宝成铁路地质灾害整治工程方案研究

王 靖

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

宝成铁路建于20世纪50年代,宝鸡至江油段几乎全部处于山区,穿越秦岭、巴山、剑门山,沿线地形险峻、山体坡度大、地质条件复杂、水文地质恶劣、环境敏感性强。受当时工程投资及修建技术的制约,铁路选线以“垭口选线”“河谷选线”“土石方平衡”等为原则[1],技术标准低,挡护设备抗洪能力先天不足。

2018年7月12日,宝成铁路K227+390～K227+460段右侧发生山体崩塌,导致白雀寺隧道进口及进口端70m长线路被塌方体掩埋,路基挡土墙破坏,接触网立柱等设施摧毁,行车中断。2019年5月8日,宝成铁路K225+360～K225+420线路右侧发生浅层坡积层滑坡,列车限速通过,地质灾害位置见图1。根据调查统计[2],近年来,该段发生多次地质灾害,主要灾害形式为风化剥落、堑坡溜坍、附山垮塌、边坡溜坍、山体滑坡。虽经多次整治,地质灾害仍常年不断,严重影响线路和行车安全。已有许多学者进行相关研究,宋章等在对既有成渝铁路地质灾害特性及防治对策进行分析,提出截排水、增设支挡、加固处理落石等措施综合治理[3];雷能忠等在鹰夏铁路K339滑坡区工程治理中,提出在滑坡的不同部位,分别采用抗滑桩、锚杆框架梁和预应力锚索框架梁进行边坡支护[4];罗照新等采用抗滑桩、挡护工程、地表排水、既有边坡加固、河岸防护等措施,对宝成线响岩子震害滑坡进行整治[5]。

图1 宝成铁路K227地质灾害位置

以下基于前人的研究,对宝成线K225-K227段改线方案进行深入分析,以期彻底根治该段地质灾害。

1 地质灾害原因分析

1.1 地形地貌

宝成铁路K225～K227段位于宝鸡至阳平关段王家沱站(K222+135)与乐素河站(K234+369)区间内,为单线Ⅰ级电气化铁路,半自动闭塞,最小曲线半径为300m,旅客列车速度目标值为70km/h。地质灾害发生于嘉陵江右岸与其支流沟谷的交汇处,受嘉陵江及其支流冲刷作用,该处形成上、下部陡峭,中部相对平缓的地貌特征,并堆积了较厚的第四系松散地层,为滑坡形成提供了地貌条件和物质条件。

1.2 地质构造

K225灾害点处上部为第四系松散堆积层,主要为坡积层和后缘陡峻边坡岩体掉落的崩积块石土;下部为基岩的二元结构特征,且边坡基岩面倾向嘉陵江,基岩上部的第四系松散堆积层易沿土石分界面发生滑动。

K227灾害点处发生地辉长闪长岩受多期构造应力作用,岩体节理裂隙发育。长大节理相互切割,形成X形高角度剪节理。部分节理顺坡发育,为卸荷节理,节理倾角控制岩质边坡的自然坡度。灾害点处山高坡陡,地形上陡(约75°)下缓(约46°)。辉长闪长岩在秦岭第三期NE向应力作用下,在灾害点处出现片理化现象,受后期边坡应力影响,辉长闪长岩风化层较厚(8～10m)。发育的长大节理,深厚的风化层,陡峻的地形,为灾害发生提供了物质条件和地形条件。

1.3 水文条件

降雨特征上,滑坡处降雨量丰富,年平均降雨量为787.8mm,年最大降雨量为1353.3mm,一次最大降雨量为580.6mm,一次最大降雨量持续时间约为10d。K225处滑坡体浅表层主要由崩坡积物组成,崩积块石及坡积碎石占比较大,其透水性强,易造成大量雨水下渗,在土石分界面处汇集,对边坡土体起到了软化作用,从而降低边坡土体的稳定性。K227处崩塌体受大气降水入渗影响,增加了坡积层和风化层的重量,削弱了结构面和风化层与弱风化岩体接触面的抗剪强度,再加上震动等因素影响,在诸多不利因素的组合下,导致山体崩塌灾害发生。

综上分析,特殊的地貌条件和地层结构、短时间丰富的降雨,导致K225处坡积层发生滑坡。节理裂隙发育的深厚风化层、丰富持续的降雨,为大气降水的下渗和运移提供了很好的条件;陡峻的地形,为坡积层、风化层的下滑提供了有力的地形条件;大气降水入渗增加了坡积层和风化层的重量,削弱了结构面和风化层与弱风化岩体接触面的抗剪强度,再加上震动等因素影响,在诸多不利因素的组合下,导致K227处山体崩塌灾害发生。

2 地质灾害治理

灾害发生后,对K225滑坡采取“钢管微型桩+锚索+截排水”措施,对K227崩塌采取清除崩塌体、危岩落石,并对周边区域进行排查等措施;对存在危岩落石地段采用锚杆加固,主、被动网防进行抢险加固,保证行车通畅,通车后再进行补强,治理后效果见图2、图3。

图2 K225滑坡治理

图3 K227崩塌治理

K225滑坡治理工程完成后,坡面未发现新裂缝及局部变形。但经现场勘察,发现边坡仍存在如下问题:①边坡堆积体后缘的陡壁自然边坡陡峻,边坡岩性为辉长闪长岩,细粒结构,块状构造,节理发育,该陡壁在地震和强降雨等极端条件下,边坡卸荷层容易形成中-大型崩塌;②本段边坡具有特殊的地貌特征和二元地层结构,且二元结构的土石分界面较陡,丰富的降雨条件,以及该段边坡堆积体发生的失稳特征,综合分析认为,该段堆积体边坡为欠稳定斜坡体。现场滑坡治理范围仅是欠稳定斜坡体中的一部分,处理范围不够。

K227崩塌治理工程完成后,治理范围内坡面未发现异常。经现场勘察,发现边坡仍存在如下安全问题。①崩塌段路堑坡脚既有挡墙破损,目前仍以主动防护网临时包裹维持铁路运营,存在安全隐患;②靠近山顶边坡危石未采取防治措施,危石防护范围不足,影响整个白雀寺1号明洞至白雀寺隧道间线路运营安全;③白雀寺1号明洞出口K227+275～+390段,山高坡陡,自然山坡岩体破碎,节理裂隙发育,在长期自然风化、连续强降雨、地震、根劈作用等外部因素作用下,易发生危岩、落石、崩塌等地质灾害。

3 潜在地质灾害

结合铁路工务部门多年运营病害记录及《宝成线汉中段地质灾害调查评估报告》[6],应用地面调绘、倾斜摄影、勘探等综合勘察方法,对既有线K224+535～K229+425段潜在地质灾害进行逐点排查。发现高度风险4处/895m,中度风险8处/1555m,低度风险9处/2250m。潜在地质灾害汇总见表1。

表1 潜在地质灾害汇总

由表1可知,为重点整治或绕避中、高度风险点,综合地质灾害风险评估情况、线路平面接线条件、起终点附近地质条件等因素,将整治范围确定为K225+077～K229+066,既有线长3.989km。

4 改线方案

该段既有线多依山傍水而建,主要为路基工程,且以挖方为主,其边坡形成了切脚形态,且防护措施较为薄弱,边坡稳定性存在隐患。既有线曾发生5次较大的边坡失稳发事件,小型边坡风化剥落掉块也发生过多次。地形陡峻依山傍河地段,滑坡、崩塌威胁,难以彻底处理,后患难免,线路应尽量绕避,如南昆线八渡车站通过某巨型古滑坡,施工开挖后滑坡复活,后采取抗滑桩加固整治,分别采用预应力锚索总计132孔,总长约6400m,抗滑桩107根,预应力锚索桩共计113根,整治工程量巨大[7]。宝天线葡萄园站西侧有7个滑坡及几个岸边浅层滑体,1985年发生大规模滑坡,迫使原有路基工程废弃,造成改线1km(现以桥梁工程通过)[8]。

基于对本段地质灾害的判识及整治地质灾害的原则,结合设计规范[9]、既有线平纵断面现状、地形地质条件等及滑坡危险区铁路选线[10]、复杂山区脆弱环境下铁路选线方法[11-15],研究了3个方案,方案示意如图4。

图4 宝成线地质灾害整治改线方案示意

4.1 方案概述

(1)CK方案

改线段自路基K225+077引出,于既有线右侧跨过青白石河后南下,以2.595km隧道穿过既有宝成线右侧山体,经过小碾沟、泥洼子沟,与既有线在K228+899曲线地段接入既有线。

新建线路长3.253km(隧道2595m/1座,桥梁296.6m/2座),改线后线路运营长度缩短736m。废弃既有线长3.989km,废弃既有隧道71m/1座、明洞176m/3座、中桥262m/3座。投资估算总额为14749.34万元。

(2)CIK方案

改线段自路基K225+077引出,于既有线右侧跨过青白石河后,以2.5km隧道穿过既有宝成线右侧山体,跨过小碾沟,与既有线在K228+638曲线地段接入既有线。既有路堑边坡喷混凝土防护,存在风化剥落现象,边坡处理措施薄弱,采用锚索格梁进行边坡加固。

新建线路长2.947km(隧道2500m/1座,桥梁218.3m/2座),利用既有线453m,改线后线路运营长度缩短589m。废弃既有线长3.56km,废弃既有隧道71m/1座、明洞176m/3座、中桥229m/3座。投资估算总额为16944.22万元。

(3)CIIK方案

改线段自路基K226+204引出,于既有线右侧南下,以1.69km隧道取直穿过白雀寺隧道南侧山体,跨过小碾沟,与既有线在K228+638曲线地段接入既有线。既有线K225+700～K226+204段属一般风险地段,拟采用格梁锚索、挂网喷护、被动防护网等措施;K225+360～K225+420右侧滑坡影响行车安全,拟在现场抢险工程的基础上,采用抗滑桩进行整治。K228+638～K228+899段;既有路堑边坡喷混凝土防护,存在风化剥落现象,边坡处理措施薄弱,拟采用锚索格梁进行边坡加固。

新建线路长1.949km(隧道1690m/1座,桥梁70m/1座),利用既有线1.58km(对部分路基边坡进行加强处理)。改线后线路运营长度缩短460m,废弃既有线长2.43km,废弃既有隧道71m/1座、明洞176m/3座、中桥102.4m/2座。投资估算总额为15615.33万元。

4.2 方案优缺点分析

从线路工程条件、工程地质条件、工期条件、施工条件、工程效果及工程经济等方面,对上述3个改线方案进行综合分析,结果见表2。

表2 各方案优缺点分析

综上分析,CK、CIK方案虽新建线路长度大,隧道工程长,但不存在中、高风险点,工程地质条件及施工条件好,能够彻底根治地质灾害。另外,虽CK较CIK方案新建线路长306m,但线路顺直,运营长度短139m,无需利用既有线小曲线半径段,也无需对既有路堑边坡局部加固处理,后期养护维修投入少,施工工期短1个月,工程投资省2195万元。因此,推荐CK改线方案。

5 结语

(1)基于宝成铁路K227段山体崩塌地质灾害、K225段滑坡,识别、分析地质灾害及提出原位整治方案,通过高墩大跨桥梁或隧道绕避地质灾害,采取有效、可靠的工程措施保证改建铁路建设及长期运营的安全,对提高铁路运输能力,提高区域路网整体运输效率,提高铁路综合效益等方面有重要意义。

(2)在同等地形、地质条件下,修建铁路工程时,工程地质选线应做到绕有所依,并选择合理的敷设方式、采取可靠的工程措施通过,以确保铁路顺利建设和安全运营。