王進(jìn)華

(陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院)，西安 710043)

引言

高速鐵路具有線型直.速度目標(biāo)值高.輸送旅客能力強(qiáng)等特點(diǎn)，對(duì)運(yùn)行中的安全性.舒適性要求高。隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速成長.科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，高速鐵路建設(shè)速度發(fā)展極快。高速鐵路的建成極大縮短了城市與城市之間的時(shí)空距離和旅客出行的時(shí)間成本，對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了極大的促進(jìn)作用。

截止2020年底，我國高速鐵路路網(wǎng)運(yùn)營里程超過3.8萬km，高鐵已網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營，但仍存在東部強(qiáng)，中西部弱的路網(wǎng)格局。隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入實(shí)施及“一帶一路”建設(shè)的推進(jìn)，加快中西部高速鐵路的建設(shè)是近幾年高速鐵路建設(shè)的重點(diǎn)。但是我國中西部地區(qū)多以山區(qū)為主，地形地貌.構(gòu)造復(fù)雜，自然環(huán)境差異極大，高速鐵路在復(fù)雜的高陡山區(qū)只能以隧道群的形式通過。建設(shè)高速鐵路在復(fù)雜山區(qū)的選線過程中具有地形條件困難.地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜.環(huán)境的敏感性高以及對(duì)工程的安全性要求高等特點(diǎn)[1]，因此在復(fù)雜的山區(qū)地形條件下進(jìn)行工程地質(zhì)選線是鐵路勘察設(shè)計(jì)過程中的重要環(huán)節(jié)[2]。

不同高速鐵路在地質(zhì)選線過程中所遇到的控制因素各不相同，王志軍通過研究目前國內(nèi)外的地質(zhì)選線現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)深入系統(tǒng)的研究在復(fù)雜山區(qū)的地質(zhì)選線很少，以定性描述為主，以現(xiàn)有技術(shù)手段還無法形成合理的定量模型[3]，地質(zhì)選線的理論主要是通過對(duì)已有工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)和提煉的基礎(chǔ)上，結(jié)合線路所通過地區(qū)的工程地質(zhì)條件，選出經(jīng)濟(jì)上合理.技術(shù)上可行的線路方案。以蘭新高鐵祁連山越嶺段為背景，在結(jié)合山區(qū)鐵路的地質(zhì)選線經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過采用有針對(duì)性的綜合勘察方法和手段，對(duì)控制線路方案的控制因素進(jìn)行綜合分析，推薦出合理的線路方案。

1 概述

蘭新高鐵是國家“八縱八橫”鐵路網(wǎng)主骨架之一陸橋通道的重要組成部分，在國民經(jīng)濟(jì)與路網(wǎng)中均具有非常重要的意義和作用。線路東起甘肅省省會(huì)蘭州市，途經(jīng)青海省會(huì)西寧，至新疆維吾爾自治區(qū)首府烏魯木齊市，全長1 776 km，是橫貫我國西北甘肅.青海.新疆三省區(qū)的第一條高速鐵路，同時(shí)也是世界上一次性建成最長的高速鐵路，于2014年12月26日通車運(yùn)營。

祁連山越嶺段位于甘肅與青海兩省交界處，為國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，具有海拔高.高寒缺氧.生態(tài)脆弱.地層巖性及接觸關(guān)系復(fù)雜多變.區(qū)域性深大斷裂及復(fù)式褶皺等地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜.強(qiáng)富水.高地應(yīng)力.“碎屑流”地層.軟巖變形.多年凍土等不良地質(zhì)和特殊巖土發(fā)育的特點(diǎn)。各類不良地質(zhì)現(xiàn)象及復(fù)雜的地形地質(zhì)和水文地質(zhì)條件.自然保護(hù)區(qū)是地質(zhì)選線及勘察的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2 自然條件

2.1 地形地貌

越嶺段地屬祁連中高山山區(qū)，由一系列北西西-南東東山脈和山間谷地組成，海拔3 180～4 430 m，相對(duì)高差500～1 000 m，地形起伏大，山高坡陡，基巖裸露，溝壑縱橫，分布有眾多“V”形侵蝕谷。

2.2 地層巖性

測區(qū)地層三疊系.二疊系砂巖主要分布于祁連山南麓硫磺溝及二道溝兩岸；石炭系上統(tǒng)砂巖.頁巖分布于祁連山區(qū)北麓，下統(tǒng)灰?guī)r.泥灰?guī)r.砂巖.礫巖及頁巖分布于祁連山區(qū)；泥盆系砂巖.礫巖分布于祁連山區(qū)；志留系下統(tǒng)板巖分布于祁連山北坡；奧陶系中統(tǒng)板巖夾砂巖.板巖夾灰?guī)r祁連山南麓硫磺溝以南。第四系塊石土.碎石類土.粉土等分布于緩坡地段及沖溝內(nèi)。

2.3 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

測區(qū)在大地構(gòu)造上處于北西向展布的祁連褶皺系其邊緣部位，其次級(jí)構(gòu)造單元為早寒武世末在陸殼裂谷盆地基礎(chǔ)上發(fā)育而成的北祁連主動(dòng)大陸邊緣構(gòu)造帶。北以北祁連北緣深斷裂帶與河西走廊沉降帶為界，其他四周也均以斷裂為邊界，總體呈北西向展布，長度大于寬度數(shù)倍，本單元內(nèi)部大小斷裂構(gòu)造極為發(fā)育，密集成帶，其間距為2～10 km，致使各地層單元多呈斷層接觸，并形成許多大小不一的構(gòu)造透鏡體。新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)主要以間歇性斷塊差異升降運(yùn)動(dòng)為特征。

2.4 水文地質(zhì)條件

測區(qū)沖溝多為常年流水，水量較大，主要受冰雪融水和大氣降水的補(bǔ)給。祁連山是黃河與內(nèi)陸水系的分水嶺，北坡水系為河西走廊地區(qū)的重要水源，南坡水系主要匯集至黃河支流大通河。

地下水類型主要為基巖裂隙水.構(gòu)造裂隙水和碳酸鹽巖巖溶裂隙水，主要接受冰雪融水.大氣降水.地表水補(bǔ)給，由于構(gòu)造.巖性.地貌及氣象.水文條件的不同，其富水性也相差較大。

3 選線方案概況

祁連山越嶺段工程地質(zhì)條件與水文地質(zhì)條件極為復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造.不良地質(zhì)與特殊巖土發(fā)育，地質(zhì)選線貫穿于方案研究.初測.定測.補(bǔ)定測等各階段。定測階段從地質(zhì)條件.施工安全.工期及投資等方面綜合考慮，對(duì)初測推薦方案進(jìn)行優(yōu)化，本文重點(diǎn)從控制線路方案的地質(zhì)構(gòu)造.“碎屑流”地層.危巖落石和巖堆.高地應(yīng)力.自然保護(hù)區(qū)等5個(gè)因素對(duì)初測階段CK方案和定測階段DK方案進(jìn)行比選(圖1)。

圖1 祁連山越嶺段線路方案平面示意

CK方案起于大梁隧道進(jìn)口DK333+000，止于元山隧道出口DK367+020，全長34.02 km，工程設(shè)置為5座隧道和4座大橋，隧道總長33.2 km，其中最長的祁連山隧道11.81 km，最短隧道大平羌溝隧道5.64 km，橋梁工程無特殊結(jié)構(gòu)和高墩大跨。

DK方案起于大梁隧道進(jìn)口DK328+870，止于元山隧道出口DK366+039，全長37.169 km，工程設(shè)置為7座隧道和6座大橋，隧道總長度34.7 km，其中最長的祁連山隧道9.5 km，最短隧道元山隧道0.939 km，大平羌溝大橋橋高85 m，為蘭新高鐵全線的最高橋梁(表1)。

表1 線路方案主要工程數(shù)量 km

4 控制線路方案的主要地質(zhì)因素分析及評(píng)價(jià)

4.1 地質(zhì)構(gòu)造

測區(qū)位于北祁連山深斷裂系，呈北西及北西西向延展[4]，具規(guī)模大.斷裂深.歷經(jīng)多期次的構(gòu)造變動(dòng)等特點(diǎn)。與線路工程有關(guān)的褶皺構(gòu)造有五牛河腦—托拉溝上游向斜.二道溝上游復(fù)背斜.冷龍嶺向斜和鴛鳥口中游—敖包溝上游復(fù)背斜等。與線路工程有關(guān)的斷裂有F5～F8四條區(qū)域性深大斷裂及F8-1次級(jí)斷裂(圖2)。

圖2 越嶺段線路地質(zhì)構(gòu)造綱要示意

4.1.1 褶皺構(gòu)造

五牛河腦—托拉溝上游向斜：北西西向緩波狀分布于冷龍嶺南坡，五牛河腦—老虎溝腦—托拉溝上游一帶，長約100 km。南北兩側(cè)受斷裂切割，構(gòu)造形態(tài)不完整。核部廣泛出露奧陶系中統(tǒng)板巖及結(jié)晶灰?guī)r。兩翼不對(duì)稱，北陡，傾角一般70°～75°，南緩，傾角50°～65°。為一緊密線性褶皺，軸面略北東傾。軸脊線波狀起伏，總體有西端揚(yáng)起之勢。CK方案與DK方案大梁隧道均以大角度通過該向斜核部。

二道溝上游復(fù)背斜：軸線呈北西西向分布于二道溝，核部出露二疊系砂巖，兩翼為三疊系砂巖。北翼傾角43°～48°，南翼傾角57°～70°，軸面北傾，兩翼各分布一次級(jí)向斜，其軸線方向與主軸線一致。CK方案祁連山隧道以大角度通過該復(fù)背斜核部，DK方案于硫磺溝以大橋通過。

冷龍嶺向斜：軸線呈北西西向分布于冷龍嶺主脊附近，長約59 km，寬3～6 km，地貌上組成一向斜山。兩翼被斷裂切割，但其向斜形態(tài)仍較明顯。組成地層為志留系下統(tǒng)板巖，兩翼產(chǎn)狀變化較大，北東翼傾角55°～84°，南西翼傾角為47°～70°，軸面北東傾，軸脊線波狀起伏，總體有西端揚(yáng)起之勢。CK方案與DK方案祁連山隧道均以大角度通過該向斜核部。

鴛鳥口中游—敖包溝上游復(fù)背斜：主軸線呈北西向沿冷龍嶺北坡西段延伸。主構(gòu)造核部出露泥盆系砂巖.礫巖，兩翼斷續(xù)分布石炭系下統(tǒng)灰?guī)r.砂巖及頁巖。兩翼不對(duì)稱，北東翼緩(40°).南西翼陡(60°)，軸面向南傾斜。軸脊線由東.西兩段分別向中央傾伏，并具分岔現(xiàn)象。兩翼次級(jí)褶曲發(fā)育，其軸線方向與主軸線一致，皆屬不對(duì)稱型，一般北東翼緩，南西翼陡，軸面多向南傾斜。CK方案和DK方案線路近平行經(jīng)過該復(fù)背斜以砂巖為主的南西翼，次級(jí)褶曲發(fā)育。

4.1.2 斷裂構(gòu)造

F5：逆斷裂，產(chǎn)狀N60°W～EW/79°S，破碎帶寬約100 m，斜穿硫磺溝，斷層上盤地層為奧陶系條帶狀結(jié)晶灰?guī)r和砂質(zhì)板巖，下盤為二疊系淺白色.灰白色砂巖，該斷層形成于加里東期，燕山期復(fù)活。CK方案祁連山隧道進(jìn)口段長約210 m和DK方案大梁隧道出口段長約100 m以大角度通過該斷裂。

F6：逆斷裂，產(chǎn)狀N35°～45°W/50°～60°N，破碎帶寬50～150 m，以斷層角礫為主，斷帶內(nèi)巖體較為破碎。上盤為志留系下統(tǒng)板巖，下盤為二疊系砂巖[5]。CK方案祁連山隧道洞身段長約190 m以大角度通過該斷裂及其次級(jí)斷裂，DK方案祁連山隧道進(jìn)口長約90 m以大角度通過該斷裂。

F7：逆斷裂，產(chǎn)狀N48°～62°W/65°S，破碎帶寬100～200 m，以斷層角礫為主。呈北西西向貫穿于測區(qū)東北部，該斷裂規(guī)模大，活動(dòng)期長，結(jié)合區(qū)域資料，斷裂形成于加里東早期或更早，加里東晚期表現(xiàn)為強(qiáng)烈擠壓。上盤為志留系下統(tǒng)板巖，下盤為泥盆系砂巖[6]。祁連山隧道洞身CK方案長約120 m和DK方案長約130 m均以大角度通過。

F8：逆斷裂，產(chǎn)狀N40°W/72°N，斷裂帶寬約350 m，以斷層角礫為主。上盤地層為石炭系上統(tǒng)砂巖，下盤為石炭系上統(tǒng)砂巖.頁巖.砂礫巖.夾煤層。該斷裂地形上和深部莫霍界面均為陡坡帶，主要表現(xiàn)為逆沖性質(zhì)，兼有左旋走滑特征。CK方案元山隧道洞身長約350 m和DK方案雙墩子隧道出口段長約150 m大角度通過。

F8-1：逆斷層，產(chǎn)狀N48°W/70°S，破碎帶寬約260 m，由斷層壓碎巖及斷層角礫組成。斷層上盤地層為石炭系上統(tǒng)砂巖，下盤為泥盆系砂巖。CK方案元山隧道洞身長約260 m和DK方案大烏龍溝大橋均以大角度通過。

CK方案和DK方案隧道通過斷裂帶的長度分別為1 130 m和470 m(圖3)。

圖3 隧道通過斷裂帶長度對(duì)比

4.2 “碎屑流”地層

在斷裂構(gòu)造F5與F6間為二道溝上游復(fù)背斜，地層巖性主要為二疊系和三疊系砂巖，受構(gòu)造影響巖體極破碎，地表發(fā)育有常年流水的二道溝，有豐富的水量補(bǔ)給地下水，巖體浸水后極易崩解軟化。測區(qū)內(nèi)的引硫濟(jì)金引水隧道工程進(jìn)口段約2 km通過該套地層，該段施工過程中先后發(fā)生過9次大的塌方，最嚴(yán)重的為1999年6月26日發(fā)生的“碎屑流”，在對(duì)塌方長達(dá)2年的處理期間又發(fā)生過多次大的“碎屑流”，造成工期嚴(yán)重滯后[6]。CK方案祁連山隧道進(jìn)口位于該引水隧道進(jìn)口下游約1 km處，祁連山隧道洞身約3.3 km通過該套地層，水文地質(zhì)環(huán)境與引水隧道工程類似，具備產(chǎn)生“碎屑流”的條件；DK方案位于引水隧道工程進(jìn)口的上游，主要以硫磺溝大橋跨越，大梁隧道出口.祁連山隧道進(jìn)口也為該套地層，但隧道洞口段均為淺埋斜坡地形，地下水不發(fā)育，無“碎屑流”條件。

4.3 危巖落石和巖堆

測區(qū)山高坡陡，基巖裸露，巖性多軟硬相間，風(fēng)化作用強(qiáng)烈，同時(shí)受構(gòu)造影響，巖石節(jié)理裂隙非常發(fā)育，巖體破碎，坡面危巖落石現(xiàn)象較發(fā)育，坡角多發(fā)育巖堆。CK方案和DK方案均已繞避[7]。

4.4 高地應(yīng)力

測區(qū)位于青藏高原東北緣，本區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)比較活躍，其類型和表現(xiàn)形式多樣，地應(yīng)力場非常復(fù)雜且多變[8]。區(qū)域主應(yīng)壓力方向以北北東為主，勘測階段實(shí)測最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹10°E～N21°E，最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢方向?yàn)镹35°E，最大水平主應(yīng)力最大值為12 MPa，為極高地應(yīng)力區(qū)。CK方案與最大水平主應(yīng)力方向夾角10°～20°，DK方案與最大水平主應(yīng)力方向夾角10°～27°，選線過程中已盡可能減小高地應(yīng)力對(duì)隧道工程的影響。

4.5 自然保護(hù)區(qū)

祁連山越嶺段位于祁連山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，線位的選擇必須考慮對(duì)保護(hù)區(qū)的影響，避開核心區(qū)，盡量從試驗(yàn)區(qū)通過，確實(shí)困難可考慮從緩沖區(qū)通過。CK方案和DK方案均無法避免通過該保護(hù)區(qū)緩沖區(qū)，在設(shè)計(jì)中已對(duì)施工及運(yùn)營后均采取了必要的防護(hù)措施，將工程對(duì)環(huán)境的影響降至最低[9-12]。

5 方案比選推薦意見

5.1 祁連山越嶺段選線原則

本次祁連山越嶺段地質(zhì)選線的主要選線原則如下。

(1)地質(zhì)構(gòu)造

測區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，線路通過褶皺構(gòu)造時(shí)應(yīng)選擇工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件較好的一側(cè)翼部通過或以大角度與褶皺軸線相交通過；線路與斷層構(gòu)造應(yīng)盡量垂直或以大角度相交通過，盡量以橋梁跨越[13-18]。

(2)“碎屑流”地層

鑒于引硫濟(jì)金引水隧道工程施工過程中在該套地層所遇到的困難，線路應(yīng)以繞避為主，如必須通過，則應(yīng)選擇水文地質(zhì)條件較好地段以最短距離通過。

(3)危巖落石和巖堆

測區(qū)基巖裸露，山高坡陡，巖體節(jié)理裂隙非常發(fā)育，線路應(yīng)繞避危巖落石和巖堆[19]。

(4)高地應(yīng)力

線路應(yīng)與高地應(yīng)力場區(qū)域最大主應(yīng)力方向盡可能平行，但由于受到線路走向的影響，已盡量采取與最大主應(yīng)力方向小角度相交[20]。

5.2 推薦意見

CK方案和DK方案通過測區(qū)的地層巖性與地質(zhì)構(gòu)造條件相當(dāng)，不良地質(zhì)均已繞避；線路與最大主應(yīng)力方向盡可能小角度相交，以減小高地應(yīng)力對(duì)隧道工程的影響；線路從鴛鳥口中游—敖包溝上游復(fù)背斜南西翼通過，其余褶皺和斷裂均以大角度通過(表2)。

表2 線路方案與地質(zhì)因素關(guān)系

5.2.1 從地質(zhì)構(gòu)造對(duì)工程的影響方面分析

兩方案均以大角度通過沿線地質(zhì)構(gòu)造，隧道通過的斷裂破碎帶長度CK方案較DK方案長660 m，且CK方案隧道通過的F2斷裂地表常年流水，通過F8斷裂處為淺埋沖溝，施工中有坍塌.冒頂.涌水突泥的風(fēng)險(xiǎn)。DK方案優(yōu)于CK方案。

5.2.2 從隧道洞口條件和不良地質(zhì)對(duì)工程的影響方面分析

兩方案對(duì)危巖落石和巖堆均進(jìn)行了繞避；大梁隧道進(jìn).出口段CK方案合計(jì)約2 km淺埋，DK方案約600 m淺埋，均位于緩坡地段坡積層中，工程地質(zhì)條件較差；CK方案祁連山隧道洞身段約3.3 km通過“碎屑流”地層，地表發(fā)育常年流水的二道溝，隧道通過二道溝段位于引硫濟(jì)金引水隧道工程下游，較引硫濟(jì)金引水隧道工程埋深更淺，施工中更易發(fā)生“碎屑流”，DK方案大梁隧道出口與祁連山隧道進(jìn)口通過該套地層，由于地表水和地下水均不發(fā)育，無產(chǎn)生“碎屑流”條件。DK方案優(yōu)于CK方案。

DK方案隧道洞口段位于斜坡淺埋段，施工開挖揭示二疊系和三疊系砂巖受構(gòu)造作用強(qiáng)烈，巖體破碎，多呈散狀，施工中局部受雨水下滲影響，有滲水現(xiàn)象，未發(fā)生“碎屑流”或塌方。

5.2.3 從隧道圍巖條件對(duì)工程的影響方面分析

根據(jù)綜合勘察成果，對(duì)CK方案和DK方案隧道群圍巖分級(jí)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(表3)。

表3 線路方案圍巖分級(jí)對(duì)照

CK方案隧道總長度較DK方案短1.5 km，但Ⅳ.Ⅴ級(jí)圍巖均較DK方案長5.6 km，施工難度和施工風(fēng)險(xiǎn)均超過DK方案。

綜上所述，DK方案工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件均優(yōu)于CK方案，推薦DK方案。

6 結(jié)論

線路建成通車后，截止2020年5月，本段線路通過近6年的安全運(yùn)營，進(jìn)一步印證了對(duì)初測方案的優(yōu)化是科學(xué).合理的。通過祁連山越嶺段工程地質(zhì)選線，得出以下結(jié)論。

(1)地質(zhì)選線在山區(qū)鐵路勘察工作中是最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，選線過程貫穿于勘察的各個(gè)階段，選線的成敗將直接影響山區(qū)線路走向.工程投資和施工期限等重大原則問題。

(2)越嶺段研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境特殊復(fù)雜，選線過程中應(yīng)采取具針對(duì)性的綜合勘察方法及手段，分析研究控制線路方案的主要地質(zhì)因素，提出選線原則，對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化。

(3)祁連山越嶺段控制線路方案的主要工程地質(zhì)問題是地質(zhì)構(gòu)造.“碎屑流”地層.危巖落石和巖堆.高地應(yīng)力和自然保護(hù)區(qū)，其中地質(zhì)構(gòu)造.“碎屑流”地層是控制方案選擇的主要因素?？辈熘型ㄟ^對(duì)方案的不斷細(xì)化和完善，從地質(zhì)構(gòu)造.隧道洞口條件和不良地質(zhì).隧道圍巖條件三個(gè)方面對(duì)工程的影響進(jìn)行分析，綜合比選出受地質(zhì)構(gòu)造和“碎屑流”地層影響最小.圍巖條件最好的DK方案。

(4)越嶺段經(jīng)施工開挖驗(yàn)證，與原設(shè)計(jì)基本一致，未發(fā)生因地質(zhì)條件改變而引起的改線.工期延誤等問題，通車近6年一直在安全運(yùn)營，對(duì)其他山區(qū)鐵路地質(zhì)選線具有一定的借鑒意義。在復(fù)雜山區(qū)的地質(zhì)選線理論仍需結(jié)合工程實(shí)踐進(jìn)一步補(bǔ)充完善。