兰新高铁祁连山越岭段工程地质选线研究及回顾

王进华

(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

高速铁路具有线型直.速度目标值高.输送旅客能力强等特点，对运行中的安全性.舒适性要求高。随着我国社会经济的飞速成长.科学技术的进步，高速铁路建设速度发展极快。高速铁路的建成极大缩短了城市与城市之间的时空距离和旅客出行的时间成本，对区域经济发展起到了极大的促进作用。

截止2020年底，我国高速铁路路网运营里程超过3.8万km，高铁已网络化运营，但仍存在东部强，中西部弱的路网格局。随着我国西部大开发战略的深入实施及“一带一路”建设的推进，加快中西部高速铁路的建设是近几年高速铁路建设的重点。但是我国中西部地区多以山区为主，地形地貌.构造复杂，自然环境差异极大，高速铁路在复杂的高陡山区只能以隧道群的形式通过。建设高速铁路在复杂山区的选线过程中具有地形条件困难.地质环境复杂.环境的敏感性高以及对工程的安全性要求高等特点[1]，因此在复杂的山区地形条件下进行工程地质选线是铁路勘察设计过程中的重要环节[2]。

不同高速铁路在地质选线过程中所遇到的控制因素各不相同，王志军通过研究目前国内外的地质选线现状，发现深入系统的研究在复杂山区的地质选线很少，以定性描述为主，以现有技术手段还无法形成合理的定量模型[3]，地质选线的理论主要是通过对已有工程实践经验的总结和提炼的基础上，结合线路所通过地区的工程地质条件，选出经济上合理.技术上可行的线路方案。以兰新高铁祁连山越岭段为背景，在结合山区铁路的地质选线经验的基础上，通过采用有针对性的综合勘察方法和手段，对控制线路方案的控制因素进行综合分析，推荐出合理的线路方案。

1 概述

兰新高铁是国家“八纵八横”铁路网主骨架之一陆桥通道的重要组成部分，在国民经济与路网中均具有非常重要的意义和作用。线路东起甘肃省省会兰州市，途经青海省会西宁，至新疆维吾尔自治区首府乌鲁木齐市，全长1 776 km，是横贯我国西北甘肃.青海.新疆三省区的第一条高速铁路，同时也是世界上一次性建成最长的高速铁路，于2014年12月26日通车运营。

祁连山越岭段位于甘肃与青海两省交界处，为国家级自然保护区，具有海拔高.高寒缺氧.生态脆弱.地层岩性及接触关系复杂多变.区域性深大断裂及复式褶皱等地质构造复杂.强富水.高地应力.“碎屑流”地层.软岩变形.多年冻土等不良地质和特殊岩土发育的特点。各类不良地质现象及复杂的地形地质和水文地质条件.自然保护区是地质选线及勘察的重点和难点。

2 自然条件

2.1 地形地貌

越岭段地属祁连中高山山区，由一系列北西西-南东东山脉和山间谷地组成，海拔3 180～4 430 m，相对高差500～1 000 m，地形起伏大，山高坡陡，基岩裸露，沟壑纵横，分布有众多“V”形侵蚀谷。

2.2 地层岩性

测区地层三叠系.二叠系砂岩主要分布于祁连山南麓硫磺沟及二道沟两岸；石炭系上统砂岩.页岩分布于祁连山区北麓，下统灰岩.泥灰岩.砂岩.砾岩及页岩分布于祁连山区；泥盆系砂岩.砾岩分布于祁连山区；志留系下统板岩分布于祁连山北坡；奥陶系中统板岩夹砂岩.板岩夹灰岩祁连山南麓硫磺沟以南。第四系块石土.碎石类土.粉土等分布于缓坡地段及冲沟内。

2.3 区域地质构造

测区在大地构造上处于北西向展布的祁连褶皱系其边缘部位，其次级构造单元为早寒武世末在陆壳裂谷盆地基础上发育而成的北祁连主动大陆边缘构造带。北以北祁连北缘深断裂带与河西走廊沉降带为界，其他四周也均以断裂为边界，总体呈北西向展布，长度大于宽度数倍，本单元内部大小断裂构造极为发育，密集成带，其间距为2～10 km，致使各地层单元多呈断层接触，并形成许多大小不一的构造透镜体。新构造运动主要以间歇性断块差异升降运动为特征。

2.4 水文地质条件

测区冲沟多为常年流水，水量较大，主要受冰雪融水和大气降水的补给。祁连山是黄河与内陆水系的分水岭，北坡水系为河西走廊地区的重要水源，南坡水系主要汇集至黄河支流大通河。

地下水类型主要为基岩裂隙水.构造裂隙水和碳酸盐岩岩溶裂隙水，主要接受冰雪融水.大气降水.地表水补给，由于构造.岩性.地貌及气象.水文条件的不同，其富水性也相差较大。

3 选线方案概况

祁连山越岭段工程地质条件与水文地质条件极为复杂，地质构造.不良地质与特殊岩土发育，地质选线贯穿于方案研究.初测.定测.补定测等各阶段。定测阶段从地质条件.施工安全.工期及投资等方面综合考虑，对初测推荐方案进行优化，本文重点从控制线路方案的地质构造.“碎屑流”地层.危岩落石和岩堆.高地应力.自然保护区等5个因素对初测阶段CK方案和定测阶段DK方案进行比选(图1)。

图1 祁连山越岭段线路方案平面示意

CK方案起于大梁隧道进口DK333+000，止于元山隧道出口DK367+020，全长34.02 km，工程设置为5座隧道和4座大桥，隧道总长33.2 km，其中最长的祁连山隧道11.81 km，最短隧道大平羌沟隧道5.64 km，桥梁工程无特殊结构和高墩大跨。

DK方案起于大梁隧道进口DK328+870，止于元山隧道出口DK366+039，全长37.169 km，工程设置为7座隧道和6座大桥，隧道总长度34.7 km，其中最长的祁连山隧道9.5 km，最短隧道元山隧道0.939 km，大平羌沟大桥桥高85 m，为兰新高铁全线的最高桥梁(表1)。

表1 线路方案主要工程数量 km

4 控制线路方案的主要地质因素分析及评价

4.1 地质构造

测区位于北祁连山深断裂系，呈北西及北西西向延展[4]，具规模大.断裂深.历经多期次的构造变动等特点。与线路工程有关的褶皱构造有五牛河脑—托拉沟上游向斜.二道沟上游复背斜.冷龙岭向斜和鸳鸟口中游—敖包沟上游复背斜等。与线路工程有关的断裂有F5～F8四条区域性深大断裂及F8-1次级断裂(图2)。

图2 越岭段线路地质构造纲要示意

4.1.1 褶皱构造

五牛河脑—托拉沟上游向斜：北西西向缓波状分布于冷龙岭南坡，五牛河脑—老虎沟脑—托拉沟上游一带，长约100 km。南北两侧受断裂切割，构造形态不完整。核部广泛出露奥陶系中统板岩及结晶灰岩。两翼不对称，北陡，倾角一般70°～75°，南缓，倾角50°～65°。为一紧密线性褶皱，轴面略北东倾。轴脊线波状起伏，总体有西端扬起之势。CK方案与DK方案大梁隧道均以大角度通过该向斜核部。

二道沟上游复背斜：轴线呈北西西向分布于二道沟，核部出露二叠系砂岩，两翼为三叠系砂岩。北翼倾角43°～48°，南翼倾角57°～70°，轴面北倾，两翼各分布一次级向斜，其轴线方向与主轴线一致。CK方案祁连山隧道以大角度通过该复背斜核部，DK方案于硫磺沟以大桥通过。

冷龙岭向斜：轴线呈北西西向分布于冷龙岭主脊附近，长约59 km，宽3～6 km，地貌上组成一向斜山。两翼被断裂切割，但其向斜形态仍较明显。组成地层为志留系下统板岩，两翼产状变化较大，北东翼倾角55°～84°，南西翼倾角为47°～70°，轴面北东倾，轴脊线波状起伏，总体有西端扬起之势。CK方案与DK方案祁连山隧道均以大角度通过该向斜核部。

鸳鸟口中游—敖包沟上游复背斜：主轴线呈北西向沿冷龙岭北坡西段延伸。主构造核部出露泥盆系砂岩.砾岩，两翼断续分布石炭系下统灰岩.砂岩及页岩。两翼不对称，北东翼缓(40°).南西翼陡(60°)，轴面向南倾斜。轴脊线由东.西两段分别向中央倾伏，并具分岔现象。两翼次级褶曲发育，其轴线方向与主轴线一致，皆属不对称型，一般北东翼缓，南西翼陡，轴面多向南倾斜。CK方案和DK方案线路近平行经过该复背斜以砂岩为主的南西翼，次级褶曲发育。

4.1.2 断裂构造

F5：逆断裂，产状N60°W～EW/79°S，破碎带宽约100 m，斜穿硫磺沟，断层上盘地层为奥陶系条带状结晶灰岩和砂质板岩，下盘为二叠系浅白色.灰白色砂岩，该断层形成于加里东期，燕山期复活。CK方案祁连山隧道进口段长约210 m和DK方案大梁隧道出口段长约100 m以大角度通过该断裂。

F6：逆断裂，产状N35°～45°W/50°～60°N，破碎带宽50～150 m，以断层角砾为主，断带内岩体较为破碎。上盘为志留系下统板岩，下盘为二叠系砂岩[5]。CK方案祁连山隧道洞身段长约190 m以大角度通过该断裂及其次级断裂，DK方案祁连山隧道进口长约90 m以大角度通过该断裂。

F7：逆断裂，产状N48°～62°W/65°S，破碎带宽100～200 m，以断层角砾为主。呈北西西向贯穿于测区东北部，该断裂规模大，活动期长，结合区域资料，断裂形成于加里东早期或更早，加里东晚期表现为强烈挤压。上盘为志留系下统板岩，下盘为泥盆系砂岩[6]。祁连山隧道洞身CK方案长约120 m和DK方案长约130 m均以大角度通过。

F8：逆断裂，产状N40°W/72°N，断裂带宽约350 m，以断层角砾为主。上盘地层为石炭系上统砂岩，下盘为石炭系上统砂岩.页岩.砂砾岩.夹煤层。该断裂地形上和深部莫霍界面均为陡坡带，主要表现为逆冲性质，兼有左旋走滑特征。CK方案元山隧道洞身长约350 m和DK方案双墩子隧道出口段长约150 m大角度通过。

F8-1：逆断层，产状N48°W/70°S，破碎带宽约260 m，由断层压碎岩及断层角砾组成。断层上盘地层为石炭系上统砂岩，下盘为泥盆系砂岩。CK方案元山隧道洞身长约260 m和DK方案大乌龙沟大桥均以大角度通过。

CK方案和DK方案隧道通过断裂带的长度分别为1 130 m和470 m(图3)。

图3 隧道通过断裂带长度对比

4.2 “碎屑流”地层

在断裂构造F5与F6间为二道沟上游复背斜，地层岩性主要为二叠系和三叠系砂岩，受构造影响岩体极破碎，地表发育有常年流水的二道沟，有丰富的水量补给地下水，岩体浸水后极易崩解软化。测区内的引硫济金引水隧道工程进口段约2 km通过该套地层，该段施工过程中先后发生过9次大的塌方，最严重的为1999年6月26日发生的“碎屑流”，在对塌方长达2年的处理期间又发生过多次大的“碎屑流”，造成工期严重滞后[6]。CK方案祁连山隧道进口位于该引水隧道进口下游约1 km处，祁连山隧道洞身约3.3 km通过该套地层，水文地质环境与引水隧道工程类似，具备产生“碎屑流”的条件；DK方案位于引水隧道工程进口的上游，主要以硫磺沟大桥跨越，大梁隧道出口.祁连山隧道进口也为该套地层，但隧道洞口段均为浅埋斜坡地形，地下水不发育，无“碎屑流”条件。

4.3 危岩落石和岩堆

测区山高坡陡，基岩裸露，岩性多软硬相间，风化作用强烈，同时受构造影响，岩石节理裂隙非常发育，岩体破碎，坡面危岩落石现象较发育，坡角多发育岩堆。CK方案和DK方案均已绕避[7]。

4.4 高地应力

测区位于青藏高原东北缘，本区新构造运动比较活跃，其类型和表现形式多样，地应力场非常复杂且多变[8]。区域主应压力方向以北北东为主，勘测阶段实测最大水平主应力方向为N10°E～N21°E，最大水平主应力优势方向为N35°E，最大水平主应力最大值为12 MPa，为极高地应力区。CK方案与最大水平主应力方向夹角10°～20°，DK方案与最大水平主应力方向夹角10°～27°，选线过程中已尽可能减小高地应力对隧道工程的影响。

4.5 自然保护区

祁连山越岭段位于祁连山国家级自然保护区，线位的选择必须考虑对保护区的影响，避开核心区，尽量从试验区通过，确实困难可考虑从缓冲区通过。CK方案和DK方案均无法避免通过该保护区缓冲区，在设计中已对施工及运营后均采取了必要的防护措施，将工程对环境的影响降至最低[9-12]。

5 方案比选推荐意见

5.1 祁连山越岭段选线原则

本次祁连山越岭段地质选线的主要选线原则如下。

(1)地质构造

测区内地质构造发育，线路通过褶皱构造时应选择工程地质和水文地质条件较好的一侧翼部通过或以大角度与褶皱轴线相交通过；线路与断层构造应尽量垂直或以大角度相交通过，尽量以桥梁跨越[13-18]。

(2)“碎屑流”地层

鉴于引硫济金引水隧道工程施工过程中在该套地层所遇到的困难，线路应以绕避为主，如必须通过，则应选择水文地质条件较好地段以最短距离通过。

(3)危岩落石和岩堆

测区基岩裸露，山高坡陡，岩体节理裂隙非常发育，线路应绕避危岩落石和岩堆[19]。

(4)高地应力

线路应与高地应力场区域最大主应力方向尽可能平行，但由于受到线路走向的影响，已尽量采取与最大主应力方向小角度相交[20]。

5.2 推荐意见

CK方案和DK方案通过测区的地层岩性与地质构造条件相当，不良地质均已绕避；线路与最大主应力方向尽可能小角度相交，以减小高地应力对隧道工程的影响；线路从鸳鸟口中游—敖包沟上游复背斜南西翼通过，其余褶皱和断裂均以大角度通过(表2)。

表2 线路方案与地质因素关系

5.2.1 从地质构造对工程的影响方面分析

两方案均以大角度通过沿线地质构造，隧道通过的断裂破碎带长度CK方案较DK方案长660 m，且CK方案隧道通过的F2断裂地表常年流水，通过F8断裂处为浅埋冲沟，施工中有坍塌.冒顶.涌水突泥的风险。DK方案优于CK方案。

5.2.2 从隧道洞口条件和不良地质对工程的影响方面分析

两方案对危岩落石和岩堆均进行了绕避；大梁隧道进.出口段CK方案合计约2 km浅埋，DK方案约600 m浅埋，均位于缓坡地段坡积层中，工程地质条件较差；CK方案祁连山隧道洞身段约3.3 km通过“碎屑流”地层，地表发育常年流水的二道沟，隧道通过二道沟段位于引硫济金引水隧道工程下游，较引硫济金引水隧道工程埋深更浅，施工中更易发生“碎屑流”，DK方案大梁隧道出口与祁连山隧道进口通过该套地层，由于地表水和地下水均不发育，无产生“碎屑流”条件。DK方案优于CK方案。

DK方案隧道洞口段位于斜坡浅埋段，施工开挖揭示二叠系和三叠系砂岩受构造作用强烈，岩体破碎，多呈散状，施工中局部受雨水下渗影响，有渗水现象，未发生“碎屑流”或塌方。

5.2.3 从隧道围岩条件对工程的影响方面分析

根据综合勘察成果，对CK方案和DK方案隧道群围岩分级进行了统计(表3)。

表3 线路方案围岩分级对照

CK方案隧道总长度较DK方案短1.5 km，但Ⅳ.Ⅴ级围岩均较DK方案长5.6 km，施工难度和施工风险均超过DK方案。

综上所述，DK方案工程地质条件和水文地质条件均优于CK方案，推荐DK方案。

6 结论

线路建成通车后，截止2020年5月，本段线路通过近6年的安全运营，进一步印证了对初测方案的优化是科学.合理的。通过祁连山越岭段工程地质选线，得出以下结论。

(1)地质选线在山区铁路勘察工作中是最重要的一个环节，选线过程贯穿于勘察的各个阶段，选线的成败将直接影响山区线路走向.工程投资和施工期限等重大原则问题。

(2)越岭段研究区地质环境特殊复杂，选线过程中应采取具针对性的综合勘察方法及手段，分析研究控制线路方案的主要地质因素，提出选线原则，对方案进行优化。

(3)祁连山越岭段控制线路方案的主要工程地质问题是地质构造.“碎屑流”地层.危岩落石和岩堆.高地应力和自然保护区，其中地质构造.“碎屑流”地层是控制方案选择的主要因素。勘察中通过对方案的不断细化和完善，从地质构造.隧道洞口条件和不良地质.隧道围岩条件三个方面对工程的影响进行分析，综合比选出受地质构造和“碎屑流”地层影响最小.围岩条件最好的DK方案。

(4)越岭段经施工开挖验证，与原设计基本一致，未发生因地质条件改变而引起的改线.工期延误等问题，通车近6年一直在安全运营，对其他山区铁路地质选线具有一定的借鉴意义。在复杂山区的地质选线理论仍需结合工程实践进一步补充完善。