西安至十堰高速鐵路主要工程地質(zhì)問題及防治對策

楊南輝

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

西安至十堰高速鐵路是西武高速鐵路的重要組成部分，目標(biāo)速度350 km/h，線路建成后“古都西安”到“江城武漢”最快只需2 h。線路起于關(guān)中平原的西安市，經(jīng)商洛進入鄂西北地區(qū)，接入十堰北站，與已開工建設(shè)的武漢至十堰高速鐵路對接。通過高速鐵路連接關(guān)中城市圈和武漢城市圈，對促進陜鄂經(jīng)濟具有重要的意義。西安至十堰高速鐵路呈西北-東南向穿過陜鄂兩省境內(nèi)的秦嶺山脈。秦嶺山脈平均高程約692 m，最大高程達 1 350 m，最小高程325 m，為長江、黃河兩大水系分水嶺。秦嶺以南降雨匯入長江支流嘉陵江、漢江，秦嶺以北降水流入黃河支流渭河，地形陡峻，南北向支流、沖溝較發(fā)育。

線路沿線受區(qū)域深大斷裂控制，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，地層巖性復(fù)雜多變，沿線分布大量不良地質(zhì)。藍田西北為渭河盆地，地勢較平坦開闊，但山前黃土塬周緣地勢陡峭，不良地質(zhì)極發(fā)育，嚴重影響線路走向。藍田至鄖西為秦嶺中山區(qū)，山高谷深，局部線路與區(qū)域性深大斷裂走向基本一致，且滑坡等重力地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育[1]。

1 工程地質(zhì)特征

線路整體由西北向東南傾斜，西安市至藍田縣段位于渭河斷陷盆地，藍田縣至山陽縣段屬于秦嶺中山區(qū)，山陽縣至鄖西縣段屬于秦嶺南麓低山區(qū)，鄖西縣至十堰市段位于秦嶺南麓及武當(dāng)山北坡低山丘陵區(qū)。

線路沿線地層巖性復(fù)雜多變，以變質(zhì)巖為主。西安市至藍田縣段的渭河斷陷盆地上部以第四系松散層為主，下伏新近系泥巖、砂巖。藍田縣至鄖西縣段的秦嶺中低山區(qū)地層巖性主要為古近系、白堊系沉積巖，志留系、奧陶系、寒武系、震旦系、中元古界變質(zhì)巖，燕山期、印支期侵入巖。鄖西縣至十堰市段的秦嶺南麓及武當(dāng)山北坡低山丘陵區(qū)，地層巖性主要為第四系松散層，基巖主要為古近系沉積巖，震旦系、中元古界變質(zhì)巖等。

線路沿線地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，跨越中朝準地臺和秦嶺褶皺系兩大構(gòu)造單元，東南與揚子準地臺毗鄰。涉及的二級構(gòu)造單元有汾渭斷陷、華北地臺南緣褶皺帶、北秦嶺加里東褶皺帶、禮泉-柞水華力西褶皺帶、南秦嶺印支褶皺帶，斷裂非常發(fā)育。經(jīng)統(tǒng)計，與線路相關(guān)的深大斷裂共有7條，且小斷裂密布。斷裂構(gòu)造以東西向為主，其次為北東向和北西向。東西向斷層早期在南北向古構(gòu)造應(yīng)力場的長期持續(xù)作用下，主要表現(xiàn)為壓性或壓扭性，具有切割深度大、延伸長的特點，并有較寬的斷層破碎帶。斷裂帶物質(zhì)主要由碎裂巖、糜棱巖、斷層角礫、斷層泥礫等構(gòu)造巖組成。7條深大斷裂分布及特征分別見圖1、表1。

線路橫跨黃河、長江兩大水系的分水嶺秦嶺。嶺北的渭河、浐河、灞河及其支流屬黃河水系。嶺南的丹江、漢江及其支流屬長江水系，主要受大氣降水補給，水量豐富。地下水類型主要為第四系孔隙水、基巖裂隙水、構(gòu)造裂隙水及巖溶裂隙水，補給主要來自大氣降水及地表水。

圖1 線路沿線深大斷裂分布

表1 線路沿線深大斷裂特征

2 特殊巖土

線路沿線的特殊巖土主要包括濕陷性黃土、冰水沉積層、膨脹巖土、軟土及松軟土等。

2.1 濕陷性黃土

秦嶺以北的渭河盆地廣泛分布有黃土，多具自重濕陷性或非自重濕陷性，濕陷土層厚度5～20 m，濕陷等級Ⅰ～Ⅳ級[2]。分布有濕陷性黃土的地段，沖溝、陷穴發(fā)育，易造成邊坡失穩(wěn)、路基沉陷，為路基、橋梁等工程造成隱患，工程地質(zhì)條件差。

2.2 冰水沉積層

主要分布于秦嶺北側(cè)山前的藍田縣至厚子鎮(zhèn)一帶，厚10～30 m，主要由漂石土組成，漂石成分以花崗巖、片麻巖、石英巖等為主。石英巖巖質(zhì)堅硬，花崗巖、片麻巖多已風(fēng)化為碎塊狀、粒狀或散砂狀，軟硬不均；充填物分選性差，結(jié)構(gòu)疏松，飽和。漂石土易沿含水軟弱夾層產(chǎn)生斜坡變形，工程地質(zhì)條件差。

2.3 膨脹巖土

沿線新近系、古近系、白堊系泥巖以及商洛附近的第四系膨脹土，具弱-中等膨脹性。該類巖土含有蒙脫石、水云母等，脹縮性大，易風(fēng)化剝落，遇水易崩解，是路塹開挖產(chǎn)生邊坡變形的主要原因之一。

2.4 軟土

主要分布于渭河盆地各大河流及其支溝溝床、丹江及其支流河床和一級階地，由于地下水位較高，滲出后浸泡地表土，使土體呈軟塑狀，厚度在1～5 m。

2.5 松軟土

沿線地表的黃土、粉質(zhì)黏土多為地表耕植土。厚度1～5 m，結(jié)構(gòu)松散，承載力偏低，路基需要處理。

3 不良地質(zhì)

線路穿越東秦嶺，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，內(nèi)、外動力地質(zhì)作用強烈。加之人類活動頻繁，產(chǎn)生了典型的山區(qū)工程地質(zhì)問題，如滑坡、錯落、崩塌、巖堆、危巖落石、泥石流、巖溶、地震液化、有害氣體、地裂縫等。

3.1 重力地質(zhì)災(zāi)害

重力地質(zhì)災(zāi)害是控制線路方案的重要因素，包括滑坡、錯落、崩塌、巖堆、危巖落石、泥石流等，廣泛分布于線路沿線[3]。其中白鹿塬、秦嶺山脈山前地帶及秦嶺山脈斜坡地段是重力地質(zhì)災(zāi)害嚴重發(fā)育地區(qū)(見圖2)。

圖2 線路沿線重力地質(zhì)災(zāi)害分布

白鹿塬位于西安市與藍田縣之間，塬頂面與塬邊河谷高差達100 m，塬邊斜坡陡峻，加之受新地質(zhì)構(gòu)造運動的影響，塬邊新、老滑坡極其發(fā)育，為滑坡、崩塌等重力地質(zhì)災(zāi)害嚴重發(fā)育地帶[4]。秦嶺山脈山前地帶及秦嶺山脈巖體受構(gòu)造活動影響很嚴重，軟弱破碎，風(fēng)化嚴重，因而殘、坡積層發(fā)育，殘、坡積土層在水流、地震、人類工程活動等綜合作用下，極易沿下伏基巖面產(chǎn)生滑動[5]。秦嶺中低山區(qū)斜坡地帶基巖陡坎附近，巖體受構(gòu)造影響很嚴重，穩(wěn)定性差，在斜坡陡坎坡腳，多有崩落體堆積[6]。泥石流主要分布于秦嶺北坡山前地帶及秦嶺中低山區(qū)各沖溝內(nèi)[7-8]。

經(jīng)統(tǒng)計，線路沿線寬度約10 km的帶狀范圍內(nèi)重力地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)為 1 462 處。其中西安市62處、藍田縣295處、商洛市447處、山陽縣306處、丹鳳縣228處、鄖西縣113處、鄖縣11處。線路沿線各縣市重力地質(zhì)災(zāi)害密度見圖3[9-10]。

圖3 線路沿線各縣市重力地質(zhì)災(zāi)害密度

3.2 巖溶

線路沿線的寒武系、奧陶系、石炭系地層中的灰?guī)r、白云巖均為可溶巖地層，主要分布于鎮(zhèn)安縣—山陽縣一線以南、白河縣—鄖西縣—鄖縣一線以北的廣大地區(qū)，藍田縣和柞水縣以東有零星分布(圖4)。野外調(diào)查可見大型溶洞及落水洞，基本為無水溶洞，有明顯的巖溶漏斗、巖溶洼地等喀斯特地貌。

圖4 線路沿線巖溶發(fā)育區(qū)分布

藍田至山陽段秦嶺中山區(qū)：主要分布于藍田縣—商南縣一線、柞水縣至商洛市之間的寒武系地層中。其中輞峪河溝口段巖溶相對不發(fā)育，輞峪河上游支溝川山溝右側(cè)輞川溶洞至藍橋河段巖溶發(fā)育。輞川的凌云洞為多層溶洞，深約520 m，直徑最大約15 m，高程為835～894 m。

山陽至十堰段低山及低山丘陵區(qū)：主要發(fā)育于山陽縣板巖鎮(zhèn)—商南縣汪家店鎮(zhèn)以南、鄖西縣香口鎮(zhèn)—鄖縣劉洞鎮(zhèn)以北的寒武系、奧陶系、石炭系灰?guī)r地層中，寬約22～26 km，東西長度>120 km，多為中等巖溶發(fā)育區(qū)，屬裸露型。通過野外調(diào)查及物探手段發(fā)現(xiàn)，該地溶洞主要為大型溶洞及落水洞，基本無水，可見明顯的巖溶漏斗、巖溶洼地等喀斯特地貌[11]。

3.3 地震

陜西省關(guān)中盆地位于汾渭地塹地震帶，屬于高烈度地震區(qū)，地震活動較頻繁。1556年1月23日，陜西關(guān)中發(fā)生的華縣地震，震級8.3級，是中國歷史上破壞力最強的一次大地震，也是世界有歷史紀錄的地震中死亡人數(shù)最多的地震。1998年1月5日，陜西關(guān)中發(fā)生的4.8級涇陽地震是近場區(qū)儀器測定的最大地震。該地震也是關(guān)中乃至陜西省地震活動加強的標(biāo)志。線路的西安市至藍田縣段位于關(guān)中盆地，其余路段未穿過主要地震區(qū)或地震帶，且有資料記錄的歷史地震較少。

根據(jù)GB 18306—2015《中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖》，在Ⅱ類場地條件下線路的西安市至藍田縣段基本地震動峰值加速度為0.20g(相當(dāng)于地震基本烈度為Ⅷ度)[12]；藍田縣至商洛市段的基本地震動峰值加速度為0.10g～0.15g(相當(dāng)于地震基本烈度為Ⅶ度)；商洛市至十堰市段的基本地震動峰值加速度以0.05g(相當(dāng)于地震基本烈度為Ⅵ度)為主，僅鄖西縣至十堰市段的部分線路通過基本地震動峰值加速度為0.10g的場地(圖5)[13]。

圖5 線路沿線地震動峰值加速度分布

地震主要引起2類災(zāi)害：①直接災(zāi)害，由于地震破壞作用導(dǎo)致鐵路工程建筑的破壞； ②次生災(zāi)害，由地震引起的破壞間接導(dǎo)致鐵路工程建筑物破壞，如滑坡、崩塌落石、泥石流、地裂縫、地面塌陷、砂土液化、黃土震陷等[14]。根據(jù)計算結(jié)果，在Ⅷ度地震烈度作用下線路經(jīng)過的浐河、灞河河漫灘和一級階地、一級和二級洪積湖積臺地、洪積扇地貌單元上均有可能發(fā)生地震液化；灞河二級階地和黃土塬前臺地可能發(fā)生輕微-嚴重震陷，其中黃土塬前二級臺地的飽和軟黃土區(qū)為黃土震陷嚴重發(fā)育區(qū)。

3.4 有害氣體

渭河盆地南緣斷裂帶以南、八渡—寶雞—鐵爐子—三要斷裂帶以北的線路分布有武陵期、燕山期花崗巖，太華群地層和面狀放射性異常區(qū)，推測該區(qū)域存在有害氣體。由于隧道穿行于其中，有害氣體對隧道施工影響較大。

3.5 西安市區(qū)地裂縫

西安市區(qū)地裂縫走向多為東北-西南方向，近似平行于長安—臨潼斷裂，傾向南，傾角70°～96°；紡織城站位方案涉及地裂縫，工程設(shè)置應(yīng)以簡易工程通過，并采取相應(yīng)的工程措施。

4 線路選線的重點、難點及對策

1)秦嶺北緣的白鹿塬周緣斜坡處滑坡成群分布，滑坡規(guī)模大，范圍廣，且滑體物質(zhì)厚，邊坡穩(wěn)定性極差。白鹿塬下部的新近系泥巖、砂巖，成巖作用差，結(jié)構(gòu)松散，尤其是土石分界面處含水量大，呈散砂或流砂狀，工程性質(zhì)極差。隧道工程通過該地層時易產(chǎn)生坍塌、突水突泥等重大施工風(fēng)險，風(fēng)險極大。因此，白鹿塬周緣滑坡群及其下部新近系泥巖、砂巖地層控制線路方案，選線時應(yīng)繞避。

2)秦嶺山前藍田縣至厚子鎮(zhèn)一帶冰水沉積層廣泛分布。初測鉆探揭示，冰水沉積層厚約10～30 m，主要由漂石土組成，漂石成分以花崗巖、片麻巖、石英巖為主。其中石英巖巖質(zhì)堅硬，花崗巖、片麻巖多已風(fēng)化為碎塊狀、粒狀或散砂狀，軟硬不均。充填物分選性差，結(jié)構(gòu)疏松，飽和。漂石土易沿含水軟弱夾層產(chǎn)生斜坡變形，工程地質(zhì)條件差。線路方案宜繞避該區(qū)域，若必須通過時不宜設(shè)置隧道或深挖方等復(fù)雜工程，宜以簡易直線路基通過。

3)秦嶺中低山區(qū)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，深大區(qū)域斷裂有12條，走向以近東西或北西為主，斷層破碎帶寬，巖性復(fù)雜，工程性質(zhì)差，線路通過時易產(chǎn)生隧道塌方、突涌水等重大地質(zhì)災(zāi)害。故線路方案應(yīng)避開深大斷裂帶或以大角度通過，同時應(yīng)采取適當(dāng)?shù)墓こ檀胧?，以確保工程安全。

4)線路沿線的山陽縣板巖鎮(zhèn)—商南縣汪家店鎮(zhèn)以南、鄖西縣香口鎮(zhèn)—鄖陽區(qū)劉洞鎮(zhèn)以北的寒武系、奧陶系、石炭系灰?guī)r地層寬約22～26 km，東西長度>120 km，多為中等巖溶發(fā)育區(qū)，屬裸露型。初測調(diào)查及物探揭示主要為大型溶洞及落水洞，大多沒有水，可見明顯的巖溶漏斗、巖溶洼地等喀斯特地貌。線路應(yīng)繞避巖溶強烈發(fā)育地帶、可溶巖與非可溶巖的接觸帶、構(gòu)造發(fā)育帶等，通過巖溶地段時應(yīng)盡量抬高標(biāo)高，從巖溶區(qū)的垂直徑流帶通過。

5 結(jié)論

新建西安至十堰高速鐵路地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，工程難度較大，具有典型復(fù)雜山區(qū)鐵路的特點，工程地質(zhì)條件將對線路方案的選擇起到關(guān)鍵作用。本文針對研究區(qū)內(nèi)典型的工程地質(zhì)問題進行分析、歸納及總結(jié)。線路方案的選擇可參考以下原則：

1)對地形復(fù)雜、規(guī)模巨大、分布集中的不良地質(zhì)地段，應(yīng)盡量完全繞避。當(dāng)不能完全避開時，宜以簡單的直線工程通過(選擇最有利地形等)。隧道進出口、橋梁墩臺及路基工程應(yīng)避開斜坡不穩(wěn)定、不良地質(zhì)發(fā)育或可能發(fā)生重大地震次生災(zāi)害的地段。

2)盡量繞避巖溶區(qū)或以最短距離穿越，對巖溶危害要避重就輕，以安全高度跨越巖溶區(qū)。

3)綜合考慮地質(zhì)條件與地震，注意地震效應(yīng)，盡量避讓地震及地震次生災(zāi)害嚴重地段。

4)盡量避開斷裂帶，當(dāng)無法繞避時應(yīng)以大角度簡易工程通過斷裂。當(dāng)線路走向與活動斷層近平行時，線路應(yīng)避免沿壓扭性斷層上盤走行，選擇斷層下盤。線路經(jīng)過斷裂帶時，少橋梁路基、多隧道，且盡量避免高墩、大跨及特殊結(jié)構(gòu)橋跨越活動斷裂。

[1]中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司.西安至十堰鐵路預(yù)可研報告[R].西安:中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，2016.

[2]趙文.渭南地區(qū)區(qū)域穩(wěn)定性評價[J].鐵道工程學(xué)報,2012,29(12):26-31.

[3]樂重.鐵路綜合選線原則思考[J].高速鐵路技術(shù),2015,6(3):54-58.

[4]王興國，何愛民，李文平,等.陜西省西安市長安區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃報告[R].西安: 陜西礦業(yè)開發(fā)工貿(mào)公司，2003.

[5]陜西工程勘察研究院.陜西省藍田縣地質(zhì)災(zāi)害詳細調(diào)查報告[R].西安: 陜西省地質(zhì)調(diào)查院，2013.

[6]陜西省地質(zhì)調(diào)查院.陜西省商洛市商州區(qū)地質(zhì)災(zāi)害詳細調(diào)查報告[R].西安: 陜西省地質(zhì)調(diào)查院，2013.

[7]陳希民，王兆泉.陜西省丹鳳縣地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃報告[R].西安: 核工業(yè)西北地質(zhì)調(diào)查院，2002.

[8]金有生，任蒼智，張彥宏,等.陜西省丹鳳縣地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃報告[R].西安: 核工業(yè)西北地質(zhì)調(diào)查院，2002.

[9]徐紹宇，張桂坪，伍松,等.湖北省鄖西縣地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃報告[R].武漢:湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，2003.

[10]徐紹宇，安建國，潘建華,等.湖北省鄖縣地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃報告[R].武漢:湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，2003.

[11]湖北省地質(zhì)環(huán)境總站咸寧市站.湖北省十堰市地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃報告[R].武漢: 湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，2005.

[12]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準化管理委員會.GB 18306—2015 中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖[S].北京:中國標(biāo)準出版社，2015.

[13]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 50011—2010 建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[14]馬宗晉.中國自然災(zāi)害和減災(zāi)對策(之三)——我國的地震災(zāi)害及其應(yīng)對[J].防災(zāi)科技學(xué)院學(xué)報,2007，9(1):1-5.