西宁至成都高速铁路拉脊山选线研究

张学伏

(中铁第一勘察设计院集团有限公司， 西安 710043)

1 项目背景

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，向南经海东市翻越拉脊山，经黄南州、甘肃省甘南州进入四川省若尔盖县，接入在建成兰铁路黄胜关站，与成兰铁路共线引入成都枢纽。本线是国家“八纵八横”高速铁路兰(西)广通道的重要组成部分，兰渝铁路为兰(西)广通道的货运主通道、与本线有共同的地质特征，对本工程建设有指导意义。

2 复杂的地质条件

拉脊山位于湟水河与黄河之间的分水岭，线路垂直穿越其两端低中间高的起伏地形，需大坡度翻越。高压气体及第三系、白垩系弱成岩工程水稳性为该段突出的地质问题，同时拉脊山南麓的滑坡群对线路选线也有很大影响。

2.1 高压气体

2.1.1 高压气体成因机制分析

基底为下元古界蓟县系碎裂化大理岩，火山喷出岩及变质岩，本身含丰富的CO2。海东南山特长隧道XCDCSZ-3-1号孔终孔深度380 m，在进行孔内水文地质试验时，初始喷出高压气体的喷射高度达5 m。根据钻孔及周围深孔揭示情况，初步判断该孔处可能为1处古隆起构造，根据钻孔底部岩芯的破碎情况判定为风化残丘[1]。从气源分布区、流体及压力势分布分析，盆地的古隆起构造多处于低流体势和较低的压力分布区。岩体破碎，储层发育，渗透性良好，是气体运移的指向区。深孔穿透盖层，盖层主要为第三系至侏罗系的沉积岩、含泥岩和石膏岩，具有厚度足够、连续性和封堵性强、分布范围大、稳定性好等特征，是天然理想的盖储层结构组合。高压气体形成原因如图1所示。

图1 高压气体形成原因示意图

2.1.2 高压气体分布特征

根据深孔钻探、地震与大地电磁的10条剖面，修正基底等值线图，发现存在1处近东西走向、枢纽东倾的鼻状隆起构造，平面上呈西宽东窄。鼻状隆起构造纵断面如图2 所示[2]。从图2可以看出，其脊线呈中间高两侧低。且两侧不对称的特征，局部具有起伏，即向东埋深越来越大，往西埋深先小后大，最浅位置厚度小于200 m。

图2 鼻状隆起构造纵断面图

通过对盆地揭露的CO2相关活动事件进行研究，分析CO2气体的生储运规律，可得出以下结论：

(1)基底古风化壳中CO2主要以游离态的形式存在，储存量大、压力大，尤其在基底隆起地段。揭露后会形成高压气流，且衰减慢。线路勘察时应查明隧道走行段落的基底标高，隧道开挖不能揭露的基底地层。孔探揭露基底古隆起地段出现高压气体即为此种情况。

(2)白垩系砂砾岩地层，CO2会以溶解态或少量的气相与水共存和运移，储存量小，揭露后很快逸散。平安三合镇地热井勘探中揭示的CO2间歇自喷和本区域水文地质调查中发现的含CO2的泉水(包括药水滩、冰岭山、挠庄村和马场沟、沙沟及石沟沿等)均为白垩系地层中水汽两相CO2的出漏点，多为断层导气，且多分布有厚层的钙华。白垩系地层中水汽两相的CO2气体多为基底CO2气体逸散进入白垩系砂砾岩孔隙中，被第三系泥岩封存，局部断裂构造发育，顺断层以水汽两相溢出。隧道走行于该地层时应加强通风，使隧道的CO2浓度低于0.5%。

2.1.3 高压气体对工程的影响分析

高压的CO2气体对铁路隧道的施工和结构设计均有一定影响。

(1)对施工人员人身安全的影响

高压的CO2气体恶化施工作业环境，降低劳动生产效率，威胁作业人员健康和安全。易导致岩石和气体突出，产生掌子面塌方、冒顶，岩、气突出能瞬间导致人员死亡。CO2浓度处于0.3%～0.4%时，会导致人呼吸加深，出现头疼、耳鸣、血压增加等症状，当浓度高达0.8%以上时，会导致人当场死亡。

(2)对隧道结构设计的影响

为降低高压的CO2气体的影响，需开展高压CO2防突隧道支护体系、适应高浓度CO2条件的水泥防腐保护厚度、适应高浓度CO2条件下的通风系统等研究。

2.2 第三系、白垩系弱成岩工程水稳性

第三系、白垩系为特殊成岩环境和沉积过程形成的地层，具有成岩时间比较晚、胶结性能比较差、强度比较低、易风化和泥化崩解等特性，属于弱成岩地层。弱成岩地层主要为成分成熟度及结构成熟度较低、富含刚性颗粒，具有弱胶结、低强度、遇水后崩解泥化、扰动敏感等特性，对许多深部地下工程支护方式及工程稳定性均有较大影响。

2.2.1 空间分布特征

测区弱成岩地层主要分布于拉脊山北、南两麓的西宁盆地和化隆盆地。拉脊山北麓西宁盆地弱成岩地层主要有第三系马哈拉沟组、洪沟组、祁家川组和白垩系民和组地层。拉脊山南麓化隆盆地弱成岩地层主要有第三系贵德组、临夏组、咸水河组、西宁组、马哈拉沟组及洪沟组地层。

2.2.2 弱成岩地层水稳性特征

针对不同地层时代进行了深孔钻探，再对不同岩性进行现场岩芯简易泡水试验、颗粒分析试验和黏土矿物含量试验，根据试验结果对其水稳性特征(岩性分类、成岩情况分类、胶结类型分类、水敏感性特征分类、赋水性特征分类)进行归纳分类，并综合评价其水稳性。弱成岩地层水稳性特征如表1所示。

表1 弱成岩地层水稳性特征一览表

由表1可知，弱胶结的泥岩砂岩，遇水瞬间崩解为散状，水稳性综合评价极差，主要为拉脊山北麓的白垩系民和组砂岩及拉脊山南麓的第三系贵德组砂、砾岩。

2.2.3 与兰渝铁路第三系对照分析

西成铁路尖扎至海东段主要通过第三系、白垩系弱成岩地层，与兰渝铁路兰州至渭源段通过的第三系、白垩系沉积环境及岩性相似，以弱成岩的砂岩、泥岩及砾岩为主。西成、兰渝铁路通过弱成岩地层长度如表2所示，通过弱成岩地层特征对比如表3所示。

表2 西成、兰渝铁路通过弱成岩地层长度对比表

通过分析西成铁路通过的8套第三系、白垩系弱成岩地层的沉积特征、胶结程度、黏粒含量、水文地质条件等，研究各地层的水稳性。其中白垩系民和组、第三系贵德组2套地层的砂岩水稳性差，岩层多呈5°～30°倾向盆地中心，对线路方案和工程设置影响较大。与兰渝铁路胡麻岭隧道、桃树坪隧道砂岩相比，西成铁路弱成岩地层的各项水稳性特征在黏粒含量、岩性、水文地质条件、胶结程度等方面略好[3]。

表3 西成、兰渝铁路通过弱成岩地层特征对比表

2.2.4 弱成岩地层可能遇到的工程地质问题

根据兰渝铁路胡麻岭、桃树坪隧道及兰新铁路施工及运营中出现的问题，分析研究区弱成岩地层可能会遇到的工程地质问题有：(1)泥岩、石膏岩及芒硝岩的膨胀性问题；(2)石膏岩及芒硝岩的侵蚀性问题；(3)砂岩在水作用下稳定性变差的问题；(4)隧道施工涌水、涌砂的问题；(5)地层软硬不均、隧道降水和开挖困难的问题等。

3 线路选线方案的研究

3.1 选线原则[5-7]

复杂地质条件下的选线原则有：

(1)线路尽量绕避弱成岩地层，尽量减少穿越弱成岩段落，走行于硬岩区；不可避免时，为减小弱成岩对线路的影响，线路应尽量抬高标高，走行于地下水位以上。

(2)线路应从平面上尽量绕避鼻状隆起构造，减少高压气体对工程的影响。

(3)线路尽量绕避拉脊山岭南沿沟谷大型滑坡连片发育的地区。

(4)综合主越岭隧道及两端引线条件，选择合理的工程。

3.2 工程方案

区域内桥隧相连的线路长度对工程投资有较大影响，因而合理的线路方案为经尖扎，在化隆县昂思多镇设站后，设越岭隧道穿越鼻状隆起构造，接入海东西车站。受高压气体的影响，在探明高压分布及鼻状隆起构造的特点后，线路应向西绕避鼻状隆起构造。

线路向西偏移后，结合线路布线、车站选址以及主越岭隧道情况，首先研究了取直线路的经群科沿高速公路方案，该方案线路自尖扎站取直，依次经群科、扎让至既有海东西站。线路长度最短，但因取直线路，不可避免地需穿越了三大滑坡群，对该段桥隧工程影响巨大，桥隧施工较危险且运营成本极高，因此不予采用。然后结合不良地质和城市分布情况，继续深化研究了经化隆方案与经群科方案，各方案示意如图3所示[4]。

图3 拉脊山越岭隧道方案示意图

(1)经化隆越岭方案

该方案线路从尖扎站引出，向北跨黄河、走行于硬岩区，紧坡拔起线路标高，降低弱成岩水稳性对隧道工程的影响，行至化隆县昂思多镇设站。出站后穿越拉脊山，绕避鼻状隆起构造，沿白沈家沟沟谷布线，引入兰新高速铁路既有海东西站。该段桥隧比96.7%，主越岭隧道长21.5 km。

(2)经群科28 km隧道越岭方案

该方案主越岭隧道长28 km，越岭隧道靠近城河沟布线，长大段落线路标高低于沟谷，总体未减少弱成岩段长度，故不予采用。

(3)经群科32.1 km隧道越岭方案

该方案线路从尖扎站引出，明线桥梁工程走行于河谷，在群科镇设站。穿越拉脊山后，沿白沈家沟足坡展线而下，引入兰新高速铁路既有海东西站，桥隧比87.0%，越岭隧道长32.1 km。

3.3 方案比选

3.3.1 工程地质分析[5-7]

(1)从高压CO2气体分析

通过对高压CO2气体的分布和埋深进行研究，基本探明了鼻状隆起构造的特点。两个方案线路均走行于拉脊山北坡鼻状隆起构造的西侧，基底埋深较大，沿线发育有两处钙华地貌，为白垩系民和组砂、砾岩赋存，且多为水气两相。沿线仅以水气两相CO2封存于白垩系民和组砂、砾岩地层，水中溶解的气体浓度有限。两方案线路均绕避鼻状隆起构造，区域内形成高压气体的概率均较小。

(2)从弱成岩水稳性分析

经化隆21.5 km隧道方案和经群科32.1 km隧道方案通过弱成岩地层的长度统计如表4所示。

表4 隧道通过弱成岩地层长度统计表(km)

注：古近系水稳性特征优于西宁组和贵德组地层

经群科32.1 km隧道方案主越岭隧道经过弱成岩地层长度为20.3 km，均为白垩系及第三系贵德组水稳性极差的地层，其中贵德组地层17.9 km，水稳性问题突出，工程地质条件极差。引线隧道水稳性问题不突出。

经化隆21.5 km隧道方案主越岭隧道经过弱成岩地层长度为6.8 km，其中有4.1 km走行于水稳性稍好的西宁组地层。引线隧道经过弱成岩地层长度为11.4 km，均为水稳性稍好的古近系地层。该方案线路拔起标高，水稳性风险小，工程地质条件较好。

(3)从与承压水关系分析

分析西宁及化隆盆地第三系、白垩系地层沉积相的分布特征，发现盆地边缘至盆地中心颗粒逐渐变细，表现为砂砾岩→砂泥岩→泥岩→石膏岩→盐岩，且在盆地中央一定范围内存在多层承压水。

经化隆21.5 km隧道方案化隆盆地引线段隧道多走行于尕鲁隆起硬岩区，部分第三系地层受基底隆起的影响，多不含承压水。主越岭隧道靠近盆地边缘地带，一般也不含承压水，地质条件相对较好。

经群科32.1 km隧道方案主越岭隧道于化隆盆地贯穿河湖相砂泥岩至洪积扇相砂砾岩地层，盆地中央地带一定范围揭露含承压水弱胶结砂岩的可能性较大，地质条件较差，工程风险较大。

综合比较，经化隆21.5 km隧道方案以21.5 km的隧道穿越拉脊山，主隧道线路走行于硬岩区，部分段落走行于水稳性稍好的古近系及西宁组地层，线路拔起标高，水稳性影响小，工程地质条件较好，该方案较优。

3.3.2主越岭隧道工程设置与实施条件分析

由于地形复杂，区域内各方案基本为桥隧相连布线，除受工程地质条件影响外，还受主越岭隧道辅助坑道条件及工期控制。海东南山隧道同方案施工条件对比如表5所示。

表5 海东南山隧道两方案施工条件对比表

由表5可知，经化隆21.5 km隧道方案越岭隧道长度短，隧道通过弱成岩地层段落短，施工斜井规模小,工期短，施工风险和难度低。从拉脊山主越岭段隧道施工条件分析，方案更优。

3.3.3 工程投资分析

经化隆21.5 km隧道方案线路顺直，越岭主隧道较短，同时越岭主隧道及其引线隧道走行于硬岩区的段落长，隧道指标低，线路总长度短，工程投资较少。

经群科32.1 km隧道方案越岭主隧道长，岭南主隧道穿越贵德组弱成岩地层的地段长，越岭主隧道及辅助坑道地质条件差，隧道指标高，较经化隆21.5 km隧道方案线路长3.6 km，主越岭隧道长10.5 km，工程投资增加13亿元。

3.3.4 环保方面分析

经化隆21.5 km隧道方案仅穿越了昂思多水源地的准保护区，目前已取得同意穿越的相关批复。经群科32.1 km隧道方案穿越了牙什尕水源地和群科水源地的一级保护区，环保审批较为困难。

3.3.5站位对化隆县居民出行辐射情况分析

化隆县全县人口30万人，规划将县城迁移至群科新区，群科新区设化隆站主要辐射范围为群科镇和群科新区，现状人口2.5万人。昂思多镇设站可辐射化隆县城及周边的巴燕镇(既有化隆县城)、二塘乡、昂思多镇、扎巴镇、查甫乡、阿什努乡等乡镇，吸引范围为化隆县的大部分地区。从站位对化隆县居民出行的辐射情况分析，于昂思多镇设站的经化隆21.5 km隧道方案更加合理。

3.4 比选结论

经研究分析，经化隆21.5 km隧道方案，绕避了鼻状隆起构造，遇到高压气体的概率小。主隧道及部分引线隧道线路走行于硬岩区，还有部分段落走行于水稳性稍好的古近系及西宁组地层，线路拔起标高，水稳性影响小。主越岭隧道短，施工风险和难度低，工程设置合理，影响环境敏感点少，工程投资省，方案较优。

4 结论

西宁至成都铁路穿越祁连山脉余脉拉脊山地段,该区域弱成岩工程水稳性地质问题非常突出，尤其是铁路勘察阶段遇到的高压CO2气体，国内尚属首例，可供借鉴的工程经验十分有限。本文通过开展地质专题勘察，查明不良地质分布的特征及特性，并借鉴兰渝铁路的施工经验，科学、经济、安全、合理地进行地质选线及工程设置，得出以下主要结论：

(1)西宁盆地基底根据埋深可分为“三坳四隆”构造，其地质背景十分独特。针对高压CO2气体应开展专题研究，查明其空间分布、赋存状态、储量，在此基础上选择适宜的线路平面位置及标高，让线路尽量走行于基底凹陷区。鼻状隆起构造，往东基底宽度越来越小，埋深越来越大往西基底宽度逐渐增大，埋深先小后大，建议平面位置上尽量绕避鼻状隆起构造。考虑到断裂构造为气体的主要运移通道，线路在拉脊山北麓应尽量避免以隧道工程穿越中、新生代断裂构造。

(2)水稳性综合评价极差的地层主要为拉脊山北麓的白垩系民和组砂岩和拉脊山南麓的第三系贵德组砂、砾岩。根据兰渝线胡麻岭、桃树坪隧道及兰新线施工运营中出现的问题，分析第三系、白垩系弱成岩地层可能遇到的工程地质问题有：①泥岩、石膏岩及芒硝岩的膨胀性问题；②石膏岩及芒硝岩的侵蚀性问题；③砂岩在水作用下稳定性变差的问题；④隧道施工涌水、涌砂的问题；⑤地层软硬不均，隧道降水和开挖困难的问题等。

(3)线路选线尽量绕避弱成岩地层，走行于硬岩区；不可避免时，为减小弱成岩对线路的影响，线路应尽量抬高标高，走行于地下水位以上[8]。

(4)应参考兰渝线桃树坪、胡麻岭隧道的施工经验，严格按高风险隧道进行建设管理，加强地质超前预报，严格控制施工工序，确保施工安全。