蘭新鐵路第二雙線甘青段工程地質條件與評價

王進華

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,陜西西安 710043)

1 概述

蘭新鐵路第二雙線是國家“八縱八橫”鐵路網(wǎng)主骨架之-陸橋通道的主要部分,設計速度目標值將達到200 km以上,建成后將大大縮短西北地區(qū)與中東部和西南地區(qū)的時空距離,為旅客出行提供快速、便捷、舒適的條件,也為既有蘭新線開通兩萬噸重載貨運列車創(chuàng)造條件,將大大提高運營企業(yè)的運輸組織效率。對于帶動區(qū)域相關產業(yè)的發(fā)展和區(qū)域經濟增長,改善沿線人民生活質量和通過運輸質量,提升整條陸橋通道的功能均具有極為重要的意義。線路跨越甘肅省、青海省、新疆維吾爾自治區(qū)三省區(qū),甘青段東起甘肅省省會蘭州市,途經青海省民和縣、樂都縣、平安縣到達西寧市并引入既有西寧站,然后折向北經大通縣,以長隧道群穿越大坂山區(qū);進入門源盆地后,以隧道群穿越祁連山脈,進入甘肅省民樂縣,然后沿山前傾斜平原斜坡長驅而下,經張掖市、臨澤縣、高臺縣、酒泉市、嘉峪關市、玉門市、安西縣后到達甘新省界紅柳河,線路全長約1 065.184 km。

2 自然地理概況

2.1 地形地貌

(1)隴西黃土高原區(qū)

蘭州西至民和(DK1+700～DK90+600),地勢西高東低,海拔1500～2 200m,相對高程50～150m,區(qū)內黃土廣布,溝壑交織,黃河、湟水河各級階地發(fā)育,部分地段基巖裸露。又可細分為黃河河谷、湟水河谷、黃土塬梁峁和低中山等次一級地貌單元。

(2)祁連中高山山區(qū)

民和至軍馬場段(DK90+600～DK366+000),線路穿行于祁連山地,由一系列北西西-南東東的三、四級山脈和山間盆地、山間谷地組成,海拔多在2000～4 400m,又可細分為湟水河谷、低中山、西寧盆地、大坂山地、門源盆地和冷龍嶺山地等次一級地貌單元,盆地和谷地地勢較緩,多為第四系地層覆蓋,山地則地勢陡峻,基巖裸露。

(3)河西走廊山前沖、洪積平原區(qū)

軍馬場至柳園南(DK366+000～DK994+000),地勢開闊,其中軍馬場至張掖為民樂傾斜平原,海拔從3 100m下降到1 466m,縱坡坡度達5%～20%;張掖至石板墩南段線路走行于河西走廊山前戈壁及疏勒河沖、洪積平原區(qū),地形平坦、開闊,地勢西南高,東北低,地面高程1 440～1 900m。區(qū)內城鎮(zhèn)較多,交通便利,疏勒河沖洪積平原區(qū)綠洲交替,地下水豐富。區(qū)內城鎮(zhèn)較多,交通便利。本段地層除個別地段基巖出露外,大部分為第四系松散沉積層覆蓋。

(4)天山東脈北山南麓丘陵區(qū)

柳園南至紅旗村北(DK994+000～DK1 115+000),為天山東脈北山南麓丘陵區(qū),地形波狀起伏,地面高程1 600～1 860m,相對高差30～100m。區(qū)內人煙稀少,地表荒蕪,地表零星覆蓋粗、細圓礫土,大部分地段基巖裸露,多呈礫漠、巖漠地貌景觀,地層以古老變質巖系及侵入巖為主,地下水不發(fā)育。

2.2 氣象特征

沿線氣候有較大差異,蘭州-民和屬中溫帶半干旱大陸性氣候區(qū),民和-民樂屬高原溫帶半干旱大陸性氣候區(qū),民樂-紅柳河屬中溫帶干旱大陸性氣候區(qū)。其共同特點是氣候干燥,旱季長、雨季短,降雨量較少且集中,晝夜溫差變化較大,春、秋季多風,夏季短促,冬季寒冷。年平均氣溫1.8°～11.1°,極端最高氣溫31.7°～42.8°,極端最低氣溫-21.7°～ -35.6°,年平均降雨量52.2～530 mm。祁連山地南側(西寧、大通、門源一帶),夏秋半年受孟加拉灣的西南暖濕氣流影響,氣候涼爽濕潤,降雨量較大。大坂山、冷龍嶺一帶海拔高,氣候垂直分帶性明顯,氣溫寒冷,日溫差大,天氣多變,常有突發(fā)陰雨、風雪、冰雹,冰凍時間長。

3 地層及構造

3.1 地層巖性

沿線地層的分布主要受構造控制,從元古界至新生界均有出露,巖性復雜多樣。隴西黃土高原,湟水河河谷及兩岸低中山,西寧盆地,門源盆地,河西走廊山前沖洪積平原主要為中、新生界斷陷盆地陸源碎沉積物,出露第三系,白堊系泥巖、砂巖及礫巖,表層廣布第四系,以黃土、卵礫石土松散沉積物為主。祁連山中高山區(qū)、天山東脈北山南麓丘陵區(qū),元古界、震旦系、奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、第三系地層均有出露,巖性以砂巖、礫巖、泥巖、頁巖、灰?guī)r等沉積巖,以及片巖、片麻巖、大理巖、石英巖、角閃巖、千枚巖、板巖、變安山巖等中淺變質巖為主,伴有元古代、加里東期、華里西期巖漿巖侵入體,巖性以花崗巖、閃長巖為主;第四系松散沉積物廣泛分布于各溝谷及大型不良地質體分布區(qū),以黃土、碎石類土為主。

3.2 地質構造

本線在構造上處于祁連褶皺系和天山褶皺系兩大構造單元及其邊緣部位,祁連褶皺系為北西向展布,天山褶皺系東西向展布,沿線涉及次級構造單元由東向西有如下四個:中祁連中間隆起帶、北祁連優(yōu)地槽帶、河西走廊沉降帶、北山—天山褶皺帶,各構造單元多以深大斷裂分界,沿線通過9條區(qū)域性大斷裂和26條一般性斷裂。

4 水文地質條件

沿線地下水的分布主要受地貌單元控制,差異較大,大部分段落在鉆探深度內末見地下水,山區(qū)、河流階地及盆地部分段落地下水埋深1～20m,地下水類型主要為第四系孔隙潛水、承壓水和基巖裂隙水、構造裂隙水及碳酸鹽巖巖溶裂隙水等,主要受大氣降水和冰雪融水補給。

5 不良地質及特殊巖土

5.1 不良地質的分布及工程處理措施

(1)泥石流

沿線泥石流主要分布于蘭州至大通段黃河、湟水河及北川河兩岸的一些溝谷中,線路通過的泥石流溝谷有11條(見表1)。按其規(guī)模分為:中-小型泥石流溝;按其物質成份分為:泥流溝3條,泥石流溝6條,水石流溝2條。與線路有關的11條泥石流溝,其中9條以橋梁形式通過,2條以隧道形式在其下部通過。以隧道形式通過的泥石流溝對工程無影響,以橋梁形式通過的泥石流溝應采取以下措施:(1)橋位應選在溝床固定,主流較穩(wěn)定,水流較順直處,并與主流正交;(2)應以大跨度橋梁跨越,并留足夠凈空,避免在主溝槽內設置墩臺。

表1 泥石流溝谷分布及特征一覽

(2)巖堆

主要分布于隴西黃土高原、祁連山山區(qū)的陡坡峽谷地段。對于松散的堆積體,地下水發(fā)育,有可能滑動的巖堆,線路應繞避為主,無法繞避時時應進行綜合整治后方可通過,避免其對隧道洞口及橋臺的影響。與線路有關的巖堆見表2。

(3)風沙與風蝕

風沙主要分布于張掖至紅柳河段。線路多處地段屬于半荒漠、荒漠地區(qū),受氣候條件及植被發(fā)育程度的影響,在部分地表形成風積沙地貌。線路在DK853+000～DK968+500段經過安西風區(qū),風力較強勁,地表細顆粒土被大風搬運,使表層殘留2～5 cm厚中粗礫砂或卵礫石薄層,部分地段形風蝕槽。沿線風積沙現(xiàn)象主要出現(xiàn)在半固定沙地、固定沙地等地貌發(fā)育的地段。風沙流對線路的危害主要表現(xiàn)為沙埋,其次為風蝕,需根據(jù)沙地類型、風沙流活動性質和線路結構物特征并結合當?shù)氐闹紊辰涷?分別采取植物固沙、設置沙障等不同的防護措施,除路基本體防護外,還應進行平面防護,形成封閉的防護形式。

表2 巖堆綜合特征及穩(wěn)定性統(tǒng)計

(4)地震區(qū)

沿線多數(shù)地段地震動峰值為0.10～0.20g,在河床、漫灘、一級階地、盆地,以及下部第四系全新統(tǒng)飽和粉、細、中砂,粉土,砂質黃土,部分具有地震液化現(xiàn)象,地震液化層不連續(xù),多呈夾層或透鏡體分布。地震液化對鐵路工程影響較大,路基通過液化土層地段時,應結合松軟土一并處理,可采取換填、碎石樁擠密、反壓護道等措施;橋梁通過時,液化土層的力學指標應相應折減,適當增加樁長或進行擠密處理。

5.2 特殊巖土的分布及工程處理措施

(1)黃土

沿線黃土主要為第四系全新統(tǒng)沖、洪積黏(砂)質黃土,上更新統(tǒng)風積、沖洪積黏(砂)質黃土,廣泛分布于蘭州西至大通段及軍馬場至紅柳河段隴西黃土高原、河谷階地及河西走廊一帶,厚度1～50m不等,一般一級階地、河西走廊一帶黃土較薄。沿線大部分地段黃土具Ⅰ～Ⅱ級非自重濕陷,濕陷土層厚1～8m不等;高階地、黃土塬梁峁、低中山的黃土較厚,多具Ⅱ～Ⅳ級自重濕陷,濕陷土層厚5～20m不等。線路通過濕陷性黃土地段建議采取攔截、排除地表水、防止地表水下滲對地基的破壞,基礎部分采取重機碾壓、強夯、石灰樁擠密加固、換填土等地基處理措施。

(2)膨脹巖

沿線蘭州西至大通、大坂山北坡、玉門鎮(zhèn)等一帶廣泛分布第三系和白堊系泥巖。經取樣試驗,巖體自由膨脹率FS=11～113%(多數(shù)在30～50%之間),蒙脫石含量M=2.8～64%(多數(shù)在8～20%之間),陽離子交換量CEC(NH4+)=50～540 mmol/kg(多數(shù)在90～230 mmol/kg之間),為膨脹巖。膨脹巖地段路塹工程應適當放緩邊坡,加寬平臺并采取擋護措施;橋涵基礎施工時,應及時灌注混凝土,避免基坑積水;隧道施工時,應及時襯砌,以隔絕大氣濕度的影響。

(3)軟土與松軟土

軟土主要斷續(xù)分布于疏勒河一帶濕地及地勢低洼處,零星分布于湟水河一級階地,主要由淤泥質黏性土構成,透鏡狀分布,厚0.5～3m不等。松軟土沿線均有分布,巖性主要為第四系黃土、黏性土、粉土、粉細砂等細顆粒土。對于軟土地基,應進行換填、排水擠密等處理措施;對于松軟土地基,應結合工程設置。門源盆地及河西走廊多數(shù)地段清除表土即可,局部較厚段落應采用CFG樁、碎石樁等措施進行處理。

(4)鹽漬土

主要分布于河西走廊的腰泉子至五華山之間土質平原區(qū)的地勢低洼處及河漫灘地帶,一般以硫酸鹽漬土為主。線路通過鹽漬土地段應以粗顆粒土換填上部細顆粒土,路基本體填筑粗顆粒土。

(5)多年凍土

在祁連山區(qū)的大坂山、冷龍嶺等越嶺地帶,海拔高,年平均氣溫為零度以下,分布多年凍土,一般海拔3 500～4000m為島狀多年凍土,4000m以上為連續(xù)多年凍土。隧道洞身多在多年凍土層之下,僅在大梁隧道出口端分布有島狀多年凍土,隧道出口段及輔助工程進口段應做好防凍措施。

6 場區(qū)工程地質條件的總體評價

蘭州西至大通段線路穿行于低中山、黃土塬粱峁、黃河、湟水河、北川河河谷階地,該段新構造運動強烈,黃河、湟水河及其支溝發(fā)育多級階地,溝谷發(fā)育且深切,泥石流、巖堆等不良地質現(xiàn)象發(fā)育。本段橋隧相間,工程巨大,洞身多為第三系泥巖、黃土和碎石類土。邊坡穩(wěn)定性、黃土濕陷性及膨脹巖是該段主要地質問題,隧道存在圍巖失穩(wěn)、涌水(泥)等問題。綜合分析,本段工程地質條件復雜。

大通至軍馬場段線路穿行于祁連山高中山區(qū),分別以隧道群穿越大坂山和祁連山兩個越嶺區(qū),中部門源盆地地質條件較為簡單,主要以路基和橋梁通過;大坂山、祁連山以隧道群和橋梁通過,地質條件特別是構造復雜,穿越十余條區(qū)域性大斷裂和次生斷裂,褶皺和節(jié)理裂隙發(fā)育,巖性復雜多變,沉積巖、變質巖、巖漿巖均有出露,隧道存在圍巖失穩(wěn)、涌水(泥)、高地應力及防凍等問題。綜合分析,本段工程地質條件復雜。

軍馬場至紅柳河南段線路穿行于河西走廊沖洪積平原和北山南麓剝蝕丘陵,地形較為平坦開闊,地形、地層簡單且變化較小,地質條件良好,主要地質問題是局部分布的風沙和鹽漬土路基,值得注意的是線路在低窩鋪至安北(DK853+000～DK968+500),長約115 km的地段位于安西風區(qū),該風區(qū)雖未對既有蘭新線造成重大危害,但本線速度目標值高,對獨特的大風問題應引起足夠的重視。綜合分析,本段地質條件相對簡單。

7 結論與建議

沿線隧道工程地質條件復雜,施工時須加強支護,嚴格按施工規(guī)程及設計要求進行,采用短開挖、勤支護,并及時二砌的施工方法,嚴禁采用放大炮、長大段落揭露基底的施工方法;路基工程針對不同地基土的工程性質,采取經濟有效的處理措施,結合濕陷性黃土、地震液化層及松軟土一并處理,對深挖路塹的不穩(wěn)定邊坡進行綜合防治和施工勘察;橋梁工程建議采用樁基,山區(qū)部分地段硬質巖埋藏較淺處可采用淺基礎。安西風區(qū)各類工程應避免在大風季節(jié)施工。

[1]TB10012—2007 鐵路工程地質勘察規(guī)范[S]

[2]TB10027—2001 鐵路工程不良地質勘察規(guī)程[S]

[3]TB10038—2001 鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程[S]

[4]鐵道部第一勘察設計院.鐵路工程地質手冊[M].北京:中國鐵道出版社,1999