10 016 m，洞身進口至北山8 625 m為Ⅴ形縱坡，出口1 391 m為順坡，除下穿耤河寬谷區(qū)及滑坡段地質(zhì)條件復雜外，線路順直且無其他受控因素，滿足高速鐵路的速度目標值(圖4)。

圖4 渭河隧道Ⅴ形縱坡下穿耤河及滑坡設計縱斷面

3.4 方案比選

對線路平面外繞城區(qū)方案與隧道下穿河谷及滑坡的取直方案，從工程地質(zhì)條件、工程設置及合理性、城市規(guī)劃干擾、運營舒適度、工程經(jīng)濟等方面進行同精度比較[10]。詳見表1。

表1 線路外繞方案與取直方案綜合比選分析

取直方案雖然在隧道下穿耤河及北山滑坡段地質(zhì)條件及工程措施復雜，但線路足坡而下，盡量加大了洞身埋深，而使地質(zhì)條件有所改善，且線路短直，對城市規(guī)劃干擾小，投資較節(jié)省(兩方案投資差額12.4億元)，研究推薦線路取直下穿河谷及滑坡方案。

4 渭河隧道勘察設計

渭河隧道下穿耤河寬谷區(qū)水文地質(zhì)問題和下穿滑坡區(qū)的安全風險是取直方案可行性的關鍵所在，為此對隧道下穿滑坡及河谷淺埋段開展了專項地質(zhì)勘察及水文地質(zhì)專題研究。

4.1 地質(zhì)勘察

(1)耤河寬谷區(qū)水文地質(zhì)專題研究：先采用瞬變電磁分析巖土界面、斷層及含水帶分布特征；再實施鉆探查明松散層厚度和基巖風化層，不同地貌單元均有鉆孔控制，確保隧道洞身位于完整基巖中。河谷區(qū)卵礫石與下伏泥巖的水文地質(zhì)參數(shù)差異大，采取鉆孔內(nèi)分層抽水，分別測試其滲透系數(shù)，并采用地下水動力學法預測隧道洞身涌水量和富水程度分區(qū)。

(2)隧道下穿滑坡段地質(zhì)勘察：首先進行大面積地質(zhì)調(diào)查及測繪確定滑坡范圍，再采用干鉆、并增大鉆壓、降低鉆速，通過提高巖芯采取率觀測土體含水量變化、軟塑帶或擦痕等分析研究滑面的位置。最終查明滑體以黃土為主、夾雜風化泥巖殘積物，滑床為泥巖，上部滑體厚15～35 m，前緣滑坡堆積體厚35～50 m(圖5)，滑帶土試驗φ=15°，c=20 kPa，考慮地震安全系數(shù)(k=1.1)，檢算滑坡推力為30 551.7 kN/m，通過滑坡推力檢算確定了隧道拱頂基巖安全厚度為12 m。

圖5 天水北山滑坡主軸剖面圖

4.2 隧道設計

(1)設計難點：隧道河谷淺埋段地表飽水卵礫石對下部泥巖具有補給作用，施工中弱膠結泥巖有突涌泥、滲漏水可能，防水設計要求高；下穿滑坡段變形控制嚴，以防北山滑坡復活可能；地表建筑物沉降控制要求高；施工及運營期間需設置防排水措施。因此渭河隧道為寶蘭高鐵Ⅰ級高風險隧道，是全線重難點和控制性工程。

(2)設計工法選擇：針對設計難點研究Ⅴ形坡段采取礦山法與盾構法施工方案比選，綜合分析施工風險、工期及投資等因素，經(jīng)專家論證后推薦礦山法，鄰近耤河常年流水和建筑物密集區(qū)段采用三臺階臨時仰拱法；下穿北山滑坡和城市主干道采用雙側壁導坑法，泥巖為極軟巖(Rb=1～3 MPa)，施工盡可能采用非爆破開挖[11]，減小對圍巖擾動，并對圍巖壓力、水壓力、襯砌結構內(nèi)力和變形進行監(jiān)控量測，控制好圍巖變形。

(3)隧道輔助坑道設置：耤河寬谷區(qū)地形平坦，若設斜井則淺埋段長，對城市建設規(guī)劃影響大，而豎井占地面積小對城市建設規(guī)劃影響亦小，綜合分析施工難度、工期和投資采用豎井方案。依據(jù)隧道圍巖排列的工期結合施工場地、防災救援要求，采用3座豎井+2座斜井及出口平導方案[12]。

(4)隧道創(chuàng)新設計：渭河隧道Ⅴ形坡段防排水采用雙層全包防水設計[13]；在Ⅴ形縱坡最低點處設置2號豎井作為抽排水通道，通過橫向通道的泵房及揚水管將廢水抽排至耤河；隧道進口地形平緩，進洞設置U形槽框架結構遮雨棚(圖6)。

圖6 渭河隧道進口鋼筋混凝土U形槽遮雨棚

(5)隧道設計融入環(huán)保理念：豎井上段飽水卵礫石設計采用鉆孔咬合灌注樁圍護結構封堵水[14-15]，防止地下水流失引起地面沉降；在洞身滲漏水段徑向注漿緩解含水層滲入和運營期間排水壓力。設計采用全包防水避免地下水流失及疏干北山?jīng)_溝內(nèi)滲流泉，保護地表水資源環(huán)境。

寶蘭高鐵開通后，運管部門反饋渭河隧道使用良好，驗證了渭河隧道選線思路的合理性及勘察設計的可靠性。

5 結論

論述黃土梁峁溝壑區(qū)以隧道工程豎向繞避滑坡地質(zhì)選線思路，并通過扎實地質(zhì)勘察工作和行之有效的設計方案，驗證下穿方案可行。

(1)線路采用Ⅴ形縱坡以隧道工程下穿河谷區(qū)及滑坡群，既避免了對城市規(guī)劃影響，又解決了外繞方案線路長投資大的問題，一舉兩得。

(2)隧道洞身選位應結合地形地貌、地層巖性特征，盡量減少隧道反坡排水的長度，通過水文地質(zhì)研究結論選擇隧道反坡段最低點位置及高程。

(3)隧道Ⅴ形坡段設計采用全包防水，既減小反坡排水壓力又避免地下水流失造成地面沉降變形，避免隧道洞身與頂部含水層及河水發(fā)生水力聯(lián)系。

(4)滑坡等地質(zhì)災害發(fā)育區(qū)高鐵選線應做好線路專業(yè)與地質(zhì)專業(yè)的緊密配合。以隧道工程下穿滑坡應考慮強降雨、地震及人類活動等誘發(fā)因素導致滑體復活產(chǎn)生的圍巖壓力，通過檢算確定隧道頂板的安全厚度。

寶蘭高鐵開通兩年來實踐證明，該方案地質(zhì)選線理念、思路和工作是合理可行的，對類似工程在充分考慮地形、地質(zhì)、工程條件下的地質(zhì)選線和工程設置具有較好的指導意義和參考價值。