寶中增建二線六盤山地質(zhì)選線及主要工程地質(zhì)問題

沈軍明

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043)

寶中鐵路南起隴海鐵路的虢鎮(zhèn)車站，縱貫陜、甘、寧三省(區(qū))的十四縣市，北至寧夏中衛(wèi)縣境內(nèi)的包蘭鐵路迎水橋車站，是西北通往華北、華東、西南地區(qū)的重要通道。目前既有寶中線通過能力已處于超飽和狀態(tài)，增建二線后將解決運(yùn)輸壓力。

增建二線線路方案的重點(diǎn)為新李至固原車站之間六盤山越嶺方案的比選研究。六盤山脈位于寧夏回族自治區(qū)南部，向南延伸至甘肅、陜西交界地區(qū)。山脈由兩列近南北向的平行山體組成，是陜北高原與隴中高原的分界線。增建二線走行于六盤山東側(cè)的小關(guān)山中低山區(qū)，發(fā)育頡河及支溝火龍溝、小路河、大路河，紅河上游支流，茹河上游支流任山河、店河等，地形陡峻，溝壑縱橫，不良地質(zhì)及特殊巖土發(fā)育，地質(zhì)選線尤為重要。

1 六盤山區(qū)工程地質(zhì)條件

1.1 地層巖性

工作區(qū)內(nèi)地層主要有:第四系全新統(tǒng)現(xiàn)代河床沖、洪積層和殘坡積以及上更新統(tǒng)風(fēng)積層，由粉質(zhì)黏土、細(xì)圓礫土、細(xì)角礫土及黏質(zhì)黃土組成，分布于河流階地和谷坡地表;上第三系主要分布在黃土塬基底，局部出露于黃土塬與山嶺過渡帶，為細(xì)砂巖及泥巖;下第三系主要出露于黃土塬與山嶺過渡帶，巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖，細(xì)砂巖;下白堊系地層構(gòu)成六盤山旋回層的主體，廣泛出露，是線路通過的主要地層，巖性以泥巖、泥灰?guī)r、砂巖、頁巖為主，與下伏地層呈角度不整合接觸;奧陶系灰?guī)r出露范圍較小，主要位于三關(guān)口一帶，與白堊系地層呈角度不整合接觸和斷層接觸。構(gòu)造巖類主要為斷層角礫、碎裂巖，分布于各斷層破碎帶內(nèi)。

1.2 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)域位于隴西系帚狀構(gòu)造與祁呂賀山字形構(gòu)造的南北向脊柱——賀蘭褶帶南段交接復(fù)合部位，構(gòu)造極其復(fù)雜。

隴西系帚狀構(gòu)造由走向北西－北西西和向東突出的弧形構(gòu)造形跡構(gòu)成，分布在下白堊系及第三系中，并包容了古生界、中生界巖塊，燕山運(yùn)動(dòng)后期已具雛形，經(jīng)隴山運(yùn)動(dòng)后基本完成。賀蘭褶帶南段在本區(qū)由店洼—太統(tǒng)山—大臺(tái)子、三關(guān)口—景福山兩個(gè)南北向的復(fù)背斜及其間的斷層組成，背斜核部出露震旦、寒武、奧陶系地層，兩翼為二疊、三疊、侏羅系地層，被下白堊系及新生界地層角度不整合覆蓋。歸并入隴西系后，褶皺及主要斷層走向由南北向偏轉(zhuǎn)10°～30°成北北西向。

1.3 水文地質(zhì)條件

根據(jù)線路通過區(qū)出露的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造特征及地下水類型的不同，將測(cè)區(qū)地下水分為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水和構(gòu)造裂隙水三大類。主要以基巖裂隙水為主，水量大小受巖性、構(gòu)造控制，多為中等富水。

1.4 地震

工作區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.20g，反應(yīng)譜特征周期為0.40 s。該區(qū)域地震比較強(qiáng)烈而且頻繁，地震發(fā)生的頻度有逐漸增高的趨勢(shì)。從大地構(gòu)造來看，祁呂賀山字構(gòu)造受到隴西系構(gòu)造體系的強(qiáng)烈干擾，第三紀(jì)以來的隴山運(yùn)動(dòng)致使六盤山隆起，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特別發(fā)育，這是造成本地區(qū)地震活躍的主要因素。近100年來發(fā)生的10余次強(qiáng)震中兩次地震間隔最短為4個(gè)月，最近的強(qiáng)震發(fā)生于1970年12月3日，震中位于西吉縣，震級(jí)5.5級(jí)。最大震級(jí)為1920年12月16日發(fā)生的海原大地震，震級(jí)為里氏8.5級(jí)。

2 地質(zhì)選線

2.1 主要比選方案介紹

根據(jù)地形地貌、地質(zhì)特征、線路走向、越嶺隧道長度、坡度及輕重車方向等方案研究，重點(diǎn)研究了以下4個(gè)方案(見圖1)。

(1)預(yù)可方案

線路出新李站后與既有線并行，于石咀子村折向北連續(xù)設(shè)賀龍溝隧道、韓家堡隧道、喜溝灣隧道，設(shè)彭陽站，后設(shè)新六盤山隧道穿越山區(qū)引入固原站。

(2)均衡坡東方案

該方案為預(yù)可方案向西側(cè)(即喜溝上游)偏移，采用隧道工程通過喜溝，連續(xù)設(shè)賀龍溝隧道、韓家堡隧道，出洞以雙線特大橋跨茹河設(shè)置彭陽站，后設(shè)新六盤山隧道穿越山區(qū)引入固原站。

(3)均衡坡中方案

線路出新李車站后與既有線并行，至安國鎮(zhèn)車站折向北，設(shè)賀龍溝隧道，出洞后設(shè)彭陽站，再以特大橋跨茹河，后設(shè)新六盤山隧道穿越山區(qū)引入固原站。

(4)均衡坡西方案

線路與既有線并行，經(jīng)安國鎮(zhèn)站后以橋路工程沿頡河北岸足坡向西，于蒿店鄉(xiāng)西北折向北，設(shè)新六盤山1號(hào)隧道，后以彭陽特大橋從乃家河水庫上游跨越，設(shè)置彭陽車站;后設(shè)新六盤山2號(hào)隧道穿越山區(qū)引入固原站。

2.2 各方案工程地質(zhì)條件評(píng)價(jià)

(1)預(yù)可方案

圖1 寶中鐵路增建二線六盤山區(qū)方案必選示意

該方案通過黃土梁峁區(qū)，賀龍溝隧道，韓家堡子隧道，喜溝灣隧道洞身通過地層主要為第四系中上更新統(tǒng)黏質(zhì)黃土、砂質(zhì)黃土、第三系泥巖;新六盤山隧道穿行于白堊系下統(tǒng)泥巖夾砂質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r地層中，并以小角度與蒿店斷層相交，通過破碎帶寬度達(dá)650 m。韓家堡子隧道出口及喜溝灣隧道進(jìn)口段位于喜溝，設(shè)喜溝灣中橋。喜溝兩岸大范圍發(fā)育滑坡群，滑坡多為多期次深層大型滑坡，根據(jù)推測(cè)，滑體厚度最大達(dá)30 m，目前滑坡仍處于欠穩(wěn)定或不穩(wěn)定狀態(tài)。最近一次滑動(dòng)發(fā)生于1992年，滑體上村莊全部搬遷，工程地質(zhì)條件極差，線路不宜在此通過。

(2)均衡坡東方案

該方案向喜溝上游偏移，線路沿線通過地層巖性與預(yù)可方案基本相同。在喜溝處，以隧道工程通過，避開了喜溝滑坡群，但軌面距溝心距離僅17 m，溝心出露為軟塑至流塑狀黏性土，工程性質(zhì)極差，施工風(fēng)險(xiǎn)大。隧道下穿沙河后從羊坊平河右岸出洞，主要穿越第四系黃土溝梁區(qū)，以總長約2 450 m的隧道形式下穿寬闊河谷區(qū)，埋深淺，僅20～30 m。洞身地層主要以飽和碎石類土為主，其余段落隧道洞身地層主要為第四系黃土，第三系砂巖、泥巖，圍巖整體性差。據(jù)統(tǒng)計(jì)，東方案隧道埋深小于60 m的段落長度達(dá)8.9 km左右，整體工程地質(zhì)條件差。

(3)均衡坡中方案

該方案將賀龍溝隧道進(jìn)口左移，繞避了安國斷層，同時(shí)完全避開了黃土塬區(qū)滑坡群，隧道洞身主要位于白堊系下統(tǒng)泥巖夾砂質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r及第三系泥巖中，與預(yù)可方案和東方案相比，地質(zhì)條件明顯好轉(zhuǎn)。但是賀龍溝隧道進(jìn)口段為黃土質(zhì)隧道，并不可避免經(jīng)過成巖極差的第三系砂巖、泥巖地層;新六盤山隧道以小角度經(jīng)過蒿店斷層，斷層帶含水量較大，圍巖差，斷層破碎帶寬度達(dá)650 m。周莊水庫位于賀龍溝隧道下游，距離約900 m，乃家河水庫位于賀龍溝隧道出口上游和新六盤山隧道進(jìn)口上游，距離約1 100 m，存在隧道滲、漏水的風(fēng)險(xiǎn)，整體工程地質(zhì)條件一般。

(4)均衡坡西方案

該方案線路順頡河左岸一級(jí)階地后緣及斜坡前緣接觸帶附近通過，且多次跨越頡河支溝的泥石流溝，對(duì)橋路工程設(shè)置方案影響較大。但是隧道工程完全避開了安國斷層和蒿店斷層，以路橋工程通過;以特大橋通過迺河水庫上游，消除了隧道工程水庫滲漏的風(fēng)險(xiǎn)。隧道洞身大部分位于白堊系下統(tǒng)泥巖夾砂質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r中，隧道埋深大，整體工程地質(zhì)條件較好。

3 主要工程地質(zhì)問題

線路行走于六盤山東側(cè)小關(guān)山地區(qū)，沿線通過低中山區(qū)、黃土梁峁溝壑區(qū)及河谷階地區(qū)等幾個(gè)地貌單元，通過范圍廣，地形起伏大、構(gòu)造發(fā)育，特殊性巖土及不良地質(zhì)等工程地質(zhì)問題較多。

3.1 特殊性巖土

(1)黃土

黃土分布于隧道出口段，經(jīng)取樣試驗(yàn)及濕陷計(jì)算，綜合分析該黃土自重濕陷量為19～51 cm，總濕陷量為27～83 cm，具Ⅱ～Ⅳ級(jí)自重濕陷性，濕陷深度7～16 m。黃土層中隧道圍巖易坍塌，洞口削方易引發(fā)工程滑坡。

(2)膨脹性巖土

第三系泥巖、砂質(zhì)泥巖，為泥質(zhì)膠結(jié)，成巖極差，飽和抗壓強(qiáng)度0.90～1.30 MPa，天然抗壓強(qiáng)度0.45～5.45 MPa，屬極軟巖，具弱膨脹性，隧道圍巖易坍塌。

3．2 不良地質(zhì)

(1)滑坡

工作區(qū)內(nèi)滑坡主要分布于東側(cè)黃土梁峁溝壑區(qū)，溝梁相間，沖溝下切嚴(yán)重，滑坡多沿沖溝兩側(cè)及塬邊發(fā)育。向西側(cè)靠近既有線方向，多發(fā)育基巖滑坡?？傮w來看，滑坡規(guī)模大，沿溝谷呈帶狀分布，連續(xù)成群，穩(wěn)定性差，部分近期還在活動(dòng)，如喜溝兩側(cè)大范圍發(fā)育黃土滑坡群。

(2)泥石流

泥石流主要發(fā)育于頡河及其支流，溝心陡峻，兩側(cè)自然山坡陡峻，坡面裸露，出露巖層為泥巖、泥灰?guī)r、砂巖、頁巖，巖質(zhì)軟，風(fēng)化嚴(yán)重，坡面表層普遍覆蓋有角礫、碎石等基巖風(fēng)化物，提供了較為豐富的碎屑物質(zhì)，雨季時(shí)地表徑流匯聚成峰，攜帶固體物質(zhì)直沖而下，形成泥石流。溝口洪積扇明顯，對(duì)選線影響較大。

3.3 地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較發(fā)育，線路應(yīng)盡量繞避或大角度以橋梁、路基工程通過，隧道工程應(yīng)避開斷層破碎帶。隧道順褶曲構(gòu)造軸線布置時(shí)，宜繞避褶曲軸部破碎帶，選擇在地質(zhì)條件較好的一側(cè)翼部通過。

(1)斷裂構(gòu)造

安國斷層為壓性逆斷層，產(chǎn)狀N10°～20°W/60°S，垂直寬度約120 m，斷帶物質(zhì)為斷層角礫及斷層泥。西方案、中方案以路橋工程通過。

蒿店斷層南起蒿店以南，北至乃家河以北，全長約47 km，為壓性逆斷層，走向?yàn)楸北蔽飨颍a(chǎn)狀N13°W/60°S，最大垂直斷距700 m，切割白堊系及第三系地層，斷層破碎帶寬度約300 m。預(yù)可方案、東方案、中方案均以隧道形式通過該斷層。

(2)褶皺構(gòu)造

區(qū)內(nèi)褶皺發(fā)育，由一系列北西－南東向互為平行或羽狀排列的短軸背斜、向斜構(gòu)成。褶皺多為南西翼緩(傾角一般為 10°～45°)，北東翼陡(傾角 20°～50°)，兩翼不對(duì)稱，東翼較陡，西翼平緩。東方案及中方案經(jīng)過小關(guān)山背斜軸部，西方案線路經(jīng)過開城北面河背斜軸部。

3.4 上第三系砂巖

根據(jù)寧夏區(qū)域地質(zhì)志，本區(qū)上第三系地層為以湖相夾河流相為主的紅色碎屑巖建造，為一套淡紅色、雜色的細(xì)砂巖及泥巖。與方案相關(guān)的上第三系砂巖主要出露于黃土塬與山嶺過渡帶，以上各比選方案中有局部段落通過該地層。

據(jù)調(diào)查，該上第三系砂巖具有泥質(zhì)弱膠結(jié)、成巖性差、強(qiáng)度低等特點(diǎn)。由于其復(fù)雜的水穩(wěn)特性，在無地下水地段，圍巖整體穩(wěn)定性較好;在含地下水地段，砂巖遇水后結(jié)構(gòu)迅速破壞，穩(wěn)定性變差易產(chǎn)生變形，施工擾動(dòng)后多呈粉細(xì)砂狀，地下水富集段拱部及邊墻圍巖收斂、變形、坍塌嚴(yán)重。蘭渝鐵路某隧道工程遇到上第三系砂巖地層，產(chǎn)生極大的施工難度，選線中應(yīng)盡可能繞避。

3.5 水庫滲漏

六盤山區(qū)分布有多處水庫，主要為防洪和灌溉功能，部分水庫距離線路較近，線路軌面高程均低于水庫蓄水位高程，施工期間隧道存在一定的涌水風(fēng)險(xiǎn)，運(yùn)營期間有隧道滲、漏水的風(fēng)險(xiǎn)，且存在水庫水位下降等風(fēng)險(xiǎn)。因此，選線應(yīng)盡可能繞避，并要做好水庫與隧道間水力關(guān)系分析，并做好隧道的防、排水設(shè)計(jì)，施工期間加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，以防止隧道在開挖過程中發(fā)生涌水。

3.6 土石界面

主要位于隧道出口的淺埋地段。上覆為濕陷性黃土，下伏第三系砂、泥巖，下白堊系泥巖、頁巖;接觸界面較平緩，線路通過接觸界面段落較長，沿接觸界面有地下水滲出。如前節(jié)所述，受地下水影響，黃土及第三系砂巖都將產(chǎn)生嚴(yán)重的工程地質(zhì)問題，影響施工進(jìn)度。

4 結(jié)論

通過對(duì)上述4個(gè)方案的工程地質(zhì)條件進(jìn)行比較，均衡坡西方案以兩座特長隧道穿行于六盤山基巖山區(qū)，以橋涵及路基工程通過安國斷層、篙店斷層，使隧道躲避了主干斷裂的影響;同時(shí)避開了東部黃土區(qū)滑坡群等不良地質(zhì)和多處水庫，并以特大橋通過迺河水庫，消除了滲漏的風(fēng)險(xiǎn);隧道洞身主要穿行于巖性單一的白堊系地層，僅在固原附近隧道出口段不可避免地穿越第三系砂巖、泥巖，以及第四系黏質(zhì)黃土、圓礫土層;線路以特長隧道通過六盤山區(qū)，洞口少，淺埋段短，在新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活動(dòng)強(qiáng)烈、地震頻發(fā)的六盤山地區(qū)，鐵路工程的修建和運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)明顯降低，工程地質(zhì)條件最優(yōu)。

［1］中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司．改建鐵路寶中線增建第二線可行性研究第四篇·地質(zhì)［R］．西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，2011

［2］寧夏回族自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)局．寧夏回族自治區(qū)區(qū)域地質(zhì)志［M］．北京:地質(zhì)出版社，1990

［3］鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院．鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)［M］．北京:中國鐵道出版社，1999

［4］鐵道部寶中鐵路建設(shè)辦公室．寶中鐵路［M］．北京:中國鐵道出版社，1996

［5］鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院．鐵路工程地質(zhì)實(shí)例(西北及相鄰地區(qū)分冊(cè))［M］．北京:中國鐵道出版社，2002

［6］何振寧．區(qū)域工程地質(zhì)與鐵路選線［M］．北京:中國鐵道出版社，2004

［7］甄秉國．蘭渝線蘭州至渭源段主要工程地質(zhì)問題及選線［J］．鐵道勘察，2010(5):43-46