兰新第二双线兰州西至西宁段地质选线

尹鸿远

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

1 概述

兰新第二双线东起兰州西站，经甘肃、青海、新疆，西至乌鲁木齐新客站，全长约1782.6 km，为21世纪继青藏线后，在西北修建的又一条铁路大动脉。高标准的兰新第二双线与既有兰新铁路合理分工，可大幅度提高铁路运输能力，为新疆资源开发和外运提供强大的运力支撑，为我国能源战略安全提供保障。项目于2008年12月至2009年3月进行初测和可研，2009年3月至8月进行定测和初步设计，后又进行了补充定测，2010年3月正式开工，目前正在建设。

兰州西至西宁段位于该线的东端，长约190 km，需穿越陇西黄土高原和祁连山中高山区两大地貌单元，区内滑坡、错落、泥石流、危岩落石、岩堆、煤窑采空、湿陷性黄土、膨胀岩等不良地质和特殊岩土发育，线路跨过黄河后主要行经在湟水河河谷，谷地较狭窄，最宽处仅数公里，最窄处数百米，谷地内有既有兰青一、二线、高速公路、109国道及瑟宁兰输油输汽管道，其他道路和建筑物分布也较多。沿途集镇、村庄广布，农田、灌渠纵横，厂矿、企业林立，房屋、人口较为密集，是甘青两省富庶之地。选线时既要尽可能地绕开大的不良地质体，选择地质条件较好的方案，又要尽可能地减少与大的建筑物发生干扰，与城市规划良好衔接，节省投资，因此该段的选线成为兰新第二双线难度最大的区段。通过广泛搜集区域地质、航片卫片判释，初测阶段的大面积区域地质调绘，定测阶段详细地质调查和综合勘察，查明了各方案工程地质条件，选出了合理的线路方案。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

兰州西至民和属于陇西黄土高原，地势西高东低，海拔1 500～2 200 m，相对高程50～150 m，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;民和至西宁段属于祁连山山地东端，海拔1 800～2 400 m，相对高程50～200 m，老鸦峡、大峡和小峡等三个湟水河峡谷，将该段分割为民和、乐都、平安、西宁等几个盆地。线路主要位于湟水河右岸阶地、黄土塬梁峁及低中山。

2.2 地层岩性及构造

沿线表层广布第四系冲积、风积黄土，各级阶地下部大多分布厚度不等的卵砾石土，局部夹砂类土，下伏基岩主要为第三系和白垩系紫红色、棕红色、灰白色泥岩或砂岩，局部夹砾岩，其中乐都至西宁段第三系泥岩中夹有石膏岩;在老鸦峡、大峡和小峡等峡谷段分布侏罗系砂岩夹页岩，震旦系片岩、片麻岩、大理岩、石英岩，并伴有加里东期元古代闪长岩、花岗闪长岩的侵入，另外在高家山一带分布奥陶系变安山岩。

本区位于祁连地槽褶皱系和松(松潘)甘(甘孜)地槽褶皱系两个构造单元间的结合地带，为中祁连山中间隆起带的一部分。地史上各期构造运动对本区均有影响，其中以加里东期和燕山期构造形迹较为明显，褶皱和断裂较发育。对线路影响较大的断裂主要为F0马衔山北缘断裂(DK24+539)，位于咸水沟一带，性质以逆断层为主，断裂总体走向N60°W，倾向SW或NE，倾角60°以上，为一左旋走滑活动断裂，1125年兰州7级大地震的发震断裂，受其影响，区内沟谷滑坡成群分布。

区内新构造运动极为活跃，表现为河谷阶地上升显著，现代河流侵蚀、下切明显，湟水河两岸六级阶地发育，高差达100～150 m，构成颇为典型的河谷阶地地貌。

2.3 水文地质

沿线为黄河水系，兰州西至八盘峡段线路行径在黄河右岸，线路穿越寺儿沟、宣家沟、咸水沟等较大支沟，跨黄河后则逆黄河一级支流湟水河而上，地下水主要为赋存于为河谷阶地卵砾石层中的孔隙潜水和基岩裂隙水，其中一级阶地地下水位埋深1～5 m，二级阶地3～20 m，三级以上阶地大于20 m，孔隙潜水水量较丰富，基岩裂隙水水量较贫乏，水质多具侵蚀性。

3 沿线不良地质及特殊岩土

3.1 不良地质

沿线不良地质发育，主要有滑坡、错落、泥石流、危岩、落石、岩堆、人为坑洞等。

(1)滑坡、错落

主要分布在黄河、湟水河及其支沟两岸的低中山，黄土塬、梁、峁、高阶地前缘及软质岩斜坡，特别是高家山特长隧道经过的各沟谷，滑坡、错落多成群分布。滑坡、错落对线路影响较大，选线时尽量绕避或从其安全部位通过。

(2)泥石流

区内新构造运动强烈，沟谷深切，纵坡较大，地层软弱不均、节理发育、风化严重，沟谷及其斜坡上的松散堆积物在雨水的作用下，容易产生泥石流。选线时尽量绕避危害程度严重的泥石流沟，必须通过泥石流沟时，选择大跨度桥梁、明洞或隧道通过。本段初设方案通过泥石流沟共11条，多为小型，危害程度轻微，多以桥通过。

(3)危岩、落石、岩堆

区内岩体受多期构造作用，节理裂隙发育，岩性多软硬相间，裸露基岩其物理、化学风化作用强烈，加之该区内的新构造运动表现为强烈的上升运动的影响，部分山体上部分布岩石陡坎，坡面危岩落石现象较发育，局部危岩坍塌于坡脚，形成岩堆。选线时尽量绕避危岩落石密集段和基底坡度较陡、地下水发育、有可能滑动、工程处理困难的大型岩堆。初设方案经过的危岩落石段仅有小里沟两侧山坡(DK19+700～DK19+950国庆山隧道出口、芦草山隧道进口)、红山2号隧道出口(DK147+550～+620)、傅家寨3号隧道出口(DK183+300～DK183+350)，经过的岩堆仅有沙塘川岩堆(DK183+360～DK183+450傅家寨3号隧道出口前方斜坡)。

(4)人为坑洞

①煤窑采空:分布在小峡段湟水河北岸的东沟子至马圈沟一带(初测比较方案 C10K177+500～C10K179+500)，下伏地层为主要侏罗系泥岩夹砂岩、炭质页岩、煤层，岩层产状 N15°～35°W/30°～60°N，煤层开采年代久远，主要是当地农民用简陋工具进行小窑开采。1959年对矿区进行勘察，煤层厚0.75～2.04 m，平均1.44 m，1970年底建成年产3万t能力的小峡煤矿，到1986年已开采到2050 m高程水平，浅层煤基本采空，20世纪80年代末该矿停采废弃。初测阶段经过方案比选，已绕避煤窑采空区。

②掏砂洞:分布在黄河、湟水河及其较大支沟两岸的高阶地陡坎，多为当地村民开采砂石料后遗弃的，开挖深度大多不深，一般不超过10 m，高度随阶地卵砾石厚度而变化，一般2～5 m，掏砂洞大多裸露于陡坎处，线路以挖方通过，工程容易处理。

3.2 特殊岩土

沿线特殊岩土主要有湿陷性黄土、膨胀岩、石膏岩等。

(1)湿陷性黄土

沿线黄土广泛分布，成因类型主要为冲积、风积、洪积，一般一级阶地多为为Ⅰ～Ⅱ级非自重湿陷，湿陷土层厚1～8 m不等;高阶地、黄土塬梁峁、低中山的黄土厚度大，多为Ⅱ～Ⅳ级自重湿陷，湿陷土层厚5～30 m不等。

(2)膨胀岩

区内广泛分布第三系及白垩系泥岩、泥质砂岩，岩质较软，易风化剥落，岩体遇水易软化、崩解，胀缩性大，经试验，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)。

(3)石膏岩

乐都至西宁段第三系西宁组泥岩夹砂岩地层中，夹有石膏岩，一般厚0.1～2 m，局部厚度大于5 m，石膏岩的主要危害是它的遇水溶蚀性和软化性，工程应采取必要的处理措施。

4 线路方案及地质选线

4.1 选线原则

本段滑坡、错落、危岩、落石、岩堆、泥石流等不良地质发育，线路应尽可能绕避该黄河、湟水河两岸沟谷及陡坡阶地段的不良地质群。本段新构造运动强烈，黄河、湟水河及其支沟发育多级阶地，沟谷发育且深切，沟谷内地形凌乱，隧道应早进晚出，通过调整线路坡度，尽量减少在地形凌乱的沟谷露头，减少短隧道群。另外小峡煤窑采空区对铁路工程影响较大，线路应绕避。

4.2 可研阶段地质选线

可研主要结合黄河桥位、湟水河南北两岸、各站位进行了多个方案的比选，总的来说，沿线各方案经过的地层基本相同，遇到的地质问题类似，地质条件基本相当，主要是工程设置、数量，以及与高速公路、城市规划、既有建筑物干扰的比较。对于沿线经过的不良地质体，通过方案局部优化，尽量绕避。

(1)黄河桥位方案比选(C1K、C2K、CK)

线路从兰州西引出，考虑到地质及跨黄河角度的影响，做了三个方案比选，见图1。

图1 黄河桥位方案比较示意

①35°角跨黄河方案(C1K):从比较起点CK10+000引出，向西行进在既有八盘峡站端跨越黄河，既而折向西南绕过兰州铝厂，跨越湟水河至南侧接至比较终点CK50+500。

②12°角跨黄河方案(C2K):从比较起点CK10+000引出，向西行进在CK北端约1 km跨越黄河，既而向西以隧道绕开兰州铝厂，出隧道后以特大桥跨越湟水河至南侧接至比较终点CK50+500。

③长隧道取直方案(CK):从比较起点CK10+000引出，向西南行进，在八盘峡水库跨越黄河后走行至湟水河南侧至比较终点。

C1K方案跨越黄河前部分地段行径在黄河高阶地前缘，边坡稳定性差，并且穿越数条较大沟谷，沟内地形凌乱。以隧道形式上穿兰青线青石关隧道，隧道出口白垩系泥岩夹砂岩存在顺层现象，坡面为一基岩溜坍体，在张家台隧道出口(C1K35+480)为一滑坡，跨越湟水河后的焦家山隧道进口(C1K41+100)斜穿一大型黄土基岩滑坡，对工程有较大影响，之后线路以桥隧相间穿越数条较深的沟谷至比较终点，沟谷两侧地形较乱。

C2K方案也穿越几条地形凌乱的沟谷，以隧道形式上穿兰青线青石关隧道，出口端穿越河口逆断层，破碎带宽度10 m左右，跨越黄河后，线路主要穿越黄土台地、河谷阶地，其间发育数条深切的沟谷，沟内发育浅层坡面溜坍。

CK方案线路短直，线形条件好，跨越黄河的角度小。跨越黄河前的高家山特长隧道穿越多条沟谷，沟谷两岸滑坡、错落、流坍、岩堆发育，但不良地质均位于隧道上部一定高度，对工程没有影响，进口位于咸水沟，已绕开两侧滑坡体，出口位于一斜坡上，地质条件较好;黄河桥位位于八盘峡库区，地形地质条件较好，跨黄河后的新庄隧道出口端左侧为一大型黄土滑坡，线路已绕避。

综合比较，各方案均穿越多条地形凌乱的沟谷，但CK方案有两座长度10 km以上隧道(高家山隧道，福川隧道)，各不良地质体多在洞身顶部，对工程没有影响，黄河桥位地形地质条件较好。

(2)平安至西宁段方案比较

在平安至西宁段，考虑设站情况及跨越湟水河位置，做了三个方案比选，见图2。

图2 平安至西宁方案比较示意

①曹家堡设站方案(C10K):从比较起点CK150+000引出，在东营附近跨越兰青铁路、湟水河、高速公路向西，从湟水河北侧向西在曹家堡机场设站，然后向西接入既有西宁站至比较终点CK191+000。

②既有平安站北侧并站方案(C9K):从比较起点CK150+000引出，以特大桥跨越既有兰青铁路、湟水河后，在既有平安站北侧新设平安高速站，而后向西再次跨越湟水河、兰西高速，线路在C10K166+000接入C10K方案。

③湟水河南岸设站方案(CK):从比较起点CK150+000引出，在平安县南设站后一直在湟水河南侧前行，至三十里铺附近跨越湟水河、高速公路、兰青铁路后向西至比较终点CK191+000。

三个方案在进入小峡山区前，均在湟水河阶地上行径，地质条件简单。在进入山区后，C10K与C9K线位相同，行径在湟水河左岸，其中C10K177+500～C10K179+500位于煤窑采空区，由于开采年代久远，难以查清采空情况，且周围地形受地层及采空影响，滑坡、错落、溜坍较发育，工程地质条件差，工程处理费用高昂，安全隐患大，另外该段隧道围岩主要为泥岩夹砂岩、炭质页岩等，围岩级别低;CK方案行径在湟水河右岸山区，避开了煤窑采空区，且隧道约有800 m洞身位于闪长岩中，围岩较好。因此推荐CK方案。

4.3 初设阶段地质选线

初设阶段在可研推荐方案的基础上进一步研究，重点是对隧道进出口、浅埋段进行详细地质调查，根据地形地质条件对洞门位置进行调整优化，如对高家山进口、新庄隧道出口、下沈家隧道出口等洞门位置进行了适当调整，完全避开了不良地质体，钟家隧道可研贯通方案通过一斜坡浅埋段，上部黄土陷穴发育，最大陷穴直径达10 m，深度8～10 m，因此定测时将线路往北侧山里偏移，避开了陷穴发育区。通过勘探、试验，对湿陷等级高、湿陷厚度大、地基处理困难的高阶地多以桥代路或隧道通过，如穿行于黄河高阶地的南山路立交特大桥，穿行于湟水河高阶地的东垣渠特大桥、四道沟特大桥、东垣特大桥等;对穿行在高阶地上的隧道，通过调整线路坡度，尽量减少洞身在黄土、卵砾石土和基岩界面附近通过的长度，如东坪隧道等。初设阶段对可研贯通方案平面上做出较大优化的主要是下边两段。

(1)DK47～DK68方案优化

①隧道方案(可研贯通方案):线路至福川特长隧道出口后，以隧道群穿行于湟水河三、四级阶地及低中山，其中陈家湾一、二号隧道位于三级阶地，隧道埋深20～30 m，为浅埋隧道，部分洞身穿行于卵砾石与基岩界面处，工程地质条件差，围岩级别主要为Ⅴ级;党家台隧道、坊台1号、2号、3号隧道及余家台隧道位于四级阶地及低中山，线路洞身一般位于泥岩夹砂岩中，隧道围岩主要为Ⅳ级，各隧道间以桥经过多条地形凌乱的沟谷，沟谷两侧小型滑坡、岩堆等不良地质较发育。

②桥方案:线路至福川隧道出口后，穿行于湟水河一、二级阶地，并两跨湟水河，地质条件较为简单，表层黄土厚2～12 m，其下为圆砾土，下伏白垩系泥岩夹砂岩，上部黄土具Ⅰ～Ⅱ级非自重湿陷。

很明显，桥方案地质条件好，缺点是占用部分良田，最后采用桥方案。

(2)福川特长隧道方案优化

隧道横穿下周家滑坡，该滑坡为一巨型基岩滑坡，滑坡轴长约880 m，滑向湟水河，可研贯通方案在CK47+000～CK47+900段从滑坡中部通过。初设阶段对滑坡进一部详细调查并勘探，该滑坡经过多次滑动，滑面位于白垩系泥岩中，坡面地形凌乱，岩体翻滚现象明显，环向裂缝发育，滑体发育几条冲沟，可研贯通方案在通过这些冲沟及浅埋段时，洞顶距滑面很近，给隧道施工及运营留有很大隐患，因此初步设计时将线路向后靠200多米，从滑坡后缘通过，加大了隧道埋深，线路优化后，滑面距洞顶大于100 m，滑坡对隧道没有影响。

5 结束语

兰新第二双线兰州西至西宁段行径在黄河、湟水河阶地及低中山区，影响线路方案的地质因素主要有滑坡、错落、泥石流、危岩落石、岩堆、煤窑采空等不良地质和湿陷性黄土、膨胀岩等特殊岩土，做好地质选线十分重要。可研阶段通过收集区域地质资料、遥感判释及对各方案大面积区域地质调查和比选，基本确定了贯通方案，该方案绕开了大的不良地质体;初步设计阶段对方案进一步研究，通过详细调查和综合勘探、试验，从平面、纵断面上对方案进一步细化和完善，选出了技术可靠、经济合理的线路方案。

［1］ 中铁第一勘察设计院．兰新铁路第二双线可行性研究第四篇(地质)［Z］．西安:中铁第一勘察设计院，2009

［2］ 中铁第一勘察设计院．兰新铁路第二双线甘青段初步设计第四篇(地质)［Z］．西安:中铁第一勘察设计院，2009

［3］ 铁道第一勘察设计院．改建铁路兰青线增建二线初步设计第四篇(地质)［Z］．兰州:铁道第一勘察设计院，2005

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

［5］ 铁道第一勘察设计院．铁路工程地质实例(西北及相邻地区分册)［M］．北京:中国铁道出版社，2002

［6］ TB10012—2007 铁路工程地质勘察规范［S］

［7］ TB10038—2001 铁路工程不良地质勘察规程［S］

［8］ TB10027—2001 铁路工程特殊岩土勘察规程［S］