阿尔金山地区主要地质问题分析与铁路选线对策

赵 文

(陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院)，陕西 西安 710043)

新建格尔木至库尔勒铁路为《十二五综合交通运输体系规划》建设项目，线路东起青海省格尔木市，沿昆仑山北麓、柴达木盆地南缘西行，进入新疆境内，然后线路穿越阿尔金山，经米兰、若羌，沿塔里木河西抵库尔勒市。

阿尔金山为塔里木盆地和柴达木盆地的界山，整体呈NEE走向，由6条平行的山脉组成，山脉全长约700 km，宽约60～100 km，海拔多在 4 000 m 以上，西高东低，北坡高差大[1]。整个阿尔金山地区气候干旱，植被贫乏，无常年流水河流。

格库铁路经过的阿尔金山巴什考拱越岭地区，自然条件恶劣、地形复杂、地层古老、地质构造复杂，涉及众多工程、水文地质以及环保问题。该铁路为客货共线的非高速铁路，区域地质问题对线路方案的选择及工程的设置有较大影响，线路方案的合理性及工程施工、运营的安全对地质选线提出了较高要求。

1 阿尔金山地区地质特征

1.1 地形地貌

阿尔金山地区越岭地段主要由山脉及山间盆地构成。大致可以分为3个微地貌单元：索尔库里盆地、乙亚加拉克山挤压山区和巴什考拱盆地。

1.2 地层岩性

主要出露第四系全新统冲洪积粉土、砂类土、碎石类土，第三系砾岩、砂岩、泥岩，元古界蓟县系白云岩、灰岩、片岩、千枚岩、石英岩，并出露有小面积华力西期辉长岩及花岗岩[2]。

1.3 地质构造

格库铁路位于塔里木—中朝板块内，越岭地段主要穿越阿尔金山断隆次级构造单元。阿尔金山断隆位于塔里木东南缘，是由阿尔金山南缘断裂为界、阿尔金山西北缘—北山剪切断裂系和红柳沟—拉配泉断裂所围的地块[3]。断块区以太古宙麻粒岩为基底[4],古元古代和中元古代沉积，蓟县纪末受阿尔金山运动聚合碰撞成山，后以剥蚀为主，局部间有沉积盆地，多受岩浆岩侵入。细部构造可划分为巴什考拱盆地、乙亚加拉克山—冰沟南隆起区、索尔库里盆地沉降区三大次级构造单元，如图1所示。

注：Ⅱ2为巴什考拱盆地；Ⅱ3为乙亚加拉克山—冰沟南隆起区；Ⅱ4为索尔库里盆地。图1 区域大地构造分区

阿尔金山地块地质演化十分复杂，断裂构造的形成和演化也具有长期性和性质多变的特点[5]。

其中越岭长隧道所经过的区域，以额兰塔格复向斜为中心，核部位于第一槽谷内，东南翼(花土沟端)发育次级背斜，西北翼(若羌端)断裂发育；断裂构造随地形发育，沿山前、槽谷两侧发育较大断裂，山脊及盆地内发育其它次级断裂；节理密集带因多期次构造运动在山体内十分发育，多与褶皱、断层伴生。

1.4 水文地质

越岭地区位于阿尔金山脉中段，属青藏高原寒带气候区，海拔高度对气温的影响已超过纬度，春冬季节山区常有降雪。以越岭长隧道所在乙亚加拉克山山脊为界，分为岭南、岭北2大独立流域系统。东南侧地表融雪水汇入索尔库里盆地内小型咸水湖；西北侧地表水通过支流汇入红柳沟，到山前戈壁消失。区域内除距离洞身较远的红柳沟为常年流水外，其余均为季节性冲沟； 红柳沟主要由区内木孜布拉克、巴什布拉克等主要的泉水汇集而成，全长40 km，流量较小，距离主要越岭长隧道洞身约10～13 km。

2 格库铁路阿尔金山地区主要地质问题

2.1 越岭长隧道主要工程地质问题

2.1.1 岩溶

阿尔金山靠近索尔库里盆地的南侧发育白云岩段落，地表普遍存在轻微的古溶蚀现象，多为溶蚀坑、槽。局部有小型溶洞，直径小于1 m，规模相对较小，基本无充填，工程设计时可暂不考虑岩溶对工程的影响，待施工中根据揭露情况针对性处理。

2.1.2 高地应力

根据附近深孔地应力测试结果，最大水平主应力11.25～22.18 MPa。洞身埋深大于500 m的白云岩、石英岩段落，岩质坚硬。岩石饱和抗压强度30.8 MPa，岩石饱和抗压强度与最大主应力之比小于4，属极高应力区。隧道开挖过程中围岩出现岩爆的可能性大。隧道通过的部分千枚岩、片岩、断层破碎带地段，由于岩性本身松软、局部可能含水，因而具有塑性大、强度低的特点。在埋深较大地段，当围岩中处于高应力水平时存在塑性变形的可能[7]。

2.1.3 顺层

隧道进出口岩层走向大致呈NEE向展布，但岩层受到剧烈的褶皱和多期断裂作用，岩层产状变化较大。局部岩层走向可能与隧道轴线小角度相交或近于平行，这些段落开挖易引起顺层滑动。

2.2 引线部分主要工程地质问题

2.2.1 含盐地层

含盐土层主要分布索尔库里盆地靠近阿尔金山山前地段和巴什考拱盆地残丘上部，岩性多为洪积碎石类土，上部粉土含量较高，局部富集窝状石膏，含盐类型以硫酸盐、亚硫酸盐渍土为主，强度等级弱～中，局部段落含盐超限土层厚度为0.05～0.25 m。

2.2.2 膨胀岩

索尔库里盆地靠近隧道进口地段地层为上第三系泥岩夹砂岩，泥岩自由膨胀率为38%～58%，蒙脱石含量6.0%～9.9%，阳离子交换量7.7～12 mmol/kg，判定泥岩具弱膨胀性。

2.2.3 顺层

靠近巴什考拱低中山区地层以千枚岩、片岩、石英岩为主，岩层走向EW-NEE向，倾角50°～80°，岩体破碎。部分地段岩层走向与线路呈小角度相交，路堑开挖宜形成顺层溜塌。

2.2.4 泥石流

2.3 沿线水文地质问题

2.3.1 工程防排水

断层带和灰岩、白云岩地段，可能存在溶洞、溶腔等，极易发生坍塌、冒顶、突水等问题。勘察中应尽可能在物探基础上进行钻探验证，隧道纵坡设计宜采用“人”字坡和平导排水；施工中，应增加超前钻探及物探工作，加强地质预报，做好通过岩溶断层破碎带及背斜核部时突然涌水的应急措施，除加强超前地质预报工作外，备好抽排水等必要的设施，以防突然涌水、涌砂等地质灾害的发生，保证施工安全。

2.3.2 施工用水

索尔库里盆地地下水分布极不均匀，高山融雪水主要沿洪积扇某一通道径流。该段施工生活饮用水建议从茫崖镇大河坝水源地或花土沟镇运水。阿尔金山至望塔，该段地表水和泉水矿化度为4～5 g/L，地表水、地下水匮乏，无开采利用价值，隧道排水及地表水可作为工程用水。

2.4 环境地质问题

阿尔金山国家级自然保护区是我国第一个兼有高原生态类型，以保护特有物种为主的自然保护区。格库铁路通过的巴什考拱垭口区属于保护区的实验区，环保要求严格，环境地质问题突出[9]。重点关注野骆驼息栖地和饮用水源地。越岭选线要充分考虑工程建设可能对野生动物保护的影响，隧道要充分考虑地表水体与隧道的关系，预判隧道施工对地表水体的影响。

3 格库铁路选线对策

由于越岭长隧道及两端引线是一项不可分割的系统工程，在线路方案选择和优化过程中，我们始终贯彻了两者统一研究、综合考虑的原则，既重视对特长隧道越岭地段工程和水文地质条件的研究，又重视两端引线段控制线路方案选择的主要工程地质问题的落实[10]，下面将线路方案研究中提出的地质选线原则综述如下:

1)阿尔金山地区地质构造十分发育，线路通过区域性深大断裂带时应以一般简单工程、大角度短距离通过。避免在断裂密集地带迂回展线或设置重大工程。必须穿越时，应在铁路可能通过范围内，选择相对稳定的地块大角度通过。

2)阿尔金山地区地层受地质构造作用影响较大，岩体破碎，沟谷选线宜避开陡峻山坡，避免岩层不利结构面倾向线路的长大挖方工程；线路应避免在高陡山坡、悬崖峭壁下引线，避开落石发育地段。避免在陡缓交界处设置路基高边坡及大型挡护工程。

3)线路通过泥石流沟时，应以大跨度桥梁、明洞或隧道通过。跨越时应避开急弯部位和沟床纵坡变化点，并留有足够的净空和孔跨，应根据泥石流通过的需要量和淤积厚度确定。

4)越岭长隧道的选择对越岭地区的综合选线起控制性作用，在相同工程地质、水文地质条件下，降低工程风险、确保安全运营应重点考虑；引线部分的选择应考虑绕避大型不良地质、降低工程风险、节省投资、缩短运营时间等因素。

5)由于阿尔金山地区历经多期多次构造运动，岩体破碎，对于可能引发顺层问题的段落，工程应尽量避免深大挖方，必须通过时应设置工程防护措施。

6)阿尔金山地区由于地质构造活跃，对于硬质岩的完整性要认真研究，尤其是隧道围岩划分时，以免施工时再重大变更。

7)关注生态保护，对保护区内野生动物息栖地和饮用水源地应进行绕避，野生动物通道应留足空间。

4 结论

1)阿尔金山地区越岭地段地层古老、岩性复杂，断裂构造发育，影响线路方案选择的地质因素多，在多阶段地质工作的基础上开展越岭地段地质选线工作非常重要。

2)在低速铁路的选线过程中，坚持越岭长隧道和引线部分协同考虑的基本原则；对重大的不良地质问题应以绕避为主；对无法躲避的环境地质问题，应采取避重就轻的原则，尽量降低工程风险和难度，尽量减小对环境的影响。

3)格库铁路阿尔金山地区地质选线工作重点在伊吞布拉克至巴什考拱段。最终推荐方案其岭南、岭北引线部分不良地质、特殊岩土等工程地质问题不发育，越岭长隧道走向与区内主要构造线大角度相交，方案整体工程地质条件较好，对环境影响较小。

4)阿尔金山地区工程建设时，首先要研究区域地质环境背景，考虑地表水与地下水的水力联系，防治工程建设对水环境造成破坏；充分关注燕山期以前侵入岩，因为该套地层遭受多期多次构造影响，岩体完整性差，可能对隧道围岩划分产生较大影响；另外还要考虑该区野骆驼及其他野生动物的保护，要充分考虑生存环境对于野生动物保护的重要意义。