蘭新第二雙線蘭州西至西寧段地質(zhì)選線

尹鴻遠(yuǎn)

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西西安 710043)

1 概述

蘭新第二雙線東起蘭州西站，經(jīng)甘肅、青海、新疆，西至烏魯木齊新客站，全長約1782.6 km，為21世紀(jì)繼青藏線后，在西北修建的又一條鐵路大動脈。高標(biāo)準(zhǔn)的蘭新第二雙線與既有蘭新鐵路合理分工，可大幅度提高鐵路運輸能力，為新疆資源開發(fā)和外運提供強大的運力支撐，為我國能源戰(zhàn)略安全提供保障。項目于2008年12月至2009年3月進行初測和可研，2009年3月至8月進行定測和初步設(shè)計，后又進行了補充定測，2010年3月正式開工，目前正在建設(shè)。

蘭州西至西寧段位于該線的東端，長約190 km，需穿越隴西黃土高原和祁連山中高山區(qū)兩大地貌單元，區(qū)內(nèi)滑坡、錯落、泥石流、危巖落石、巖堆、煤窯采空、濕陷性黃土、膨脹巖等不良地質(zhì)和特殊巖土發(fā)育，線路跨過黃河后主要行經(jīng)在湟水河河谷，谷地較狹窄，最寬處僅數(shù)公里，最窄處數(shù)百米，谷地內(nèi)有既有蘭青一、二線、高速公路、109國道及瑟寧蘭輸油輸汽管道，其他道路和建筑物分布也較多。沿途集鎮(zhèn)、村莊廣布，農(nóng)田、灌渠縱橫，廠礦、企業(yè)林立，房屋、人口較為密集，是甘青兩省富庶之地。選線時既要盡可能地繞開大的不良地質(zhì)體，選擇地質(zhì)條件較好的方案，又要盡可能地減少與大的建筑物發(fā)生干擾，與城市規(guī)劃良好銜接，節(jié)省投資，因此該段的選線成為蘭新第二雙線難度最大的區(qū)段。通過廣泛搜集區(qū)域地質(zhì)、航片衛(wèi)片判釋，初測階段的大面積區(qū)域地質(zhì)調(diào)繪，定測階段詳細(xì)地質(zhì)調(diào)查和綜合勘察，查明了各方案工程地質(zhì)條件，選出了合理的線路方案。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

蘭州西至民和屬于隴西黃土高原，地勢西高東低，海拔1 500～2 200 m，相對高程50～150 m，區(qū)內(nèi)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;民和至西寧段屬于祁連山山地東端，海拔1 800～2 400 m，相對高程50～200 m，老鴉峽、大峽和小峽等三個湟水河峽谷，將該段分割為民和、樂都、平安、西寧等幾個盆地。線路主要位于湟水河右岸階地、黃土塬梁峁及低中山。

2.2 地層巖性及構(gòu)造

沿線表層廣布第四系沖積、風(fēng)積黃土，各級階地下部大多分布厚度不等的卵礫石土，局部夾砂類土，下伏基巖主要為第三系和白堊系紫紅色、棕紅色、灰白色泥巖或砂巖，局部夾礫巖，其中樂都至西寧段第三系泥巖中夾有石膏巖;在老鴉峽、大峽和小峽等峽谷段分布侏羅系砂巖夾頁巖，震旦系片巖、片麻巖、大理巖、石英巖，并伴有加里東期元古代閃長巖、花崗閃長巖的侵入，另外在高家山一帶分布奧陶系變安山巖。

本區(qū)位于祁連地槽褶皺系和松(松潘)甘(甘孜)地槽褶皺系兩個構(gòu)造單元間的結(jié)合地帶，為中祁連山中間隆起帶的一部分。地史上各期構(gòu)造運動對本區(qū)均有影響，其中以加里東期和燕山期構(gòu)造形跡較為明顯，褶皺和斷裂較發(fā)育。對線路影響較大的斷裂主要為F0馬銜山北緣斷裂(DK24+539)，位于咸水溝一帶，性質(zhì)以逆斷層為主，斷裂總體走向N60°W，傾向SW或NE，傾角60°以上，為一左旋走滑活動斷裂，1125年蘭州7級大地震的發(fā)震斷裂，受其影響，區(qū)內(nèi)溝谷滑坡成群分布。

區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運動極為活躍，表現(xiàn)為河谷階地上升顯著，現(xiàn)代河流侵蝕、下切明顯，湟水河兩岸六級階地發(fā)育，高差達100～150 m，構(gòu)成頗為典型的河谷階地地貌。

2.3 水文地質(zhì)

沿線為黃河水系，蘭州西至八盤峽段線路行徑在黃河右岸，線路穿越寺兒溝、宣家溝、咸水溝等較大支溝，跨黃河后則逆黃河一級支流湟水河而上，地下水主要為賦存于為河谷階地卵礫石層中的孔隙潛水和基巖裂隙水，其中一級階地地下水位埋深1～5 m，二級階地3～20 m，三級以上階地大于20 m，孔隙潛水水量較豐富，基巖裂隙水水量較貧乏，水質(zhì)多具侵蝕性。

3 沿線不良地質(zhì)及特殊巖土

3.1 不良地質(zhì)

沿線不良地質(zhì)發(fā)育，主要有滑坡、錯落、泥石流、危巖、落石、巖堆、人為坑洞等。

(1)滑坡、錯落

主要分布在黃河、湟水河及其支溝兩岸的低中山，黃土塬、梁、峁、高階地前緣及軟質(zhì)巖斜坡，特別是高家山特長隧道經(jīng)過的各溝谷，滑坡、錯落多成群分布?；隆㈠e落對線路影響較大，選線時盡量繞避或從其安全部位通過。

(2)泥石流

區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運動強烈，溝谷深切，縱坡較大，地層軟弱不均、節(jié)理發(fā)育、風(fēng)化嚴(yán)重，溝谷及其斜坡上的松散堆積物在雨水的作用下，容易產(chǎn)生泥石流。選線時盡量繞避危害程度嚴(yán)重的泥石流溝，必須通過泥石流溝時，選擇大跨度橋梁、明洞或隧道通過。本段初設(shè)方案通過泥石流溝共11條，多為小型，危害程度輕微，多以橋通過。

(3)危巖、落石、巖堆

區(qū)內(nèi)巖體受多期構(gòu)造作用，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖性多軟硬相間，裸露基巖其物理、化學(xué)風(fēng)化作用強烈，加之該區(qū)內(nèi)的新構(gòu)造運動表現(xiàn)為強烈的上升運動的影響，部分山體上部分布巖石陡坎，坡面危巖落石現(xiàn)象較發(fā)育，局部危巖坍塌于坡腳，形成巖堆。選線時盡量繞避危巖落石密集段和基底坡度較陡、地下水發(fā)育、有可能滑動、工程處理困難的大型巖堆。初設(shè)方案經(jīng)過的危巖落石段僅有小里溝兩側(cè)山坡(DK19+700～DK19+950國慶山隧道出口、蘆草山隧道進口)、紅山2號隧道出口(DK147+550～+620)、傅家寨3號隧道出口(DK183+300～DK183+350)，經(jīng)過的巖堆僅有沙塘川巖堆(DK183+360～DK183+450傅家寨3號隧道出口前方斜坡)。

(4)人為坑洞

①煤窯采空:分布在小峽段湟水河北岸的東溝子至馬圈溝一帶(初測比較方案 C10K177+500～C10K179+500)，下伏地層為主要侏羅系泥巖夾砂巖、炭質(zhì)頁巖、煤層，巖層產(chǎn)狀 N15°～35°W/30°～60°N，煤層開采年代久遠(yuǎn)，主要是當(dāng)?shù)剞r(nóng)民用簡陋工具進行小窯開采。1959年對礦區(qū)進行勘察，煤層厚0.75～2.04 m，平均1.44 m，1970年底建成年產(chǎn)3萬t能力的小峽煤礦，到1986年已開采到2050 m高程水平，淺層煤基本采空，20世紀(jì)80年代末該礦停采廢棄。初測階段經(jīng)過方案比選，已繞避煤窯采空區(qū)。

②掏砂洞:分布在黃河、湟水河及其較大支溝兩岸的高階地陡坎，多為當(dāng)?shù)卮迕耖_采砂石料后遺棄的，開挖深度大多不深，一般不超過10 m，高度隨階地卵礫石厚度而變化，一般2～5 m，掏砂洞大多裸露于陡坎處，線路以挖方通過，工程容易處理。

3.2 特殊巖土

沿線特殊巖土主要有濕陷性黃土、膨脹巖、石膏巖等。

(1)濕陷性黃土

沿線黃土廣泛分布，成因類型主要為沖積、風(fēng)積、洪積，一般一級階地多為為Ⅰ～Ⅱ級非自重濕陷，濕陷土層厚1～8 m不等;高階地、黃土塬梁峁、低中山的黃土厚度大，多為Ⅱ～Ⅳ級自重濕陷，濕陷土層厚5～30 m不等。

(2)膨脹巖

區(qū)內(nèi)廣泛分布第三系及白堊系泥巖、泥質(zhì)砂巖，巖質(zhì)較軟，易風(fēng)化剝落，巖體遇水易軟化、崩解，脹縮性大，經(jīng)試驗，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)。

(3)石膏巖

樂都至西寧段第三系西寧組泥巖夾砂巖地層中，夾有石膏巖，一般厚0.1～2 m，局部厚度大于5 m，石膏巖的主要危害是它的遇水溶蝕性和軟化性，工程應(yīng)采取必要的處理措施。

4 線路方案及地質(zhì)選線

4.1 選線原則

本段滑坡、錯落、危巖、落石、巖堆、泥石流等不良地質(zhì)發(fā)育，線路應(yīng)盡可能繞避該黃河、湟水河兩岸溝谷及陡坡階地段的不良地質(zhì)群。本段新構(gòu)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，溝谷內(nèi)地形凌亂，隧道應(yīng)早進晚出，通過調(diào)整線路坡度，盡量減少在地形凌亂的溝谷露頭，減少短隧道群。另外小峽煤窯采空區(qū)對鐵路工程影響較大，線路應(yīng)繞避。

4.2 可研階段地質(zhì)選線

可研主要結(jié)合黃河橋位、湟水河南北兩岸、各站位進行了多個方案的比選，總的來說，沿線各方案經(jīng)過的地層基本相同，遇到的地質(zhì)問題類似，地質(zhì)條件基本相當(dāng)，主要是工程設(shè)置、數(shù)量，以及與高速公路、城市規(guī)劃、既有建筑物干擾的比較。對于沿線經(jīng)過的不良地質(zhì)體，通過方案局部優(yōu)化，盡量繞避。

(1)黃河橋位方案比選(C1K、C2K、CK)

線路從蘭州西引出，考慮到地質(zhì)及跨黃河角度的影響，做了三個方案比選，見圖1。

圖1 黃河橋位方案比較示意

①35°角跨黃河方案(C1K):從比較起點CK10+000引出，向西行進在既有八盤峽站端跨越黃河，既而折向西南繞過蘭州鋁廠，跨越湟水河至南側(cè)接至比較終點CK50+500。

②12°角跨黃河方案(C2K):從比較起點CK10+000引出，向西行進在CK北端約1 km跨越黃河，既而向西以隧道繞開蘭州鋁廠，出隧道后以特大橋跨越湟水河至南側(cè)接至比較終點CK50+500。

③長隧道取直方案(CK):從比較起點CK10+000引出，向西南行進，在八盤峽水庫跨越黃河后走行至湟水河南側(cè)至比較終點。

C1K方案跨越黃河前部分地段行徑在黃河高階地前緣，邊坡穩(wěn)定性差，并且穿越數(shù)條較大溝谷，溝內(nèi)地形凌亂。以隧道形式上穿蘭青線青石關(guān)隧道，隧道出口白堊系泥巖夾砂巖存在順層現(xiàn)象，坡面為一基巖溜坍體，在張家臺隧道出口(C1K35+480)為一滑坡，跨越湟水河后的焦家山隧道進口(C1K41+100)斜穿一大型黃土基巖滑坡，對工程有較大影響，之后線路以橋隧相間穿越數(shù)條較深的溝谷至比較終點，溝谷兩側(cè)地形較亂。

C2K方案也穿越幾條地形凌亂的溝谷，以隧道形式上穿蘭青線青石關(guān)隧道，出口端穿越河口逆斷層，破碎帶寬度10 m左右，跨越黃河后，線路主要穿越黃土臺地、河谷階地，其間發(fā)育數(shù)條深切的溝谷，溝內(nèi)發(fā)育淺層坡面溜坍。

CK方案線路短直，線形條件好，跨越黃河的角度小?？缭近S河前的高家山特長隧道穿越多條溝谷，溝谷兩岸滑坡、錯落、流坍、巖堆發(fā)育，但不良地質(zhì)均位于隧道上部一定高度，對工程沒有影響，進口位于咸水溝，已繞開兩側(cè)滑坡體，出口位于一斜坡上，地質(zhì)條件較好;黃河橋位位于八盤峽庫區(qū)，地形地質(zhì)條件較好，跨黃河后的新莊隧道出口端左側(cè)為一大型黃土滑坡，線路已繞避。

綜合比較，各方案均穿越多條地形凌亂的溝谷，但CK方案有兩座長度10 km以上隧道(高家山隧道，福川隧道)，各不良地質(zhì)體多在洞身頂部，對工程沒有影響，黃河橋位地形地質(zhì)條件較好。

(2)平安至西寧段方案比較

在平安至西寧段，考慮設(shè)站情況及跨越湟水河位置，做了三個方案比選，見圖2。

圖2 平安至西寧方案比較示意

①曹家堡設(shè)站方案(C10K):從比較起點CK150+000引出，在東營附近跨越蘭青鐵路、湟水河、高速公路向西，從湟水河北側(cè)向西在曹家堡機場設(shè)站，然后向西接入既有西寧站至比較終點CK191+000。

②既有平安站北側(cè)并站方案(C9K):從比較起點CK150+000引出，以特大橋跨越既有蘭青鐵路、湟水河后，在既有平安站北側(cè)新設(shè)平安高速站，而后向西再次跨越湟水河、蘭西高速，線路在C10K166+000接入C10K方案。

③湟水河南岸設(shè)站方案(CK):從比較起點CK150+000引出，在平安縣南設(shè)站后一直在湟水河南側(cè)前行，至三十里鋪附近跨越湟水河、高速公路、蘭青鐵路后向西至比較終點CK191+000。

三個方案在進入小峽山區(qū)前，均在湟水河階地上行徑，地質(zhì)條件簡單。在進入山區(qū)后，C10K與C9K線位相同，行徑在湟水河左岸，其中C10K177+500～C10K179+500位于煤窯采空區(qū)，由于開采年代久遠(yuǎn)，難以查清采空情況，且周圍地形受地層及采空影響，滑坡、錯落、溜坍較發(fā)育，工程地質(zhì)條件差，工程處理費用高昂，安全隱患大，另外該段隧道圍巖主要為泥巖夾砂巖、炭質(zhì)頁巖等，圍巖級別低;CK方案行徑在湟水河右岸山區(qū)，避開了煤窯采空區(qū)，且隧道約有800 m洞身位于閃長巖中，圍巖較好。因此推薦CK方案。

4.3 初設(shè)階段地質(zhì)選線

初設(shè)階段在可研推薦方案的基礎(chǔ)上進一步研究，重點是對隧道進出口、淺埋段進行詳細(xì)地質(zhì)調(diào)查，根據(jù)地形地質(zhì)條件對洞門位置進行調(diào)整優(yōu)化，如對高家山進口、新莊隧道出口、下沈家隧道出口等洞門位置進行了適當(dāng)調(diào)整，完全避開了不良地質(zhì)體，鐘家隧道可研貫通方案通過一斜坡淺埋段，上部黃土陷穴發(fā)育，最大陷穴直徑達10 m，深度8～10 m，因此定測時將線路往北側(cè)山里偏移，避開了陷穴發(fā)育區(qū)。通過勘探、試驗，對濕陷等級高、濕陷厚度大、地基處理困難的高階地多以橋代路或隧道通過，如穿行于黃河高階地的南山路立交特大橋，穿行于湟水河高階地的東垣渠特大橋、四道溝特大橋、東垣特大橋等;對穿行在高階地上的隧道，通過調(diào)整線路坡度，盡量減少洞身在黃土、卵礫石土和基巖界面附近通過的長度，如東坪隧道等。初設(shè)階段對可研貫通方案平面上做出較大優(yōu)化的主要是下邊兩段。

(1)DK47～DK68方案優(yōu)化

①隧道方案(可研貫通方案):線路至福川特長隧道出口后，以隧道群穿行于湟水河三、四級階地及低中山，其中陳家灣一、二號隧道位于三級階地，隧道埋深20～30 m，為淺埋隧道，部分洞身穿行于卵礫石與基巖界面處，工程地質(zhì)條件差，圍巖級別主要為Ⅴ級;黨家臺隧道、坊臺1號、2號、3號隧道及余家臺隧道位于四級階地及低中山，線路洞身一般位于泥巖夾砂巖中，隧道圍巖主要為Ⅳ級，各隧道間以橋經(jīng)過多條地形凌亂的溝谷，溝谷兩側(cè)小型滑坡、巖堆等不良地質(zhì)較發(fā)育。

②橋方案:線路至福川隧道出口后，穿行于湟水河一、二級階地，并兩跨湟水河，地質(zhì)條件較為簡單，表層黃土厚2～12 m，其下為圓礫土，下伏白堊系泥巖夾砂巖，上部黃土具Ⅰ～Ⅱ級非自重濕陷。

很明顯，橋方案地質(zhì)條件好，缺點是占用部分良田，最后采用橋方案。

(2)福川特長隧道方案優(yōu)化

隧道橫穿下周家滑坡，該滑坡為一巨型基巖滑坡，滑坡軸長約880 m，滑向湟水河，可研貫通方案在CK47+000～CK47+900段從滑坡中部通過。初設(shè)階段對滑坡進一部詳細(xì)調(diào)查并勘探，該滑坡經(jīng)過多次滑動，滑面位于白堊系泥巖中，坡面地形凌亂，巖體翻滾現(xiàn)象明顯，環(huán)向裂縫發(fā)育，滑體發(fā)育幾條沖溝，可研貫通方案在通過這些沖溝及淺埋段時，洞頂距滑面很近，給隧道施工及運營留有很大隱患，因此初步設(shè)計時將線路向后靠200多米，從滑坡后緣通過，加大了隧道埋深，線路優(yōu)化后，滑面距洞頂大于100 m，滑坡對隧道沒有影響。

5 結(jié)束語

蘭新第二雙線蘭州西至西寧段行徑在黃河、湟水河階地及低中山區(qū)，影響線路方案的地質(zhì)因素主要有滑坡、錯落、泥石流、危巖落石、巖堆、煤窯采空等不良地質(zhì)和濕陷性黃土、膨脹巖等特殊巖土，做好地質(zhì)選線十分重要?？裳须A段通過收集區(qū)域地質(zhì)資料、遙感判釋及對各方案大面積區(qū)域地質(zhì)調(diào)查和比選，基本確定了貫通方案，該方案繞開了大的不良地質(zhì)體;初步設(shè)計階段對方案進一步研究，通過詳細(xì)調(diào)查和綜合勘探、試驗，從平面、縱斷面上對方案進一步細(xì)化和完善，選出了技術(shù)可靠、經(jīng)濟合理的線路方案。

［1］ 中鐵第一勘察設(shè)計院．蘭新鐵路第二雙線可行性研究第四篇(地質(zhì))［Z］．西安:中鐵第一勘察設(shè)計院，2009

［2］ 中鐵第一勘察設(shè)計院．蘭新鐵路第二雙線甘青段初步設(shè)計第四篇(地質(zhì))［Z］．西安:中鐵第一勘察設(shè)計院，2009

［3］ 鐵道第一勘察設(shè)計院．改建鐵路蘭青線增建二線初步設(shè)計第四篇(地質(zhì))［Z］．蘭州:鐵道第一勘察設(shè)計院，2005

［4］ 鐵道第一勘察設(shè)計院．鐵路工程地質(zhì)手冊(修訂版)［M］．北京:中國鐵道出版社，1999

［5］ 鐵道第一勘察設(shè)計院．鐵路工程地質(zhì)實例(西北及相鄰地區(qū)分冊)［M］．北京:中國鐵道出版社，2002

［6］ TB10012—2007 鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］

［7］ TB10038—2001 鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程［S］

［8］ TB10027—2001 鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程［S］