甄秉國(guó)

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,陜西西安 710043)

1 概述

蘭渝鐵路自蘭州樞紐引出,經(jīng)甘肅蘭州市、定西市、隴南市,以28 km特長(zhǎng)隧道穿越西秦嶺山脈到達(dá)四川省廣元市,全線長(zhǎng)493 km。蘭州至渭源段沿線經(jīng)蘭州東、夏官營(yíng)鎮(zhèn)、高崖鎮(zhèn)、楊家川至渭源縣,全長(zhǎng)約130 km。

2 工程地質(zhì)概況

2.1 地形地貌

本段線路通過(guò)區(qū)在地貌上屬于黃土高原區(qū)。由河谷階地,黃土臺(tái)源,黃土梁、峁以及基巖孤丘的中低山組成,高程在1 500～2 600 m之間,相對(duì)高差200～360 m。總體地形北高南低,北面起伏小,南面起伏大,溝壑交織。主要河流有黃河、宛川河、秦祁河、崔家河、鍬峪河等。

2.2 地層巖性

本段屬古河西構(gòu)造體系,中新生代以沉降為主,分布第三系(N、E)的砂巖、泥巖、礫巖及震旦系混合巖等,地表廣泛分布有第四系(Q)松散層堆積。

(1)第四系松散層堆積物以砂質(zhì)黃土為主,碎(礫)石土次之,分布于沿線各河流、溝谷階地和斜坡地帶以及黃土塬的頂部,沖積、洪積、坡積、風(fēng)積成因,淡黃色、褐黃色,分布面積較廣,以粉粒為主,土質(zhì)純凈,黃土特征明顯,一般15～30 m不等,局部厚度大于50 m,大孔隙,垂直節(jié)理發(fā)育,Ⅱ級(jí)普通土。

(2)第三系(N、E)泥巖、砂巖、礫巖、泥巖夾砂巖,多呈夾層或互夾層狀。

泥巖:棕紅色,夾有少量的灰綠色斑塊,礦物成分以高嶺石、蒙脫石等黏土礦物為主,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),泥質(zhì)膠結(jié),層狀構(gòu)造,強(qiáng)風(fēng)化層厚度3～18 m,多呈粉質(zhì)黏土及碎塊狀;手掰易碎,遇水軟化,Ⅲ級(jí)硬土。弱風(fēng)化,巖層完整,Ⅳ級(jí)軟石。但固結(jié)成巖作用差,抗壓強(qiáng)度低,具有遇水浸泡或暴曬交替作用后顯著崩解軟化的特性,屬于極軟巖。

砂巖:紅褐色,細(xì)粒結(jié)構(gòu),顆粒成分為石英、長(zhǎng)石,中厚層狀,成巖作用差,膠結(jié)不良,巖質(zhì)軟,遇水易軟化,飽水后呈流砂狀,Ⅲ級(jí)硬土。

礫巖:暗紅色,礫狀結(jié)構(gòu),礫石成分主要砂巖、灰?guī)r等,顆粒呈圓—圓棱狀,礫石以直徑20～80 mm為主,最大達(dá)150 mm。鐵鈣質(zhì)膠結(jié),厚層—巨厚層狀,強(qiáng)風(fēng)化層厚4～6 m,Ⅲ級(jí)硬土,弱風(fēng)化層,Ⅳ級(jí)軟石。

泥巖夾砂巖:以棕紅色泥巖為主,粉砂泥質(zhì)結(jié)構(gòu),泥質(zhì)膠結(jié),礦物成分以黏土礦物為主,巖石新鮮斷面可見(jiàn)不規(guī)則灰綠色斑狀蒙脫石集合體;砂巖呈夾層分布,粉細(xì)粒結(jié)構(gòu),泥質(zhì)膠結(jié),強(qiáng)風(fēng)化厚10～21.4 m,多呈黏土及砂土狀,Ⅲ級(jí)硬土;弱風(fēng)化,Ⅳ級(jí)軟石。

(3)白堊系(K)礫巖:灰白色、暗紅色,礫狀結(jié)構(gòu),礫石成分主要砂巖、灰?guī)r等,顆粒呈圓—圓棱狀,礫石以直徑20～80 mm為主,最大達(dá)150 mm。砂質(zhì)、鐵鈣質(zhì)膠結(jié),厚層—巨厚層狀,強(qiáng)風(fēng)化層厚4～6 m,Ⅲ級(jí)硬土,弱風(fēng)化層,Ⅳ級(jí)軟石。

(4)混合巖 (Z):分布于 DK85+650～DK100+400段,棕紅色、灰黃色、灰綠色等,礦物成分以石英、長(zhǎng)石、角閃石、黑云母等,中、粗粒結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,節(jié)理發(fā)育,差異風(fēng)化嚴(yán)重,風(fēng)化層厚5～20 m,強(qiáng)風(fēng)化,Ⅳ級(jí)軟石,弱風(fēng)化,Ⅴ級(jí)次堅(jiān)石。

(5)構(gòu)造巖:由各種地質(zhì)構(gòu)造作用產(chǎn)生,分布于斷層帶內(nèi)的壓碎巖、斷層角礫巖等。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

線路通過(guò)甘肅省東部、南部,地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜,大的構(gòu)造屬于祁連褶皺系(蘭州至臨夏—漳縣—天水?dāng)嗔褞1)。古河西構(gòu)造體系斜貫于陰山—天山、秦嶺—昆侖兩個(gè)緯向構(gòu)造體系之間,其兩端分別與之成斜接復(fù)合。自晚古生代發(fā)展起來(lái)的祁呂系西翼褶皺帶對(duì)古河西系的影響最為強(qiáng)烈,在六盤山以西廣大地域造成大面積的沉降,致使新生代堆積疊覆于古河西系的成分之上,也就是祁呂系賀蘭山字形構(gòu)造體系馬蹄形盾地之一的阿寧盾地。隨著隴西系的卷入,將盾地中的古老巖層從新生界下面翻了上來(lái),使古生界和更老的地層得以在盾地出露。本段線路通過(guò)區(qū)無(wú)大的構(gòu)造斷裂發(fā)育,但支斷裂、不整合接觸帶、節(jié)理等構(gòu)造現(xiàn)象發(fā)育。

2.4 水文地質(zhì)特征

本段線路通過(guò)區(qū)地下水主要為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水,受大氣降水及冰雪融水補(bǔ)給,水量較小,水位受季節(jié)影響較大。

3 主要工程地質(zhì)問(wèn)題

本段線路走行于河谷階地及黃土梁、峁區(qū),主要工程地質(zhì)問(wèn)題有滑坡、濕陷性黃土及膨脹性巖(土)等。而線路方案的選擇主要受滑坡和不穩(wěn)定性斜坡的控制。

3.1 滑坡及不穩(wěn)定斜坡

(1)分布特征

本段沿線經(jīng)過(guò)黃土高原,滑坡極為發(fā)育,規(guī)模大小、類型不一,數(shù)量較多,大都發(fā)育于黃土梁、峁邊緣及溝谷兩岸斜坡地帶。在時(shí)間劃分上,古滑坡、老滑坡、新滑坡均有發(fā)育。從物質(zhì)組成分析,土質(zhì)滑坡與巖質(zhì)滑坡均有發(fā)生,土質(zhì)滑坡以黃土淺層滑坡為主,巖質(zhì)滑坡多發(fā)生于第三系泥巖、砂巖體中,以厚層、大型滑坡為主,典型的如苦河兩岸、渭源車站左側(cè)斜坡處的滑坡(群)。對(duì)選線影響較大,應(yīng)以繞避為原則。

(2)形成原因分析

地形地貌:本段無(wú)論是黃土梁、峁區(qū)和高階地前緣斜坡范圍,還是溝谷兩岸及山前斜坡地帶,受雨水沖涮,地表沖溝發(fā)育,坡面破碎,極易形成滑坡,如周家溝右岸和苦河兩岸斜坡均發(fā)育有巨型滑坡(群)。因此,斜坡地形是可能產(chǎn)生滑坡首要條件。

地層結(jié)構(gòu):滑動(dòng)面是滑坡體的關(guān)鍵要素,而且滑動(dòng)面的形成往往與地層結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。本段地表多為沖、風(fēng)積砂質(zhì)黃土,下伏第三系成巖性差且具有膨脹性的泥巖夾砂巖,基巖面常為第四系沉積前的老的侵蝕、剝蝕斜面、緩坡,與上覆第四系松散層從結(jié)構(gòu)上就存在著明顯的差異,在其他外因作用下沿基巖面易發(fā)生滑坡等不良地質(zhì)現(xiàn)象。

地下水:地下水活動(dòng)是形成滑坡的重要因素之一。在土質(zhì)邊坡或巖質(zhì)邊坡(含泥質(zhì)巖層,如泥巖等)受地下水浸潤(rùn)泡透后,泥質(zhì)巖層即產(chǎn)生表層泥化,形成厚度很薄的黏粒層,使巖土體抗剪強(qiáng)度極低,正是這些黏粒薄層在滑坡的發(fā)育中起到?jīng)Q定性作用。另外,地下水使孔隙水壓增高,產(chǎn)生浮托力、動(dòng)水壓力,這些都會(huì)使巖土體抗剪強(qiáng)度降低,容易形成軟弱面。本段山體上覆黃土質(zhì)土為透水層,下伏第三系泥巖夾砂巖為相對(duì)隔水層,第四系松散層內(nèi)下滲的地下水在此附近改變流向順基巖面流動(dòng),軟化基巖面附近的地層接觸帶,長(zhǎng)期作用的結(jié)果,產(chǎn)生滑動(dòng),易形成滑坡或不穩(wěn)定斜坡體。

3.2 濕陷性黃土

本段沿線經(jīng)過(guò)河溝谷階和黃土、梁峁上,黃土廣布,且厚度較大,以第四系全新統(tǒng)沖洪積、上更統(tǒng)沖風(fēng)積為主,土體結(jié)構(gòu)疏松,孔隙發(fā)育,基本上都具有濕陷性。河谷一級(jí)階地一般具Ⅰ～Ⅱ級(jí)濕陷性,濕陷土層厚度3～10 m;二級(jí)階地多具Ⅲ～Ⅳ級(jí)自重濕陷性,濕陷土層厚度15～20 m;高階地以及斜坡地帶表層多為風(fēng)積砂質(zhì)黃土,多具Ⅳ級(jí)濕陷性,濕陷土層厚度15～25 m。黃土濕陷易造成建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻沉降,嚴(yán)重的會(huì)破壞建筑結(jié)構(gòu),對(duì)工程危害較大。對(duì)具有濕陷性黃土地基應(yīng)消除其濕陷性,并加強(qiáng)地表防排水。

3.3 黃土陷穴

本段河谷階和和黃土斜坡砂質(zhì)黃土分布廣泛,且厚度較大,且土體結(jié)構(gòu)疏松,黃土陷穴極其發(fā)育,以宛川河二級(jí)階地上分布最多,形狀多為圓形、橢圓形,直徑大小、深度不一,呈串珠狀分布,底部多連通,對(duì)工程的危害也較大。工程應(yīng)回填夯實(shí)處理。

3.4 膨脹巖土

本段第四系中更新統(tǒng)黃土和第三系成巖性差的泥巖,多具弱—中等膨脹性,對(duì)工程有一定影響,設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)工程類型、結(jié)構(gòu)設(shè)置等,采取必要的處理措施。

4 局部線路方案比選

蘭州至渭源段工程地質(zhì)勘察工作從2006年開(kāi)始,在2007～2009年的初、定測(cè)勘察過(guò)程中,曾結(jié)合沿線地形地貌及工程地質(zhì)條件,進(jìn)行過(guò)多次線路方案研究,2008年10月至12月定測(cè)選線過(guò)程中,重點(diǎn)對(duì)張家莊至楊家川四個(gè)大方案進(jìn)行了分析比選:即長(zhǎng)隧道取直方案Ⅰ(DK)、長(zhǎng)隧道取直方案Ⅱ(初測(cè)方案D1K)、胡麻嶺短隧道方案(D2K)及路基方案(D3K)。工作中重點(diǎn)對(duì)上述四方案進(jìn)行了詳細(xì)的工程地質(zhì)條件比選(如圖1所示)。

圖1 張家莊至楊家川段線路方案示意

各比選方案通過(guò)地區(qū)均為黃土梁、峁區(qū),地層巖性基本相同,主要為第四系砂質(zhì)黃土,第三系粉砂巖、泥巖、礫巖以及震旦系混合巖,且各方案均要穿越胡麻嶺和黑山各溝谷。

長(zhǎng)隧道取直方案Ⅰ(DK):由從張家莊車站引出后,沿宛川河右岸行進(jìn),跨曲兒岔溝及道群取直行進(jìn),分別穿越胡麻嶺隧道及黑山隧道,于糜川河谷階地楊家川附近設(shè)站;長(zhǎng)隧道取直方案Ⅱ(D1K)將胡麻嶺隧道出口向苦河上游移動(dòng),將黑山隧道與兩座小隧道聯(lián)成一體,線路在胡麻嶺隧道進(jìn)口以前與DK共線。經(jīng)實(shí)地詳細(xì)勘察、比選,兩方案地層結(jié)構(gòu)基本相同,即胡麻嶺隧道洞身均穿越第三系成巖性差的泥巖、砂巖及白堊系礫巖。除上述工程地層相同外,D1K方案胡麻嶺隧道出口至黑山隧道進(jìn)口間還存在較難處理的工程地質(zhì)問(wèn)題,一是胡麻嶺隧道出口及苦河大橋均位于滑坡(群)內(nèi),滑坡體范圍大,厚度均大于20 m,處理難度非常大,對(duì)隧道、橋梁工程及今后列車的運(yùn)營(yíng)安全構(gòu)成重大威脅;二是胡麻嶺出口至黑山進(jìn)口段近3 km大部分陡坡掛線,坡面沖溝、黃土和第三系泥、砂巖滑坡及不穩(wěn)定斜坡極為發(fā)育,工程地質(zhì)條件復(fù)雜,處理難度極大。

胡麻嶺短隧道方案(D2K):在D1K方案胡麻嶺隧道從石門水庫(kù)上游左岸出洞,以橋跨越水庫(kù),再以短隧道于苦河左岸與DK方案相接。此方案雖繞過(guò)了胡麻嶺滑坡(群),且將胡麻嶺長(zhǎng)隧道分為兩短隧道,但是石門水庫(kù)兩岸斜坡表層為第四系黃土,下部為第三系成巖性差的粉細(xì)砂巖。受雨水沖蝕,地表沖溝發(fā)育,多為不穩(wěn)定斜坡,并且隧道在淺埋、偏壓嚴(yán)重,存在較大的潛在安全隱患;而DK方案直接以特長(zhǎng)隧道下穿石門水庫(kù),相對(duì)安全可靠。

路基方案(D3K):從張家莊車站引出后,向西南跨既有隴海鐵路和宛川河進(jìn)入水坡溝左岸,以隧道繞避右岸的西北第二彈藥庫(kù),經(jīng)水家坡村至王寺溝附近進(jìn)入胡麻嶺隧道和黑山隧道后線路接DK方案至楊家川設(shè)站。此方案沿水坡溝兩岸路基多為斜坡挖方工程,短隧道較多,其中紅崖頭、李家山、高莊隧道洞身淺埋段也多,加之溝谷兩岸沖溝發(fā)育,坡面陡峻,滑坡及不穩(wěn)定斜坡分布較多,線路雖已繞避大部分滑坡等不良地質(zhì),但多次頻繁跨越易滑地層,潛在滑坡發(fā)生幾率及安全隱患較大。DK方案基本繞過(guò)了大部分滑坡等不良地質(zhì),雖有小型不良地質(zhì)發(fā)育,但處理相對(duì)比較容易,且DK方案線路順直通過(guò)黃土、膨脹巖(泥巖)的特殊巖土挖方段落長(zhǎng)度最短,工程地質(zhì)條件相對(duì)較好。

經(jīng)上述綜合比選,綜合分析,DK方案以長(zhǎng)隧道穿行于黃土梁峁底部,工程地質(zhì)條件相對(duì)最好,工程安全可靠性高;D2K、D3K方案次之,D1K方案最差。

5 結(jié)束語(yǔ)

本段線路通過(guò)河谷階地、黃土梁、峁及中低山區(qū),地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不良地質(zhì)和特殊巖土發(fā)育,工程地質(zhì)條件差,應(yīng)全面、詳細(xì)地進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查、分析研究,抓住主要工程地質(zhì)問(wèn)題的關(guān)鍵,才能為工程設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的處理措施和意見(jiàn)。

山區(qū)鐵路應(yīng)通過(guò)大面積地質(zhì)調(diào)繪,運(yùn)用綜合勘探手段,認(rèn)真分析研究,為選擇既經(jīng)濟(jì)、又合理的線路方案提供準(zhǔn)確依據(jù)。

[1]中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.新建鐵路蘭州至重慶線初步設(shè)計(jì)第四篇(地質(zhì))[R].中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,2008

[2]鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院.鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].北京:中國(guó)鐵道出版社,2007

[3]鐵道第二勘察設(shè)計(jì)院.鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)范[S].北京:中國(guó)鐵道出版社,2001

[4]鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院.鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1999