某高鐵工程地質(zhì)選線研究

巨小強

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安 710043)

1 某高鐵線路特點

1.1 工程概況

某高速鐵路作為包海通道的重要組成部分，位于陜西關(guān)中及北部地區(qū)。線路自西安北站引出，向北經(jīng)西安市高陵區(qū)、閻良區(qū)，渭南市富平縣，銅川市耀州區(qū)、王益區(qū)、印臺區(qū)、宜君縣，延安市黃陵縣、洛川縣、富縣、甘泉縣，至本項目終點延安市寶塔區(qū)，線路正線全長約290 km。

1.2 某高鐵的主要技術(shù)標準

某高鐵為雙線高速鐵路，速度目標值：350 km/h；最小曲線半徑：一般7 000 m，困難5 500 m。最大坡度：20‰，個別25‰。到發(fā)線有效長度650 m，部分450 m[1]。

1.3 某高鐵的線路走向選擇

(1)西安至銅川段線路走向主要受控于引入西安樞紐方案且沿線經(jīng)濟據(jù)點較少，線路走向方案唯一。

(2)銅川至延安段根據(jù)銅川—延安航空線兩側(cè)城鎮(zhèn)分布情況，結(jié)合地形條件，選擇沿線人口密集、線路短直、投資節(jié)省的沿210國道通道。

(3)根據(jù)本線的功能定位，結(jié)合沿線主要城鎮(zhèn)和重要客流集散點的引入條件，從吸引客流能力、工程可靠度、城市規(guī)劃配套等方面考慮，西安至銅川段，受地形地質(zhì)條件影響較小。銅川至富縣段，站點靠近城市時，線路起伏較大，增加工程難度；如果選擇沿河谷布線，則站址遠離城市。富縣至延安段，城鎮(zhèn)基本位于河谷區(qū)，站位選擇對于線路起伏影響較小，主要考慮聯(lián)接沿線經(jīng)濟據(jù)點、方便城鎮(zhèn)居民乘車。

1.4 某高鐵的地形地貌特點

沿線地勢由南至北，逐漸升高，可劃分為渭河沖積平原區(qū)、黃土臺塬區(qū)、黃土梁峁溝壑區(qū)及子午嶺低中山區(qū)4個地貌單元。其中黃土梁峁溝壑區(qū)，位于陜北高原南部，是本線通過范圍最廣的一個地貌單元。線路多次通過其間的沮河、洛河河谷，地形起伏，溝壑縱橫，高程735～1 480 m。黃土沖溝呈西北—東南走向，以“V”字形溝谷為主，沖溝兩岸黃土滑坡、錯落、溜坍遍布。該區(qū)是本線線路選擇的難點，也是重點。子午嶺低中山區(qū)：位于陜北黃土高原最南部，山頂呈圓形，基巖山地受控于北北西向緩傾的單斜構(gòu)造，基本呈單傾向斜坡，山坡兩側(cè)不對稱，高程850～1 710 m，最高峰為哭泉梁，海拔約1 710 m，其南基巖大面積裸露，其北薄層黃土覆蓋。如圖1所示。

圖1 黃土溝壑梁峁區(qū)

西安至銅川段，地形不控制線路選擇。銅川至富縣段，線路由南向北經(jīng)過的宜君縣城位于海拔較高的子午嶺低中山區(qū)，黃陵縣城位于海拔較低的沮河河谷區(qū)，洛川縣城位于海拔較高的黃土梁峁上，富縣縣城位于低海拔的洛河河谷區(qū)，站點靠近城鎮(zhèn)時，線路反復(fù)上山下山上塬下塬引起線路起伏較大，增加工程難度。

2 選線區(qū)工程地質(zhì)條件[2-3]

2.1 地層巖性

沿線地層主要為第四系全新統(tǒng)沖積層及上更新統(tǒng)風積層，人工堆積層、滑坡堆積層及洪積層散落分布地表，溝谷兩岸基巖裸露。巖性以第四系素填土，雜填土，粉質(zhì)黏土，粉土，黏質(zhì)黃土，砂質(zhì)黃土，粉、細砂，中、粗、礫砂，細、粗圓礫土組成，以及近于水平向北緩傾的三疊系砂巖、頁巖，二疊系砂巖、頁巖和奧陶系灰?guī)r等。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

選線區(qū)屬于中朝準地臺一級構(gòu)造單元，跨越汾渭斷陷及陜甘寧臺坳兩個二級構(gòu)造單元。西安北至銅川段位于汾渭斷陷的次級構(gòu)造單元渭河斷凹。銅川至延安段位于陜甘寧臺坳內(nèi)，先后通過陜甘寧坳緣褶斷束及陜北臺凹兩個次級構(gòu)造單元。

2.3 不良地質(zhì)

沿線影響線路走向的主要不良地質(zhì)為滑坡(群)、錯落(群)、煤窯采空等。

2.3.1 滑坡(群)和錯落(群)

銅川以北黃土溝壑梁峁區(qū)及低中山區(qū)，地形起伏大，大氣降水及地表水的溯源侵蝕強烈，溝壑縱橫，且地下水分布復(fù)雜，黃土沖溝兩岸岸坡穩(wěn)定性差，滑坡、錯落遍布，甚至成群出現(xiàn)，規(guī)模不一，以中型為主，也有大型及巨型；分布位置相對集中，主要出現(xiàn)在陡峭的河谷、沖溝兩岸，特征明顯，多呈現(xiàn)圈椅狀地貌，前緣突出，對河道、沖溝具擠壓作用且呈現(xiàn)南坡(陰坡)比北坡顯著增多的特點。如圖2所示。

圖2 黃土滑坡

2.3.2 煤窯采空

沿線煤礦采空區(qū)主要分布在銅川北部、富縣東部及延安北部地區(qū)。

(1)銅川北部礦區(qū)采空區(qū)：也是對某高鐵選線影響最大的采空區(qū)，主要分布國有王家河煤礦、石柱煤礦、西頭煤礦、三里洞煤礦等，這些煤礦現(xiàn)在均已停產(chǎn)，目前線路對這些大型煤礦的采空沉陷區(qū)均進行了繞避，僅在CK111+230～+455通過王家河小煤窯采空區(qū)。該小煤窯采空區(qū)位于銅川市王益區(qū)王家河鎮(zhèn)，為解放前人工開采，煤層層底高程731.32～739.44 m，煤層層厚0.3～0.8 m，地表未發(fā)現(xiàn)房屋開裂現(xiàn)象。

(2)富縣東部礦區(qū)：富縣東部主要分布復(fù)興煤礦，德馨煤礦及牛武煤礦3個礦區(qū)，均為正在開采的礦區(qū)，煤層厚0.5～1.0 m，埋深38～50 m。煤礦均在線路右側(cè)，復(fù)興煤礦距線路最近，礦區(qū)邊界距線路最近距離約2.2 km。

(3)延安北部礦區(qū)：延安北部礦區(qū)主要以川口煤礦及小煤窯為主。本次線路進行了繞避。

2.4 特殊巖土

沿線的特殊巖土為濕陷性黃土、膨脹土、軟土及松軟土、填土。濕陷性黃土全線廣泛分布，膨脹(巖)土主要為黃土層中古土壤及沿線上第三系、侏羅系、三疊系、二疊系、石炭系的泥巖、頁巖等。軟土局部分布，松軟土廣泛分布。填土散落分布，主要以填筑土及素填土為主。

3 影響線路選擇的主要工程地質(zhì)問題

3.1 黃土岸坡的穩(wěn)定性問題

黃土岸坡的穩(wěn)定性為影響本線線路選擇的頭號地質(zhì)問題。某高鐵大部分段落都位于溝壑縱橫的黃土溝壑梁峁區(qū)，除非中間不設(shè)站，以一座隧道貫通或一座大跨橋梁跨越，否則通過黃土岸坡在所難免，岸坡穩(wěn)定性問題也就不可避免。通過對本線地質(zhì)條件的分析梳理，全線的黃土岸坡問題主要表現(xiàn)在以下3個方面。

3.1.1 滑坡、錯落等不良地質(zhì)現(xiàn)象眾多(圖3)

圖3 侏羅系延安組頁巖夾砂巖

這是影響本線線路選擇的主要地質(zhì)問題，尤其在洛川上下塬段及富縣、甘泉進出站前后成為線路選擇最主要的控制性因素。通過大范圍現(xiàn)場調(diào)繪、遙感解譯及重點滑坡的地質(zhì)調(diào)查，區(qū)內(nèi)控制方案和影響工程設(shè)置的滑坡有2 089處，錯落128處?；戮哂幸韵绿攸c：①規(guī)模不一，小型—巨型、淺層—深層滑坡均有分布；②分布規(guī)律性強，一般為重力牽引式黃土滑坡，同一區(qū)域形成機理相同，滑坡一般成群出現(xiàn)；③形成時間不同，新滑坡—古滑坡均有分布；新滑坡地貌特征明顯，存在圈椅狀地貌，平臺發(fā)育，坡面平緩，前緣突出，對沖溝河道具擠壓作用；老滑坡、古滑坡坡面多被地表徑流侵蝕或被開墾為耕地，某些形態(tài)特征表現(xiàn)不明顯；④按滑動面及剪出口位置可分為：黃土—基巖接觸面滑坡、基巖面剪出滑坡、黃土基巖混合滑坡及黃土滑坡。

3.1.2 潛在的岸坡不穩(wěn)定性問題

潛在的岸坡不穩(wěn)定性問題主要表現(xiàn)在黃土陷穴的發(fā)育、黃土沖溝的溯源侵蝕、黃土岸坡坡腳水流沖刷、人為卸荷等引起的岸坡不穩(wěn)定性問題。該問題往往容易被忽視，在黃土梁峁溝壑區(qū)，由于黃土的大孔隙、直立性好、具濕陷性、裂隙發(fā)育的自身特征，目前穩(wěn)定的黃土陡峻岸坡在大氣降水、地表徑流的沖刷和溯源侵蝕下，溝谷發(fā)展很快，形成一系列大小不等、深淺不一的黃土陷穴，這些陷穴不斷發(fā)展串通，形成新的不穩(wěn)定岸坡。

3.1.3線路選擇及工程設(shè)置不當或工程實施過程中引起的岸坡不穩(wěn)定性問題

在黃土梁峁溝壑區(qū)，黃土沖溝縱橫、岸坡陡峻，線路為了繞避滑坡、錯落等不良地質(zhì)體及其他不穩(wěn)定岸坡，在線路選擇及工程設(shè)置上容易犯線路表面上未通過滑坡錯落等不良地質(zhì)體，但在工程實施中誘發(fā)甚至破壞既有岸坡穩(wěn)定性的問題，這些問題在既有黃土地區(qū)鐵路公路工程施工中屢見不鮮。在線路選擇及工程設(shè)置中，一定要加強這些地段的岸坡穩(wěn)定性評價工作，線路避免路基陡坡掛線，橋梁墩臺應(yīng)設(shè)置在岸坡穩(wěn)定線以內(nèi)，隧道進出口及斜井口的仰坡防護要有針對性，同時必須做好坡面的防排水工程。

3.2 煤窯采空區(qū)問題

陜北地區(qū)煤礦眾多，煤窯采空以及采空引起的地表沉降等屢屢發(fā)生，這是影響該地區(qū)選線的又一突出問題。某高鐵通道未經(jīng)過煤窯采空嚴重的黃陵店頭礦區(qū)，繞避了富縣東部礦區(qū)及延安北部的川口煤礦等采空沉陷區(qū)。與線路關(guān)系密切的銅川北部礦區(qū)，線路距離王家河煤礦及其斜井采空陷落區(qū)較近，部分段落通過王家河小煤窯采空區(qū)。針對王家河煤礦采空區(qū)及斜井采空區(qū)應(yīng)在收集礦區(qū)設(shè)計、開采及實測資料基礎(chǔ)上，采用綜合勘探方法，確定采空層位及范圍，落實驗證采空沉陷區(qū)的邊界以及距離線路的距離，進行穩(wěn)定性評價，提出相應(yīng)工程措施、意見，預(yù)留保安礦柱的寬度等。針對小煤窯采空區(qū)應(yīng)積極收集小煤窯采空區(qū)或附近勘探或開采資料，并采用區(qū)域地質(zhì)資料分析、實地調(diào)查訪問、坑洞測量與勘探相結(jié)合方法，查明開采情況、開采層位、坑道寬度及高度、頂板巖體性質(zhì)、開采特征、地面變形情況，提出穩(wěn)定性評價和工程措施、意見。

3.3 沿土、石分界面存在的地質(zhì)問題(圖4)

圖4 三疊系永坪組砂巖夾頁巖

某高鐵選線區(qū)，銅川至延安段位于陜甘寧臺坳內(nèi)，先后通過陜甘寧坳緣褶斷束及陜北臺凹兩個次級構(gòu)造單元。地層具有典型的二元結(jié)構(gòu)，上部為黃土，下部為近于水平向北緩傾的三疊系及二疊系砂巖、頁巖及其互層。線路位于土石分界面位置時對工程的安全可靠性及投資影響很大，尤其是隧道工程。根據(jù)既有已建或在建鐵路的經(jīng)驗和教訓(xùn)，在土石分界面位置，往往地下水聚集，圍巖工程性質(zhì)變差，隧道拱頂易發(fā)生塌方掉塊，邊墻易開裂變形，甚至發(fā)生突水涌泥等重大安全事故。銅川至延安段，隧道工程比例很高，達到75%以上，選線中應(yīng)高度重視土石分界面問題。查明土石分界面的具體高程，合理優(yōu)化線路縱斷面，減少隧道洞身尤其是拱頂通過土石分界面的段落長度，是該段選線的主要控制因素。

3.4 黃土的濕陷性問題

本線黃土廣布，其中河谷區(qū)、沖積平原區(qū)場地濕陷類型為非自重-自重，濕陷等級Ⅰ～Ⅲ級，濕陷土層厚度2～15 m；黃土塬區(qū)及溝壑梁峁區(qū)濕陷類型為自重，濕陷等級Ⅱ～Ⅳ級，濕陷土層厚度5～25 m。黃土的濕陷性對工程的地基處理、地基形式、邊坡防護、防排水措施及工程造價影響較大。該問題在某高鐵選線區(qū)不可避免，不是選線的控制性因素，但需要在工程設(shè)計中引起重視。

4 某高鐵工程地質(zhì)選線的原則[4-15]

通過對本線主要工程地質(zhì)問題的分析，歸納總結(jié)工程地質(zhì)選線原則如下。

(1)線路應(yīng)繞避巨型、大型、深層、穩(wěn)定性差的滑坡(群)和錯落(群)。

(2)滑坡和錯落規(guī)模小、邊界條件清楚，整治方案技術(shù)可行、經(jīng)濟合理時，線路可選擇在有利于滑坡和錯落穩(wěn)定的部位通過，避免在其上部填方或下部挖方。

(3)線路通過潛在的岸坡不穩(wěn)定地段時，工程應(yīng)設(shè)置在岸坡穩(wěn)定線以內(nèi)，同時確保山體穩(wěn)定條件不受削弱和破壞。

(4)線路應(yīng)繞避大型礦區(qū)如王家河煤礦及其斜井采空區(qū)，工程宜設(shè)置在采空塌陷影響區(qū)范圍外一定距離，在收集礦區(qū)資料的基礎(chǔ)上應(yīng)采取物探和鉆探相結(jié)合的手段落實驗證塌陷影響區(qū)邊界。

(5)線路必須通過人為坑洞如王家河小煤窯采空區(qū)時，應(yīng)查明其采空區(qū)范圍、巷道高度、基巖頂板深度等，分析對鐵路工程的影響，并采取可行的安全工程處理措施。

(6)黃土溝壑梁峁區(qū)工程設(shè)置盡量少露頭，以長隧、深埋隧道及大跨度橋梁工程為主，減少于潛在不穩(wěn)定斜坡等地段設(shè)置工程。

(7)合理設(shè)置線路縱坡，減少隧道工程穿越土石分界面及淺埋溝谷的段落長度。

5 結(jié)語

地質(zhì)選線是鐵路選線的重點和難點。陜北黃土地區(qū)高速鐵路選線面臨技術(shù)標準高、地形困難、滑坡等不良地質(zhì)發(fā)育、工程難度大等問題。通過對某高速鐵路選線區(qū)工程地質(zhì)條件的分析，梳理出影響該項目的主要工程地質(zhì)問題，針對這些問題確定了適合本線的地質(zhì)選線原則。研究認為，某高鐵的線路走向及地形特點，決定了滑坡等岸坡穩(wěn)定性問題和煤窯采空及采空引起的地表沉降是影響該項目選線的主要地質(zhì)問題。本線確定的地質(zhì)選線原則不僅適用于陜北黃土高原，對隴東、晉西南、豫西等黃土地區(qū)亦有一定的借鑒作用。