山西中南部鐵路通道黃土臺垣區(qū)選線勘察

胡清波

(中國鐵路總公司，北京 100844)

山西中南部鐵路通道西起山西瓦塘，東至山東日照，是我國第一條30t軸重的重載鐵路，限制坡度為下行13‰、上行6‰，全長1269 km。DK322～DK368段穿行于臨汾斷陷盆地與太岳山凸起的交界地帶，地貌表現(xiàn)為黃土臺垣，溝谷深切，地形破碎，區(qū)域斷裂構(gòu)造發(fā)育，黃土崩塌、滑坡等不良地質(zhì)問題突出，發(fā)育濕陷性黃土、黃土軟塑帶、第三系松散砂層、膨脹凝灰?guī)r等特殊巖土。工程地質(zhì)條件復雜，控制線路方案地質(zhì)因素較多(見圖1)[1,2]。

1 工程地質(zhì)條件

區(qū)域地質(zhì)上，黃土臺垣位于臨汾-運城新裂陷九原山-塔兒山陷隆，緊鄰霍山大斷裂、張莊背斜-浮山大斷裂、塔兒山北緣斷裂帶，其間發(fā)育洪洞蘇堡活動斷裂帶、大陽東斷裂，基底斷裂構(gòu)造發(fā)育[3-6]。

臺垣西北邊緣位于霍泉泉域影響范圍內(nèi)，沿斷層的地下水強徑流帶及排泄區(qū)，在臨汾盆地與黃土臺垣間形成地下水富集區(qū)。受此影響，第四系黃土地層形成多個不同程度的飽水軟塑帶。

臺垣內(nèi)溝谷深切，地形破碎，“雞爪”形沖溝發(fā)育，廣泛發(fā)育黃土崩塌、滑坡等不良地質(zhì)。上部黃土具濕陷性，土石分界帶黃土易形成飽水軟塑帶，第三系地層為松散砂層，其下基巖為膨脹凝灰?guī)r。

2 工程地質(zhì)問題

基于黃土臺垣的地質(zhì)背景及特征，從地質(zhì)演化過程、地層結(jié)構(gòu)及成因機理研究等方面入手，加深對工程地質(zhì)分區(qū)的認識，細化不良地質(zhì)及特殊巖土特征，對工程地質(zhì)問題進行分析，并指導勘察和方案選擇[7-9]。

①泉域影響范圍主要工程地質(zhì)問題

工程實施是否改變地下水徑流及排泄，排泄區(qū)是否發(fā)育軟塑狀黃土。

②斷裂帶主要工程地質(zhì)問題

斷層的活動性、破碎帶寬度及含水情況。

③不良地質(zhì)

滑坡、崩塌及邊坡的穩(wěn)定情況。

3 選線勘察

針對黃土臺垣的主要工程地質(zhì)問題，借鑒該區(qū)域其他工程的經(jīng)驗，在“雞爪”形沖溝兩側(cè)重點排查崩塌滑坡，在臺垣內(nèi)部核查基覆界線、含水量高的黃土軟塑帶及飽和砂層，在臺垣邊緣尋找地下水強徑流帶。

(1)西北邊緣

①DK319～DK322段位于黃土臺垣西北邊緣霍泉泉域排泄區(qū)；泉水平均流量2.29～3.31 m3/s；含水介質(zhì)為寒武、奧陶系灰?guī)r，霍山山麓與平原交匯的第四系堆積物及石炭系巖層為阻水帶，形成斷層溢流泉，為“順置式”地下水系統(tǒng)(見圖2)。

在臨汾盆地與黃土臺垣間形成地下水強徑流帶，發(fā)育黃土軟塑帶；路塹及隧道開挖將直接影響地下水系統(tǒng)，引起泉水干枯，應選擇路堤、橋梁工程形式通過；下部黃土軟塑帶地基承載力低，應對地基進行加固處理。

圖2 霍泉泉域與線路關(guān)系示意

②DK322～DK337段橫跨洪洞蘇堡活動斷裂帶、大陽東活動斷裂帶。洪洞蘇堡活動斷裂帶由洪洞、蘇堡兩條平行斷裂組成，相距l(xiāng).6～2.0 km，近東西走向，為傾北高角度正斷裂，長31 km，是洪洞凹陷和臨汾凹陷的分界?；鶐r斷距為600～800 m，上斷點距地面約為70 m，錯斷的最新地層為中更新統(tǒng)下部粉質(zhì)黏土，最新活動時間為中更新世末至晚更新世初，全新世以來未發(fā)生過錯斷活動。受1303年趙城地震影響，洪安澗河河床相二元結(jié)構(gòu)破壞嚴重[3,6,11]。

大陽東活動斷裂地表表現(xiàn)為黃土陡坡，高差達70 m左右，北東東走向，北起蘇堡活動斷裂，向南延伸至塔兒山北緣斷裂帶，為傾西高角度正斷裂，長40 km左右，局部出露三疊系基巖及自流泉，為臨汾凹陷和九原山-塔兒山陷隆的分界。根據(jù)兩側(cè)上新統(tǒng)與下更新統(tǒng)界面高程差，第四紀以來的差異升降運動幅度約為220 m。斷層切割了中更新統(tǒng)紅色土及棕紅色古土壤，且上覆上更新統(tǒng)馬蘭黃土。大陽斷裂主要活動期在中更新世，晚更新世以來活動較弱。受新斷陷盆地(臨汾凹陷)及洪洞蘇堡斷裂帶聯(lián)合作用，大陽東活動斷裂在曲亭斷開[4,5]。

在臨汾盆地與黃土臺垣間過渡段，地形突變，第四系堆積層變簿，斷裂帶巖性突變且破碎，線路應垂直斷層方向選擇路基工程通過，上部濕陷性黃土應采用加強排水、強夯等處理措施。

(2)黃土臺垣內(nèi)(DK338～DK358+700段)

①不良地質(zhì)

黃土臺垣為陷隆構(gòu)造，基巖埋深淺，發(fā)育“雞爪”形沖溝，溝谷兩側(cè)滑坡群、崩塌群發(fā)育，線路應繞避通過。

②特殊巖土

臺垣內(nèi)地層結(jié)構(gòu)從上自下依次為馬蘭黃土(Q3)、離石黃土(Q2)、第三系(N)膠結(jié)-半膠結(jié)-未膠結(jié)砂土、三疊系(T)砂泥巖(見圖3)。

圖3 臺垣內(nèi)地層結(jié)構(gòu)示意

上部馬蘭黃土具自重濕陷性、下部離石黃土含水量增高，形成軟塑帶；隧道若在其間穿行，埋深淺，隧道圍巖穩(wěn)定性差。重載鐵路路基及隧底無砟軌道對基底沉降要求高，應對隧底采取地基處理措施[12,13]。

隧道穿越第三系膠結(jié)-半膠結(jié)-未膠結(jié)的粉細砂、礫石、黏土富水地層，受施工擾動、震動，易產(chǎn)生液化，變形不易控制，隧道圍巖穩(wěn)定性差[14,15]。

三疊系發(fā)育彩色泥巖(凝灰?guī)r)，崩解性強，具強膨脹性，其分布僅限于塔兒山邊緣，線路應繞避通過。

基覆界線坡率為5‰～15‰，線路應規(guī)避沿基覆界線走行。

4 方案研究

4.1 泉域范圍方案選擇

線路自洪洞北出站后，進入霍泉泉域排泄區(qū)，受泉域控制，研究了600 m半徑方案、800 m半徑改洪洞北站方案、800 m半徑不改洪洞北站長路塹方案(見圖4)。

圖4 泉域范圍方案示意

800 m半徑長路塹方案：路塹深度達32 m，路肩位于地下水以下強徑流帶內(nèi)，路塹開挖將改變地下水系統(tǒng)，引起泉水干枯，對當?shù)鼐用耧嬎⑺h(huán)、脆弱的黃土臺垣生態(tài)環(huán)境造成影響。邊坡穩(wěn)定性差，路基工程存在安全隱患[16-18]。

其它方案以路堤工程通過，僅需對黃土軟塑帶進行加固處理，不控制方案。

4.2 斷層帶方案研究

黃土臺垣西北邊界發(fā)育洪洞、蘇堡、大陽東三條活動斷裂，盡管晚更新世以來活動較弱，但地層突變、斷層破碎帶工程地質(zhì)條件差、地下水發(fā)育。線路宜垂直通過活動斷裂(在大陽東斷層斷開段以路堤工程通過)，并對下部濕陷性黃土進行強夯處理(見圖1)。

4.3 滑坡段方案選擇

受老虎溝滑坡控制，研究了繞避老虎溝滑坡上游方案、繞避老虎溝下游方案(見圖5)。

圖5 滑坡段方案示意

老虎溝滑坡位于老虎溝右側(cè)，長600 m，寬450 m，厚5～40 m，主滑方向為30°。受斷層構(gòu)造帶影響，沿三疊系泥巖軟弱層發(fā)育基巖順層滑坡(見圖6)。

圖6 老虎溝滑坡

繞避老虎溝滑坡上游方案：以隧道形式穿越斷層交匯處。

繞避老虎溝滑坡下游方案：距滑坡體邊界約310 m，滑坡滑動方向垂直溝谷，其間發(fā)育埡口且地層穩(wěn)定，滑坡復活對線路無影響；滑坡上游集水面積小，下游無泥石流堆積體，不存在災害性泥石流。

從地質(zhì)角度分析，繞避老虎溝滑坡下游方案優(yōu)于上游方案。

4.4 隧道平縱位置選擇

受汾河、沁河河谷高程及限坡控制，線路需在黃土臺垣展線。鑒于黃土臺垣溝谷為“雞爪”形沖溝，兩側(cè)滑坡、崩坍及不穩(wěn)定邊坡發(fā)育，需以隧道工程展線。

黃土臺垣基覆界線坡率為5‰～15‰，與限坡吻合，導致隧道極易沿含水量高的軟塑帶及飽和砂層走行，基于第三系松散砂層、飽和砂土、軟塑帶分布及埋深，通過平面位置及縱斷面高程調(diào)整，可規(guī)避隧道長距離走行在軟塑帶、松散及飽和砂土內(nèi)，降低安全風險(見圖3)。

5 結(jié)論

(1)山西中南部通道DK322～DK368段在黃土臺垣走行，溝谷深切，地形破碎，區(qū)域斷裂構(gòu)造發(fā)育，黃土崩塌、滑坡等不良地質(zhì)問題突出，發(fā)育濕陷性黃土、黃土軟塑帶、第三系松散砂層、膨脹凝灰?guī)r等特殊巖土，工程地質(zhì)條件復雜，控制線路方案地質(zhì)因素較多。

(2)針對黃土臺垣的主要工程地質(zhì)特征，在沖溝兩側(cè)重點排查崩塌滑坡，在臺垣內(nèi)部核查基覆界線、含水量高的軟塑帶及飽和砂層，在臺垣邊緣尋找地下水強徑流帶。

(3)黃土臺垣西北邊界為霍泉排泄區(qū)、活動斷層帶，沿斷層形成地下水強徑流帶，發(fā)育黃土軟塑帶，宜采用小半徑、垂直斷層、路堤工程通過的方案，并對軟基進行加固處理。

(4)黃土臺垣內(nèi)地形破碎，溝壑發(fā)育；基覆界線、滑坡群、崩塌體、黃土軟塑帶、第三系飽和砂層、膨脹凝灰?guī)r等因素控制線路方案的選擇；宜采用“以隧展線”，規(guī)避沿沖溝兩側(cè)走行；通過平面位置及縱斷面高程調(diào)整，繞避大型滑坡，規(guī)避隧道長距離走行在軟塑帶、松散及飽和砂土內(nèi)。

實際施工揭示，該段線路地質(zhì)條件與勘察資料一致，隧道圍巖條件及水文地質(zhì)特征與預測相符。施工安全風險可控，線下工程于2013年10月安全貫通。

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