鐵路主要工程地質(zhì)問題分析及防治

劉珣

（鐵道部經(jīng)濟規(guī)劃研究院技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)所 博士，北京 100038）

0 引言

工程地質(zhì)學(xué)是研究與工程建設(shè)有關(guān)地質(zhì)問題的科學(xué)[1]。中國幅員遼闊，地質(zhì)和自然地理條件十分復(fù)雜。解放以來，鐵路建設(shè)和運營中遇到的工程地質(zhì)問題類型之多、分布之廣、災(zāi)害程度之重，堪稱世界之最。

從中國山區(qū)和地質(zhì)復(fù)雜地區(qū)的新建鐵路的情況看，在設(shè)計完成后因地質(zhì)因素造成設(shè)計變更的工程數(shù)量一般為總變更數(shù)量的60%至70%，個別達80%以上；影響工程造價變化占工程總投資一般為5%至10%，個別可達10%以上。因此，工程地質(zhì)工作是我國鐵路建設(shè)和運營中一項直接關(guān)系到投資造價，極其重要的基礎(chǔ)性工作。

1 鐵路工程地質(zhì)問題及工程地質(zhì)工作發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 鐵路工程地質(zhì)問題

鐵路重大工程地質(zhì)問題主要包括以下5個方面[2]：

1）高山峽谷地區(qū)的斜坡物質(zhì)運動。包括滑坡、坍塌、泥石流及深路塹、高邊坡和淺埋隧道開挖引發(fā)的山體變形、失穩(wěn)。

2）特殊巖土的變形和破壞。主要有軟土、膨脹巖土、凍土、鹽漬土、濕陷土、巖溶、風(fēng)沙等。

3）越分水嶺深埋隧道的山體能量釋放和物質(zhì)運動。主要有圍巖坍塌、軟巖塑變、硬巖巖爆、涌水、突泥、突水、瓦斯及其他有害氣體溢出爆燃、高地溫?zé)岷?、放射性危害及洞口部位的山體變形。

4）地殼運動及活動性斷層。主要有引發(fā)的地震災(zāi)害、地面變形和位移破壞、斜坡運動災(zāi)害。

5）鐵路工程與地質(zhì)環(huán)境的相互作用問題。如水土流失、地面塌陷、棄土棄砟泥石流、滑坡、水庫坍岸等。

1.2 工程地質(zhì)工作發(fā)展現(xiàn)狀

通過多年實踐的不斷完善，鐵路工程地質(zhì)工作已取得了很大的發(fā)展，主要體現(xiàn)在以下4個方面：

1）在鐵路選線和重點工程選址的前期勘測設(shè)計階段，注意宏觀性的地質(zhì)勘察。

2）把地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測和防治作為工作主題。3）促進地質(zhì)勘察技術(shù)進步，大力推行綜合地質(zhì)勘探。

4）初步建立起鐵路工程地質(zhì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。

2 主要工程地質(zhì)問題及防治對策

2.1 不良地質(zhì)問題及防治對策

2.1.1 地震

地震可以導(dǎo)致巖體松動破碎，強烈地震還會產(chǎn)生新斷裂，引起巖體在瞬間發(fā)生大變形，或誘發(fā)滑坡、崩塌。例如，我國西南山區(qū)地震活動頻繁，鐵路在高山峽谷地區(qū)多以隧道+橋梁的形式通過。那里的巖體在巖溶、風(fēng)化及重力作用下已變得非常破碎，地震可能導(dǎo)致隧道扭曲變形、拉裂，嚴(yán)重的會產(chǎn)生隧道垮塌。河谷地帶的巖體像斷裂帶一樣松散破碎，河流兩岸在地震過程中地震波的震幅和相位是有差別的，這種差別導(dǎo)致不同的橋梁段在地震中發(fā)生不協(xié)調(diào)運動，最容易斷裂的地方是對應(yīng)河流主流線的地段或兩岸橋頭。因此，鐵路跨金沙江大橋、跨瀾滄江大橋和跨怒江大橋等大跨度的橋梁在地震中有斷裂的危險性[3]。

以經(jīng)歷5·12大地震后的寶成鐵路為例，如圖1。震后針對寶成鐵路防災(zāi)工程的建議措施如下[4]：

1）對路堤滑坡可采用微型樁進行加固，但要求微型樁深度應(yīng)伸入可能的滑動面以下一定深度。

2）邊坡震害多以坍塌為主，其變形厚度不大，可采用錨桿（索）框架防護工程處理，但要有一定的長度。

3）對坡體滑坡，可加強地表排水工程，并對滑坡進行監(jiān)測，視情況決定是否采用工程處理。

4）崩塌落石是治理的難題，對低位崩塌可采用錨固和支頂措施；對中位崩塌可采用被動攔截、局部錨固和支頂預(yù)防的措施；而對于高位崩塌，最好是采用明洞方案進行安全防護。

5）對隧道變形，首先應(yīng)查明有無坡體變形的問題。若存在，應(yīng)進行勘察，查明原因，先治坡，后加固隧道；若無，可采用加固和邊坡處理措施，或錨固或攔截。

圖1 5·12大地震對寶成鐵路造成的破壞

2.1.2 滑坡

據(jù)統(tǒng)計[5]，1998年全國近68 000 km的運營鐵路上，有693處滑坡災(zāi)害、病害地段，總長達90.4 km。其中33條主要干線上滑坡為412處，總長55.9 km，主要分布在寶成、隴海、京通、貴昆、濱綏、鷹廈、成渝、成昆、川黔等鐵路?；聦\營鐵路造成的破壞如圖2所示。

圖2 滑坡對運營鐵路造成的破壞

滑坡的工程治理一般采取以繞避為主，不能繞避時一次根治、不留后患的防治原則，在整治措施中堅持排水與擋錨相結(jié)合的原則[6]。

1）繞避方面：1999年宜萬線繞避了尚在活動的廟嶺上巨型滑坡（約2×108 m3)及天樓地枕巨型滑坡（約 2×108 m3）；1999年梅坎線以長 3 500 m 隧道繞避了仙師大型滑坡群等。

2）整治方面：20世紀(jì)60年代對鷹廈線、外福線134處主要為滑坡的大型地質(zhì)病害工點進行了3年系統(tǒng)的勘察、設(shè)計及整治；其后的湘黔、枝柳、襄渝、皖贛、焦枝、漳泉、金溫、橫南、京廣、京九、梅坎、糖龍、宜萬等新線和既有線滑坡勘察整治均取得了顯著效果?；抡蜗群蟛捎眠^重力式抗滑擋墻與深型盲溝相結(jié)合、預(yù)應(yīng)力抗滑擋墻、錨桿擋墻、仰斜排水孔、抗滑樁（椅式樁墻、П型剛架抗滑樁）、拉桿錨固樁、預(yù)應(yīng)力錨索、錨索抗滑樁、微型樁等。

2.1.3 崩塌和落石

據(jù)統(tǒng)計[5]，1998年全國線路共發(fā)生崩塌落石3 211處，影響線路總長度419.5 km，主要分布在中西部山區(qū)鐵路。崩塌、落石多發(fā)生于沿河峽谷、卸載裂隙發(fā)育、構(gòu)造擠壓、斷裂（影響）、巖性軟硬相間、受沖陡岸等地帶。崩塌對運營鐵路造成的破壞如圖3所示。

圖3 崩塌對運營鐵路造成的破壞

對不穩(wěn)定或具活動性且處理困難的崩塌落石地段應(yīng)盡量繞避，如1985年金溫線以3 263 m隧道繞避了獅子頭大型崩塌、巖堆地段；1987年衡廣復(fù)線長14.285 km的大瑤山隧道的建成，徹底繞避了滑坡、錯落、崩塌不斷、整治長達50年的坪石樂昌段武水峽谷地段。

對于不能繞避的崩塌落石地段，則應(yīng)采取相應(yīng)的綜合治理措施——清除、支頂、嵌補、錨固、攔擋等，主要工程措施有錨桿、預(yù)應(yīng)力錨索、攔石墻、明洞、棚洞、掛網(wǎng)噴護、SNS柔性防護網(wǎng)等[6]。

2.1.4 泥石流

泥石流具有突然性以及流速快，流量大，物質(zhì)容量大和破壞力強等特點。發(fā)生泥石流常常會沖毀公路鐵路等交通設(shè)施甚至村鎮(zhèn)等，造成巨大損失。泥石流形成必須同時具備三個條件：陡峻且易于集水、集物的地形地貌；有豐富的松散物質(zhì)；短時間內(nèi)有大量水源。

以南寧—昆明鐵路為例[7]，南昆鐵路地處云桂黔三省（區(qū))交界，由南寧盆地過渡到云貴高原。線路大部分穿越崇山峻嶺，地質(zhì)環(huán)境極為復(fù)雜，雨季降水量大且集中，沿線植被因農(nóng)民燒山墾荒遭嚴(yán)重破壞。從形成要素上看,南昆鐵路穿越區(qū)域山高溝深，地形陡峻，斷層規(guī)模巨大，穩(wěn)定性差的斜坡現(xiàn)代堆積層、碳酸層廣泛分布，年降雨量大且集中，完全具備泥石流形成條件。2003年5月23日至6月9日短短18天南昆鐵路就發(fā)生了6起泥石流災(zāi)害，累計中斷行車52 h 31 min，其中盤龍山隧道進口整體被泥石流掩埋，淤積土石達11 000 m3，嚴(yán)重干擾了運輸秩序。

結(jié)合南昆線特點，采取了適時監(jiān)控雨情與泥石流災(zāi)害、恢復(fù)植被、修筑攔石壩與SNS柔性防護網(wǎng)、修建導(dǎo)流渠等綜合預(yù)防和整治的措施，取得較好效果。

2.1.5 巖溶

以滇藏鐵路三江段為例[3]，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，巖溶作用輕則使灰?guī)r破碎并角礫巖化，重則使灰?guī)r發(fā)生紅土化、產(chǎn)生溶洞或巖溶漏斗等。如在白馬雪山埡口高4 500 m處見到灰?guī)r不僅強烈角礫化，而且有溶洞存在（如圖4）。鐵路通過巖溶強烈的部位可能發(fā)生隧道坍塌、冒頂和突水等，鐵路邊坡可能發(fā)生滑坡、崩塌和泥石流，還可能發(fā)生巖溶塌陷。

圖4 德欽縣白馬雪山埡口角礫化灰?guī)r中發(fā)育的溶洞

另一種情況是接觸帶巖溶現(xiàn)象?；?guī)r與透水性差巖石的接觸帶是普遍存在的，接觸帶是地下水富集的地帶，沿線見到的最典型的例子是虎跳峽上段水電站壩址附近。目前，來自片巖與灰?guī)r接觸帶的水形成了一條地下河在四季流淌（如圖5a）。接觸帶巖溶作用強烈，沿帶往往發(fā)育松散的巖溶角礫層，易滑坡（如圖5b）。因此，當(dāng)隧道通過這種接觸帶時便可能發(fā)生隧道涌水問題，也可能發(fā)生隧道坍塌、冒頂和塌陷。

圖5 接觸帶巖溶作用

2.1.6 煤礦采空區(qū)

隨著運煤通道及大能力路網(wǎng)的建設(shè)，采空區(qū)已成為鐵路建設(shè)的一大公害，如圖6所示。采空區(qū)治理的主要問題是[5]：

1）分布復(fù)雜，難以查明。開釆歷史久遠，開釆方式不一，有的私挖亂采；下井實測困難，物探效果不佳，鉆探難度大。

2）治理難度大，工程造價高。井下填筑難以實施；漿材、配比、注漿壓力和擴散半徑等設(shè)計參數(shù)缺乏成熟可靠的經(jīng)驗；跑漿、漏漿難以控制，帷幕難以實施；質(zhì)量控制和效果檢驗有較大難度；工程浩大，費用驚人。

圖6 采空區(qū)的危害

石太線平定方案線路經(jīng)過5個礦區(qū)，釆空和塌陷段落長2 473 m，埋深130～300 m，注漿鉆探197.4萬延米，注漿量1 127萬m3，但最終還是放棄了該方案。1969年孟寶線采取線下留保安煤柱通過[6]。1983年宋大線采取洧水北線方案，繞避了煤礦采空區(qū)。1992年京九線贛龍段信豐縣鐵石口—小江間煤礦區(qū)，經(jīng)百余年大小煤礦的開采，地下井巷縱橫交錯，引起多處地表大范圍不斷沉陷，查清及處理極為困難，經(jīng)比較后采用繞避煤礦采空區(qū)的西繞兩跨桃江方案通過。1998年洛湛線益永段通過灰山港、恩口煤礦采空區(qū)及牛馬司和短陂橋煤礦采空區(qū)，由于礦區(qū)大量抽排地下水，致使地面大面積沉降，反復(fù)塌陷，陷坑多達8 000余處，查清及處理極為困難，最后采取繞避采空區(qū)的方案通過。

2.2 特殊巖土問題及防治對策

2.2.1 軟土

軟土具有含水率高、孔隙比大、一般含有機質(zhì)、滲透性差、壓縮性高、強度低等特點，多分布于構(gòu)造運動持續(xù)沉降及表水長期滯流地帶。

比如常見的淤泥質(zhì)軟土，就是一種分布廣泛的特殊巖土。其特征是含水性強，當(dāng)其作為鐵路地基土?xí)r表現(xiàn)得非常軟弱和不穩(wěn)定，主要表現(xiàn)是鐵路路基容易發(fā)生強烈的不均勻下沉，有時還因滑動變形造成地基或邊坡失穩(wěn)。

針對淺層軟基，常用的處理措施主要有墊層法、換填法、排擠法、表層排水法等；針對深層軟基，常用的處理措施主要有袋裝砂井法、擠密砂樁法、振沖碎石樁法、粉噴樁法、真空預(yù)壓法等。

2.2.2 黃土

黃土地區(qū)主要而常見的工程地質(zhì)問題有濕陷性黃土、飽和黃土、松軟黃土、斜坡變形、黃土泥流、黃土陷穴、砂質(zhì)黃土地震液化。黃土邊坡如圖7a所示。

鄭西客運專線鄭澠段行經(jīng)豫西山地及華北平原西部，黃土分布長度146 km，占總線路長度88%[6]。在黃土地區(qū)的地質(zhì)選線中，應(yīng)注意繞避濕陷或膨脹性較大、地表排水不良、地下水發(fā)育的地段，以及滑塌、沖蝕（沖溝〉、潛蝕（陷穴)、人工洞穴等工程地質(zhì)條件不良的地段。對濕陷性砂質(zhì)黃土地基路基工程，選擇強夯、土質(zhì)改良、擠密樁等措施，以提髙地基強度，做好陷穴防排水及夯填、注漿處理，并防止新陷穴的發(fā)生發(fā)展。

圖7 黃土邊坡及強夯處理黃土地基

以濕陷性黃土為例，濕陷性黃土主要指新黃土和新近堆積黃土，黃土的濕陷性對工程的危害主要是由濕陷引起的附加下沉使建筑物產(chǎn)生不均勻沉降。地基處理的主要目的就是消除濕陷性，常用的處理方法有土或灰土擠密樁法，強夯法（如圖7b）和重錘夯實法，土、灰土墊層法，預(yù)浸水法及樁基礎(chǔ)等。

2.2.3 膨脹土

膨脹土在我國的分布范圍很廣，如廣西、云南、河南、湖北、四川、陜西、河北、安徽、江蘇等地均有不同范圍的分布。膨脹土黏粒成分主要由強親水性礦物質(zhì)組成，并且具有顯著脹縮性的黏性土。該土具有吸水膨脹、失水收縮并往復(fù)變形的性質(zhì)，對路基的破壞作用不可低估，并且構(gòu)成的破壞不易修復(fù)。膨脹土對路基的破壞如圖8所示。

圖8 膨脹土對路塹邊坡的破壞

在伏牛山—淮河以南，特別是長江沿岸及其以南，為亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候帶向熱帶濕潤季風(fēng)氣候帶過渡，高溫多雨，植被茂密，紅土化作用強烈，造成膨脹性紅黏土在京廣、黎湛、湘桂等線分布極廣，?？稍斐蛇吰禄隆⒙返滔鲁?、基床變形等問題[6]。

由于膨脹土具有嚴(yán)重的潛在破壞作用，線路應(yīng)盡量繞避或以最短距離通過膨脹土地帶。在工程處理措施方面，采取加強排水、保濕防滲、土質(zhì)改良、降低（堤、塹）高度、放緩（堤、塹）邊坡、加強支護等措施，均取得了較好的效果。

2.2.4 多年凍土

地球上多年凍土、季節(jié)凍土和短時凍土區(qū)的面積約占陸地面積的50%，其中，多年凍土面積占陸地面積的25%。以青藏鐵路為例，青藏鐵路全長1 142 km，穿越多年凍土546.4 km，島狀凍土82 km。

多年凍土區(qū)高含冰量凍土易受人為因素影響而融化，由此產(chǎn)生的融沉是多年凍土路基變形和破壞的主要原因。融沉過程往往伴隨著裂縫產(chǎn)生。2003年青藏鐵路冬季現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)[8]，在DK 1024+400—800等眾多區(qū)段局部路基面出現(xiàn)橫向裂縫，尤其在部分涵洞位置比較集中。在DK 1024+400—DK 1027+600等眾多區(qū)段局部路基面出現(xiàn)縱向裂縫，多數(shù)裂縫出現(xiàn)在陽坡側(cè)路肩位置，部分出現(xiàn)在路基中間。裂縫寬度3～50 mm。

圖9 青藏鐵路凍土

處理措施：既有裂縫重新回填夯實，路基兩側(cè)采用碎石包坡工程措施。施工完成后，2004—2005年調(diào)查未發(fā)現(xiàn)新的裂縫現(xiàn)象。而對于凍土反復(fù)凍融后引起的路基下沉、開裂、路堤滑塌等重大病害，則多采用以橋代路等方式解決。

3 結(jié)語

復(fù)雜的地質(zhì)條件決定了我國鐵路建設(shè)和運營中工程地質(zhì)工作的重要性和艱巨性。唯有不斷深化應(yīng)對各類不良地質(zhì)問題和特殊巖土問題的工程實踐和經(jīng)驗總結(jié)，不斷建立和完善具有中國特色的鐵路工程地質(zhì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，不斷提高鐵路工程地質(zhì)科技和裝備水平，才能為我國鐵路運輸?shù)陌踩?、舒適、高效提供堅實的保障。

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