西宁至成都铁路地质防灾减灾选线原则研究

张 明

(轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院),西安 710043)

根据(发改基础〔2016〕1536号)《中长期铁路网规划纲要》(2016-2020)，中西部未来是我国铁路建设的重点区域。然而西部地区地质条件复杂、山岭地区占比很大，地质地形因素是限制铁路建设的重要因素和工程投资控制的关键，影响着铁路建设速度和质量[1-3]。

山区铁路选线经历了由“地形选线”“地质选线”“减灾选线”三大发展阶段[4-7]。关于不良地质区域的铁路选线设计很多学者进行了研究，朱颖[8]结合案例，论述了复杂艰险山区不良地质区域高速铁路选线设计的理论与方法；毛邦燕[9]基于现场调研与实验数据，明晰了控制成昆铁路线路走向的不良地质控制因素；李伟[10]针对川藏铁路的特殊地理环境与生态环境，提出了地质、环保和工程设计并重的选线原则；张爽[11]通过郑万铁路分析了高铁线路在岩溶发育、危岩落石等不良地质区域的减灾选线技术；韩峰[12]基于GIS的三维可视化功能对不良地质体建模，为不良地质区域线路方案的平立面比选提供了参考；张喆[13]以宝兰高铁为例，研究了高桥隧比铁路在黄土滑坡、富水砂岩层及饱和卵砾石等区域的不良地质绕避；霍欣[14]在详细地质调绘及分析钻探、物探成果的基础上，提出了高地应力、高地温地质区域选线的原则；孙先锋[15]通过采用现场调查和遥感判释等技术手段，研究活动断裂特征及其对铁路的影响；胡永占[16]通过分析西十高铁沿线主要工程地质灾害，提出了不稳定斜坡、长大区域断裂、岩溶等复杂地质环境下秦岭山区高速铁路线路空间地质综合选线方法。随着建造技术水平的发展，铁路选线设计更加重视对环境、地质灾害的判释[17]。学者们从防灾减灾的角度出发，对各种不良地质条件下普速铁路和高速铁路选线方法及相关内容进行了大量研究，为选线设计提供了理论方法并积累了工程经验[18]。

西宁—成都铁路沿线地质条件极为复杂，弱成岩水稳定地段和软岩大变形地段是影响线路走向方案设计的主要不良地质因素，以该线的西宁至黄胜关区段为例，并结合现代选线设计理论和防灾减灾理念，采用从面到线、从线到点的选线方法，利用高墩大跨桥梁、长大隧道规避不良地质和特殊地质，从而达到防灾减灾的效果，并应用于工程设计中。进一步完善以防灾减灾为核心的地质选线方法，为今后铁路不良地质区域的选线提供一定参考。

1 西宁—成都铁路概况

西宁至成都铁路作为国家“八纵八横”兰(西)广通道的重要组成部分，线路走行于青藏高原东部边缘与黄土高原过渡地带，整体呈南北走向[19]。线路北起青海省东北部的西宁盆地，向南穿祁连山、越秦岭、跨若尔盖草原，翻岷山，后与成兰铁路黄胜关车站接轨，地面高程2 000～4 200 m。如图1所示，沿线地貌以中高山区为主，地形起伏大，地质构造、地层岩性及水文地质条件极其复杂[20]。线路位于华北、扬子、青藏及塔里木四大板块相互汇集部位之隆起造山带，线路沿线地质灾害问题突出，严重影响着线路方案设计。

图1 西宁—成都铁路地理位置示意

2 复杂地质问题

西宁—成都铁路沿线区域地形地质条件极其复杂，区域性断裂带发育，新构造活动强烈，地应力及地震烈度高[21]。滑坡、崩塌、泥石流等不良地质极其发育。尤其是在地质历史时期特殊的沉积、构造、成岩环境下，使得该段线路面临着诸如弱成岩水稳性、软岩大变形等特殊复杂地质问题的挑战，从而使得本线的工程设置复杂，各类不良地质共同影响下的选线设计难度较大。本次主要对复杂地形条件下弱成岩水稳性地段、软岩大变形地质两大因素，并充分借鉴相邻兰渝铁路的工程设计经验，对该类不良地质因素下的防灾减灾选线思路及方法进行研究。

3 弱成岩水稳性地段地质减灾选线

3.1 地质特点

海东西至尖扎段海东南山越岭段，区域内主要以第三系、白垩系弱成岩地层，以弱成岩砂岩、砾岩为主，工程性质情况与兰渝铁路桃树坪隧道、胡麻岭隧道类似。其特点为在无地下水影响时，整体稳定性较好；在遇水后结构迅速破坏，开挖扰动后多呈粉细砂状，稳定性差，易产生围岩变形、坍塌、流沙、基底软化等现象。

3.2 地质减灾选线原则

在弱成岩水稳性地层段，选线设计在满足地形高差的情况下，需同时考虑如何从源头规避不良地质。从而在优化线路条件的同时，最大程度降低不良地质段的工程处理措施，并提高工程施工及运营安全。本次研究对该不良地质段提出选线时在展线合理的情况下尽量采用明线通过该区域，从根本上避免弱成岩地层的影响。若受地形控制，必须采用隧道时，线路应尽量绕避或以最小距离通过弱成岩地层段的总体思路。在无法绕避时，采用抬高线路高程，使本线设计高程高于地下水位高程，从而从纵向避开富水弱成岩地层，进而改善隧道段水文地质条件，降低施工风险，从设计源头达到防灾减灾目的。

3.3 方案比选研究

研究方法主要应用于本线翻越拉脊山段，该段山体宽厚，高差均较大，线路不可避免需设长大越岭隧道工程。选线设计中在考虑城镇分布、地形条件、地质特征、越岭隧道长度及线路线型等多种因素的条件下，主要研究了两大走向方案，如图2所示。

图2 拉脊山越岭方案示意

方案1：该方案群科设站以32 km长隧道取直穿越拉脊山。线路平面尽量沿黄河阶地布线，设站后取直线路、拔起高程越岭。其优势在于明线布线段落长，从而避免了不良地质对工程的危害。但该方案受车站填方高度及明线段工程设置条件控制，线路无法提高拔高高程，主越岭隧道长达32 km，且隧道洞身约21.5 km长线路经过贵德组与民和组的弱成岩地层，纵断面上主越岭隧道段整体高程较低，且有近20 km长线路走行于地下水位之下，使该段隧道工程弱成岩水稳性问题突出，地质条件差，施工风险高。

方案2：该方案设化隆站以21 km长隧道穿越拉脊山。线路平面上绕避民和组和贵德组水稳性差的地层，尽量布设于硬质岩范围内，围岩条件好；且提前设站后，尽早拔高线路高程，缩短主越岭隧道长度，并使线路高程高于地下水位，使得隧道尽量不受弱成岩水稳性地层影响，从而从根源优化主越岭隧道段地层围岩及工程设置条件，保证工程的安全可靠。

最终，经过现场大量勘探、综合比选研究及专家认证，设计推荐线路走行于硬质岩中、穿越弱成岩段落短、线路整体高程高于地下水位的21 km长越岭方案。该方案从根源上解决了工程受弱成岩影响问题，通过绕避弱成岩，拔高设计高程，从平纵空间走行于弱成岩地层外，避免了隧道工程受其影响，同时减少了隧道不良地质段的工程处理措施。

4 软岩大变形地质减灾选线

4.1 软岩大变形地区选线原则

线路沿线区域地应力高，三叠系、二叠系板岩分布广泛，该地层在高地应力作用下，极易发生隧道大变形破坏，严重威胁工程施工及运营。本区域选线在满足地形高程要求下，综合考虑区域软岩大变形分布情况，以综合选线为基础，提出拔高线路整体设计高程，降低隧道埋深，进而减少区域高地应力对软岩大变形影响的新思路。同时，选线平面设计上尽量选择岩性较好的段落通过，线路纵断面上灵活采用大坡度抬升高程，在沟谷处漏头，缩短隧道长度，尽量设置埋深浅、长度短的隧道工程通过。

4.2 隧道穿越二叠系炭质板岩段落线路方案比选

合作至夏河段通过二叠系地层，以炭质板岩、千枚状板岩为主，为全线岩性最差的板岩，与兰渝线木寨岭隧道、纸坊隧道岩性相当。且该段落处于高地应力地段，岩质软弱、岩层较薄、岩体破碎，影响方案的主要工程地质因素为隧道围岩条件及挤压性围岩大变形风险。

合作至唐尕昂段沿合作河谷布线，本段选线中提出采用大坡度抬升高程，利用支沟隧道漏头，多设置埋深浅(最大埋深413 m)的短隧道群工程。避免取直设置的长大隧道(10.6 km)，埋深大的隧道(最大埋深740 m)，从根源降低隧道软岩大变形问题，方案比选示意如图3所示。

图3 合作至唐尕昂线路方案比选示意

唐尕昂至夏河段本线设计中选择傍河谷沿大夏河布线，线路虽较取直方案绕长3 km，但所经地层岩性相对好，且傍山隧道埋深小，隧道以短隧道群为主，隧道整体较取直长隧道方案地应力低，软岩大变形风险小，方案比选如图4所示。综上所述，在软岩大变形突出段，选线设计中应采用傍山隧道群布线，从而降低隧道埋深，降低工程施工与运营风险。

图4 唐尕昂至夏河段线路方案比选示意

4.3 隧道穿越三叠系砂岩、砂质板岩段落方案比选

碌曲至博拉段线路通过地层为三叠系地层，以砂岩、砂质板岩为主，与兰渝线毛羽山隧道、天池坪隧道、新城子隧道相似。

该段线路地处高地应力环境，隧道具有围岩大变形风险，同样线路以车站布点为基础，在保证线路走行合理前提下，尽量靠近河谷，采用短隧道群通过，并灵活采用大坡度拔高线路高程，在沟谷处露头，降低隧道埋深的同时避免长大隧道工程，从根源降低区域隧道软岩大变形风险，方案比选见图5。

图5 碌曲至博拉线路方案比选示意

5 结论

(1)西宁—成都铁路沿线地形起伏大、地质复杂，是防灾减灾选线重点考虑的因素，选线设计时应以地质条件为导向，分区段研究线路方案，通过平、纵断面结合开展了地质防灾减灾选线研究，总结了弱成岩水稳性地段、软岩大变形地段、高地应力地段和岩体破碎地段的平、纵断面选线方法。

(2)在弱成岩水稳性地质问题突出地段，平面选线时首要选择明线或硬质岩布线，以最大程度绕避弱成岩地段。纵断面设计中尽量抬升线路高程，使隧道设计高程位于地下水位之上；在软岩大变形地质问题突出地段，首要选线原则应尽量通过岩性较好的地层，拔高线路，以浅埋、短隧工程通过。

(3)在地应力较高地段，隧道埋深越大，区域高地应力使软岩大变形地质灾害更加严重。选线时采用纵断面抬高高程，减少隧道埋深；在岩体破碎地段，选线时平面沿河谷绕行布线，纵断面采用大坡度抬升高程，采用埋深浅、长度短的隧道群工程通过不良地质困难地段。