新建銀西鐵路黃土溝壑區(qū)工程地質(zhì)選線

張 哲

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

本線起點(diǎn)位于西安北站,終點(diǎn)為銀川站,線路整體近南北走向,全長(zhǎng)約600 km。其中,慶城至彬縣段為一次新建雙線,長(zhǎng)約140 km；鐵路等級(jí)為客運(yùn)專線。

主要研究慶城—彬縣段經(jīng)董志塬下至涇河的區(qū)域方案比選。該區(qū)域行政劃分為新莊鎮(zhèn),隸屬慶陽市寧縣。該區(qū)域?yàn)槎拒吘壧?地處黃土溝壑區(qū),地層條件相對(duì)簡(jiǎn)單,但塬邊大型黃土沖溝發(fā)育,沖溝中又普遍發(fā)育黃土滑坡等不良地質(zhì),成為該區(qū)域線路方案選擇的主要控制因素。在選線過程中,地質(zhì)工作力求從工程地質(zhì)的角度出發(fā),在進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)調(diào)查后,了解了該區(qū)域黃土滑坡的規(guī)模及影響,并充分總結(jié)分析了調(diào)查成果,掌握了黃土滑坡的形成機(jī)理及分布規(guī)律。在充分考慮黃土滑坡對(duì)鐵路安全影響的基礎(chǔ)上,盡可能兼顧鐵路造價(jià),減少鐵路投資。經(jīng)充分的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)比較,線路最終選擇CK(塬上長(zhǎng)隧道相接)方案,該方案不僅避開了溝壑區(qū)的大量黃土滑坡,消除了此段黃土滑坡對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)安全的影響,而且還考慮了鐵路施工時(shí)可能發(fā)生的安全問題,減少了隱性投資。

1 地質(zhì)環(huán)境特征

1.1 地貌特征

該區(qū)域大的地貌單元屬于甘肅董志塬黃土溝壑區(qū),地形總趨勢(shì)為塬中部高,兩側(cè)低,從北部環(huán)江河谷區(qū)經(jīng)黃土溝壑梁峁區(qū),過渡到中部黃土塬區(qū),再下塬經(jīng)黃土溝壑梁峁區(qū)進(jìn)入涇河河谷區(qū)。西峰區(qū)為為此段最高點(diǎn),北有環(huán)江,南有涇河,西有蒲河,東有馬蓮河,將整個(gè)董志塬圍住,塬面平坦開闊,緣邊多黃土沖溝,黃土滑坡發(fā)育。

該區(qū)域的地貌特征為黃土覆蓋層厚度由塬中部至塬邊逐漸變薄,地面高程亦隨之降,地面向涇河傾斜；地表植被不發(fā)育,多為耕地,房屋零星散落；黃土沖溝極發(fā)育,呈雞爪狀分布在黃土塬邊,沖溝中游分布大量黃土滑坡,沖溝溝深由上游至下游逐漸加深,沖溝下游溝底白堊系基巖出露,調(diào)查時(shí)沖溝內(nèi)普遍無水。

1.2 地層巖性

該區(qū)域地表多被厚層的第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土覆蓋，塬中部厚兩側(cè)薄,厚約5～15 m,普遍為黏質(zhì)黃土,淡黃色,底部常見1～3 m棕紅色古土壤層,土質(zhì)均勻,具大孔隙結(jié)構(gòu),堅(jiān)硬,具濕陷性,溝心兩側(cè)塬面場(chǎng)地類型為自重濕陷,濕陷等級(jí)Ⅲ～Ⅳ級(jí),濕陷土層深度10～15 m。其下部為巨厚層第四系中更新統(tǒng)風(fēng)積黃土，淡黃色、棕紅色,厚度大于50 m,土質(zhì)較均,夾多層古土壤層,古土壤中含少量白色鈣質(zhì)菌絲,其底部常見姜石層,堅(jiān)硬—硬塑。黃土層下部局部分布有上第三系紅黏土。下伏基巖主要為白堊系下統(tǒng)的砂巖夾頁巖，灰綠、紫紅色、灰色等,粉細(xì)粒結(jié)構(gòu),泥質(zhì)膠結(jié),層狀構(gòu)造,層理發(fā)育,節(jié)理較發(fā)育,局部夾薄層狀泥頁巖。巖層產(chǎn)狀水平，強(qiáng)風(fēng)化,厚1～3 m。

該區(qū)域各方案都走行在黃土地層中,巖性較為單一,圍巖級(jí)別Ⅳ～Ⅴ級(jí)。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

本段線路位于中朝準(zhǔn)地臺(tái)的陜甘寧臺(tái)坳西南部,南以乾縣—富平斷裂為界,與汾渭地塹相連,西以牛首山-固原斷裂為界,與鄂爾多斯臺(tái)緣褶皺帶相鄰,白堊系為基底巖層,產(chǎn)狀水平為主,少有褶皺和斷裂發(fā)育,未見巖漿侵入活動(dòng)。

1.4 水文地質(zhì)特征

該區(qū)域地表水不發(fā)育,各條沖溝調(diào)查時(shí)普遍無水。根據(jù)鉆孔資料可知,地下水主要為第四系孔隙潛水,水量微小,埋深一般大于70 m,主要受大氣降水補(bǔ)給。根據(jù)地下水水質(zhì)報(bào)告分析,該區(qū)域地下水質(zhì)良好,對(duì)圬工無侵蝕性。

1.5 氣候特征

據(jù)慶陽市寧縣氣象站氣象資料,該區(qū)域位于暖溫帶半干旱氣候區(qū),地處西北內(nèi)陸,屬大陸型氣候,四季分明,春遲夏短,秋早冬長(zhǎng),晝夜溫差大,雨雪稀少,蒸發(fā)強(qiáng)烈,氣候干燥,風(fēng)大沙多。年平均降水量524 mm,年最大降水量827.7 mm,年平均降水天數(shù)96.1天。由降水量來看,雖該區(qū)域位于大的半干旱氣候區(qū),但年降水量大于400 mm,氣候較濕潤(rùn),夏季雨水較多,為黃土滑坡的產(chǎn)生提供了條件。

2 黃土滑坡的產(chǎn)生機(jī)理及分布特征

該區(qū)域不良地質(zhì)主要以黃土滑坡為主,黃土滑坡主要分布在黃土沖溝兩岸,成片分布,鐵路要經(jīng)過這些沖溝下塬至涇河,因此黃土滑坡是控制線路走向的關(guān)鍵因素。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,研究區(qū)域資料及相關(guān)案例,了解了黃土滑坡產(chǎn)生的機(jī)理,并掌握了該區(qū)域黃土滑坡分布的規(guī)律及特征。

2.1 黃土滑坡的產(chǎn)生機(jī)理

黃土滑坡產(chǎn)生的機(jī)理,主要由以下三個(gè)主要因素構(gòu)成。

(1)重力作用

重力作用是黃土滑坡產(chǎn)生的內(nèi)因,斜坡上的黃土由于自身重力產(chǎn)生重力勢(shì)能,沖溝切割越深,斜坡處的黃土堆積體積越大,重力勢(shì)能越高,這為黃土滑坡的形成提供了物質(zhì)及能量來源。

(2)滑動(dòng)面

根據(jù)勘探資料和黃土剖面調(diào)查,此區(qū)第四系黃土層堆積在產(chǎn)狀基本水平的白堊系基巖上,第四系上更新統(tǒng)黏質(zhì)黃土(Q3)的厚度一般為5～10 m,中更新統(tǒng)風(fēng)積黏質(zhì)黃土(Q2)厚度一般大于60 m。Q3黃土結(jié)構(gòu)疏松,多孔隙,垂直節(jié)理發(fā)育；Q2黃土結(jié)構(gòu)較致密,可見垂直節(jié)理,含多層厚度3～5 m的紅色古土壤層,古土壤層黏粒含量高,具弱膨脹性,為第四系孔隙水的主要富水層,黃土的此種性質(zhì)易產(chǎn)生滑動(dòng)面。

(3)雨水

雨水對(duì)坡體穩(wěn)定性影響主要表現(xiàn)在：雨水通過黃土垂直和側(cè)向滲透,坡體的孔隙水壓力增大、容重增加、基質(zhì)吸力減小和產(chǎn)生擊打力。分析發(fā)現(xiàn),斜坡變形破壞與年降雨量的季節(jié)變化明顯對(duì)應(yīng)相關(guān),其活動(dòng)強(qiáng)度與降雨量大小呈滯后的正相關(guān)關(guān)系。在黃土滑坡的形成條件中,地下水的活動(dòng)為斜坡變形破壞提供了十分重要的動(dòng)力條件。地下水沿裂隙面下滲并常在溝谷底部溢出,改變了斜坡的水文地質(zhì)條件,一方面增加了斜坡土體的重量,對(duì)不穩(wěn)定土體產(chǎn)生靜水壓力或動(dòng)水壓力及向上的浮托力；另一方面降低了斜坡體中軟弱結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度,并起著溶解、沖刷的作用,使不穩(wěn)定土體和穩(wěn)定土體之間的側(cè)向摩擦力減小,降低了黃土斜坡土體的穩(wěn)定性。

地震、人為破壞植被也是誘發(fā)黃土滑坡等發(fā)生的外界因素。

黃土滑坡的產(chǎn)生便是以上因素共同作用的結(jié)果。產(chǎn)生的過程是由點(diǎn)到線、由線至面,首先是由于沖溝兩側(cè)靠近溝邊的位置雨水通過黃土的垂直節(jié)理下滲到古土壤層中,水在古土壤層中一部分沿著層面向溝邊滲流,一部分富含在土層中,還有一部分由古土壤層的某一不利點(diǎn)繼續(xù)下滲,隨著連通點(diǎn)一步步向溝邊推移,最終點(diǎn)連成了線。當(dāng)線匯集成了面,黃土滑坡便產(chǎn)生了(如圖1所示)。

圖1 滑動(dòng)面與雨水滲流方向關(guān)系

2.2 黃土滑坡的分布特征

該區(qū)域黃土滑坡主要發(fā)育在沖溝的中游,上游及下游黃土滑坡不發(fā)育。具體分布見圖2。

圖2 新莊地區(qū)黃土滑坡分布

產(chǎn)生此種分布規(guī)律的原因在于,沖溝上游部分由于沖溝切割較淺,缺乏黃土物質(zhì),兩側(cè)黃土不具備充足的重力勢(shì)能,亦不易形成較大的滑動(dòng)面,；下游處下部基巖出露,由于基巖產(chǎn)狀水平,不易形成完整的滑動(dòng)面。下面通過沖溝的不同段落描述黃土斜坡的穩(wěn)定性。

(1)沖溝上游

由圖3可知,在沖溝上游及溝頭部分,黃土斜坡坡度陡直,易產(chǎn)生黃土沿垂直節(jié)理產(chǎn)生剝離現(xiàn)象,屬?zèng)_溝不斷侵蝕塬面的基本過程,但沖溝沖刷不深,且溝底較狹窄,使滑動(dòng)面無法從斜坡上貫通,下部土層有持力性,很難形成較大的黃土滑坡。CK方案由此處通過,繞避了黃土滑坡,使線路大部分行走在靠近黃土塬中部的地域,雖然增加了長(zhǎng)隧道的數(shù)量及長(zhǎng)度,但保證了線路的安全。

圖3 沖溝上游黃土邊坡滑動(dòng)示意

(2)沖溝中游

圖4 沖溝中游黃土邊坡滑動(dòng)示意

由圖4可知,在沖溝中游部分,黃土層覆蓋較厚,且沖溝切割較深,易形成貫通的滑動(dòng)面,產(chǎn)生黃土滑坡。現(xiàn)場(chǎng)滑過后的黃土滑坡坡面較緩,中部隆起,積存了大量的黃土物質(zhì),對(duì)鐵路隧道的洞門影響很大,屬于不穩(wěn)定邊坡,需要處理。C22K方案由此處通過,隧道進(jìn)出口多位于黃土滑坡處,雖然該方案主要由短隧道與橋相連,且運(yùn)營(yíng)里程最短,節(jié)省了工程投資,但滑坡的處理費(fèi)用尚未確定,且處理后的邊坡穩(wěn)定性不能得到確實(shí)的保證。

(3)沖溝下游

由圖5可知,在沖溝下游部分,黃土斜坡坡度陡直,但黃土覆蓋層不厚,下伏產(chǎn)狀水平的白堊系基巖。當(dāng)滑動(dòng)面切于基巖時(shí),無法繼續(xù)延伸至斜坡外部,滑動(dòng)面無法連通,故無法形成規(guī)模較大的黃土滑坡。雨季時(shí),易沿坡面形成滑坍溜泥。C23K方案通過此處,此方案雖繞避了大量的黃土滑坡,且運(yùn)營(yíng)里程也相對(duì)較短,隧道長(zhǎng)度較短,節(jié)省投資,但該方案隧道絕大部分走行于第四系黃土與白堊系基巖的分界面處。根據(jù)慶陽市水利局的調(diào)查資料,該處地下水主要為基巖裂隙水,水量豐富,對(duì)將來隧道的施工及運(yùn)營(yíng)安全有不利影響。

圖5 沖溝下游黃土邊坡滑動(dòng)示意

3 線路方案選擇

本線初測(cè)階段重點(diǎn)研究了塬上長(zhǎng)隧道CK方案、塬邊短隧道群C22K方案及沿涇河邊行走的C23K方案。通過鉆探及外業(yè)調(diào)繪,查清了本區(qū)區(qū)域的地層情況，發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)塬邊短隧道群方案的洞口處理黃土滑坡的費(fèi)用高,且無法保證處理后的洞口不會(huì)受到降雨的影響而產(chǎn)生次生的黃土滑坡,不能避免洞口邊坡失穩(wěn),鐵路安全難以保證；后又研究了沿涇河方案,該方案雖繞避了黃土滑坡,但大部分隧道高程剛好處于第四系黃土與白堊系基巖的分界面處,該接觸面一般富水,對(duì)隧道影響較大,施工過程中易產(chǎn)生不良隱患,影響施工安全；經(jīng)綜合權(quán)衡，最終放棄了C22K及C23K方案,選擇了通過這一區(qū)域的CK方案。

3.1 塬邊短隧道群方案(C22K)

該方方案優(yōu)點(diǎn)：新建線路此區(qū)域段內(nèi)初步估計(jì)的工程投資最少(不含黃土滑坡處理費(fèi)用),鐵路的結(jié)構(gòu)形式主要為橋隧相接,短隧道多,易于施工。

但經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查后發(fā)現(xiàn),該方案穿過的數(shù)條沖溝中,黃土滑坡普遍發(fā)育,有多處位于隧道進(jìn)出口,預(yù)估處理費(fèi)用較高,且該區(qū)域位于涇河附近,夏季多雨,工程處理后的洞口穩(wěn)定性無法保證,更難以保證鐵路的安全運(yùn)營(yíng),會(huì)給鐵路運(yùn)行留下無法估量的安全隱患。

3.2 沿涇河方案(C23K)

該方案基本繞避了大量的黃土滑坡,走到了沖溝的下游,靠近涇河。該方案的優(yōu)點(diǎn)：繞避黃土滑坡后的運(yùn)營(yíng)距離較短,隧道長(zhǎng)度適中,初步估算工程投資也較省(未考慮隧道措施級(jí)別),主要為橋隧相連。

該方案隧道大部分走行于第四系黃土與白堊系基巖的分界面處,地下水較豐富,對(duì)隧道施工影響較大,若隧道支護(hù)措施級(jí)別提高會(huì)鐵路造價(jià)提高；且隧道進(jìn)出口處,黃土斜坡面積大、黃土物質(zhì)較多,開挖后隧道進(jìn)出口的穩(wěn)定性存在一定隱患,加之該區(qū)域雨水較多,隧道洞口開挖后易形成次生黃土滑坡,會(huì)給鐵路的施工及運(yùn)營(yíng)安全帶來威脅。

綜合考慮,該方案隱性威脅較大,且隧道施工開挖后的支護(hù)措施的變更無法估計(jì),會(huì)給鐵路造價(jià)及安全留下隱患,不是最好的選擇。

3.3 塬上長(zhǎng)隧道方案(CK)

在研究了以上兩個(gè)方案后,結(jié)合該區(qū)域的黃土滑坡發(fā)育的規(guī)律及地層、地貌特性,選擇塬上長(zhǎng)隧道方案。該方案此區(qū)域內(nèi)運(yùn)營(yíng)距離較長(zhǎng),長(zhǎng)隧道較多,造價(jià)相對(duì)較高,但不會(huì)產(chǎn)生額外的附加費(fèi)用。各隧道進(jìn)出口的地質(zhì)條件良好,沖溝沖刷較淺且靠近溝頭,交通便利,易于施工。且該方案隧道主要走行于第四系黃土中,地層穩(wěn)定,且根據(jù)鉆孔資料得知,黃土地層中地下水不發(fā)育,對(duì)隧道施工影響較小,并能保證鐵路的運(yùn)營(yíng)安全。

綜上所述,在保證鐵路施工、運(yùn)營(yíng)安全的前提下,選擇了CK方案作為最后的貫通方案。

4 黃土溝壑區(qū)地質(zhì)選線的認(rèn)識(shí)

應(yīng)查明黃土溝壑區(qū)的地層結(jié)構(gòu),地層巖性等特點(diǎn),通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和勘探點(diǎn),查明黃土的力學(xué)性質(zhì)及地下水情況。

對(duì)于黃土滑坡發(fā)育地段,應(yīng)以安全為第一,使鐵路走在最為安全的通道上,不能懷有僥幸心理,將線路擺在不良地段。

該區(qū)域位于涇河邊,氣候濕潤(rùn),降水較多,所以黃土滑坡較發(fā)育,對(duì)于降水較少的地區(qū),黃土滑坡發(fā)育程度較低。

董志塬地區(qū)下伏白堊系基巖,該套基巖地層水平產(chǎn)狀,對(duì)黃土滑坡的產(chǎn)生無太大影響；若遇基巖產(chǎn)狀傾角較大的黃土地區(qū),沖溝兩側(cè)黃土斜坡易沿基巖面滑動(dòng)產(chǎn)生黃土滑坡。

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