張 明

(軌道交通工程信息化國(guó)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(hào))《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃綱要》(2016-2020)，中西部未來(lái)是我國(guó)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(xiàn)經(jīng)歷了由“地形選線(xiàn)”“地質(zhì)選線(xiàn)”“減災(zāi)選線(xiàn)”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(xiàn)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(xiàn)設(shè)計(jì)的理論與方法；毛邦燕[9]基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，明晰了控制成昆鐵路線(xiàn)路走向的不良地質(zhì)控制因素；李偉[10]針對(duì)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(xiàn)原則；張爽[11]通過(guò)鄭萬(wàn)鐵路分析了高鐵線(xiàn)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(xiàn)技術(shù)；韓峰[12]基于GIS的三維可視化功能對(duì)不良地質(zhì)體建模，為不良地質(zhì)區(qū)域線(xiàn)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(xiàn)的原則；孫先鋒[15]通過(guò)采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和遙感判釋等技術(shù)手段，研究活動(dòng)斷裂特征及其對(duì)鐵路的影響；胡永占[16]通過(guò)分析西十高鐵沿線(xiàn)主要工程地質(zhì)災(zāi)害，提出了不穩(wěn)定斜坡、長(zhǎng)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(xiàn)路空間地質(zhì)綜合選線(xiàn)方法。隨著建造技術(shù)水平的發(fā)展，鐵路選線(xiàn)設(shè)計(jì)更加重視對(duì)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(duì)各種不良地質(zhì)條件下普速鐵路和高速鐵路選線(xiàn)方法及相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了大量研究，為選線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)路走向方案設(shè)計(jì)的主要不良地質(zhì)因素，以該線(xiàn)的西寧至黃勝關(guān)區(qū)段為例，并結(jié)合現(xiàn)代選線(xiàn)設(shè)計(jì)理論和防災(zāi)減災(zāi)理念，采用從面到線(xiàn)、從線(xiàn)到點(diǎn)的選線(xiàn)方法，利用高墩大跨橋梁、長(zhǎng)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(xiàn)方法，為今后鐵路不良地質(zhì)區(qū)域的選線(xiàn)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(guó)家“八縱八橫”蘭(西)廣通道的重要組成部分，線(xiàn)路走行于青藏高原東部邊緣與黃土高原過(guò)渡地帶，整體呈南北走向[19]。線(xiàn)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(chē)站接軌，地面高程2 000～4 200 m。如圖1所示，沿線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)路沿線(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題突出，嚴(yán)重影響著線(xiàn)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(wèn)題

西寧—成都鐵路沿線(xiàn)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(dòng)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(xiàn)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(wèn)題的挑戰(zhàn)，從而使得本線(xiàn)的工程設(shè)置復(fù)雜，各類(lèi)不良地質(zhì)共同影響下的選線(xiàn)設(shè)計(jì)難度較大。本次主要對(duì)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(duì)該類(lèi)不良地質(zhì)因素下的防災(zāi)減災(zāi)選線(xiàn)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(xiàn)

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(shù)坪隧道、胡麻嶺隧道類(lèi)似。其特點(diǎn)為在無(wú)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(kāi)挖擾動(dòng)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(xiàn)原則

在弱成巖水穩(wěn)性地層段，選線(xiàn)設(shè)計(jì)在滿(mǎn)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(xiàn)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(yíng)安全。本次研究對(duì)該不良地質(zhì)段提出選線(xiàn)時(shí)在展線(xiàn)合理的情況下盡量采用明線(xiàn)通過(guò)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(xiàn)路應(yīng)盡量繞避或以最小距離通過(guò)弱成巖地層段的總體思路。在無(wú)法繞避時(shí)，采用抬高線(xiàn)路高程，使本線(xiàn)設(shè)計(jì)高程高于地下水位高程，從而從縱向避開(kāi)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(xiàn)翻越拉脊山段，該段山體寬厚，高差均較大，線(xiàn)路不可避免需設(shè)長(zhǎng)大越嶺隧道工程。選線(xiàn)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(zhǎng)度及線(xiàn)路線(xiàn)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(zhǎng)隧道取直穿越拉脊山。線(xiàn)路平面盡量沿黃河階地布線(xiàn)，設(shè)站后取直線(xiàn)路、拔起高程越嶺。其優(yōu)勢(shì)在于明線(xiàn)布線(xiàn)段落長(zhǎng)，從而避免了不良地質(zhì)對(duì)工程的危害。但該方案受車(chē)站填方高度及明線(xiàn)段工程設(shè)置條件控制，線(xiàn)路無(wú)法提高拔高高程，主越嶺隧道長(zhǎng)達(dá)32 km，且隧道洞身約21.5 km長(zhǎng)線(xiàn)路經(jīng)過(guò)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(zhǎng)線(xiàn)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(wèn)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(zhǎng)隧道穿越拉脊山。線(xiàn)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(xiàn)路高程，縮短主越嶺隧道長(zhǎng)度，并使線(xiàn)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)大量勘探、綜合比選研究及專(zhuān)家認(rèn)證，設(shè)計(jì)推薦線(xiàn)路走行于硬質(zhì)巖中、穿越弱成巖段落短、線(xiàn)路整體高程高于地下水位的21 km長(zhǎng)越嶺方案。該方案從根源上解決了工程受弱成巖影響問(wèn)題，通過(guò)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(xiàn)

4.1 軟巖大變形地區(qū)選線(xiàn)原則

線(xiàn)路沿線(xiàn)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(yíng)。本區(qū)域選線(xiàn)在滿(mǎn)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(xiàn)為基礎(chǔ)，提出拔高線(xiàn)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(duì)軟巖大變形影響的新思路。同時(shí)，選線(xiàn)平面設(shè)計(jì)上盡量選擇巖性較好的段落通過(guò)，線(xiàn)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(zhǎng)度，盡量設(shè)置埋深淺、長(zhǎng)度短的隧道工程通過(guò)。

4.2 隧道穿越二疊系炭質(zhì)板巖段落線(xiàn)路方案比選

合作至夏河段通過(guò)二疊系地層，以炭質(zhì)板巖、千枚狀板巖為主，為全線(xiàn)巖性最差的板巖，與蘭渝線(xiàn)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(xiàn)，本段選線(xiàn)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(zhǎng)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(wèn)題，方案比選示意如圖3所示。

圖3 合作至唐尕昂線(xiàn)路方案比選示意

唐尕昂至夏河段本線(xiàn)設(shè)計(jì)中選擇傍河谷沿大夏河布線(xiàn)，線(xiàn)路雖較取直方案繞長(zhǎng)3 km，但所經(jīng)地層巖性相對(duì)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(zhǎng)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(xiàn)設(shè)計(jì)中應(yīng)采用傍山隧道群布線(xiàn)，從而降低隧道埋深，降低工程施工與運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 唐尕昂至夏河段線(xiàn)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(xiàn)路通過(guò)地層為三疊系地層，以砂巖、砂質(zhì)板巖為主，與蘭渝線(xiàn)毛羽山隧道、天池坪隧道、新城子隧道相似。

該段線(xiàn)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(xiàn)路以車(chē)站布點(diǎn)為基礎(chǔ)，在保證線(xiàn)路走行合理前提下，盡量靠近河谷，采用短隧道群通過(guò)，并靈活采用大坡度拔高線(xiàn)路高程，在溝谷處露頭，降低隧道埋深的同時(shí)避免長(zhǎng)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(jiàn)圖5。

圖5 碌曲至博拉線(xiàn)路方案比選示意

5 結(jié)論

(1)西寧—成都鐵路沿線(xiàn)地形起伏大、地質(zhì)復(fù)雜，是防災(zāi)減災(zāi)選線(xiàn)重點(diǎn)考慮的因素，選線(xiàn)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(xiàn)路方案，通過(guò)平、縱斷面結(jié)合開(kāi)展了地質(zhì)防災(zāi)減災(zāi)選線(xiàn)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(xiàn)方法。

(2)在弱成巖水穩(wěn)性地質(zhì)問(wèn)題突出地段，平面選線(xiàn)時(shí)首要選擇明線(xiàn)或硬質(zhì)巖布線(xiàn)，以最大程度繞避弱成巖地段?？v斷面設(shè)計(jì)中盡量抬升線(xiàn)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(wèn)題突出地段，首要選線(xiàn)原則應(yīng)盡量通過(guò)巖性較好的地層，拔高線(xiàn)路，以淺埋、短隧工程通過(guò)。

(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(xiàn)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(xiàn)時(shí)平面沿河谷繞行布線(xiàn)，縱斷面采用大坡度抬升高程，采用埋深淺、長(zhǎng)度短的隧道群工程通過(guò)不良地質(zhì)困難地段。