天平鐵路越嶺段主要工程地質(zhì)問題及地質(zhì)選線研究

陳秀義

(蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司 甘肅蘭州 730000)

1 概述

天(水)平(涼)鐵路南起隴海鐵路天水站，北接寶中鐵路安口南站(華亭站)。全長114 km，單線電氣化Ⅰ級(jí)鐵路，速度目標(biāo)值120 km/h。是一條以運(yùn)煤為主兼顧地方客貨運(yùn)的鐵路，線路大致呈南北走向穿越關(guān)山、六盤山，為我國地形險(xiǎn)峻、地質(zhì)復(fù)雜，屬典型的山區(qū)越嶺線路之一，線路選線難度較高。全線橋、隧長度占線路總長近70%，為同標(biāo)準(zhǔn)鐵路中橋隧比例最高的線路[1-2]。

為最大限度地減少對(duì)關(guān)山、六盤山天然生態(tài)林的破壞，避免在山區(qū)展線，縮短線路長度，節(jié)省工程投資，線路采用以兩座特長隧道分別穿越關(guān)山(15 600 m)、六盤山(16 690 m)。因此段山體厚度大，而且本線為單線電氣化鐵路，須在關(guān)山、六盤山分界麻庵河明線設(shè)置六盤山車站，青林村設(shè)置青林車站，但麻庵河、南川河河谷兩側(cè)滑坡、危巖落石、巖堆發(fā)育，嚴(yán)重制約著關(guān)山隧道出口、六盤山隧道進(jìn)、出口位置的選擇。本文在現(xiàn)場勘測(cè)的基礎(chǔ)上，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造及地質(zhì)災(zāi)害分布特征，開展越嶺段地質(zhì)選線研究[3]。

2 區(qū)域工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

越嶺段屬關(guān)山、六盤山中山區(qū)，線路分別以N46°E和N36°E的走向穿越關(guān)山、六盤山，其嶺脊呈近東西走向。關(guān)山、六盤山以麻庵河分界，山高坡陡，植被茂密。地面高程1 500～2 600 m，相對(duì)高差400～700 m。

2.2 地層巖性

越嶺段地層主要有第四系，上第三系，白堊系下統(tǒng)，三疊系下統(tǒng)，震旦系和華力西期侵入巖等。第四系松散層分布于低中山區(qū)山頂大部地段，以風(fēng)積砂質(zhì)黃土為主；上第三系泥巖主要分布于山嶺南側(cè)和六盤山中部；關(guān)山山體中央華力西期閃長巖呈巨大的巖基產(chǎn)出，伴隨有小的巖體侵入。巖體組成比較復(fù)雜，多為斜長角閃巖、黑云母花崗閃長巖、黑云母石英閃長巖，黑云二長花崗巖及角閃閃長巖；關(guān)山北側(cè)和六盤山南側(cè)以白堊系下統(tǒng)砂巖夾泥巖為主，局部為砂巖夾礫巖；六盤山中部為震旦系白云巖，地表大部被第四系風(fēng)積黃土覆蓋；六盤山北側(cè)出露三疊系下統(tǒng)砂巖夾礫巖，局部夾有頁巖[4]。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

本段位于青藏高原東北緣甘青地塊、阿拉善地塊、鄂爾多斯地塊、南華地塊和塔里木地塊交界帶，是我國重要的構(gòu)造變形和強(qiáng)震活動(dòng)區(qū)。在印度板塊北推擠壓動(dòng)力作用下，本區(qū)北東向運(yùn)動(dòng)受到比較穩(wěn)定的阿拉善塊體和鄂爾多斯塊體的阻擋而向東擠出，又受華南塊體的阻擋，運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)由北向南呈NE-NEE-SEE-SSE，反映了區(qū)域總體受擠壓-擠出-旋轉(zhuǎn)機(jī)制控制。在其動(dòng)力作用下，工程區(qū)經(jīng)歷過多次強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)，構(gòu)造復(fù)雜，斷裂以北西向?yàn)橹?，處于?qiáng)烈擠壓狀態(tài)。受構(gòu)造擠壓影響，巖體結(jié)構(gòu)完整性不高，滑坡等不良地質(zhì)發(fā)育。

2.4 氣象及地震

該區(qū)屬中溫帶亞濕潤氣候，四季分明，降水量差異較大，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑。年平均氣溫7.4～7.8℃，最熱月(7月)平均氣溫18.9～19.8℃，最冷月(1月)平均氣溫-3.2～-4.4℃，年平均降水量約為568.5～586.6 mm，年最大降水量824.4～906.5 mm；最大風(fēng)速17.5～22.0 m/s；最大積雪厚度17～24 cm；最大季節(jié)凍結(jié)深度72～79 cm。

據(jù)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)劃分，場區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.20 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45 s。

3 主要工程地質(zhì)問題

3.1 滑坡

3.1.1 三角城滑坡群

三角城滑坡群發(fā)育于麻庵河右岸，由多個(gè)滑坡連接而成，在平面上呈多個(gè)“梨狀”相互連接，滑坡后壁圈椅狀地貌明顯，坡度約35°～50°，總體滑動(dòng)方向自東南向西北，滑坡沿滑動(dòng)方向長約500～800 m，寬約4 600～5 300 m?；麦w自然坡度為20°～35°。滑坡體上平臺(tái)發(fā)育，未發(fā)現(xiàn)裂縫，雨季形成的沖溝下切較深，將三角城滑坡群分成多個(gè)既獨(dú)立又有聯(lián)系的滑坡。

根據(jù)勘探資料分析，滑坡體由黃土、碎石土組成，厚度約10～20 m；為堆積層牽引式巨型中深層-深層順層滑坡?；麦w中地下水位埋深17～23 m，局部深切溝谷中可見泉水出露?；矠榘讏紫瞪皫r夾泥巖，產(chǎn)狀 N20°～50°W/15°N，緩傾向麻庵河河床。前緣大部臨空，有的地段前緣還嚴(yán)重?cái)D占麻庵河河床，導(dǎo)致河道彎曲明顯?；氯耗壳疤幱谙鄬?duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

3.1.2 青林滑坡

青林滑坡位于南川河右岸六盤山隧道出口右側(cè)，總體成一簸箕狀，滑坡后緣可見平整的三角面滑床，滑面傾角基本與巖層產(chǎn)狀一致；滑體物質(zhì)成分主要為巖塊及碎石土，大部已被前方河流沖走，部分在滑體中部、前緣殘存。該滑坡橫向?qū)挾燃s260 m，縱向長度約160～220m，殘存滑體厚度約3～5 m，體積約20萬m3，為一中型淺層基巖順層滑坡。該滑體后緣滑床裸露，滑坡堆積體剩余數(shù)量較少，除局部堆積體有下滑可能外，其余地段穩(wěn)定性較好。

滑體左側(cè)靠近線路位置發(fā)育有次級(jí)滑坡，該滑坡體物質(zhì)為三疊系砂巖夾礫巖塊體，堆覆于滑坡體左側(cè)形成孤丘，錯(cuò)落體主軸方向N30°E，穩(wěn)定性較差。

3.1.3 新莊滑坡

滑坡位于南川河右岸，滑坡長約100～200 m，寬約80～150 m，滑坡邊界線明顯，具圈椅狀地貌?；w主軸方向約N15°W，與線路方向夾角約70°。該滑坡滑體物質(zhì)為坡積粉土、角礫土以及三疊系砂巖碎塊，厚度約10～30 m，體積約30～35萬m3。為中-深層基巖切層滑坡(見圖1)，目前穩(wěn)定。

圖1 新莊滑坡主軸斷面圖

3.2 巖溶

在六盤山隧道中部分布的震旦系白云巖表面具有溶孔、溶蝕裂隙等溶蝕現(xiàn)象，溶蝕方向大部沿層面和節(jié)理面延伸，但規(guī)模較小，最大直徑不超過0.5 m，深度在0.2～0.5 m之間，充填物較少。通過物探和鉆探表明，巖體完整性較好，溶蝕裂隙僅肉眼可見，巖溶不發(fā)育，僅存在節(jié)理密集帶和延伸長大的節(jié)理處發(fā)生股狀涌水的可能，但不影響線路方案的選擇[5-6]。

3.3 危巖落石

六盤山隧道進(jìn)口山體坡面陡峻，基巖裸露，樹木根系鉆入基巖裂隙內(nèi)，表面被高大樹木覆蓋?；鶐r為白堊系厚層砂巖夾薄層泥巖，巖層產(chǎn)狀N20°W/15°N。發(fā)育有兩組主要節(jié)理:J1，N15°W/70°S，節(jié)理間距0.1～1.0 m，多數(shù)大于0.5 m，延伸大于5 m，微張；J2，N50°E/70°S，節(jié)理間距 0.2 ～0.7 m，延伸大于3 m，微張。溝底可見掉落的塊石，直徑最大可達(dá)10 m×5m×3 m。受不利的節(jié)理面組合切割和巖體差異風(fēng)化的影響，隧道進(jìn)口坡面巖體呈大塊狀，易產(chǎn)生崩塌落石[7-8]。

3.4 巖堆

主要分布在D13K方案關(guān)山隧道出口下方，基巖為白堊系厚層砂巖夾薄層泥巖，巖體受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，加之卸荷及物理風(fēng)化作用強(qiáng)烈，節(jié)理、裂隙十分發(fā)育，有新鮮的崩塌和崩落痕跡。坡腳塊石林立，大小混雜，最大直徑可達(dá)4～5 m，結(jié)構(gòu)較松散，其上無植物生長，行走很危險(xiǎn)，處于極限平衡狀態(tài)。

4 地質(zhì)方案比選

4.1 關(guān)山隧道出口方案地質(zhì)比選

可行性研究階段大面積定線研究表明，采用兩座長隧道穿越關(guān)山、六盤山較其他走向方案有巨大的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但受技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的限制，須在兩隧道間設(shè)置會(huì)讓站1處。故在三角城滑坡群間隙尋找可能、可靠的關(guān)山隧道出口是方案成立的制約因素。可行性研究階段提出了3個(gè)可能的出口位置，各方案線位見圖2。

圖2 關(guān)山隧道出口方案示意

定測(cè)工作中經(jīng)反復(fù)比較，初步確定了三角城上游0.3 km DK方案、三角城上游1.6 km D13K方案、三角城上游2.4 km(DIK)方案作比選。

4.1.1 三角城上游0.3 km DK方案

此方案以15.45 km隧道穿越關(guān)山，而后以80 m高橋跨越麻庵河，可利用三角城隧道東北端溝谷設(shè)六盤山車站，車站多位于明線，設(shè)站條件好，六盤山隧道進(jìn)口地質(zhì)條件也較好。但關(guān)山隧道出口位于滑坡堆積體與下部基巖界線附近，洞身上方即為巨型滑坡，滑體與基巖界面富水且為順層滑坡，如遇地震、集中暴雨等情況滑體極易復(fù)活。該段巖層傾向與坡向一致，麻庵河溝谷深切，形成20～30 m高的基巖陡坎，若麻庵河橋臺(tái)基礎(chǔ)埋深高于溝谷，巖體存在順層滑動(dòng)的可能，橋臺(tái)的穩(wěn)定性也很差。

4.1.2 三角城上游1.6 km D13K方案

此方案以15.55 km隧道穿越關(guān)山，以45 m高橋跨越麻庵河，滑坡位于隧道出口的上部，隧道出口選擇在滑坡體前緣寬約100 m、高60 m的直立基巖陡坎上，陡坎下巖堆發(fā)育。此處麻庵河溝谷切割較深，巖體卸荷裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，麻庵河大橋1號(hào)墩位于巖堆中，工程地質(zhì)條件較差。此方案六盤山隧道進(jìn)口位于凸出穩(wěn)定的山體中，地質(zhì)條件較好。

4.1.3 三角城上游2.4 km(DIK)方案

此方案線路于三角城上游2.4 km三角城滑坡群外緣處跨河，麻庵河橋高10 m，隧道出口位于麻庵河右岸基巖上方坡積層中，三角城滑坡群對(duì)其已無影響。坡積層厚度不大，約3～5 m，成分為黃土夾有塊石，下伏白堊系砂巖夾泥巖，在線路左側(cè)10～20 m沿基巖與坡積層接觸處有泉水發(fā)育，巖層產(chǎn)狀N20°W/15°N，節(jié)理較發(fā)育，巖體較完整，工程地質(zhì)條件相對(duì)較好[9]。此方案六盤山隧道進(jìn)口山體陡峻，洞口有危巖落石，地質(zhì)條件較差。

4.2 六盤山隧道出口方案比選

由于受六盤山隧道前方青林設(shè)站、線路高程、南川河洪水位制約，六盤山隧道出口必須選擇在南川河右岸，臨近新莊滑坡、青林滑坡(見圖3)。

圖3 六盤山隧道出口方案示意

4.2.1 不過溝DIK方案

該方案六盤山隧道出口地質(zhì)條件較好，但洞身DIK99+870～DIK100+005段位于新莊滑坡體中，處理難度大。經(jīng)對(duì)新莊滑坡詳細(xì)勘探，滑體厚度約15～25 m，在滿足南川河洪水位控制的橋高最低的要求下，線路高程能夠調(diào)整到滑動(dòng)面以下15～20 m左右，隧道拱頂距滑動(dòng)面7～13 m，在此段施工時(shí)須采取控制爆破、加強(qiáng)支護(hù)和襯砌措施。

4.2.2 過溝D13K方案

該方案在DIK方案右側(cè)40 m左右，隧道洞口跨過溝位于青林次級(jí)滑坡的前緣，洞身也在新莊滑坡滑面下通過，但洞口距青林滑坡較近，滑體左側(cè)發(fā)育的次級(jí)滑坡，穩(wěn)定性較差，對(duì)隧道出口安全有一定潛在威脅。

4.3 地質(zhì)比選意見

綜上所述，從地質(zhì)角度分析，關(guān)山隧道出口三角城上游0.3 km方案具明顯的不足之處，其上部滑坡目前雖處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，但工程的修建對(duì)滑坡擾動(dòng)較大，滑坡范圍大，滑體厚，治理困難；且橋臺(tái)位于順層“無根”的巖體上，存在極大的安全威脅，因此予以舍棄[10-12]。三角城上游1.6 km方案滑坡位于隧道出口的上方，橋臺(tái)處有巖堆，地質(zhì)條件依然較差，地質(zhì)條件較上游0.3 km方案改善有限，仍有安全隱患。三角城上游2.4 km方案避開了三角城滑坡群對(duì)工程的影響，洞口堆積層厚度不大，隧道基底位于基巖中。六盤山隧道進(jìn)口危巖落石可采用清除坡面松動(dòng)危巖后，預(yù)應(yīng)力錨索+仰坡坡面掛網(wǎng)噴射混凝土+主動(dòng)網(wǎng)防護(hù)+接長明洞的防護(hù)措施，工程實(shí)施難度較小，措施可靠，工程地質(zhì)條件相對(duì)最好。故推薦地質(zhì)條件最好DIK方案作為最終貫通方案。

六盤山隧道出口不過溝的DIK方案，線路高程經(jīng)過調(diào)整，隧道拱頂距滑動(dòng)面7～13 m，綜合分析認(rèn)為，在此段采取控制爆破、加強(qiáng)支護(hù)和襯砌措施，能夠保證隧道施工和運(yùn)營安全；過溝的D13K方案，洞口距青林滑坡較近，滑體左側(cè)發(fā)育的次級(jí)滑坡，對(duì)隧道出口安全影響較大。故推薦采取加固措施、從新莊滑坡下部通過，不過溝的DIK方案作為最終貫通方案。

5 結(jié)論

(1)天平鐵路穿越六盤山及其余脈關(guān)山越嶺段，滑坡、危巖落石、巖堆廣泛分布，工程地質(zhì)條件復(fù)雜，控制著線路方案的選擇。

(2)通過大量的地質(zhì)調(diào)繪和勘探工作，分析評(píng)價(jià)滑坡、危巖落石穩(wěn)定性和影響程度。貫通方案關(guān)山隧道出口繞避了三角城滑坡群和巖堆；六盤山隧道進(jìn)口對(duì)危巖落石進(jìn)行了加固處理，出口避開了青林滑坡，選擇了在規(guī)模較小、邊界條件清楚的新莊滑坡下部以隧道形式通過。洞口施工較為順利，建成后運(yùn)營至今，未出現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害。表明貫通方案合理、可行，地質(zhì)選線是成功的。