沈軍明

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西西安 710043)

寶中鐵路南起隴海鐵路的虢鎮(zhèn)車站，縱貫陜、甘、寧三省(區(qū))的十四縣市，北至寧夏中衛(wèi)縣境內(nèi)的包蘭鐵路迎水橋車站，是西北通往華北、華東、西南地區(qū)的重要通道。目前既有寶中線通過能力已處于超飽和狀態(tài)，增建二線后將解決運輸壓力。

增建二線線路方案的重點為新李至固原車站之間六盤山越嶺方案的比選研究。六盤山脈位于寧夏回族自治區(qū)南部，向南延伸至甘肅、陜西交界地區(qū)。山脈由兩列近南北向的平行山體組成，是陜北高原與隴中高原的分界線。增建二線走行于六盤山東側(cè)的小關(guān)山中低山區(qū)，發(fā)育頡河及支溝火龍溝、小路河、大路河，紅河上游支流，茹河上游支流任山河、店河等，地形陡峻，溝壑縱橫，不良地質(zhì)及特殊巖土發(fā)育，地質(zhì)選線尤為重要。

1 六盤山區(qū)工程地質(zhì)條件

1.1 地層巖性

工作區(qū)內(nèi)地層主要有:第四系全新統(tǒng)現(xiàn)代河床沖、洪積層和殘坡積以及上更新統(tǒng)風(fēng)積層，由粉質(zhì)黏土、細圓礫土、細角礫土及黏質(zhì)黃土組成，分布于河流階地和谷坡地表;上第三系主要分布在黃土塬基底，局部出露于黃土塬與山嶺過渡帶，為細砂巖及泥巖;下第三系主要出露于黃土塬與山嶺過渡帶，巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖，細砂巖;下白堊系地層構(gòu)成六盤山旋回層的主體，廣泛出露，是線路通過的主要地層，巖性以泥巖、泥灰?guī)r、砂巖、頁巖為主，與下伏地層呈角度不整合接觸;奧陶系灰?guī)r出露范圍較小，主要位于三關(guān)口一帶，與白堊系地層呈角度不整合接觸和斷層接觸。構(gòu)造巖類主要為斷層角礫、碎裂巖，分布于各斷層破碎帶內(nèi)。

1.2 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)域位于隴西系帚狀構(gòu)造與祁呂賀山字形構(gòu)造的南北向脊柱——賀蘭褶帶南段交接復(fù)合部位，構(gòu)造極其復(fù)雜。

隴西系帚狀構(gòu)造由走向北西－北西西和向東突出的弧形構(gòu)造形跡構(gòu)成，分布在下白堊系及第三系中，并包容了古生界、中生界巖塊，燕山運動后期已具雛形，經(jīng)隴山運動后基本完成。賀蘭褶帶南段在本區(qū)由店洼—太統(tǒng)山—大臺子、三關(guān)口—景福山兩個南北向的復(fù)背斜及其間的斷層組成，背斜核部出露震旦、寒武、奧陶系地層，兩翼為二疊、三疊、侏羅系地層，被下白堊系及新生界地層角度不整合覆蓋。歸并入隴西系后，褶皺及主要斷層走向由南北向偏轉(zhuǎn)10°～30°成北北西向。

1.3 水文地質(zhì)條件

根據(jù)線路通過區(qū)出露的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造特征及地下水類型的不同，將測區(qū)地下水分為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水和構(gòu)造裂隙水三大類。主要以基巖裂隙水為主，水量大小受巖性、構(gòu)造控制，多為中等富水。

1.4 地震

工作區(qū)地震動峰值加速度為0.20g，反應(yīng)譜特征周期為0.40 s。該區(qū)域地震比較強烈而且頻繁，地震發(fā)生的頻度有逐漸增高的趨勢。從大地構(gòu)造來看，祁呂賀山字構(gòu)造受到隴西系構(gòu)造體系的強烈干擾，第三紀(jì)以來的隴山運動致使六盤山隆起，新構(gòu)造運動特別發(fā)育，這是造成本地區(qū)地震活躍的主要因素。近100年來發(fā)生的10余次強震中兩次地震間隔最短為4個月，最近的強震發(fā)生于1970年12月3日，震中位于西吉縣，震級5.5級。最大震級為1920年12月16日發(fā)生的海原大地震，震級為里氏8.5級。

2 地質(zhì)選線

2.1 主要比選方案介紹

根據(jù)地形地貌、地質(zhì)特征、線路走向、越嶺隧道長度、坡度及輕重車方向等方案研究，重點研究了以下4個方案(見圖1)。

(1)預(yù)可方案

線路出新李站后與既有線并行，于石咀子村折向北連續(xù)設(shè)賀龍溝隧道、韓家堡隧道、喜溝灣隧道，設(shè)彭陽站，后設(shè)新六盤山隧道穿越山區(qū)引入固原站。

(2)均衡坡東方案

該方案為預(yù)可方案向西側(cè)(即喜溝上游)偏移，采用隧道工程通過喜溝，連續(xù)設(shè)賀龍溝隧道、韓家堡隧道，出洞以雙線特大橋跨茹河設(shè)置彭陽站，后設(shè)新六盤山隧道穿越山區(qū)引入固原站。

(3)均衡坡中方案

線路出新李車站后與既有線并行，至安國鎮(zhèn)車站折向北，設(shè)賀龍溝隧道，出洞后設(shè)彭陽站，再以特大橋跨茹河，后設(shè)新六盤山隧道穿越山區(qū)引入固原站。

(4)均衡坡西方案

線路與既有線并行，經(jīng)安國鎮(zhèn)站后以橋路工程沿頡河北岸足坡向西，于蒿店鄉(xiāng)西北折向北，設(shè)新六盤山1號隧道，后以彭陽特大橋從乃家河水庫上游跨越，設(shè)置彭陽車站;后設(shè)新六盤山2號隧道穿越山區(qū)引入固原站。

2.2 各方案工程地質(zhì)條件評價

(1)預(yù)可方案

圖1 寶中鐵路增建二線六盤山區(qū)方案必選示意

該方案通過黃土梁峁區(qū)，賀龍溝隧道，韓家堡子隧道，喜溝灣隧道洞身通過地層主要為第四系中上更新統(tǒng)黏質(zhì)黃土、砂質(zhì)黃土、第三系泥巖;新六盤山隧道穿行于白堊系下統(tǒng)泥巖夾砂質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r地層中，并以小角度與蒿店斷層相交，通過破碎帶寬度達650 m。韓家堡子隧道出口及喜溝灣隧道進口段位于喜溝，設(shè)喜溝灣中橋。喜溝兩岸大范圍發(fā)育滑坡群，滑坡多為多期次深層大型滑坡，根據(jù)推測，滑體厚度最大達30 m，目前滑坡仍處于欠穩(wěn)定或不穩(wěn)定狀態(tài)。最近一次滑動發(fā)生于1992年，滑體上村莊全部搬遷，工程地質(zhì)條件極差，線路不宜在此通過。

(2)均衡坡東方案

該方案向喜溝上游偏移，線路沿線通過地層巖性與預(yù)可方案基本相同。在喜溝處，以隧道工程通過，避開了喜溝滑坡群，但軌面距溝心距離僅17 m，溝心出露為軟塑至流塑狀黏性土，工程性質(zhì)極差，施工風(fēng)險大。隧道下穿沙河后從羊坊平河右岸出洞，主要穿越第四系黃土溝梁區(qū)，以總長約2 450 m的隧道形式下穿寬闊河谷區(qū)，埋深淺，僅20～30 m。洞身地層主要以飽和碎石類土為主，其余段落隧道洞身地層主要為第四系黃土，第三系砂巖、泥巖，圍巖整體性差。據(jù)統(tǒng)計，東方案隧道埋深小于60 m的段落長度達8.9 km左右，整體工程地質(zhì)條件差。

(3)均衡坡中方案

該方案將賀龍溝隧道進口左移，繞避了安國斷層，同時完全避開了黃土塬區(qū)滑坡群，隧道洞身主要位于白堊系下統(tǒng)泥巖夾砂質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r及第三系泥巖中，與預(yù)可方案和東方案相比，地質(zhì)條件明顯好轉(zhuǎn)。但是賀龍溝隧道進口段為黃土質(zhì)隧道，并不可避免經(jīng)過成巖極差的第三系砂巖、泥巖地層;新六盤山隧道以小角度經(jīng)過蒿店斷層，斷層帶含水量較大，圍巖差，斷層破碎帶寬度達650 m。周莊水庫位于賀龍溝隧道下游，距離約900 m，乃家河水庫位于賀龍溝隧道出口上游和新六盤山隧道進口上游，距離約1 100 m，存在隧道滲、漏水的風(fēng)險，整體工程地質(zhì)條件一般。

(4)均衡坡西方案

該方案線路順頡河左岸一級階地后緣及斜坡前緣接觸帶附近通過，且多次跨越頡河支溝的泥石流溝，對橋路工程設(shè)置方案影響較大。但是隧道工程完全避開了安國斷層和蒿店斷層，以路橋工程通過;以特大橋通過迺河水庫上游，消除了隧道工程水庫滲漏的風(fēng)險。隧道洞身大部分位于白堊系下統(tǒng)泥巖夾砂質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r中，隧道埋深大，整體工程地質(zhì)條件較好。

3 主要工程地質(zhì)問題

線路行走于六盤山東側(cè)小關(guān)山地區(qū)，沿線通過低中山區(qū)、黃土梁峁溝壑區(qū)及河谷階地區(qū)等幾個地貌單元，通過范圍廣，地形起伏大、構(gòu)造發(fā)育，特殊性巖土及不良地質(zhì)等工程地質(zhì)問題較多。

3.1 特殊性巖土

(1)黃土

黃土分布于隧道出口段，經(jīng)取樣試驗及濕陷計算，綜合分析該黃土自重濕陷量為19～51 cm，總濕陷量為27～83 cm，具Ⅱ～Ⅳ級自重濕陷性，濕陷深度7～16 m。黃土層中隧道圍巖易坍塌，洞口削方易引發(fā)工程滑坡。

(2)膨脹性巖土

第三系泥巖、砂質(zhì)泥巖，為泥質(zhì)膠結(jié)，成巖極差，飽和抗壓強度0.90～1.30 MPa，天然抗壓強度0.45～5.45 MPa，屬極軟巖，具弱膨脹性，隧道圍巖易坍塌。

3．2 不良地質(zhì)

(1)滑坡

工作區(qū)內(nèi)滑坡主要分布于東側(cè)黃土梁峁溝壑區(qū)，溝梁相間，沖溝下切嚴重，滑坡多沿沖溝兩側(cè)及塬邊發(fā)育。向西側(cè)靠近既有線方向，多發(fā)育基巖滑坡。總體來看，滑坡規(guī)模大，沿溝谷呈帶狀分布，連續(xù)成群，穩(wěn)定性差，部分近期還在活動，如喜溝兩側(cè)大范圍發(fā)育黃土滑坡群。

(2)泥石流

泥石流主要發(fā)育于頡河及其支流，溝心陡峻，兩側(cè)自然山坡陡峻，坡面裸露，出露巖層為泥巖、泥灰?guī)r、砂巖、頁巖，巖質(zhì)軟，風(fēng)化嚴重，坡面表層普遍覆蓋有角礫、碎石等基巖風(fēng)化物，提供了較為豐富的碎屑物質(zhì)，雨季時地表徑流匯聚成峰，攜帶固體物質(zhì)直沖而下，形成泥石流。溝口洪積扇明顯，對選線影響較大。

3.3 地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較發(fā)育，線路應(yīng)盡量繞避或大角度以橋梁、路基工程通過，隧道工程應(yīng)避開斷層破碎帶。隧道順褶曲構(gòu)造軸線布置時，宜繞避褶曲軸部破碎帶，選擇在地質(zhì)條件較好的一側(cè)翼部通過。

(1)斷裂構(gòu)造

安國斷層為壓性逆斷層，產(chǎn)狀N10°～20°W/60°S，垂直寬度約120 m，斷帶物質(zhì)為斷層角礫及斷層泥。西方案、中方案以路橋工程通過。

蒿店斷層南起蒿店以南，北至乃家河以北，全長約47 km，為壓性逆斷層，走向為北北西向，產(chǎn)狀N13°W/60°S，最大垂直斷距700 m，切割白堊系及第三系地層，斷層破碎帶寬度約300 m。預(yù)可方案、東方案、中方案均以隧道形式通過該斷層。

(2)褶皺構(gòu)造

區(qū)內(nèi)褶皺發(fā)育，由一系列北西－南東向互為平行或羽狀排列的短軸背斜、向斜構(gòu)成。褶皺多為南西翼緩(傾角一般為 10°～45°)，北東翼陡(傾角 20°～50°)，兩翼不對稱，東翼較陡，西翼平緩。東方案及中方案經(jīng)過小關(guān)山背斜軸部，西方案線路經(jīng)過開城北面河背斜軸部。

3.4 上第三系砂巖

根據(jù)寧夏區(qū)域地質(zhì)志，本區(qū)上第三系地層為以湖相夾河流相為主的紅色碎屑巖建造，為一套淡紅色、雜色的細砂巖及泥巖。與方案相關(guān)的上第三系砂巖主要出露于黃土塬與山嶺過渡帶，以上各比選方案中有局部段落通過該地層。

據(jù)調(diào)查，該上第三系砂巖具有泥質(zhì)弱膠結(jié)、成巖性差、強度低等特點。由于其復(fù)雜的水穩(wěn)特性，在無地下水地段，圍巖整體穩(wěn)定性較好;在含地下水地段，砂巖遇水后結(jié)構(gòu)迅速破壞，穩(wěn)定性變差易產(chǎn)生變形，施工擾動后多呈粉細砂狀，地下水富集段拱部及邊墻圍巖收斂、變形、坍塌嚴重。蘭渝鐵路某隧道工程遇到上第三系砂巖地層，產(chǎn)生極大的施工難度，選線中應(yīng)盡可能繞避。

3.5 水庫滲漏

六盤山區(qū)分布有多處水庫，主要為防洪和灌溉功能，部分水庫距離線路較近，線路軌面高程均低于水庫蓄水位高程，施工期間隧道存在一定的涌水風(fēng)險，運營期間有隧道滲、漏水的風(fēng)險，且存在水庫水位下降等風(fēng)險。因此，選線應(yīng)盡可能繞避，并要做好水庫與隧道間水力關(guān)系分析，并做好隧道的防、排水設(shè)計，施工期間加強超前地質(zhì)預(yù)報，以防止隧道在開挖過程中發(fā)生涌水。

3.6 土石界面

主要位于隧道出口的淺埋地段。上覆為濕陷性黃土，下伏第三系砂、泥巖，下白堊系泥巖、頁巖;接觸界面較平緩，線路通過接觸界面段落較長，沿接觸界面有地下水滲出。如前節(jié)所述，受地下水影響，黃土及第三系砂巖都將產(chǎn)生嚴重的工程地質(zhì)問題，影響施工進度。

4 結(jié)論

通過對上述4個方案的工程地質(zhì)條件進行比較，均衡坡西方案以兩座特長隧道穿行于六盤山基巖山區(qū)，以橋涵及路基工程通過安國斷層、篙店斷層，使隧道躲避了主干斷裂的影響;同時避開了東部黃土區(qū)滑坡群等不良地質(zhì)和多處水庫，并以特大橋通過迺河水庫，消除了滲漏的風(fēng)險;隧道洞身主要穿行于巖性單一的白堊系地層，僅在固原附近隧道出口段不可避免地穿越第三系砂巖、泥巖，以及第四系黏質(zhì)黃土、圓礫土層;線路以特長隧道通過六盤山區(qū)，洞口少，淺埋段短，在新構(gòu)造運動活動強烈、地震頻發(fā)的六盤山地區(qū)，鐵路工程的修建和運營風(fēng)險明顯降低，工程地質(zhì)條件最優(yōu)。

［1］中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司．改建鐵路寶中線增建第二線可行性研究第四篇·地質(zhì)［R］．西安:中鐵第一勘察設(shè)計集團有限公司，2011

［2］寧夏回族自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)局．寧夏回族自治區(qū)區(qū)域地質(zhì)志［M］．北京:地質(zhì)出版社，1990

［3］鐵道第一勘察設(shè)計院．鐵路工程地質(zhì)手冊［M］．北京:中國鐵道出版社，1999

［4］鐵道部寶中鐵路建設(shè)辦公室．寶中鐵路［M］．北京:中國鐵道出版社，1996

［5］鐵道第一勘察設(shè)計院．鐵路工程地質(zhì)實例(西北及相鄰地區(qū)分冊)［M］．北京:中國鐵道出版社，2002

［6］何振寧．區(qū)域工程地質(zhì)與鐵路選線［M］．北京:中國鐵道出版社，2004

［7］甄秉國．蘭渝線蘭州至渭源段主要工程地質(zhì)問題及選線［J］．鐵道勘察，2010(5):43-46