兰渝线兰州至渭源段主要工程地质问题及选线

甄秉国

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,陕西西安 710043)

1 概述

兰渝铁路自兰州枢纽引出,经甘肃兰州市、定西市、陇南市,以28 km特长隧道穿越西秦岭山脉到达四川省广元市,全线长493 km。兰州至渭源段沿线经兰州东、夏官营镇、高崖镇、杨家川至渭源县,全长约130 km。

2 工程地质概况

2.1 地形地貌

本段线路通过区在地貌上属于黄土高原区。由河谷阶地,黄土台源,黄土梁、峁以及基岩孤丘的中低山组成,高程在1 500～2 600 m之间,相对高差200～360 m。总体地形北高南低,北面起伏小,南面起伏大,沟壑交织。主要河流有黄河、宛川河、秦祁河、崔家河、锹峪河等。

2.2 地层岩性

本段属古河西构造体系,中新生代以沉降为主,分布第三系(N、E)的砂岩、泥岩、砾岩及震旦系混合岩等,地表广泛分布有第四系(Q)松散层堆积。

(1)第四系松散层堆积物以砂质黄土为主,碎(砾)石土次之,分布于沿线各河流、沟谷阶地和斜坡地带以及黄土塬的顶部,冲积、洪积、坡积、风积成因,淡黄色、褐黄色,分布面积较广,以粉粒为主,土质纯净,黄土特征明显,一般15～30 m不等,局部厚度大于50 m,大孔隙,垂直节理发育,Ⅱ级普通土。

(2)第三系(N、E)泥岩、砂岩、砾岩、泥岩夹砂岩,多呈夹层或互夹层状。

泥岩:棕红色,夹有少量的灰绿色斑块,矿物成分以高岭石、蒙脱石等黏土矿物为主,泥质结构,泥质胶结,层状构造,强风化层厚度3～18 m,多呈粉质黏土及碎块状;手掰易碎,遇水软化,Ⅲ级硬土。弱风化,岩层完整,Ⅳ级软石。但固结成岩作用差,抗压强度低,具有遇水浸泡或暴晒交替作用后显著崩解软化的特性,属于极软岩。

砂岩:红褐色,细粒结构,颗粒成分为石英、长石,中厚层状,成岩作用差,胶结不良,岩质软,遇水易软化,饱水后呈流砂状,Ⅲ级硬土。

砾岩:暗红色,砾状结构,砾石成分主要砂岩、灰岩等,颗粒呈圆—圆棱状,砾石以直径20～80 mm为主,最大达150 mm。铁钙质胶结,厚层—巨厚层状,强风化层厚4～6 m,Ⅲ级硬土,弱风化层,Ⅳ级软石。

泥岩夹砂岩:以棕红色泥岩为主,粉砂泥质结构,泥质胶结,矿物成分以黏土矿物为主,岩石新鲜断面可见不规则灰绿色斑状蒙脱石集合体;砂岩呈夹层分布,粉细粒结构,泥质胶结,强风化厚10～21.4 m,多呈黏土及砂土状,Ⅲ级硬土;弱风化,Ⅳ级软石。

(3)白垩系(K)砾岩:灰白色、暗红色,砾状结构,砾石成分主要砂岩、灰岩等,颗粒呈圆—圆棱状,砾石以直径20～80 mm为主,最大达150 mm。砂质、铁钙质胶结,厚层—巨厚层状,强风化层厚4～6 m,Ⅲ级硬土,弱风化层,Ⅳ级软石。

(4)混合岩 (Z):分布于 DK85+650～DK100+400段,棕红色、灰黄色、灰绿色等,矿物成分以石英、长石、角闪石、黑云母等,中、粗粒结构,块状构造,节理发育,差异风化严重,风化层厚5～20 m,强风化,Ⅳ级软石,弱风化,Ⅴ级次坚石。

(5)构造岩:由各种地质构造作用产生,分布于断层带内的压碎岩、断层角砾岩等。

2.3 地质构造

线路通过甘肃省东部、南部,地质构造十分复杂,大的构造属于祁连褶皱系(兰州至临夏—漳县—天水断裂带F1)。古河西构造体系斜贯于阴山—天山、秦岭—昆仑两个纬向构造体系之间,其两端分别与之成斜接复合。自晚古生代发展起来的祁吕系西翼褶皱带对古河西系的影响最为强烈,在六盘山以西广大地域造成大面积的沉降,致使新生代堆积叠覆于古河西系的成分之上,也就是祁吕系贺兰山字形构造体系马蹄形盾地之一的阿宁盾地。随着陇西系的卷入,将盾地中的古老岩层从新生界下面翻了上来,使古生界和更老的地层得以在盾地出露。本段线路通过区无大的构造断裂发育,但支断裂、不整合接触带、节理等构造现象发育。

2.4 水文地质特征

本段线路通过区地下水主要为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水,受大气降水及冰雪融水补给,水量较小,水位受季节影响较大。

3 主要工程地质问题

本段线路走行于河谷阶地及黄土梁、峁区,主要工程地质问题有滑坡、湿陷性黄土及膨胀性岩(土)等。而线路方案的选择主要受滑坡和不稳定性斜坡的控制。

3.1 滑坡及不稳定斜坡

(1)分布特征

本段沿线经过黄土高原,滑坡极为发育,规模大小、类型不一,数量较多,大都发育于黄土梁、峁边缘及沟谷两岸斜坡地带。在时间划分上,古滑坡、老滑坡、新滑坡均有发育。从物质组成分析,土质滑坡与岩质滑坡均有发生,土质滑坡以黄土浅层滑坡为主,岩质滑坡多发生于第三系泥岩、砂岩体中,以厚层、大型滑坡为主,典型的如苦河两岸、渭源车站左侧斜坡处的滑坡(群)。对选线影响较大,应以绕避为原则。

(2)形成原因分析

地形地貌:本段无论是黄土梁、峁区和高阶地前缘斜坡范围,还是沟谷两岸及山前斜坡地带,受雨水冲涮,地表冲沟发育,坡面破碎,极易形成滑坡,如周家沟右岸和苦河两岸斜坡均发育有巨型滑坡(群)。因此,斜坡地形是可能产生滑坡首要条件。

地层结构:滑动面是滑坡体的关键要素,而且滑动面的形成往往与地层结构有密切关系。本段地表多为冲、风积砂质黄土,下伏第三系成岩性差且具有膨胀性的泥岩夹砂岩,基岩面常为第四系沉积前的老的侵蚀、剥蚀斜面、缓坡,与上覆第四系松散层从结构上就存在着明显的差异,在其他外因作用下沿基岩面易发生滑坡等不良地质现象。

地下水:地下水活动是形成滑坡的重要因素之一。在土质边坡或岩质边坡(含泥质岩层,如泥岩等)受地下水浸润泡透后,泥质岩层即产生表层泥化,形成厚度很薄的黏粒层,使岩土体抗剪强度极低,正是这些黏粒薄层在滑坡的发育中起到决定性作用。另外,地下水使孔隙水压增高,产生浮托力、动水压力,这些都会使岩土体抗剪强度降低,容易形成软弱面。本段山体上覆黄土质土为透水层,下伏第三系泥岩夹砂岩为相对隔水层,第四系松散层内下渗的地下水在此附近改变流向顺基岩面流动,软化基岩面附近的地层接触带,长期作用的结果,产生滑动,易形成滑坡或不稳定斜坡体。

3.2 湿陷性黄土

本段沿线经过河沟谷阶和黄土、梁峁上,黄土广布,且厚度较大,以第四系全新统冲洪积、上更统冲风积为主,土体结构疏松,孔隙发育,基本上都具有湿陷性。河谷一级阶地一般具Ⅰ～Ⅱ级湿陷性,湿陷土层厚度3～10 m;二级阶地多具Ⅲ～Ⅳ级自重湿陷性,湿陷土层厚度15～20 m;高阶地以及斜坡地带表层多为风积砂质黄土,多具Ⅳ级湿陷性,湿陷土层厚度15～25 m。黄土湿陷易造成建筑物基础产生不均匀沉降,严重的会破坏建筑结构,对工程危害较大。对具有湿陷性黄土地基应消除其湿陷性,并加强地表防排水。

3.3 黄土陷穴

本段河谷阶和和黄土斜坡砂质黄土分布广泛,且厚度较大,且土体结构疏松,黄土陷穴极其发育,以宛川河二级阶地上分布最多,形状多为圆形、椭圆形,直径大小、深度不一,呈串珠状分布,底部多连通,对工程的危害也较大。工程应回填夯实处理。

3.4 膨胀岩土

本段第四系中更新统黄土和第三系成岩性差的泥岩,多具弱—中等膨胀性,对工程有一定影响,设计应根据工程类型、结构设置等,采取必要的处理措施。

4 局部线路方案比选

兰州至渭源段工程地质勘察工作从2006年开始,在2007～2009年的初、定测勘察过程中,曾结合沿线地形地貌及工程地质条件,进行过多次线路方案研究,2008年10月至12月定测选线过程中,重点对张家庄至杨家川四个大方案进行了分析比选:即长隧道取直方案Ⅰ(DK)、长隧道取直方案Ⅱ(初测方案D1K)、胡麻岭短隧道方案(D2K)及路基方案(D3K)。工作中重点对上述四方案进行了详细的工程地质条件比选(如图1所示)。

图1 张家庄至杨家川段线路方案示意

各比选方案通过地区均为黄土梁、峁区,地层岩性基本相同,主要为第四系砂质黄土,第三系粉砂岩、泥岩、砾岩以及震旦系混合岩,且各方案均要穿越胡麻岭和黑山各沟谷。

长隧道取直方案Ⅰ(DK):由从张家庄车站引出后,沿宛川河右岸行进,跨曲儿岔沟及道群取直行进,分别穿越胡麻岭隧道及黑山隧道,于糜川河谷阶地杨家川附近设站;长隧道取直方案Ⅱ(D1K)将胡麻岭隧道出口向苦河上游移动,将黑山隧道与两座小隧道联成一体,线路在胡麻岭隧道进口以前与DK共线。经实地详细勘察、比选,两方案地层结构基本相同,即胡麻岭隧道洞身均穿越第三系成岩性差的泥岩、砂岩及白垩系砾岩。除上述工程地层相同外,D1K方案胡麻岭隧道出口至黑山隧道进口间还存在较难处理的工程地质问题,一是胡麻岭隧道出口及苦河大桥均位于滑坡(群)内,滑坡体范围大,厚度均大于20 m,处理难度非常大,对隧道、桥梁工程及今后列车的运营安全构成重大威胁;二是胡麻岭出口至黑山进口段近3 km大部分陡坡挂线,坡面冲沟、黄土和第三系泥、砂岩滑坡及不稳定斜坡极为发育,工程地质条件复杂,处理难度极大。

胡麻岭短隧道方案(D2K):在D1K方案胡麻岭隧道从石门水库上游左岸出洞,以桥跨越水库,再以短隧道于苦河左岸与DK方案相接。此方案虽绕过了胡麻岭滑坡(群),且将胡麻岭长隧道分为两短隧道,但是石门水库两岸斜坡表层为第四系黄土,下部为第三系成岩性差的粉细砂岩。受雨水冲蚀,地表冲沟发育,多为不稳定斜坡,并且隧道在浅埋、偏压严重,存在较大的潜在安全隐患;而DK方案直接以特长隧道下穿石门水库,相对安全可靠。

路基方案(D3K):从张家庄车站引出后,向西南跨既有陇海铁路和宛川河进入水坡沟左岸,以隧道绕避右岸的西北第二弹药库,经水家坡村至王寺沟附近进入胡麻岭隧道和黑山隧道后线路接DK方案至杨家川设站。此方案沿水坡沟两岸路基多为斜坡挖方工程,短隧道较多,其中红崖头、李家山、高庄隧道洞身浅埋段也多,加之沟谷两岸冲沟发育,坡面陡峻,滑坡及不稳定斜坡分布较多,线路虽已绕避大部分滑坡等不良地质,但多次频繁跨越易滑地层,潜在滑坡发生几率及安全隐患较大。DK方案基本绕过了大部分滑坡等不良地质,虽有小型不良地质发育,但处理相对比较容易,且DK方案线路顺直通过黄土、膨胀岩(泥岩)的特殊岩土挖方段落长度最短,工程地质条件相对较好。

经上述综合比选,综合分析,DK方案以长隧道穿行于黄土梁峁底部,工程地质条件相对最好,工程安全可靠性高;D2K、D3K方案次之,D1K方案最差。

5 结束语

本段线路通过河谷阶地、黄土梁、峁及中低山区,地层结构复杂,不良地质和特殊岩土发育,工程地质条件差,应全面、详细地进行地质调查、分析研究,抓住主要工程地质问题的关键,才能为工程设计提供准确的处理措施和意见。

山区铁路应通过大面积地质调绘,运用综合勘探手段,认真分析研究,为选择既经济、又合理的线路方案提供准确依据。

[1]中铁第一勘察设计院集团有限公司.新建铁路兰州至重庆线初步设计第四篇(地质)[R].中铁第一勘察设计院集团有限公司,2008

[2]铁道第一勘察设计院.铁路工程地质勘察规范[S].北京:中国铁道出版社,2007

[3]铁道第二勘察设计院.铁路工程不良地质勘察规范[S].北京:中国铁道出版社,2001

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