西成客专嘉陵江河谷工程地质选线研究

1.概况

西安至成都客运专线跨越嘉陵江地段属于构造侵蚀峡谷区，线路自川陕界附近的宁强站接出，西南向穿越大巴山-四川盆地陡降段至嘉陵江河谷，跨江后沿右岸宝成铁路通道接入既有广元站，受客专线线路参数和前后站位控制，跨江位置被局限在嘉陵江边须家河村上下游约3.5km的区域。两岸地势陡峻，危岩落石、岩堆及滑坡堆积体、采空区等不良地质强烈发育。本段河流有三级通航要求，右岸分布既有宝成铁路，左岸分布川陕二级公路及高速公路，线位和工程布置较为困难。深入研究了上、中、下游方案，上、下游方案均存在不能确保彻底整治的不良地质安全隐患，最终找出了在工程上可实施的中游方案：绕避了不可根治的不良地质，妥善处置了与既有工程的相互干扰，并对可治理的不良地质进行了整治，可满足行洪及通航要求。

2.工程地质条件

2.1 地形地貌

嘉陵江河面宽100m～200m，河床平均纵坡约3.8‰，雨季水深约6m，旱季约3m。两岸山坡自然坡度平均40°以上，相对高差大于800m，软质岩多形成相对缓坡，硬质岩多形成陡坎、陡崖。

2.2 地层岩性与地质构造

第四系全新统人工弃填土主要沿既有宝成铁路、川陕二级公路分布，厚度为2m～10m；冲洪积粉质黏土、粉细砂、粗圆砾土沿嘉陵江河床及漫滩分布，厚度为8m～20m；坡崩积及滑坡堆积块石土、碎石土、黏性土,厚度为10m～35m，沿部分缓坡及槽谷地带分布。

基岩主要为侏罗系（J）、三叠系（T）泥页岩、砂岩、泥灰岩、灰岩。由新至老依次是：侏罗系中统沙溪庙组（J2s）泥岩夹砂岩，千佛崖组（J2q）泥岩、砂岩、砾岩，下统侏罗系中统白田坝组（J1b）砂岩、泥岩、砾岩。三叠系上统须家河组（T3xj）第一、三、五段泥页岩夹煤层（线），其中一段含煤一层，煤层厚0.2m～0.8m，煤层稳定性差；三段含煤线，不具开采价值；五段含煤3层～8层，煤厚0.15m～1.5m，平均厚度为0.75m，煤层稳定性较好，为主要开采煤层；第二、六、四段主要为中厚层岩屑石英砂岩。三叠系中统雷口坡组（T2l）厚层灰岩、白云岩夹钙质泥岩、盐溶角砾岩；下统嘉陵江组（T1j）灰岩、白云岩夹盐溶角砾岩、钙质泥岩、石膏；下统铜街子组（T1t）钙质页岩、泥灰岩、薄层灰岩。

测区属于扬子准地台西北边缘地带，位于近东西向的米仓山台穹西缘，处于北东向与东西向两构造的结合部位。段内为单斜岩层构造，岩层产状N76°～79°W/22°～26°SW，局部小挠曲发育。节理主要发育两组：N66°～59°W/59°～86°NE、N18°～19°E/56°～66°SE。

2.3 不良地质

2.3.1 复杂煤窑采空区

现场调绘发现，嘉陵江右岸须家河村附近山坡上分布着陈旧的煤矸石，从江边往上主要分布4个煤窑（参见图1）。1#煤窑井口完好，未封闭；2#井口已自然坍塌，井口处形成凹槽负地形；3#、4#采用人工砌石封堵。4个煤窑井口相距90m～190m，相邻井口高差15m～39m。1#煤窑井口距嘉陵江边约40m，高出嘉陵江洪水位约10m。井口巷道宽约2.0m，高约1.8m，S80°W方向延伸，坡率约1‰。围岩为中厚层砂岩、泥岩，井壁未作防护，延伸约10m后巷道部分坍塌。底部常年有地下水流出，流量约1.8L/s，水质清澈，水痕现铁锈色。

据了解，小煤窑最早于清朝开采，作为居民生活燃料使用。由于开采效率低、风险大，容易采掘的煤层已近枯竭，上个世纪80年代已陆续停止。1#煤窑主巷道掘进约1200m，2#约1500m，3#约1200m，4#煤窑约600m。上述煤窑采煤井巷相互已部分连通。由于小煤窑开采所预留的保安煤柱较多，采空区埋深较大，采空区塌陷尚未影响到地表。采空区投影地面地势陡峻，多为悬崖峭壁，难于开展有效的勘察作业。

图1 西成客专嘉陵江峡谷段工程地质平面图（比例1:2.5万）

另外，团队收集了右岸研究区附近的煤矿资料，多为上世纪八、九十年代设立，有正式的勘察、设计、采煤记录等资料。采空区距离研究区较远，对线路方案没有影响。

嘉陵江左岸山坡上分布较多废弃的小煤窑井口，没有形成规模开采。附近的南桥煤矿（平硐标高500m）规模开采了10余年，在左岸研究区形成了较大规模的采空区。

2.3.2 岩堆及古滑坡堆积体

须家河村分布于嘉陵江右岸须家河1#岩堆及古滑坡堆积体上，间隔一个山梁，其下游约300m处分布有须家河2#岩堆及古滑坡。

须家河1#岩堆体轴向约呈NW85°向分布，与岩层走向近乎一致，长约1285m，宽约190m，面积约24.4万m2，厚度2m～30m，体积约366万m3。物质成份由粉质黏土、角砾土、碎石土及块石土组成。岩堆体形成后，下部受嘉陵江冲刷形成须家河1#古滑坡。滑坡堆积体平面上呈扇形，轴向长约175m，中部宽约75m，下部宽约100m，面积约1.2m2，厚度10m～29m，体积约25万m3，物质成份主要为块石土、碎石土、粉质黏土，前缘多为块石、孤石。滑坡体后缘、周边边界形态尚可辨认，前缘向嘉陵江突出。滑坡体上植被发育良好，多分布大型乔木，表明该滑坡形成时间较长，在自然条件下，滑坡稳定性较好，未发现变形迹象。宝成铁路以小挖小填从其前缘通过，仅工程边坡设挡墙防护，未对滑坡进行整体加固处理。

图2 C1K方案嘉陵江右岸隧道地质纵断面示意图

须家河2#岩堆体轴向呈NW80°向分布，长约675m，宽度约148m，面积约8.6万m2，厚度10m～25m，体积约155万m3。物质成份由粉质黏土、角砾土、碎石土及块石土组成，粉质黏土占比较大。岩堆体下部受嘉陵江冲刷，形成须家河2#古滑坡。滑坡堆积体轴向SE向，长约385m，面积约5.3万m2，厚度10m～25m，体积约95万m3。物质成分主要为碎石土、粉质黏土。前缘以细粒土为主，受江水浸泡软化，滑坡稳定性不如须家河1#滑坡堆积体。宝成铁路以小填方通过本滑坡前部，在靠山侧设置了8根抗滑桩。

2.3.3 危岩落石

危岩落石为该地区交通工程广泛存在的不良地质现象。宝成铁路已通车数10年，工务部门一直采取清除、支顶、镶补等措施处理，严重地段内移改设隧道，目前仍有不少段落受到危岩落石威胁。该区属于构造侵蚀山区，地形切割剧烈、地势陡峻，嘉陵江两岸多为单面坡，相对高差达数百米，多悬崖陡壁。组成岩体为中生界侏罗系、三叠系软硬相间地层，受构造及风化应力作用，岩体切割严重、破碎，软、硬岩差异风化明显，软岩常形成凹腔，使得其上部硬岩形成突出“悬臂”危岩。危岩落石主要有两种类型：“基岩凌空侧危岩”和斜坡上的“孤石危岩”。“基岩凌空侧危岩”是主要类型，分布点多面广、落差大、危害严重，且潜在新的危岩落石在不断的孕育生成之中；定位困难，极易漏判，且整治难度极大，整治可靠度难于保证；严重的“基岩凌空侧危岩”往往控制线路方案是否可行。“孤石危岩”为“基岩凌空侧危岩”崩落，分布于较陡的斜坡上形成，受摩擦力作用及周围树木支挡而处于临时稳定状态；数量总体有限，可准确定位，可采用分解、清除、固定等多种方法彻底处置，一般不影响线路方案的成立。

3.工程地质选线研究

3.1 上游大角度跨越嘉陵江方案

嘉陵江上游大角度跨越方案位于须家河村上游约2.5km，河流宽约90m。线路以长度5580m隧道穿越至嘉陵江左岸，线路与嘉陵江交角约40°，以98.5m+144m+98.5m连续梁跨越川陕二级路、川陕高速公路、嘉陵江及宝成铁路，桥梁长度360m，后以长度3822m右岸傍河隧道通过嘉陵江峡谷区，再次大角度跨越川陕二级路及高速公路，以桥梁方式沿阶地接入广元车站。该方案不影响河流的行洪与通航，除了施工期间加强安全防护，不需要改建既有二专路、川陕高速公路和宝成铁路。

该方案除了跨越嘉陵江和既有工程的诸多优点外，还在嘉陵江右岸完全避开了须家河1#、2#滑坡体及2#岩堆体；从1#岩堆体下方穿过，岩堆体对隧道基本没有影响。

该方案最大的问题在于隧道穿越历史久远的小煤窑采空区系统，以及嘉陵江两岸严重的危岩落石危害。

C1K390+780～C1K391+080段穿过采空区，线路长度约300m，采空区上界面位于路肩高程以上约50m，下界面位于路肩高程以下约40m。采空区无档案资料，也难于采用勘探手段查明，不具备完全可靠的整治措施与手段。由于客专线采用无砟轨道，沉降控制要求十分严格，一旦采用该方案，将给运营安全带来巨大潜在风险。

嘉陵江左岸隧道出口上方对线路有影响的危岩分布面积约8.9万m2，单处危岩最大体积约30m3，最高处危岩距线路落差近500m。右岸隧道进口上方对线路有影响的危岩分布面积约4.7万m2，单处危岩最大体积约18m3，最高处危岩距线路落差近350m。上述危岩落石治理成本高昂、难度极大，整治可靠性难于保证。由于存在采空区和危岩落石两项致命缺陷，尽管存在众多优点，C1K 线路方案不得不被放弃。

3.2 下游小角度跨越嘉陵江方案

线路在须家河村下游约1.3km附近跨越嘉陵江（CK2、CK3方案），两个方案存在的根本问题与大角度跨越嘉陵江方案经过采空区情况相似，隧道穿越了嘉陵江左岸的煤层采空区，采空区位于路肩以下，且存在穿越乡镇、拆迁量大、与既有交通工程冲突、嘉陵江通航、行洪干扰大、靠近千佛崖文物保护区等诸多难于解决的问题，因此，该方案不能成立。

3.3 中游较小角度跨越嘉陵江方案及主要工程措施

线路以较小角度在须家河村附近跨江（DK线），左岸隧道出口位于大角度跨越方案下游约1.5km的平缓山脊，消除严重落石危害；右岸以最下部的1#煤窑井口为控制点，线路完全避开采空区影响。跨越嘉陵江后，以短隧道穿过一小山梁，接一段路基，之后以广元特大桥沿宝成铁路外侧接入广元车站。该方案成功躲避了采空区和严重危岩落石，但线路与河流交角较小，一定程度上对嘉陵江行洪及通航存在影响；工程布置受既有二专路、高速公路、宝成铁路干扰大；线路经过古滑坡堆积体，局部地段仍然需要对一般的危岩落石进行处理。通过深入研究，采用工程措施可以逐一妥善解决这些问题。

3.3.1 优化孔跨布置满足嘉陵江行洪及通航要求

优化桥墩台布置，采用76m+144m+76m的连续梁组合，行洪净宽达133m，通航净宽达70m，满足了行洪及通航要求。

3.3.2 局部改建川陕二级路及大跨跨越川陕高速公路

线路与川陕二级路、川陕高速公路第一次相交交角仅约15°，向靠山侧局部改建二专路，将其中一个主墩设置于原二专路上，采用144m梁跨越川陕高速公路。第二次与川陕二专路及高速公路为大角度交叉，线路以桥梁从川陕高速公路两个墩之间穿过，拆除一个二专路冲突桥墩而改建为门式墩结构。

3.3.3 局部改建宝成铁路

图3 须家河1#滑坡堆积体抗滑桩示意图

图4 须家河2#滑坡堆积体抗滑桩示意图

西成线与既有宝成铁路在1150m范围两次交叉，交叉角度小于15°，之间线路位于宝成铁路上方，线间距约20m。工程主要为67m路堑、250m隧道，其余为桥梁工程，地势横坡陡。首先研究了既有线施工防护方案，防护方案实施难度及成本大，同时由于宝成铁路安全运营可靠性仍然难于确保，西成线施工场地、便道等作业安排与防护工程相互严重干扰，该防护方案不能成立。采用局部改移宝成铁路方案，改建线路长度2.298km，工程主要为一座长为1305m向山侧内移隧道，其余为路基。先进行宝成铁路改线施工，改线段投入使用后，再进行西成线施工。

3.3.4 加固滑坡堆积体

如前所述，采空区和严重危岩落石是不得不完全绕避的不良地质体，线路已不可能再完全绕避须家河1#、2#古滑坡堆积体。通过综合勘察，查明了堆积体性质，评估确认古滑坡堆积体形成时间长、自稳性较好，不控制线路方案成立。考虑客专线安全的极端重要性以及桥梁基础几乎不能承受剪切变形作用，更主要的是滑坡前缘嘉陵江的冲蚀作用风险因素一直存在，最终确定主要采用抗滑桩对滑坡堆积体进行可靠加固，并配套设置完善的地面截排水系统，确保桥梁工程安全。加固代表性断面，见图3、图4。

3.3.5 彻底治理危岩落石

该方案已避开严重危岩落石区，仅嘉陵江特大桥成都端约90m线路右侧地势逐渐变陡，平均坡度约40°，山坡上分布数十块直径0.5m～3m孤石，位置最高处孤石距离线路高差约90m。对这些孤石采取清除处理，对接近陡坡段墩台设置遮挡防撞棚洞，对其进行可靠防护。

4.小结

现场调绘发现小煤窑和煤矸石迹象，通过深入调查、收集资料后了解到嘉陵江河谷须家河村附近河谷右岸隐藏的历史久远的复杂小煤窑采空区系统。采空区多为悬崖峭壁，地面地势陡峻，没有技术手段可查明线路通过地段采空区情况，评估认为整治措施存在不确定、不可控风险。结合该采空区特点，以其最低处煤窑井口为安全边界控制点，线位彻底绕避采空影响区。线路避开危岩落石严重地段，对轻微危岩落石采取清除、棚洞等强化措施进行彻底治理。考虑到客专线的重要性和桥梁桩基受力特点，综合分析古滑坡堆积体特征和潜在风险因素，采用以抗滑桩为主的措施予以加固，彻底消除安全隐患。不良地质综合发育地段的工程地质工作，应充分收集既有资料，进行详细现场调绘和调查，特别注意不要疏忽潜在的不良地质迹象。坚决绕避不能彻底治理的不良地质体，线路从影响小、处理相对容易、治理综合成本低的地段通过，并对有影响的不良地质体进行彻底整治与加固，确保客专线安全。