西宁至成都铁路隆务河峡谷区地质条件分析及选线研究

刘道胜

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

我国西部地区高山峡谷广布，各种不良地质问题极其突出，对铁路工程方案有着重大影响。因此，线路通过峡谷区时有必要开展专门的选线研究。针对峡谷区的铁路地质选线，已有专家进行了相关研究。李金城、魏国俊等通过对拉日铁路雅鲁藏布江峡谷段断裂构造、地震和地热等问题的分析研究，提出了峡谷区的选线原则及处理对策[1-2]；韩康对渝怀线乌江峡谷区的不良地质(重点是岩溶发育规律及暗河高程)进行了研究，以指导宏观选线[3]；卿三惠等对玉蒙铁路曲江峡谷桥位选址进行分析，主要从施工条件、工程造价等方面进行比选，认为峡谷区必须坚持“重大工程优先选址”的地质选线原则[4]。这些研究各有重点，但都更侧重于线位的宏观走向。以西宁至成都铁路隆务河峡谷区选线为研究对象，在充分吸收既有工程经验的基础上，对线位边坡的稳定性进行分析比选，结合岩体地应力成果，得出最优方案。

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。线路北起青海省省会西宁市，向南经海东市平安县、化隆县，黄南藏族自治州尖扎县、同仁县；后向东南方向进入甘肃省甘南藏族自治州，依次经夏河县、合作市、碌曲县；向南经四川省阿坝藏族羌族自治州若尔盖县，接入成兰铁路黄胜关站。

隆务河为黄河的一级支流，隆务河峡谷区位于尖扎县与同仁县之间。受峡谷两端尖扎、同仁站位限制，线路必须穿越隆务河峡谷。目前，在狭窄的峡谷区已经修建了牙同高速公路、203公路(省道)，跨越既有道路并选择适宜的穿越峡谷位置成为地质选线的重点。

2 区域地质条件

2.1 地形地貌特征

隆务峡谷区地处青藏高原与黄土高原的过渡地带，处于祁连山带与西秦岭造山带结合部的祁连山一侧[5]、黄河南岸中山-高中山区，地面高程为2 100～3 400 m，相对高差为500～1 300 m。该区域地形起伏，山峦叠嶂，沟谷斜坡陡峻，冲沟发育，隆务河蜿蜒向北，汇入黄河公伯峡水库。

该峡谷区长约26 km。由于青藏高原的急剧抬升隆起，黄河、隆务河及各支沟向下剧烈侵蚀。隆务河谷下切强烈，呈明显的V形沟槽，谷底最窄处不足30 m，岸坡陡峻，谷底与两侧岸坡相对高差可达1 000 m以上。河谷两岸山体基岩裸露，产状近直立，植被覆盖少，风化作用强烈。受构造及风化影响，岩体破碎，峡谷两岸危岩、落石、岩堆、泥石流等不良地质现象极发育。峡谷区地貌见图1。

图1 隆务河峡谷区地貌

2.2 地层岩性

隆务河峡谷区地层以沉积岩和变质岩为主，局部夹侵入岩透镜体。主要地层有新近系临夏组泥质砂岩夹薄层砾岩、积石组角砾岩夹砂岩；三叠系中-上统古浪堤组砂岩、板岩互层，三叠系下统江里沟组、果木沟组板岩夹砂岩；二叠系上统硅质岩以及石关组灰岩、二叠系下统大关山组灰岩夹板岩。在河谷两侧冲沟及山坡坡脚等处有较厚的第四系堆积物，主要为碎石类土。各断层带内分布断层角砾岩、压碎岩等。

2.3 地质构造

本区位于青藏高原北部，祁连造山带和西秦岭造山带结合部的东段，长期处于板块边缘活动带，对地壳运动反应敏感。区内构造形式复杂多样，在漫长的地质历史时期，经历了多次地壳造山运动和多期构造变形，形成了现今复杂的地质构造形迹[6]。总体来看，其主体构造线方向以NW—SE为主，控制着全区的构造格架。

峡谷区与线路各方案相关的较大的断层有9条，其中区域性的大断裂有中务尕楞逆冲断层(F5)、喇嘛大寺—文都大寺斜冲断裂(F6)、麦油赛加逆断层(F7)、隆务峡—甘加蛇绿混杂岩带的南侧断层(F8)、羊子沟—尕楞口逆断层(F9)、一隔寺—赛加盆缘断层(F10)等，这些断层大多与线路大角度相交，断带宽度一般在50～200 m之间。

3 主要不良地质问题

3.1 危岩与落石

本区地层以板岩、砂岩、灰岩分布最广，且多呈互层或夹层状分布，岩体软硬不均，在节理裂隙切割及热胀冷缩作用下，出露岩体支离破碎，加之各河谷、支沟两侧边坡高陡，局部近垂直，为危岩落石的形成和运动提供了有利的地形条件[7]，形成了该段较严重的危岩、落石地貌，尤其是沿隆务河峡谷区遍布的危岩、落石对线路有较为严重的威胁(见图2)。

图2 高陡边坡及危岩落石

3.2 岩堆

隆务河两岸岩堆广泛分布，往往与危岩、落石伴生而成[8]。岩堆的块石成分以板岩、砂岩、灰岩等为主，块径不一，一般块径为10～50 cm，最大可达10 m左右。大部分岩堆的缝隙都被坡积角砾土或碎石局部充填，并长有少量杂草，少部分新近岩堆直接裸露，无土壤和植被覆盖。岩堆体平均厚度一般为10～30 m，钻探揭示的最大厚度达50 m左右。这些岩堆体基本处于极限平衡状态，遇暴雨或大风时，表部碎、块石常常滚落[9]。若开挖扰动，可能有整体失稳的风险。

3.3 泥石流

在多期构造运动、强烈的物理风化及冰川作用等影响下，本区岩体大多松动破碎，山坡及沟谷两岸的各支沟内堆积大量碎屑物，为泥石流提供了充足的物质来源，加之沟谷狭窄，沟道纵比降大[10]，也利于泥石流的形成。本区的泥石流以沟谷型为主，兼具坡面型，黄河、隆务河两侧的各大小支沟几乎均为泥石流沟，在部分相对宽缓的沟口地带均分布有规模较大的新、老洪积扇，说明该区从古至今泥石流现象十分严重[2]，属于泥石流强发育区。特别是从尖扎至古浪堤跨隆务河段，发育多条长大泥石流沟，汇水面积大，沟床纵坡陡，泥石流发育处于旺盛期，在暴雨季经常爆发泥石流灾害，对峡谷区的道路危害程度极大。

3.4 断裂

该峡谷区断裂构造较发育，断层破碎带普遍较宽，断带物质主要由断层泥、断层角砾、压碎岩等组成，工程性质差，隧道开挖时，围岩极容易发生失稳现象。另外，断层带内构造裂隙水普遍发育，地下水循环较快，施工中产生突涌水、涌泥的风险较高。

3.5 高地应力

隆务河谷区处于祁连造山带和西秦岭造山带结合部两个板块的挤压带内，造成了本区的高地应力。勘察期间，在各主要地层内进行了深孔钻探，并在孔内进行了水压致裂法地应力测试，各岩层地应力测试成果汇总见表1。根据各孔地应力测试结果，该区域的构造应力占主导地位，并以北东-南西向挤压为主，三个主应力的大小关系基本为SH>Sh>Sv，反映了较强的水平构造应力作用。从各钻孔应力与深度的关系看，应力随深度基本呈线性增大的趋势。

表1 隆力河峡谷区各岩层地应力测试成果汇总

本区域地层以板岩、砂岩分布最广，均为软质岩，其中板岩为薄层状构造，层厚一般为0.05～0.1 m，深埋隧道开挖时，围岩极易发生挤压性大变形，且层越薄，发生大变形的几率越高；地应力水平越高，挤压变形越强烈[11]。在各断层带，岩体多破碎成角砾、碎石状，在高地应力条件下，也极易发生严重的大变形[12]。

4 工程地质选线原则

针对隆务河峡谷区地质条件及影响线路方案的主要地质问题，确定以下选线原则：

(1)线路应尽量绕避山高坡陡、岩层受切严重、危岩落石密集分布的地段，对工程处理困难的大型岩堆地段也应尽量绕避。隧道工程需严格遵守早进洞、晚出洞的原则，必要时接长明洞。

现有牙同高速公路在隆务河谷区的5座隧道均已建成并通车运营，采用工程类比法分析了该公路10个洞口的选择，对铁路选线有一定的借鉴作用。高速公路隧道边坡地质地貌情况见表2。

表2 隆务河峡谷区既有牙同高速公路隧道洞口条件分析

根据物质组成不同，隆务河两侧坡积层的天然安息角度一般在30°～40°之间。由表2可知，当洞口有坡积层分布时，可选择坡度相对较缓、坡积层稳定的山坡穿过，但应尽量减少对坡积体的扰动。当边坡高陡时，应尽量选择基岩裸露的山脊通过。当边坡高度不超过100 m时，可选择基岩裸露或覆盖层薄的山坡穿过，同时应做好坡面防护。

(2)线路应绕避处于发育旺盛期的大型泥石流沟，以及淤积严重的洪积扇区和大面积分布的山坡泥石流地段。处于峡谷河段的线路，应在查明泥石流活动痕迹、判明泥石流规模和发展趋势的基础上以高桥大跨通过。对发育程度中等或轻微的泥石流沟谷，尽量以桥梁形式跨越通过，并留足够的净空及跨度(不压缩沟床断面)。

(3)隆务河峡谷区构造复杂，发育多条大的断层，各方案与断层的关系(通过断层的角度、伴行长度及工程设置)对工程安全性及投资有着较大影响。因此，需考虑断层对方案的影响，线路方案应避免顺断裂带行进或小角度与断裂带相交[13]。

(4)在峡谷地段(从谷坡至山体以内)，可划分为应力松弛区、应力过渡区和应力稳定区，在水平方向的影响范围一般为谷宽的3倍左右。因此，若在隆务河两侧修建隧道，有条件时应尽量靠近隆务河谷底，以降低洞身地应力，减少高地应力条件下软岩挤压变形问题。

5 线路方案比选

考虑到隆务河峡谷区的地形条件及危岩、落石、泥石流等不良地质极发育的特点，选线总体思路是“多走隧道少露头”。线路自尖扎车站引出后进当顺隧道，出隧后即跨隆务河进隆务隧道，出隆务隧道后即引入同仁车站。

跨隆务河主要比选方案有：古浪堤下穿牙同高速方案(D4K)、古浪堤上跨牙同高速方案(D13K)、一跨引水渠不限速方案(DK)、三跨引水渠方案(D8K)和五跨隆务河(D9K)。各方案走向及与隆务河、牙同高速关系见图3。

各方案大体走向相近，对大型不良地质体均进行了绕避，通过的断裂构造基本相当。主要从线路长度、跨隆务河的工程设置及两侧隧道进出口边坡的稳定程度、受构造的影响程度以及两端隧道埋深等几个方面进行对比(见表3)。

(1)DK、D8K、D9K、D13K方案外部边界条件较好，但各方案洞口边坡均发育有不良地质，处理难度大，风险相对较高。D4K方案河两侧隧道洞口分别位于高阶地及高速公路边，边坡稳定，无不良地质发育，且下穿公路填方路基风险也相对较小。

(2)D8K、D9K在隧道内与f8-1断层相交角度仅10°～12°，通过断带距离长，大变形、突涌水、突泥等不利因素对隧道开挖及支护影响大[14]，工程风险较大。

(3)尖扎至隆务河段DK、D8K、D9K方案整体距隆务河谷较远，线位长，隧道埋深大，地应力高[15]，洞室开挖发生硬岩岩爆及软岩挤压变形的风险高；而D4K、D13K方案距隆务河谷较近，线位短，隧道埋深相对较小，地应力水平相对较低，部分段落已位于应力松弛或过渡区，发生岩爆及软岩挤压变形的风险相对变小。

综合上述各方案地质条件，下穿牙同高速(D4K)方案线路最短，埋深最浅，跨隆务河两侧洞口边坡条件最好，受构造影响相对较小，地应力水平也相对较低，地质条件最优。因此，推荐古浪堤下穿牙洞高速(D4K)方案。

图3 各线路走向方案示意

表3 跨隆务河各方案工程地质条件比选

6 结束语

在地形地质条件复杂的峡谷区，影响线路方案的不良地质因素较多。在充分借鉴当地工程经验的基础上，详细查明区域地质条件及各类不良地质特征，开展综合地质选线十分重要。应通过多方案、多角度的地质比选，选择受不良地质影响较小、地质条件相对较好、工程处理难度较小的方案，以提高工程合理性、经济性和安全性[16]。