張 明

(軌道交通工程信息化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院),西安 710043)

根據(jù)(發(fā)改基礎(chǔ)〔2016〕1536號)《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃綱要》(2016-2020)，中西部未來是我國鐵路建設(shè)的重點(diǎn)區(qū)域。然而西部地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜、山嶺地區(qū)占比很大，地質(zhì)地形因素是限制鐵路建設(shè)的重要因素和工程投資控制的關(guān)鍵，影響著鐵路建設(shè)速度和質(zhì)量[1-3]。

山區(qū)鐵路選線經(jīng)歷了由“地形選線”“地質(zhì)選線”“減災(zāi)選線”三大發(fā)展階段[4-7]。關(guān)于不良地質(zhì)區(qū)域的鐵路選線設(shè)計(jì)很多學(xué)者進(jìn)行了研究，朱穎[8]結(jié)合案例，論述了復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)不良地質(zhì)區(qū)域高速鐵路選線設(shè)計(jì)的理論與方法；毛邦燕[9]基于現(xiàn)場調(diào)研與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，明晰了控制成昆鐵路線路走向的不良地質(zhì)控制因素；李偉[10]針對川藏鐵路的特殊地理環(huán)境與生態(tài)環(huán)境，提出了地質(zhì)、環(huán)保和工程設(shè)計(jì)并重的選線原則；張爽[11]通過鄭萬鐵路分析了高鐵線路在巖溶發(fā)育、危巖落石等不良地質(zhì)區(qū)域的減災(zāi)選線技術(shù)；韓峰[12]基于GIS的三維可視化功能對不良地質(zhì)體建模，為不良地質(zhì)區(qū)域線路方案的平立面比選提供了參考；張喆[13]以寶蘭高鐵為例，研究了高橋隧比鐵路在黃土滑坡、富水砂巖層及飽和卵礫石等區(qū)域的不良地質(zhì)繞避；霍欣[14]在詳細(xì)地質(zhì)調(diào)繪及分析鉆探、物探成果的基礎(chǔ)上，提出了高地應(yīng)力、高地溫地質(zhì)區(qū)域選線的原則；孫先鋒[15]通過采用現(xiàn)場調(diào)查和遙感判釋等技術(shù)手段，研究活動斷裂特征及其對鐵路的影響；胡永占[16]通過分析西十高鐵沿線主要工程地質(zhì)災(zāi)害，提出了不穩(wěn)定斜坡、長大區(qū)域斷裂、巖溶等復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下秦嶺山區(qū)高速鐵路線路空間地質(zhì)綜合選線方法。隨著建造技術(shù)水平的發(fā)展，鐵路選線設(shè)計(jì)更加重視對環(huán)境、地質(zhì)災(zāi)害的判釋[17]。學(xué)者們從防災(zāi)減災(zāi)的角度出發(fā)，對各種不良地質(zhì)條件下普速鐵路和高速鐵路選線方法及相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了大量研究，為選線設(shè)計(jì)提供了理論方法并積累了工程經(jīng)驗(yàn)[18]。

西寧—成都鐵路沿線地質(zhì)條件極為復(fù)雜，弱成巖水穩(wěn)定地段和軟巖大變形地段是影響線路走向方案設(shè)計(jì)的主要不良地質(zhì)因素，以該線的西寧至黃勝關(guān)區(qū)段為例，并結(jié)合現(xiàn)代選線設(shè)計(jì)理論和防災(zāi)減災(zāi)理念，采用從面到線、從線到點(diǎn)的選線方法，利用高墩大跨橋梁、長大隧道規(guī)避不良地質(zhì)和特殊地質(zhì)，從而達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的效果，并應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)中。進(jìn)一步完善以防災(zāi)減災(zāi)為核心的地質(zhì)選線方法，為今后鐵路不良地質(zhì)區(qū)域的選線提供一定參考。

1 西寧—成都鐵路概況

西寧至成都鐵路作為國家“八縱八橫”蘭(西)廣通道的重要組成部分，線路走行于青藏高原東部邊緣與黃土高原過渡地帶，整體呈南北走向[19]。線路北起青海省東北部的西寧盆地，向南穿祁連山、越秦嶺、跨若爾蓋草原，翻岷山，后與成蘭鐵路黃勝關(guān)車站接軌，地面高程2 000～4 200 m。如圖1所示，沿線地貌以中高山區(qū)為主，地形起伏大，地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性及水文地質(zhì)條件極其復(fù)雜[20]。線路位于華北、揚(yáng)子、青藏及塔里木四大板塊相互匯集部位之隆起造山帶，線路沿線地質(zhì)災(zāi)害問題突出，嚴(yán)重影響著線路方案設(shè)計(jì)。

圖1 西寧—成都鐵路地理位置示意

2 復(fù)雜地質(zhì)問題

西寧—成都鐵路沿線區(qū)域地形地質(zhì)條件極其復(fù)雜，區(qū)域性斷裂帶發(fā)育，新構(gòu)造活動強(qiáng)烈，地應(yīng)力及地震烈度高[21]?；?、崩塌、泥石流等不良地質(zhì)極其發(fā)育。尤其是在地質(zhì)歷史時(shí)期特殊的沉積、構(gòu)造、成巖環(huán)境下，使得該段線路面臨著諸如弱成巖水穩(wěn)性、軟巖大變形等特殊復(fù)雜地質(zhì)問題的挑戰(zhàn)，從而使得本線的工程設(shè)置復(fù)雜，各類不良地質(zhì)共同影響下的選線設(shè)計(jì)難度較大。本次主要對復(fù)雜地形條件下弱成巖水穩(wěn)性地段、軟巖大變形地質(zhì)兩大因素，并充分借鑒相鄰蘭渝鐵路的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對該類不良地質(zhì)因素下的防災(zāi)減災(zāi)選線思路及方法進(jìn)行研究。

3 弱成巖水穩(wěn)性地段地質(zhì)減災(zāi)選線

3.1 地質(zhì)特點(diǎn)

海東西至尖扎段海東南山越嶺段，區(qū)域內(nèi)主要以第三系、白堊系弱成巖地層，以弱成巖砂巖、礫巖為主，工程性質(zhì)情況與蘭渝鐵路桃樹坪隧道、胡麻嶺隧道類似。其特點(diǎn)為在無地下水影響時(shí)，整體穩(wěn)定性較好；在遇水后結(jié)構(gòu)迅速破壞，開挖擾動后多呈粉細(xì)砂狀，穩(wěn)定性差，易產(chǎn)生圍巖變形、坍塌、流沙、基底軟化等現(xiàn)象。

3.2 地質(zhì)減災(zāi)選線原則

在弱成巖水穩(wěn)性地層段，選線設(shè)計(jì)在滿足地形高差的情況下，需同時(shí)考慮如何從源頭規(guī)避不良地質(zhì)。從而在優(yōu)化線路條件的同時(shí)，最大程度降低不良地質(zhì)段的工程處理措施，并提高工程施工及運(yùn)營安全。本次研究對該不良地質(zhì)段提出選線時(shí)在展線合理的情況下盡量采用明線通過該區(qū)域，從根本上避免弱成巖地層的影響。若受地形控制，必須采用隧道時(shí)，線路應(yīng)盡量繞避或以最小距離通過弱成巖地層段的總體思路。在無法繞避時(shí)，采用抬高線路高程，使本線設(shè)計(jì)高程高于地下水位高程，從而從縱向避開富水弱成巖地層，進(jìn)而改善隧道段水文地質(zhì)條件，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，從設(shè)計(jì)源頭達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)目的。

3.3 方案比選研究

研究方法主要應(yīng)用于本線翻越拉脊山段，該段山體寬厚，高差均較大，線路不可避免需設(shè)長大越嶺隧道工程。選線設(shè)計(jì)中在考慮城鎮(zhèn)分布、地形條件、地質(zhì)特征、越嶺隧道長度及線路線型等多種因素的條件下，主要研究了兩大走向方案，如圖2所示。

圖2 拉脊山越嶺方案示意

方案1：該方案群科設(shè)站以32 km長隧道取直穿越拉脊山。線路平面盡量沿黃河階地布線，設(shè)站后取直線路、拔起高程越嶺。其優(yōu)勢在于明線布線段落長，從而避免了不良地質(zhì)對工程的危害。但該方案受車站填方高度及明線段工程設(shè)置條件控制，線路無法提高拔高高程，主越嶺隧道長達(dá)32 km，且隧道洞身約21.5 km長線路經(jīng)過貴德組與民和組的弱成巖地層，縱斷面上主越嶺隧道段整體高程較低，且有近20 km長線路走行于地下水位之下，使該段隧道工程弱成巖水穩(wěn)性問題突出，地質(zhì)條件差，施工風(fēng)險(xiǎn)高。

方案2：該方案設(shè)化隆站以21 km長隧道穿越拉脊山。線路平面上繞避民和組和貴德組水穩(wěn)性差的地層，盡量布設(shè)于硬質(zhì)巖范圍內(nèi)，圍巖條件好；且提前設(shè)站后，盡早拔高線路高程，縮短主越嶺隧道長度，并使線路高程高于地下水位，使得隧道盡量不受弱成巖水穩(wěn)性地層影響，從而從根源優(yōu)化主越嶺隧道段地層圍巖及工程設(shè)置條件，保證工程的安全可靠。

最終，經(jīng)過現(xiàn)場大量勘探、綜合比選研究及專家認(rèn)證，設(shè)計(jì)推薦線路走行于硬質(zhì)巖中、穿越弱成巖段落短、線路整體高程高于地下水位的21 km長越嶺方案。該方案從根源上解決了工程受弱成巖影響問題，通過繞避弱成巖，拔高設(shè)計(jì)高程，從平縱空間走行于弱成巖地層外，避免了隧道工程受其影響，同時(shí)減少了隧道不良地質(zhì)段的工程處理措施。

4 軟巖大變形地質(zhì)減災(zāi)選線

4.1 軟巖大變形地區(qū)選線原則

線路沿線區(qū)域地應(yīng)力高，三疊系、二疊系板巖分布廣泛，該地層在高地應(yīng)力作用下，極易發(fā)生隧道大變形破壞，嚴(yán)重威脅工程施工及運(yùn)營。本區(qū)域選線在滿足地形高程要求下，綜合考慮區(qū)域軟巖大變形分布情況，以綜合選線為基礎(chǔ)，提出拔高線路整體設(shè)計(jì)高程，降低隧道埋深，進(jìn)而減少區(qū)域高地應(yīng)力對軟巖大變形影響的新思路。同時(shí)，選線平面設(shè)計(jì)上盡量選擇巖性較好的段落通過，線路縱斷面上靈活采用大坡度抬升高程，在溝谷處漏頭，縮短隧道長度，盡量設(shè)置埋深淺、長度短的隧道工程通過。

4.2 隧道穿越二疊系炭質(zhì)板巖段落線路方案比選

合作至夏河段通過二疊系地層，以炭質(zhì)板巖、千枚狀板巖為主，為全線巖性最差的板巖，與蘭渝線木寨嶺隧道、紙坊隧道巖性相當(dāng)。且該段落處于高地應(yīng)力地段，巖質(zhì)軟弱、巖層較薄、巖體破碎，影響方案的主要工程地質(zhì)因素為隧道圍巖條件及擠壓性圍巖大變形風(fēng)險(xiǎn)。

合作至唐尕昂段沿合作河谷布線，本段選線中提出采用大坡度抬升高程，利用支溝隧道漏頭，多設(shè)置埋深淺(最大埋深413 m)的短隧道群工程。避免取直設(shè)置的長大隧道(10.6 km)，埋深大的隧道(最大埋深740 m)，從根源降低隧道軟巖大變形問題，方案比選示意如圖3所示。

圖3 合作至唐尕昂線路方案比選示意

唐尕昂至夏河段本線設(shè)計(jì)中選擇傍河谷沿大夏河布線，線路雖較取直方案繞長3 km，但所經(jīng)地層巖性相對好，且傍山隧道埋深小，隧道以短隧道群為主，隧道整體較取直長隧道方案地應(yīng)力低，軟巖大變形風(fēng)險(xiǎn)小，方案比選如圖4所示。綜上所述，在軟巖大變形突出段，選線設(shè)計(jì)中應(yīng)采用傍山隧道群布線，從而降低隧道埋深，降低工程施工與運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 唐尕昂至夏河段線路方案比選示意

4.3 隧道穿越三疊系砂巖、砂質(zhì)板巖段落方案比選

碌曲至博拉段線路通過地層為三疊系地層，以砂巖、砂質(zhì)板巖為主，與蘭渝線毛羽山隧道、天池坪隧道、新城子隧道相似。

該段線路地處高地應(yīng)力環(huán)境，隧道具有圍巖大變形風(fēng)險(xiǎn)，同樣線路以車站布點(diǎn)為基礎(chǔ)，在保證線路走行合理前提下，盡量靠近河谷，采用短隧道群通過，并靈活采用大坡度拔高線路高程，在溝谷處露頭，降低隧道埋深的同時(shí)避免長大隧道工程，從根源降低區(qū)域隧道軟巖大變形風(fēng)險(xiǎn)，方案比選見圖5。

圖5 碌曲至博拉線路方案比選示意

5 結(jié)論

(1)西寧—成都鐵路沿線地形起伏大、地質(zhì)復(fù)雜，是防災(zāi)減災(zāi)選線重點(diǎn)考慮的因素，選線設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以地質(zhì)條件為導(dǎo)向，分區(qū)段研究線路方案，通過平、縱斷面結(jié)合開展了地質(zhì)防災(zāi)減災(zāi)選線研究，總結(jié)了弱成巖水穩(wěn)性地段、軟巖大變形地段、高地應(yīng)力地段和巖體破碎地段的平、縱斷面選線方法。

(2)在弱成巖水穩(wěn)性地質(zhì)問題突出地段，平面選線時(shí)首要選擇明線或硬質(zhì)巖布線，以最大程度繞避弱成巖地段。縱斷面設(shè)計(jì)中盡量抬升線路高程，使隧道設(shè)計(jì)高程位于地下水位之上；在軟巖大變形地質(zhì)問題突出地段，首要選線原則應(yīng)盡量通過巖性較好的地層，拔高線路，以淺埋、短隧工程通過。

(3)在地應(yīng)力較高地段，隧道埋深越大，區(qū)域高地應(yīng)力使軟巖大變形地質(zhì)災(zāi)害更加嚴(yán)重。選線時(shí)采用縱斷面抬高高程，減少隧道埋深；在巖體破碎地段，選線時(shí)平面沿河谷繞行布線，縱斷面采用大坡度抬升高程，采用埋深淺、長度短的隧道群工程通過不良地質(zhì)困難地段。