宝中增建二线六盘山地质选线及主要工程地质问题

沈军明

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

宝中铁路南起陇海铁路的虢镇车站，纵贯陕、甘、宁三省(区)的十四县市，北至宁夏中卫县境内的包兰铁路迎水桥车站，是西北通往华北、华东、西南地区的重要通道。目前既有宝中线通过能力已处于超饱和状态，增建二线后将解决运输压力。

增建二线线路方案的重点为新李至固原车站之间六盘山越岭方案的比选研究。六盘山脉位于宁夏回族自治区南部，向南延伸至甘肃、陕西交界地区。山脉由两列近南北向的平行山体组成，是陕北高原与陇中高原的分界线。增建二线走行于六盘山东侧的小关山中低山区，发育颉河及支沟火龙沟、小路河、大路河，红河上游支流，茹河上游支流任山河、店河等，地形陡峻，沟壑纵横，不良地质及特殊岩土发育，地质选线尤为重要。

1 六盘山区工程地质条件

1.1 地层岩性

工作区内地层主要有:第四系全新统现代河床冲、洪积层和残坡积以及上更新统风积层，由粉质黏土、细圆砾土、细角砾土及黏质黄土组成，分布于河流阶地和谷坡地表;上第三系主要分布在黄土塬基底，局部出露于黄土塬与山岭过渡带，为细砂岩及泥岩;下第三系主要出露于黄土塬与山岭过渡带，岩性为泥岩、砂质泥岩，细砂岩;下白垩系地层构成六盘山旋回层的主体，广泛出露，是线路通过的主要地层，岩性以泥岩、泥灰岩、砂岩、页岩为主，与下伏地层呈角度不整合接触;奥陶系灰岩出露范围较小，主要位于三关口一带，与白垩系地层呈角度不整合接触和断层接触。构造岩类主要为断层角砾、碎裂岩，分布于各断层破碎带内。

1.2 区域地质构造

区域位于陇西系帚状构造与祁吕贺山字形构造的南北向脊柱——贺兰褶带南段交接复合部位，构造极其复杂。

陇西系帚状构造由走向北西－北西西和向东突出的弧形构造形迹构成，分布在下白垩系及第三系中，并包容了古生界、中生界岩块，燕山运动后期已具雏形，经陇山运动后基本完成。贺兰褶带南段在本区由店洼—太统山—大台子、三关口—景福山两个南北向的复背斜及其间的断层组成，背斜核部出露震旦、寒武、奥陶系地层，两翼为二叠、三叠、侏罗系地层，被下白垩系及新生界地层角度不整合覆盖。归并入陇西系后，褶皱及主要断层走向由南北向偏转10°～30°成北北西向。

1.3 水文地质条件

根据线路通过区出露的地层岩性、地质构造特征及地下水类型的不同，将测区地下水分为第四系孔隙潜水、基岩裂隙水和构造裂隙水三大类。主要以基岩裂隙水为主，水量大小受岩性、构造控制，多为中等富水。

1.4 地震

工作区地震动峰值加速度为0.20g，反应谱特征周期为0.40 s。该区域地震比较强烈而且频繁，地震发生的频度有逐渐增高的趋势。从大地构造来看，祁吕贺山字构造受到陇西系构造体系的强烈干扰，第三纪以来的陇山运动致使六盘山隆起，新构造运动特别发育，这是造成本地区地震活跃的主要因素。近100年来发生的10余次强震中两次地震间隔最短为4个月，最近的强震发生于1970年12月3日，震中位于西吉县，震级5.5级。最大震级为1920年12月16日发生的海原大地震，震级为里氏8.5级。

2 地质选线

2.1 主要比选方案介绍

根据地形地貌、地质特征、线路走向、越岭隧道长度、坡度及轻重车方向等方案研究，重点研究了以下4个方案(见图1)。

(1)预可方案

线路出新李站后与既有线并行，于石咀子村折向北连续设贺龙沟隧道、韩家堡隧道、喜沟湾隧道，设彭阳站，后设新六盘山隧道穿越山区引入固原站。

(2)均衡坡东方案

该方案为预可方案向西侧(即喜沟上游)偏移，采用隧道工程通过喜沟，连续设贺龙沟隧道、韩家堡隧道，出洞以双线特大桥跨茹河设置彭阳站，后设新六盘山隧道穿越山区引入固原站。

(3)均衡坡中方案

线路出新李车站后与既有线并行，至安国镇车站折向北，设贺龙沟隧道，出洞后设彭阳站，再以特大桥跨茹河，后设新六盘山隧道穿越山区引入固原站。

(4)均衡坡西方案

线路与既有线并行，经安国镇站后以桥路工程沿颉河北岸足坡向西，于蒿店乡西北折向北，设新六盘山1号隧道，后以彭阳特大桥从乃家河水库上游跨越，设置彭阳车站;后设新六盘山2号隧道穿越山区引入固原站。

2.2 各方案工程地质条件评价

(1)预可方案

图1 宝中铁路增建二线六盘山区方案必选示意

该方案通过黄土梁峁区，贺龙沟隧道，韩家堡子隧道，喜沟湾隧道洞身通过地层主要为第四系中上更新统黏质黄土、砂质黄土、第三系泥岩;新六盘山隧道穿行于白垩系下统泥岩夹砂质泥岩、泥灰岩地层中，并以小角度与蒿店断层相交，通过破碎带宽度达650 m。韩家堡子隧道出口及喜沟湾隧道进口段位于喜沟，设喜沟湾中桥。喜沟两岸大范围发育滑坡群，滑坡多为多期次深层大型滑坡，根据推测，滑体厚度最大达30 m，目前滑坡仍处于欠稳定或不稳定状态。最近一次滑动发生于1992年，滑体上村庄全部搬迁，工程地质条件极差，线路不宜在此通过。

(2)均衡坡东方案

该方案向喜沟上游偏移，线路沿线通过地层岩性与预可方案基本相同。在喜沟处，以隧道工程通过，避开了喜沟滑坡群，但轨面距沟心距离仅17 m，沟心出露为软塑至流塑状黏性土，工程性质极差，施工风险大。隧道下穿沙河后从羊坊平河右岸出洞，主要穿越第四系黄土沟梁区，以总长约2 450 m的隧道形式下穿宽阔河谷区，埋深浅，仅20～30 m。洞身地层主要以饱和碎石类土为主，其余段落隧道洞身地层主要为第四系黄土，第三系砂岩、泥岩，围岩整体性差。据统计，东方案隧道埋深小于60 m的段落长度达8.9 km左右，整体工程地质条件差。

(3)均衡坡中方案

该方案将贺龙沟隧道进口左移，绕避了安国断层，同时完全避开了黄土塬区滑坡群，隧道洞身主要位于白垩系下统泥岩夹砂质泥岩、泥灰岩及第三系泥岩中，与预可方案和东方案相比，地质条件明显好转。但是贺龙沟隧道进口段为黄土质隧道，并不可避免经过成岩极差的第三系砂岩、泥岩地层;新六盘山隧道以小角度经过蒿店断层，断层带含水量较大，围岩差，断层破碎带宽度达650 m。周庄水库位于贺龙沟隧道下游，距离约900 m，乃家河水库位于贺龙沟隧道出口上游和新六盘山隧道进口上游，距离约1 100 m，存在隧道渗、漏水的风险，整体工程地质条件一般。

(4)均衡坡西方案

该方案线路顺颉河左岸一级阶地后缘及斜坡前缘接触带附近通过，且多次跨越颉河支沟的泥石流沟，对桥路工程设置方案影响较大。但是隧道工程完全避开了安国断层和蒿店断层，以路桥工程通过;以特大桥通过迺河水库上游，消除了隧道工程水库渗漏的风险。隧道洞身大部分位于白垩系下统泥岩夹砂质泥岩、泥灰岩中，隧道埋深大，整体工程地质条件较好。

3 主要工程地质问题

线路行走于六盘山东侧小关山地区，沿线通过低中山区、黄土梁峁沟壑区及河谷阶地区等几个地貌单元，通过范围广，地形起伏大、构造发育，特殊性岩土及不良地质等工程地质问题较多。

3.1 特殊性岩土

(1)黄土

黄土分布于隧道出口段，经取样试验及湿陷计算，综合分析该黄土自重湿陷量为19～51 cm，总湿陷量为27～83 cm，具Ⅱ～Ⅳ级自重湿陷性，湿陷深度7～16 m。黄土层中隧道围岩易坍塌，洞口削方易引发工程滑坡。

(2)膨胀性岩土

第三系泥岩、砂质泥岩，为泥质胶结，成岩极差，饱和抗压强度0.90～1.30 MPa，天然抗压强度0.45～5.45 MPa，属极软岩，具弱膨胀性，隧道围岩易坍塌。

3．2 不良地质

(1)滑坡

工作区内滑坡主要分布于东侧黄土梁峁沟壑区，沟梁相间，冲沟下切严重，滑坡多沿冲沟两侧及塬边发育。向西侧靠近既有线方向，多发育基岩滑坡。总体来看，滑坡规模大，沿沟谷呈带状分布，连续成群，稳定性差，部分近期还在活动，如喜沟两侧大范围发育黄土滑坡群。

(2)泥石流

泥石流主要发育于颉河及其支流，沟心陡峻，两侧自然山坡陡峻，坡面裸露，出露岩层为泥岩、泥灰岩、砂岩、页岩，岩质软，风化严重，坡面表层普遍覆盖有角砾、碎石等基岩风化物，提供了较为丰富的碎屑物质，雨季时地表径流汇聚成峰，携带固体物质直冲而下，形成泥石流。沟口洪积扇明显，对选线影响较大。

3.3 地质构造

区域内地质构造较发育，线路应尽量绕避或大角度以桥梁、路基工程通过，隧道工程应避开断层破碎带。隧道顺褶曲构造轴线布置时，宜绕避褶曲轴部破碎带，选择在地质条件较好的一侧翼部通过。

(1)断裂构造

安国断层为压性逆断层，产状N10°～20°W/60°S，垂直宽度约120 m，断带物质为断层角砾及断层泥。西方案、中方案以路桥工程通过。

蒿店断层南起蒿店以南，北至乃家河以北，全长约47 km，为压性逆断层，走向为北北西向，产状N13°W/60°S，最大垂直断距700 m，切割白垩系及第三系地层，断层破碎带宽度约300 m。预可方案、东方案、中方案均以隧道形式通过该断层。

(2)褶皱构造

区内褶皱发育，由一系列北西－南东向互为平行或羽状排列的短轴背斜、向斜构成。褶皱多为南西翼缓(倾角一般为 10°～45°)，北东翼陡(倾角 20°～50°)，两翼不对称，东翼较陡，西翼平缓。东方案及中方案经过小关山背斜轴部，西方案线路经过开城北面河背斜轴部。

3.4 上第三系砂岩

根据宁夏区域地质志，本区上第三系地层为以湖相夹河流相为主的红色碎屑岩建造，为一套淡红色、杂色的细砂岩及泥岩。与方案相关的上第三系砂岩主要出露于黄土塬与山岭过渡带，以上各比选方案中有局部段落通过该地层。

据调查，该上第三系砂岩具有泥质弱胶结、成岩性差、强度低等特点。由于其复杂的水稳特性，在无地下水地段，围岩整体稳定性较好;在含地下水地段，砂岩遇水后结构迅速破坏，稳定性变差易产生变形，施工扰动后多呈粉细砂状，地下水富集段拱部及边墙围岩收敛、变形、坍塌严重。兰渝铁路某隧道工程遇到上第三系砂岩地层，产生极大的施工难度，选线中应尽可能绕避。

3.5 水库渗漏

六盘山区分布有多处水库，主要为防洪和灌溉功能，部分水库距离线路较近，线路轨面高程均低于水库蓄水位高程，施工期间隧道存在一定的涌水风险，运营期间有隧道渗、漏水的风险，且存在水库水位下降等风险。因此，选线应尽可能绕避，并要做好水库与隧道间水力关系分析，并做好隧道的防、排水设计，施工期间加强超前地质预报，以防止隧道在开挖过程中发生涌水。

3.6 土石界面

主要位于隧道出口的浅埋地段。上覆为湿陷性黄土，下伏第三系砂、泥岩，下白垩系泥岩、页岩;接触界面较平缓，线路通过接触界面段落较长，沿接触界面有地下水渗出。如前节所述，受地下水影响，黄土及第三系砂岩都将产生严重的工程地质问题，影响施工进度。

4 结论

通过对上述4个方案的工程地质条件进行比较，均衡坡西方案以两座特长隧道穿行于六盘山基岩山区，以桥涵及路基工程通过安国断层、篙店断层，使隧道躲避了主干断裂的影响;同时避开了东部黄土区滑坡群等不良地质和多处水库，并以特大桥通过迺河水库，消除了渗漏的风险;隧道洞身主要穿行于岩性单一的白垩系地层，仅在固原附近隧道出口段不可避免地穿越第三系砂岩、泥岩，以及第四系黏质黄土、圆砾土层;线路以特长隧道通过六盘山区，洞口少，浅埋段短，在新构造运动活动强烈、地震频发的六盘山地区，铁路工程的修建和运营风险明显降低，工程地质条件最优。

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