西宁至成都铁路同仁至甘加越岭段工程地质问题及地质选线

柏 青

(陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院),西安 710043)

引言

新建西宁至成都铁路是纳入国家《中长期铁路网规划》的项目，是连接青海、甘肃、四川三个西部省份的重要铁路通道，也是路网性干线铁路。该项目的建设将打通北连新疆、南通四川的铁路运输大通道，连接西北铁路网、西南铁路网和华南铁路网，推进丝绸之路经济带的建设，加强经济带的辐射效应，带动西部整体区域经济快速发展，增强民族团结。

该铁路新建长度约509 km，勘测分为四队，本文依托于铁路勘测二队，工作范围为同仁至夏河。其中同仁至甘加越岭段位于青海、甘肃两省交界地带，地貌属秦岭中高山区，山势陡峻，不良地质发育，地质条件复杂，地质选线工作难度极大，因此有必要对其开展研究工作。当前铁路地质选线研究采用定性方法已取得较多成果，但对通过建立数学模型进行方案比选的研究较少[1-9]。本文将首先研究该区域的主要工程地质问题并确定其影响因素，然后确定建模参数，构建灰色关联法与变权理论融合的数学模型，对多种地质选线方案进行综合比选，确定最优的方案。

1 越岭段比选方案

越岭段主要比选方案详述如下。

方案C25K：线路从比较起点引出，以桥隧工程引线至同仁县城西设同仁车站，出站后以35.5 km特长隧道穿越瓜什则山岭，出隧道后设甘加车站引线至比较终点，线路全长76.0 km。

方案C24K：线路从比较起点引出，以桥隧工程引线至隆务河峡谷区沟口，在同仁县保安镇附近设站，出站后以24.5 km特长隧道穿越瓜什则山岭，出隧道后设甘加车站引线至比较终点，线路全长69.0 km。

方案ICK：线路从比较起点引出，以桥隧工程引线至隆务河峡谷区沟口跨越羊子河、隆务河，在同仁县保安镇附近设站，出站后以23.0 km特长隧道自东侧穿过瓜什则盆地，出隧道后设甘加车站引线至比较终点，线路全长75.0 km。

各方案参见图1。

图1 铁路地质选线方案示意

2 越岭段主要工程地质问题

2.1 软岩大变形

越岭段地质构造复杂、新构造运动强烈、隧道埋深大、地应力高，岩性以薄层软质岩为主，施工中可能发生软岩大变形，是目前山区铁路隧道建设的一大难题[10-12]。兰渝铁路木寨岭隧道、哈达铺隧道、马家山隧道围岩为三叠系板岩，岩质软，遇水易软化、崩解；构造以薄层状为主，片理面发育，层间结合差；受构造影响较重，揉皱现象发育；区域地应力高，其中木寨岭隧道实测最大水平主应力达到27 MPa，岩石强度应力比为0.2～0.5，属于极高地应力[13]，上述隧道在施工中均发生了围岩大变形，变形量大、变形时间长、初期支护难以稳定[14-15]。经过统计，兰渝铁路在三叠系地层的隧道开挖共32.2 km，围岩变更20.5 km，变更占比63.2%。

本文研究区与兰渝铁路相邻，同属于秦岭褶皱系，三叠系地层分布广泛，因此兰渝线勘察、设计及施工经验对于评价研究区软岩大变形问题有重要借鉴价值。通过研究兰渝铁路的经验及现场勘察资料，控制软岩大变形级别的主要因素包括岩性、岩体完整程度、板岩层厚、强度应力比、地下水等。

(1)岩性

对于是否产生大变形以及产生大变形的程度，岩性是一大控制因素[16]。就本文研究区而言，岩性主要包括板岩的成分及其在岩层中的比例。

研究区通过的三叠系地层均以板岩为主，板岩分为粉砂质板岩、泥质板岩。粉砂质板岩岩质较软，层厚一般为5～10 cm(中薄层)；泥质板岩岩质软，层厚一般为0.2～3.0 cm(极薄层-薄层)。

砂岩等夹层较板岩岩质较硬，是抵抗大变形的有利因素。其比例越高，软岩大变形的风险就越低。

根据上述分析将三叠系下统隆务河组地层进一步分为上、中、下三段。上段以泥质板岩为主，夹中厚层砂岩，板岩与夹层比例约8∶2；中段地层以粉砂质板岩为主，砂岩较少出露，板岩与夹层比例约9∶1；下段地层以砂岩为主，夹粉砂质板岩、泥质板岩，板岩与夹层比例约4∶6。

(2)岩体完整程度

岩体完整程度分为完整、较完整、较破碎、破碎和松散。其中较破碎、破碎岩体大变形的风险较高，较完整、完整岩体发生大变形的风险较低。三叠系下统隆务河组地层的岩体完整程度以较破碎为主。

(3)层厚

层厚是控制软岩的大变形的重要影响因素[17]，并且与岩性具有一定的相关性，例如砂质板岩一般层厚较大，泥质板岩层厚较小。根据西成线板岩形态特征，共划分为极薄层(<1 cm)、薄层(1～3 cm)、中薄层(3～10 cm)、中厚层(10～50 cm)四个等级。层厚越薄，软岩大变形的风险越高。

(4)强度应力比

强度应力比是判断是否存在高地应力的重要指标，当强度应力比小于0.3～0.5时，即能产生比正常隧道开挖大1倍以上的变形。此时洞周将出现大范围的塑性区，随着开挖引起围岩质点的移动，加上塑性区的“剪胀”作用，洞周将产生很大位移。

(5)地下水

地下水发育情况与软弱围岩大变形关系密切[18]。根据地面调查、物探、水文地质钻探等资料，采用大气降水入渗法、地下水径流模数法和地下水动力学法，对研究区进行水文地质分区，三叠系下统隆务河组上、中、下三段岩层地下水发育程度均为弱富水-中等富水。

通过上述分析，对软岩大变形各个控制因素进行分析，将三叠系下统隆务河组上、中、下三段岩层的软岩大变形风险进行分级，详见表1。

表1 软岩大变形风险分级

2.2 砂岩水稳性问题

兰渝铁路桃树坪、胡麻岭隧道围岩施工开挖后有如下情况[19]，新近系砂岩经开挖扰动，原始结构被破坏，岩体呈松散状态，稳定性变差，多呈粉细砂状，发生围岩变形、坍塌，富水状态下还会发生涌水、涌砂[20]，给隧道施工带来极大困难，被中科院地质所定为工程性质很差的劣质岩[21]。

越岭段特长隧道通过瓜什则盆地，该盆地为一东西长、南北窄的狭长盆地，地势东高西低，地表水水量较为丰富，自盆地四周各沟谷向西汇入加萨河。根据钻探资料，地表广覆第四系，下部为巨厚的上新近系中新统砂、砾岩，沉积厚度巨大，泥质胶结，富水状态下水稳性极差，极易崩解，工程性质极差，与兰渝铁路中的上新近系砂岩极为相似，施工中发生围岩变形、坍塌、涌水、涌砂等问题的风险极大。

3 地质选线模型

3.1 构建决策矩阵

分析研究区工程地质条件及主要工程地质问题，明确参与建模的评价指标，并形成决策矩阵A。

选取对应的灰色区间数作为定性评价指标的取值，如表2所示。

表2 定性评价指标与灰色区间数对应关系

3.2 数据标准化处理

为消除各评价指标单位、数量级等方面的差异，需进行标准化处理，利用灰色极差变换得到标准化决策矩阵X=(xij)m×n。

灰色极差标准化公式如下。

对于效益型定量指标

对于成本型定量指标

1)

对于效益型定性指标

对于成本型定性指标

2)

3.3 确定最优和最差方案

定量指标的最优、最差方案如下：

定性指标的最优、最差方案如下：

3.4 计算变权权重下的灰色关联度

方案Ai针对A+的灰色关联度G(x+(⊗)，xi(⊗))和关于A-的灰色关联度G(x-(⊗)，xi(⊗))，其计算公式为

据此可计算得到方案Ai关于最优、最差方案的灰色关联度G(x+(⊗)，xi(⊗))、G(x-(⊗)，xi(⊗))。以λ=0.5作为分辨系数，运用惩罚性指数型变权形式完成变权，否定水平U=0.8，惩罚系数a=-0.5，权重系数取β1=β2=0.5，最终得到G(xi(⊗))

G(xi(⊗))=0.5×G(x+(⊗)，xi(⊗))+

0.5×[1-G(x-(⊗)，xi(⊗))]

(3)

4 方案比选

分析西宁至成都铁路同仁至甘加越岭段3个方案的工程地质条件及主要工程地质问题，构建数学模型对3个方案进行综合比选。

4.1 各方案工程地质条件分析

方案C25K中越岭隧道大部分穿过燕山期花岗闪长岩，围岩条件较好，小部分通过三叠系下统隆务河组中段、上段板岩夹砂岩，软岩大变形风险低；在瓜什则段小部分位于上新近系中新统砂、砾岩中，存在轻微的上新近系砂岩水稳性问题。方案C24K越岭隧道主要通过三叠系下统隆务河组上段、中段板岩夹砂岩，围岩工程性质差，软岩大变形风险高；瓜什则段位于上新近系中新统砂、砾岩中，发生围岩变形、坍塌、涌水、涌砂等问题的风险高。方案ICK越岭隧道通过三叠系隆务河组中段、下段长度较大，软岩大变形风险在3个方案中居中；瓜什则盆地段位于三叠系地层，无上新近系砂岩水稳性问题。

4.2 数学模型比选

根据上文分析，选取线路长度、越岭隧道长度、越岭隧道硬岩长度、越岭隧道新近系砂岩长度、越岭隧道埋深、隧道正常涌水量、软岩大变形风险分级、砂岩水稳性问题、施工风险等9个评价指标构建模型，对3个方案进行评价比选。评价指标取值情况见表3。

表3 3个方案参数及相应取值

根据表3形成决策矩阵A，依照表2，以灰色区间数对指标P7～P9取值加以表示。再结合公式(1)、公式(2)标准化处理决策矩阵内存在的数据，取得X这一标准化决策矩阵。

对评价指标P1～P9对应的灰色关联系数进行计算，获得相应灰色关联系数矩阵。利用层次分析法计算常权下各评价指标的权重

W={0.048，0.096，0.096，0.014，0.010，0.014，0.288，0.240，0.192}。

对应的变权向量W(Xi)如下

通过公式(3)对变权权重向量、灰色关联系数矩阵的综合，获得变权权重之下，各方案的综合灰色关联度(表4)。

表4 基于常权和变权方法的各方案综合灰色关联度

由表4可知两种方法计算下，常权情况下方案ICK为最优方案，利用变权突出软岩大变形及砂岩水稳性问题的情况下方案C25K为最优方案，说明在铁路地质选线时侧重点不同导致方案优劣排序发生变化。

综上所述，在软岩大变形和砂岩水稳性为主要工程地质问题的研究区地质选线中，方案C25K为最优方案。

5 结论

(1)软岩大变形为研究区的主要工程地质问题之一，岩性、岩体完整程度、层厚、应力强度比、地下水为软岩大变形的主要影响因素，据此对三叠系软岩大变形进行了风险分级，为方案比选提供了地质依据。

(2)砂岩水稳性为研究区的另一个主要工程地质问题，上新近系砂岩受扰动后结构易破坏，强度急剧下降，水稳性极差，富水状态下发生涌水、涌砂风险极高，长隧道选线应尽量绕避。

(3)相比传统采用定性方法进行地质选线，本文在综合分析研究区工程地质条件的基础上，确定10个参与建模的评价指标，综合灰色关联、变权理论构建铁路地质选线模型，突出研究区的主要工程地质问题，对研究区3个方案进行定量的工程地质条件比选，明确了最优方案。