铁路主要工程地质问题分析及防治

刘珣

（铁道部经济规划研究院技术标准所 博士，北京 100038）

0 引言

工程地质学是研究与工程建设有关地质问题的科学[1]。中国幅员辽阔，地质和自然地理条件十分复杂。解放以来，铁路建设和运营中遇到的工程地质问题类型之多、分布之广、灾害程度之重，堪称世界之最。

从中国山区和地质复杂地区的新建铁路的情况看，在设计完成后因地质因素造成设计变更的工程数量一般为总变更数量的60%至70%，个别达80%以上；影响工程造价变化占工程总投资一般为5%至10%，个别可达10%以上。因此，工程地质工作是我国铁路建设和运营中一项直接关系到投资造价，极其重要的基础性工作。

1 铁路工程地质问题及工程地质工作发展现状

1.1 铁路工程地质问题

铁路重大工程地质问题主要包括以下5个方面[2]：

1）高山峡谷地区的斜坡物质运动。包括滑坡、坍塌、泥石流及深路堑、高边坡和浅埋隧道开挖引发的山体变形、失稳。

2）特殊岩土的变形和破坏。主要有软土、膨胀岩土、冻土、盐渍土、湿陷土、岩溶、风沙等。

3）越分水岭深埋隧道的山体能量释放和物质运动。主要有围岩坍塌、软岩塑变、硬岩岩爆、涌水、突泥、突水、瓦斯及其他有害气体溢出爆燃、高地温热害、放射性危害及洞口部位的山体变形。

4）地壳运动及活动性断层。主要有引发的地震灾害、地面变形和位移破坏、斜坡运动灾害。

5）铁路工程与地质环境的相互作用问题。如水土流失、地面塌陷、弃土弃砟泥石流、滑坡、水库坍岸等。

1.2 工程地质工作发展现状

通过多年实践的不断完善，铁路工程地质工作已取得了很大的发展，主要体现在以下4个方面：

1）在铁路选线和重点工程选址的前期勘测设计阶段，注意宏观性的地质勘察。

2）把地质灾害的预测和防治作为工作主题。3）促进地质勘察技术进步，大力推行综合地质勘探。

4）初步建立起铁路工程地质技术标准体系。

2 主要工程地质问题及防治对策

2.1 不良地质问题及防治对策

2.1.1 地震

地震可以导致岩体松动破碎，强烈地震还会产生新断裂，引起岩体在瞬间发生大变形，或诱发滑坡、崩塌。例如，我国西南山区地震活动频繁，铁路在高山峡谷地区多以隧道+桥梁的形式通过。那里的岩体在岩溶、风化及重力作用下已变得非常破碎，地震可能导致隧道扭曲变形、拉裂，严重的会产生隧道垮塌。河谷地带的岩体像断裂带一样松散破碎，河流两岸在地震过程中地震波的震幅和相位是有差别的，这种差别导致不同的桥梁段在地震中发生不协调运动，最容易断裂的地方是对应河流主流线的地段或两岸桥头。因此，铁路跨金沙江大桥、跨澜沧江大桥和跨怒江大桥等大跨度的桥梁在地震中有断裂的危险性[3]。

以经历5·12大地震后的宝成铁路为例，如图1。震后针对宝成铁路防灾工程的建议措施如下[4]：

1）对路堤滑坡可采用微型桩进行加固，但要求微型桩深度应伸入可能的滑动面以下一定深度。

2）边坡震害多以坍塌为主，其变形厚度不大，可采用锚杆（索）框架防护工程处理，但要有一定的长度。

3）对坡体滑坡，可加强地表排水工程，并对滑坡进行监测，视情况决定是否采用工程处理。

4）崩塌落石是治理的难题，对低位崩塌可采用锚固和支顶措施；对中位崩塌可采用被动拦截、局部锚固和支顶预防的措施；而对于高位崩塌，最好是采用明洞方案进行安全防护。

5）对隧道变形，首先应查明有无坡体变形的问题。若存在，应进行勘察，查明原因，先治坡，后加固隧道；若无，可采用加固和边坡处理措施，或锚固或拦截。

图1 5·12大地震对宝成铁路造成的破坏

2.1.2 滑坡

据统计[5]，1998年全国近68 000 km的运营铁路上，有693处滑坡灾害、病害地段，总长达90.4 km。其中33条主要干线上滑坡为412处，总长55.9 km，主要分布在宝成、陇海、京通、贵昆、滨绥、鹰厦、成渝、成昆、川黔等铁路。滑坡对运营铁路造成的破坏如图2所示。

图2 滑坡对运营铁路造成的破坏

滑坡的工程治理一般采取以绕避为主，不能绕避时一次根治、不留后患的防治原则，在整治措施中坚持排水与挡锚相结合的原则[6]。

1）绕避方面：1999年宜万线绕避了尚在活动的庙岭上巨型滑坡（约2×108 m3)及天楼地枕巨型滑坡（约 2×108 m3）；1999年梅坎线以长 3 500 m 隧道绕避了仙师大型滑坡群等。

2）整治方面：20世纪60年代对鹰厦线、外福线134处主要为滑坡的大型地质病害工点进行了3年系统的勘察、设计及整治；其后的湘黔、枝柳、襄渝、皖赣、焦枝、漳泉、金温、横南、京广、京九、梅坎、糖龙、宜万等新线和既有线滑坡勘察整治均取得了显著效果。滑坡整治先后采用过重力式抗滑挡墙与深型盲沟相结合、预应力抗滑挡墙、锚杆挡墙、仰斜排水孔、抗滑桩（椅式桩墙、П型刚架抗滑桩）、拉杆锚固桩、预应力锚索、锚索抗滑桩、微型桩等。

2.1.3 崩塌和落石

据统计[5]，1998年全国线路共发生崩塌落石3 211处，影响线路总长度419.5 km，主要分布在中西部山区铁路。崩塌、落石多发生于沿河峡谷、卸载裂隙发育、构造挤压、断裂（影响）、岩性软硬相间、受冲陡岸等地带。崩塌对运营铁路造成的破坏如图3所示。

图3 崩塌对运营铁路造成的破坏

对不稳定或具活动性且处理困难的崩塌落石地段应尽量绕避，如1985年金温线以3 263 m隧道绕避了狮子头大型崩塌、岩堆地段；1987年衡广复线长14.285 km的大瑶山隧道的建成，彻底绕避了滑坡、错落、崩塌不断、整治长达50年的坪石乐昌段武水峡谷地段。

对于不能绕避的崩塌落石地段，则应采取相应的综合治理措施——清除、支顶、嵌补、锚固、拦挡等，主要工程措施有锚杆、预应力锚索、拦石墙、明洞、棚洞、挂网喷护、SNS柔性防护网等[6]。

2.1.4 泥石流

泥石流具有突然性以及流速快，流量大，物质容量大和破坏力强等特点。发生泥石流常常会冲毁公路铁路等交通设施甚至村镇等，造成巨大损失。泥石流形成必须同时具备三个条件：陡峻且易于集水、集物的地形地貌；有丰富的松散物质；短时间内有大量水源。

以南宁—昆明铁路为例[7]，南昆铁路地处云桂黔三省（区)交界，由南宁盆地过渡到云贵高原。线路大部分穿越崇山峻岭，地质环境极为复杂，雨季降水量大且集中，沿线植被因农民烧山垦荒遭严重破坏。从形成要素上看,南昆铁路穿越区域山高沟深，地形陡峻，断层规模巨大，稳定性差的斜坡现代堆积层、碳酸层广泛分布，年降雨量大且集中，完全具备泥石流形成条件。2003年5月23日至6月9日短短18天南昆铁路就发生了6起泥石流灾害，累计中断行车52 h 31 min，其中盘龙山隧道进口整体被泥石流掩埋，淤积土石达11 000 m3，严重干扰了运输秩序。

结合南昆线特点，采取了适时监控雨情与泥石流灾害、恢复植被、修筑拦石坝与SNS柔性防护网、修建导流渠等综合预防和整治的措施，取得较好效果。

2.1.5 岩溶

以滇藏铁路三江段为例[3]，调查发现，岩溶作用轻则使灰岩破碎并角砾岩化，重则使灰岩发生红土化、产生溶洞或岩溶漏斗等。如在白马雪山垭口高4 500 m处见到灰岩不仅强烈角砾化，而且有溶洞存在（如图4）。铁路通过岩溶强烈的部位可能发生隧道坍塌、冒顶和突水等，铁路边坡可能发生滑坡、崩塌和泥石流，还可能发生岩溶塌陷。

图4 德钦县白马雪山垭口角砾化灰岩中发育的溶洞

另一种情况是接触带岩溶现象。灰岩与透水性差岩石的接触带是普遍存在的，接触带是地下水富集的地带，沿线见到的最典型的例子是虎跳峡上段水电站坝址附近。目前，来自片岩与灰岩接触带的水形成了一条地下河在四季流淌（如图5a）。接触带岩溶作用强烈，沿带往往发育松散的岩溶角砾层，易滑坡（如图5b）。因此，当隧道通过这种接触带时便可能发生隧道涌水问题，也可能发生隧道坍塌、冒顶和塌陷。

图5 接触带岩溶作用

2.1.6 煤矿采空区

随着运煤通道及大能力路网的建设，采空区已成为铁路建设的一大公害，如图6所示。采空区治理的主要问题是[5]：

1）分布复杂，难以查明。开釆历史久远，开釆方式不一，有的私挖乱采；下井实测困难，物探效果不佳，钻探难度大。

2）治理难度大，工程造价高。井下填筑难以实施；浆材、配比、注浆压力和扩散半径等设计参数缺乏成熟可靠的经验；跑浆、漏浆难以控制，帷幕难以实施；质量控制和效果检验有较大难度；工程浩大，费用惊人。

图6 采空区的危害

石太线平定方案线路经过5个矿区，釆空和塌陷段落长2 473 m，埋深130～300 m，注浆钻探197.4万延米，注浆量1 127万m3，但最终还是放弃了该方案。1969年孟宝线采取线下留保安煤柱通过[6]。1983年宋大线采取洧水北线方案，绕避了煤矿采空区。1992年京九线赣龙段信丰县铁石口—小江间煤矿区，经百余年大小煤矿的开采，地下井巷纵横交错，引起多处地表大范围不断沉陷，查清及处理极为困难，经比较后采用绕避煤矿采空区的西绕两跨桃江方案通过。1998年洛湛线益永段通过灰山港、恩口煤矿采空区及牛马司和短陂桥煤矿采空区，由于矿区大量抽排地下水，致使地面大面积沉降，反复塌陷，陷坑多达8 000余处，查清及处理极为困难，最后采取绕避采空区的方案通过。

2.2 特殊岩土问题及防治对策

2.2.1 软土

软土具有含水率高、孔隙比大、一般含有机质、渗透性差、压缩性高、强度低等特点，多分布于构造运动持续沉降及表水长期滞流地带。

比如常见的淤泥质软土，就是一种分布广泛的特殊岩土。其特征是含水性强，当其作为铁路地基土时表现得非常软弱和不稳定，主要表现是铁路路基容易发生强烈的不均匀下沉，有时还因滑动变形造成地基或边坡失稳。

针对浅层软基，常用的处理措施主要有垫层法、换填法、排挤法、表层排水法等；针对深层软基，常用的处理措施主要有袋装砂井法、挤密砂桩法、振冲碎石桩法、粉喷桩法、真空预压法等。

2.2.2 黄土

黄土地区主要而常见的工程地质问题有湿陷性黄土、饱和黄土、松软黄土、斜坡变形、黄土泥流、黄土陷穴、砂质黄土地震液化。黄土边坡如图7a所示。

郑西客运专线郑渑段行经豫西山地及华北平原西部，黄土分布长度146 km，占总线路长度88%[6]。在黄土地区的地质选线中，应注意绕避湿陷或膨胀性较大、地表排水不良、地下水发育的地段，以及滑塌、冲蚀（冲沟〉、潜蚀（陷穴)、人工洞穴等工程地质条件不良的地段。对湿陷性砂质黄土地基路基工程，选择强夯、土质改良、挤密桩等措施，以提髙地基强度，做好陷穴防排水及夯填、注浆处理，并防止新陷穴的发生发展。

图7 黄土边坡及强夯处理黄土地基

以湿陷性黄土为例，湿陷性黄土主要指新黄土和新近堆积黄土，黄土的湿陷性对工程的危害主要是由湿陷引起的附加下沉使建筑物产生不均匀沉降。地基处理的主要目的就是消除湿陷性，常用的处理方法有土或灰土挤密桩法，强夯法（如图7b）和重锤夯实法，土、灰土垫层法，预浸水法及桩基础等。

2.2.3 膨胀土

膨胀土在我国的分布范围很广，如广西、云南、河南、湖北、四川、陕西、河北、安徽、江苏等地均有不同范围的分布。膨胀土黏粒成分主要由强亲水性矿物质组成，并且具有显著胀缩性的黏性土。该土具有吸水膨胀、失水收缩并往复变形的性质，对路基的破坏作用不可低估，并且构成的破坏不易修复。膨胀土对路基的破坏如图8所示。

图8 膨胀土对路堑边坡的破坏

在伏牛山—淮河以南，特别是长江沿岸及其以南，为亚热带湿润季风气候带向热带湿润季风气候带过渡，高温多雨，植被茂密，红土化作用强烈，造成膨胀性红黏土在京广、黎湛、湘桂等线分布极广，常可造成边坡滑坡、路堤下沉、基床变形等问题[6]。

由于膨胀土具有严重的潜在破坏作用，线路应尽量绕避或以最短距离通过膨胀土地带。在工程处理措施方面，采取加强排水、保湿防渗、土质改良、降低（堤、堑）高度、放缓（堤、堑）边坡、加强支护等措施，均取得了较好的效果。

2.2.4 多年冻土

地球上多年冻土、季节冻土和短时冻土区的面积约占陆地面积的50%，其中，多年冻土面积占陆地面积的25%。以青藏铁路为例，青藏铁路全长1 142 km，穿越多年冻土546.4 km，岛状冻土82 km。

多年冻土区高含冰量冻土易受人为因素影响而融化，由此产生的融沉是多年冻土路基变形和破坏的主要原因。融沉过程往往伴随着裂缝产生。2003年青藏铁路冬季现场调查发现[8]，在DK 1024+400—800等众多区段局部路基面出现横向裂缝，尤其在部分涵洞位置比较集中。在DK 1024+400—DK 1027+600等众多区段局部路基面出现纵向裂缝，多数裂缝出现在阳坡侧路肩位置，部分出现在路基中间。裂缝宽度3～50 mm。

图9 青藏铁路冻土

处理措施：既有裂缝重新回填夯实，路基两侧采用碎石包坡工程措施。施工完成后，2004—2005年调查未发现新的裂缝现象。而对于冻土反复冻融后引起的路基下沉、开裂、路堤滑塌等重大病害，则多采用以桥代路等方式解决。

3 结语

复杂的地质条件决定了我国铁路建设和运营中工程地质工作的重要性和艰巨性。唯有不断深化应对各类不良地质问题和特殊岩土问题的工程实践和经验总结，不断建立和完善具有中国特色的铁路工程地质技术标准体系，不断提高铁路工程地质科技和装备水平，才能为我国铁路运输的安全、舒适、高效提供坚实的保障。

[1]张咸恭，王思敬，张倬元.中国工程地质学[M].北京：科学出版社，2000.

[2]丰明海，何振宁.中国铁路建设中的重大工程地质问题[C]//第七届中国工程地质大会会议报告，昆明：[出版者不详]，2004

[3]张加桂，张永双，曲永新，等.对滇藏铁路三江段工程地质问题的深化认识[J].工程地质学报，2010，18（5）:784-788

[4]于贵.地震作用下宝成铁路地质灾害调查分析 [J].西北地震学报，2011，33（增）:431-433

[5]许再良.中国铁路路网点建设中的工程地质问题[J].铁道建筑技术，2008，（增）:414-415

[6]石文慧，杜兴国.中南华东华南地区铁路工程地质特征及成就[J].铁道工程学报，2005，（增）:161-165

[7]陈正军.南昆铁路泥石流的形成及防治措施 [J].铁道运营技术，2009，15（4）:26-27

[8]孟祥连.青藏铁路施工中的主要工程地质问题及处理方法[J].铁道工程学报，2006，（4）:4-5