西宁至成都铁路拉脊山越岭段主要工程地质问题及地质选线

季 备

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

1 工程概况

新建西宁至成都铁路位于青海、甘肃、四川三省交界地带。走行于青藏高原东部边缘与黄土高原过渡地带，整体呈南北走向，北起青海省东北部的西宁盆地，向南经祁连山、穿秦岭、跨若尔盖草原、抵岷山山脉，于四川省松潘县黄胜关站与成兰铁路接轨。全线地形地质条件极为复杂。

结合新西成铁路拉脊山越岭段(西宁至尖扎)地质勘察工作，对该区域的主要工程地质问题进行分析，比选研究了西线(CK)、中线(IICK)、东线(C25K)等3个走向的线位方案，提出地质选线定线技术原则。

2 自然地理及地质特征

2.1 自然地理特征

拉脊山越岭段及其引线地貌多样，从西宁至尖扎主要为湟水河谷平原地貌、黄土红岩低中山丘陵地貌(梁状、梁峁状)、拉脊山中山侵蚀地貌及黄河河谷平原地貌。湟水河谷平原地貌位于西宁盆地湟水河谷区，东西展布，地形平坦开阔，高程2 170～2 220 m，相对高差10～50 m。黄土红岩低中山丘陵地貌分布于拉脊山南北两侧，海拔3 000 m以下，分布于西宁、化隆盆地边缘至河谷区之间。拉脊山中山侵蚀地貌海拔多3 000 m以上，相对高差多大于500 m，山体坡度40°以上，沟谷多为深切的“V”形谷，跌水陡坎众多。黄河河谷平原地貌位于化隆盆地黄河谷地。

全区为冬寒夏凉半干旱大陆性高原气候，各气象要素的年、日变化各地区差异较大，在垂向上随着地势增高降水量逐渐增大，而气温、蒸发量则逐渐减少。

2.2 地质特征

拉脊山越岭及其引线地段主要通过祁连地槽褶皱系Ⅰ级地质构造单元，分属于中祁连陆块、拉脊山早古生代褶皱带、南祁连陆块等3个二级构造单元，西宁盆地、化隆盆地等2个三级构造单元(表1)。其中，西宁盆地地层以新近系至侏罗系砂岩、泥岩及砾岩为主。化隆盆地地层以新近系至古近系砂岩、泥岩及砾岩为主。拉脊山褶皱带地层以志留系至震旦系火成岩及变质岩为主。

表1 地质构造单元划分

西宁盆地是在祁连山陆块中间隆起带东段发育起来的中、新生代内陆断陷盆地，具有双层结构，由基底和盖层组成。盖层为中、新生代地层，分布广，厚度大，产状平缓，褶皱开阔。化隆盆地位于青藏高原东北缘，处在青藏高原与黄土高原交接地带，大地构造位置属于祁连造山带与西秦岭造山带结合部，沉积有巨厚层的山麓相-河湖相沉积岩。

2.3 主要工程地质问题

新西成铁路主要工程地质问题为白垩系-第三系弱胶结砂岩、深大断裂、滑坡、崩塌、泥石流、地震灾害等。

2.3.1 白垩系-第三系弱胶结砂岩

参考兰渝铁路桃树坪、胡麻岭隧道“桃胡砂岩”工程实例[1-4]，白垩系-第三系弱胶结砂岩在原始状态下密实度、承载力和变形模量高，一经开挖扰动，遇水就变为松散，工程性质迅速恶化，开挖后多呈粉细砂状，围岩变形、坍塌严重，稳定性极差，涌水、涌砂[5-6]，被中科院地质所定为工程性质很差的劣质岩。本线西宁盆地、化隆盆地中新生代中深孔钻探中也揭露有类似地层。本文主要从沉积岩相、地质构造、岩性结构、地下水富水性等方面，详细分析了西宁盆地“桃胡砂岩”的分布及其工程地质特征。

晚白垩系从南至北依次为冲积扇相、咸水湖砂岩-泥岩相、盐湖泥岩-芒硝岩相。

古近系从南至北依次为咸水滨湖泥岩-砂岩相，咸水浅湖砂岩-泥岩相。

地层整体表现为从拉脊山往北，颗粒变细。其中白垩系以砂砾岩为主，古近系以泥岩为主。

通过对勘察成果的分析，白垩系-第三系砂岩多以互层的形式出现，且砂岩根据黏土矿物的含量及胶结情况，其工程性质差异较大，具体分述如下。

(1)泥钙质基底胶结式砂岩：此种砂岩黏粒含量大，岩体有效孔隙率较低，水一般不宜进入岩体，此种砂岩多不含水，水稳性尚可。

(2)泥钙质孔隙胶结式砂岩：此种砂岩黏粒含量稍低，砂颗粒之间为颗粒支持结构，颗粒之间空隙多为泥质、钙质矿物充填，根据胶结不同，性质差异较大。

(3)泥钙质接触胶结式砂岩：此种砂岩一般质地较纯，砂颗粒之间为颗粒支持结构，胶结物主要分布于碎屑颗粒接触地带，颗粒之间空隙无充填，该层水稳性较差，类似兰渝线的“桃胡砂岩”，饱水的情况下，受扰动后，工程性质急剧变差，易产生流砂问题，岩芯多呈砂土状。干燥情况下，岩芯可成柱状，但遇水浸泡后，一般3～5 min后软化流变。

总体而言，砂岩根据黏土矿物的含量及胶结情况，其工程性质差异较大。泥钙质接触胶结式砂岩干燥情况下，岩心多呈柱状，Ⅳ～Ⅴ围岩为主，含地下水时由于水稳性极差，扰动砂化，岩芯多呈砂土状，Ⅵ围岩。如T1SZ-18、C1SZ-1号孔均位于褶皱等储水构造部位，弱胶结砂岩中多含承压水，岩芯成砂土状，见图1、图2。

图1 T1SZ-18易砂化砂岩

图2 C1SZ-1易砂化砂岩

2.3.2 深大断裂

(1)拉脊山北缘断裂：断层东西走向，倾向南，倾角54°～79°不等，逆断层，破碎带宽250～400 m。钻探揭示，古近系地层被上部老地层覆盖，表明断层第三系后进行了逆冲推覆，为第三系活动性断层。

(2)头淌河—巴汗村大断裂：走向东西，倾向北，倾角55°，逆断层，破碎带宽50～80 m。根据区域资料显示，F2断层生成于加里东旋回早期，燕山及喜马拉雅等旋回亦有剧烈活动。

(3)拉脊山南麓大断裂东段：断层走向东西，倾向北，倾角50°～70°，逆断层，破碎带宽约150～300 m。根据区域资料显示，断层生成于加里东期，在华力西期、燕山期及喜马拉雅期又不同程度的复活。

2.3.3 滑坡、错落、泥石流

沿线滑坡、错落、泥石流等主要分布于西宁、化隆盆地黄河及支流沟谷斜坡地带(图3，图4)。该段地层主要为第四系松散覆盖层及成岩作用较差的新近系岩层，受青藏高原间断性抬升影响，斜坡底部受河流冲刷严重，滑坡、错落、泥石流多见。对线路方案影响较大，应尽量予以绕避，尤其是大型滑坡发育地段。

图3 夏琼寺滑坡群

图4 曲家沟滑坡群

如西方案中黄河左岸夏琼寺滑坡群，中方案曲家沟右岸滑坡群，多为成群分布、规模巨大，处理及其困难。根据调查成果，对线路方案进行了优化，已绕避所有大型滑坡群。

2.3.4 地震灾害

本区临近河西走廊地震带、兰州天水地震带及六盘山地震带等多个大型地震带，有史料记载以来的地震活动频繁，较大的地震就有多次。如2016年1月21日青海门源6.4级地震、1990年4月26日青海黄南州共和县7级地震、1976年8月松潘两次7.2级地震、1964年4月19日青海玛多7级地震等。

3 地质选线基本原则

鉴于新西成铁路拉脊山越岭段地形地质条件复杂，隧道长度大，工程艰巨。在勘测和设计过程中，在大面积区域地质调绘的基础上，应做好多方案的比选。主要坚持以下复杂地质山区的基本选线原则。

(1)区内白垩系-第三系弱胶结地层发育，尤其以弱胶结砂岩水稳性最差，参考兰渝线胡麻岭、桃树坪隧道施工工程经验，越岭段隧道应尽量避开弱胶结厚层状砂岩地层，尤其是向斜核部等地下水发育地段，选择厚层状泥岩或砾岩中通过。

(2)区内区域地质构造复杂，区域深大断裂发育， 地震活动频繁，线路尽可能短距离、大角度且以简单工程类型通过断裂带[7-9]。

(3)线路应绕避巨型、大型滑坡及错落。线路应绕避发育旺盛期的特大型泥石流沟等，跨泥石流沟建筑物应有预留足够的水流通道，隧道下穿泥石流沟时应预留足够的抗冲刷顶板厚度[10-13]。

(4)区内水文地质条件复杂， 尤其是地下水对白垩系-第三系弱胶结砂岩的影响巨大，隧道应尽量避免走行于向斜核部等储水构造部位。

4 线路方案比选

线路方案主要研究了东、中、西三个走向方案(图5)。

各方案均近南北向垂直穿越拉脊山。影响方案工程地质条件的主要地质因素为：白垩系-第三系弱胶结地层分布长度，尤其是弱胶结砂岩段的分布长度、越岭隧道硬质岩长度、围岩情况、中新生代向斜核部等储水构造发育情况等。各方案中-新生代弱胶结软岩(晚白垩系至新近系弱胶结砂、砾、泥岩)及前侏罗纪硬岩分布特征见表2。

西方案越岭隧道进口地形平缓，埋深较浅。洞口及斜井施工条件较好，交通方便。隧道埋深相对较小，辅助坑道设置条件相对较好。越岭隧道拉北断层以北均走行于中新统地层中，为冲积扇砂砾岩相，线路整体走行于丹麻向斜西翼，地层岩性以砾岩为主，局部夹泥岩、砂岩，隧道围岩Ⅳ～Ⅴ为主。拉南断裂以南隧道洞身均走行于上新统地层中，为冲洪积含泥砾岩相，构造位置位于化隆向斜核部及其北东翼，具备储水构造的特征，尤其是向斜核部，可能分布有含承压水弱胶结砂岩(砂层)。隧道围岩Ⅳ～Ⅴ为主，富水弱胶结砂岩段，参考“桃胡砂岩”，围岩为Ⅵ级。拉南、拉北断裂之间为震旦系及前震旦系基底、寒武纪-志留纪巨厚的中基性-中酸性的火山碎屑岩，同时在地槽带侵入相当规模的超基性岩，隧道围岩Ⅲ～Ⅳ为主。岭北引线位于拉脊山北麓山前低中山区，以隧道、桥梁为主；岭南引线位于拉脊山南麓山前低中山区，以隧道工程为主。两端引线工程隧道长度大，尤其是岭南地区，均走行于第三系、白垩系弱成岩地层。

图5 地质构造及中、东、西方案走向示意

方案主隧道长度/m引线隧道长度/m隧道总长度/m主隧道硬岩长度/m引线隧道硬岩长度/m主隧道弱胶结岩长度/m引线隧道弱胶结砂岩长度/m弱胶结砂岩总长度/m软岩比例/%西方案143764651260888800044008376401124848879.63东方案28245265805482510100480018145217803992572.82中方案2826919164474335465440022804147643756879.20

中方案越岭隧道洞口与其斜井施工条件较好，交通较方便。隧道埋深较大。越岭隧道拉北断层以北走行于白垩系冲积扇砂砾岩相及扇尾砂岩相，岩性以砾岩为主，局部夹砂岩，砂岩分布不规律，该段分布于北西向黎明向斜与石灰窑-拉树岭背斜之间，具备储水构造的特征，隧道围岩Ⅳ～Ⅴ为主。拉南断裂以南隧道洞身均走行于上新统贵德组地层中，IICK55+500段以前为冲洪积含泥砾岩相，岩性以砾岩为主，夹泥岩，IICK55+500段以后位于砂岩-泥岩相，构造位置位于化隆向斜核部及其北东翼，具备储水构造的特征，隧道围岩Ⅳ～Ⅴ为主。拉脊山越岭段震旦系至寒武系地层，隧道围岩Ⅲ～Ⅳ为主。引线工程于小峡背斜东翼，硝沟处揭露有承压水，含水砂岩层岩芯成砂土状，Ⅵ级围岩。

东方案越岭隧道洞口及斜井施工条件较好，交通方便。除了岭脊段埋深大外，其余段埋深相对较小。拉北断裂以北越岭隧道基本走行于第三系至白垩系地层中，第三系地层泥岩为主，白垩系地层为砾岩、砂岩及泥岩。该方案于山城-条岭背斜东北翼揭露有含封闭型承压水砂岩层，岩心呈砂土状，厚约20 m，为隧道洞身上部。该段隧道围岩Ⅳ～Ⅴ为主，含水砂岩段为Ⅵ级。拉脊山越岭段为寒武系-泥盆系地层，隧道围岩Ⅲ～Ⅳ为主，拉南断裂以南地层以新近系砾岩、泥岩、砂岩为主，地下水不发育，隧道围岩Ⅳ～Ⅴ为主。引线段昂思多及群科隧道位于尕鲁凸起西侧，受尕鲁凸起的影响，发育承压水的可能性小，该段隧道围岩Ⅳ～Ⅴ为主，含水砂岩段为Ⅵ级。

整体而言，西方案越岭段隧道最短，但引线工程隧道较长，隧道软岩段落大。中方案和东方案越岭隧道长度相当，但中方案勘测期间揭露有较大承压水，对线位方案影响较大，不可控因素较多。东方案整体而言硬岩段落长，未揭露明显承压含水层，该方案整体较优。

5 结论

新西成铁路拉脊山越岭段位于青藏高原东北部，处于古亚洲构造域、特提斯构造域和滨太平洋构造域复合叠加的构造部位。区内地形地质条件复杂，尤其是含水弱胶结砂岩的分布对方案影响巨大。参考兰渝线“桃胡砂岩”工程经验，含水弱胶结砂岩隧道施工异常复杂，是一个世界性施工技术难题。在对三个通道方案进行详细的地质调查、深孔钻探、物探等测试工作后，在充分参考兰渝铁路工程经验的基础上，提出了拉脊山越岭段选线定线的技术原则，选取了地质条件具有优势的东线方案。