兰新铁路第二双线甘青段工程地质条件与评价

王进华

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,陕西西安 710043)

1 概述

兰新铁路第二双线是国家“八纵八横”铁路网主骨架之-陆桥通道的主要部分,设计速度目标值将达到200 km以上,建成后将大大缩短西北地区与中东部和西南地区的时空距离,为旅客出行提供快速、便捷、舒适的条件,也为既有兰新线开通两万吨重载货运列车创造条件,将大大提高运营企业的运输组织效率。对于带动区域相关产业的发展和区域经济增长,改善沿线人民生活质量和通过运输质量,提升整条陆桥通道的功能均具有极为重要的意义。线路跨越甘肃省、青海省、新疆维吾尔自治区三省区,甘青段东起甘肃省省会兰州市,途经青海省民和县、乐都县、平安县到达西宁市并引入既有西宁站,然后折向北经大通县,以长隧道群穿越大坂山区;进入门源盆地后,以隧道群穿越祁连山脉,进入甘肃省民乐县,然后沿山前倾斜平原斜坡长驱而下,经张掖市、临泽县、高台县、酒泉市、嘉峪关市、玉门市、安西县后到达甘新省界红柳河,线路全长约1 065.184 km。

2 自然地理概况

2.1 地形地貌

(1)陇西黄土高原区

兰州西至民和(DK1+700～DK90+600),地势西高东低,海拔1500～2 200m,相对高程50～150m,区内黄土广布,沟壑交织,黄河、湟水河各级阶地发育,部分地段基岩裸露。又可细分为黄河河谷、湟水河谷、黄土塬梁峁和低中山等次一级地貌单元。

(2)祁连中高山山区

民和至军马场段(DK90+600～DK366+000),线路穿行于祁连山地,由一系列北西西-南东东的三、四级山脉和山间盆地、山间谷地组成,海拔多在2000～4 400m,又可细分为湟水河谷、低中山、西宁盆地、大坂山地、门源盆地和冷龙岭山地等次一级地貌单元,盆地和谷地地势较缓,多为第四系地层覆盖,山地则地势陡峻,基岩裸露。

(3)河西走廊山前冲、洪积平原区

军马场至柳园南(DK366+000～DK994+000),地势开阔,其中军马场至张掖为民乐倾斜平原,海拔从3 100m下降到1 466m,纵坡坡度达5%～20%;张掖至石板墩南段线路走行于河西走廊山前戈壁及疏勒河冲、洪积平原区,地形平坦、开阔,地势西南高,东北低,地面高程1 440～1 900m。区内城镇较多,交通便利,疏勒河冲洪积平原区绿洲交替,地下水丰富。区内城镇较多,交通便利。本段地层除个别地段基岩出露外,大部分为第四系松散沉积层覆盖。

(4)天山东脉北山南麓丘陵区

柳园南至红旗村北(DK994+000～DK1 115+000),为天山东脉北山南麓丘陵区,地形波状起伏,地面高程1 600～1 860m,相对高差30～100m。区内人烟稀少,地表荒芜,地表零星覆盖粗、细圆砾土,大部分地段基岩裸露,多呈砾漠、岩漠地貌景观,地层以古老变质岩系及侵入岩为主,地下水不发育。

2.2 气象特征

沿线气候有较大差异,兰州-民和属中温带半干旱大陆性气候区,民和-民乐属高原温带半干旱大陆性气候区,民乐-红柳河属中温带干旱大陆性气候区。其共同特点是气候干燥,旱季长、雨季短,降雨量较少且集中,昼夜温差变化较大,春、秋季多风,夏季短促,冬季寒冷。年平均气温1.8°～11.1°,极端最高气温31.7°～42.8°,极端最低气温-21.7°～ -35.6°,年平均降雨量52.2～530 mm。祁连山地南侧(西宁、大通、门源一带),夏秋半年受孟加拉湾的西南暖湿气流影响,气候凉爽湿润,降雨量较大。大坂山、冷龙岭一带海拔高,气候垂直分带性明显,气温寒冷,日温差大,天气多变,常有突发阴雨、风雪、冰雹,冰冻时间长。

3 地层及构造

3.1 地层岩性

沿线地层的分布主要受构造控制,从元古界至新生界均有出露,岩性复杂多样。陇西黄土高原,湟水河河谷及两岸低中山,西宁盆地,门源盆地,河西走廊山前冲洪积平原主要为中、新生界断陷盆地陆源碎沉积物,出露第三系,白垩系泥岩、砂岩及砾岩,表层广布第四系,以黄土、卵砾石土松散沉积物为主。祁连山中高山区、天山东脉北山南麓丘陵区,元古界、震旦系、奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、第三系地层均有出露,岩性以砂岩、砾岩、泥岩、页岩、灰岩等沉积岩,以及片岩、片麻岩、大理岩、石英岩、角闪岩、千枚岩、板岩、变安山岩等中浅变质岩为主,伴有元古代、加里东期、华里西期岩浆岩侵入体,岩性以花岗岩、闪长岩为主;第四系松散沉积物广泛分布于各沟谷及大型不良地质体分布区,以黄土、碎石类土为主。

3.2 地质构造

本线在构造上处于祁连褶皱系和天山褶皱系两大构造单元及其边缘部位,祁连褶皱系为北西向展布,天山褶皱系东西向展布,沿线涉及次级构造单元由东向西有如下四个:中祁连中间隆起带、北祁连优地槽带、河西走廊沉降带、北山—天山褶皱带,各构造单元多以深大断裂分界,沿线通过9条区域性大断裂和26条一般性断裂。

4 水文地质条件

沿线地下水的分布主要受地貌单元控制,差异较大,大部分段落在钻探深度内末见地下水,山区、河流阶地及盆地部分段落地下水埋深1～20m,地下水类型主要为第四系孔隙潜水、承压水和基岩裂隙水、构造裂隙水及碳酸盐岩岩溶裂隙水等,主要受大气降水和冰雪融水补给。

5 不良地质及特殊岩土

5.1 不良地质的分布及工程处理措施

(1)泥石流

沿线泥石流主要分布于兰州至大通段黄河、湟水河及北川河两岸的一些沟谷中,线路通过的泥石流沟谷有11条(见表1)。按其规模分为:中-小型泥石流沟;按其物质成份分为:泥流沟3条,泥石流沟6条,水石流沟2条。与线路有关的11条泥石流沟,其中9条以桥梁形式通过,2条以隧道形式在其下部通过。以隧道形式通过的泥石流沟对工程无影响,以桥梁形式通过的泥石流沟应采取以下措施:(1)桥位应选在沟床固定,主流较稳定,水流较顺直处,并与主流正交;(2)应以大跨度桥梁跨越,并留足够净空,避免在主沟槽内设置墩台。

表1 泥石流沟谷分布及特征一览

(2)岩堆

主要分布于陇西黄土高原、祁连山山区的陡坡峡谷地段。对于松散的堆积体,地下水发育,有可能滑动的岩堆,线路应绕避为主,无法绕避时时应进行综合整治后方可通过,避免其对隧道洞口及桥台的影响。与线路有关的岩堆见表2。

(3)风沙与风蚀

风沙主要分布于张掖至红柳河段。线路多处地段属于半荒漠、荒漠地区,受气候条件及植被发育程度的影响,在部分地表形成风积沙地貌。线路在DK853+000～DK968+500段经过安西风区,风力较强劲,地表细颗粒土被大风搬运,使表层残留2～5 cm厚中粗砾砂或卵砾石薄层,部分地段形风蚀槽。沿线风积沙现象主要出现在半固定沙地、固定沙地等地貌发育的地段。风沙流对线路的危害主要表现为沙埋,其次为风蚀,需根据沙地类型、风沙流活动性质和线路结构物特征并结合当地的治沙经验,分别采取植物固沙、设置沙障等不同的防护措施,除路基本体防护外,还应进行平面防护,形成封闭的防护形式。

表2 岩堆综合特征及稳定性统计

(4)地震区

沿线多数地段地震动峰值为0.10～0.20g,在河床、漫滩、一级阶地、盆地,以及下部第四系全新统饱和粉、细、中砂,粉土,砂质黄土,部分具有地震液化现象,地震液化层不连续,多呈夹层或透镜体分布。地震液化对铁路工程影响较大,路基通过液化土层地段时,应结合松软土一并处理,可采取换填、碎石桩挤密、反压护道等措施;桥梁通过时,液化土层的力学指标应相应折减,适当增加桩长或进行挤密处理。

5.2 特殊岩土的分布及工程处理措施

(1)黄土

沿线黄土主要为第四系全新统冲、洪积黏(砂)质黄土,上更新统风积、冲洪积黏(砂)质黄土,广泛分布于兰州西至大通段及军马场至红柳河段陇西黄土高原、河谷阶地及河西走廊一带,厚度1～50m不等,一般一级阶地、河西走廊一带黄土较薄。沿线大部分地段黄土具Ⅰ～Ⅱ级非自重湿陷,湿陷土层厚1～8m不等;高阶地、黄土塬梁峁、低中山的黄土较厚,多具Ⅱ～Ⅳ级自重湿陷,湿陷土层厚5～20m不等。线路通过湿陷性黄土地段建议采取拦截、排除地表水、防止地表水下渗对地基的破坏,基础部分采取重机碾压、强夯、石灰桩挤密加固、换填土等地基处理措施。

(2)膨胀岩

沿线兰州西至大通、大坂山北坡、玉门镇等一带广泛分布第三系和白垩系泥岩。经取样试验,岩体自由膨胀率FS=11～113%(多数在30～50%之间),蒙脱石含量M=2.8～64%(多数在8～20%之间),阳离子交换量CEC(NH4+)=50～540 mmol/kg(多数在90～230 mmol/kg之间),为膨胀岩。膨胀岩地段路堑工程应适当放缓边坡,加宽平台并采取挡护措施;桥涵基础施工时,应及时灌注混凝土,避免基坑积水;隧道施工时,应及时衬砌,以隔绝大气湿度的影响。

(3)软土与松软土

软土主要断续分布于疏勒河一带湿地及地势低洼处,零星分布于湟水河一级阶地,主要由淤泥质黏性土构成,透镜状分布,厚0.5～3m不等。松软土沿线均有分布,岩性主要为第四系黄土、黏性土、粉土、粉细砂等细颗粒土。对于软土地基,应进行换填、排水挤密等处理措施;对于松软土地基,应结合工程设置。门源盆地及河西走廊多数地段清除表土即可,局部较厚段落应采用CFG桩、碎石桩等措施进行处理。

(4)盐渍土

主要分布于河西走廊的腰泉子至五华山之间土质平原区的地势低洼处及河漫滩地带,一般以硫酸盐渍土为主。线路通过盐渍土地段应以粗颗粒土换填上部细颗粒土,路基本体填筑粗颗粒土。

(5)多年冻土

在祁连山区的大坂山、冷龙岭等越岭地带,海拔高,年平均气温为零度以下,分布多年冻土,一般海拔3 500～4000m为岛状多年冻土,4000m以上为连续多年冻土。隧道洞身多在多年冻土层之下,仅在大梁隧道出口端分布有岛状多年冻土,隧道出口段及辅助工程进口段应做好防冻措施。

6 场区工程地质条件的总体评价

兰州西至大通段线路穿行于低中山、黄土塬粱峁、黄河、湟水河、北川河河谷阶地,该段新构造运动强烈,黄河、湟水河及其支沟发育多级阶地,沟谷发育且深切,泥石流、岩堆等不良地质现象发育。本段桥隧相间,工程巨大,洞身多为第三系泥岩、黄土和碎石类土。边坡稳定性、黄土湿陷性及膨胀岩是该段主要地质问题,隧道存在围岩失稳、涌水(泥)等问题。综合分析,本段工程地质条件复杂。

大通至军马场段线路穿行于祁连山高中山区,分别以隧道群穿越大坂山和祁连山两个越岭区,中部门源盆地地质条件较为简单,主要以路基和桥梁通过;大坂山、祁连山以隧道群和桥梁通过,地质条件特别是构造复杂,穿越十余条区域性大断裂和次生断裂,褶皱和节理裂隙发育,岩性复杂多变,沉积岩、变质岩、岩浆岩均有出露,隧道存在围岩失稳、涌水(泥)、高地应力及防冻等问题。综合分析,本段工程地质条件复杂。

军马场至红柳河南段线路穿行于河西走廊冲洪积平原和北山南麓剥蚀丘陵,地形较为平坦开阔,地形、地层简单且变化较小,地质条件良好,主要地质问题是局部分布的风沙和盐渍土路基,值得注意的是线路在低窝铺至安北(DK853+000～DK968+500),长约115 km的地段位于安西风区,该风区虽未对既有兰新线造成重大危害,但本线速度目标值高,对独特的大风问题应引起足够的重视。综合分析,本段地质条件相对简单。

7 结论与建议

沿线隧道工程地质条件复杂,施工时须加强支护,严格按施工规程及设计要求进行,采用短开挖、勤支护,并及时二砌的施工方法,严禁采用放大炮、长大段落揭露基底的施工方法;路基工程针对不同地基土的工程性质,采取经济有效的处理措施,结合湿陷性黄土、地震液化层及松软土一并处理,对深挖路堑的不稳定边坡进行综合防治和施工勘察;桥梁工程建议采用桩基,山区部分地段硬质岩埋藏较浅处可采用浅基础。安西风区各类工程应避免在大风季节施工。

[1]TB10012—2007 铁路工程地质勘察规范[S]

[2]TB10027—2001 铁路工程不良地质勘察规程[S]

[3]TB10038—2001 铁路工程特殊岩土勘察规程[S]

[4]铁道部第一勘察设计院.铁路工程地质手册[M].北京:中国铁道出版社,1999