陽(yáng)安鐵路地質(zhì)災(zāi)害類型及其影響因素分析

張兆鵬,薄景山,,常晁瑜,李孝波

(1.中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱 150080； 2.防災(zāi)科技學(xué)院,河北三河 065201)

陽(yáng)安鐵路位于陜西省南部，隸屬西安鐵路局。線路西起寧強(qiáng)陽(yáng)平關(guān)，東至陜南重鎮(zhèn)安康，全長(zhǎng)356.5 km，途徑8縣市，跨越3個(gè)工務(wù)段。該線路既是我國(guó)的第二條電氣化鐵路，又是我國(guó)第一條一次性建成的電氣化鐵路[1]。它是連接寶成、襄渝兩條鐵路干線的聯(lián)絡(luò)線，同時(shí)由于線路附近是陜西農(nóng)林特產(chǎn)和有色金屬資源的富集區(qū)，它也是拉動(dòng)陜南經(jīng)濟(jì)發(fā)展的交通大動(dòng)脈，運(yùn)輸?shù)匚皇种匾Ｈ鐖D1所示。

陽(yáng)安鐵路于1969年1月開(kāi)始動(dòng)工興建，1971年底建成通車，1976年交付運(yùn)營(yíng)[2]。由于在特殊的歷史時(shí)期修建，導(dǎo)致開(kāi)工之前的地質(zhì)勘察工作較為粗略。后期為了搶施工進(jìn)度，部分地段邊勘察、邊設(shè)計(jì)、邊施工，線路方案幾經(jīng)變更[2]；此外線路多位于山區(qū)，受區(qū)域性構(gòu)造和降雨的影響強(qiáng)烈，致使鐵路在施工過(guò)程中和交付運(yùn)營(yíng)后多次發(fā)生嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，后期雖然經(jīng)過(guò)了數(shù)次的改造和整治，但是收效并不顯著，崩塌、溜坍和路基不均勻沉降等地質(zhì)災(zāi)害與工程地質(zhì)問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，對(duì)行車安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。筆者在實(shí)地野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)資料，著重討論該條線路的地質(zhì)災(zāi)害類型與成因并提出相應(yīng)的防治措施。

圖1 陽(yáng)安鐵路線路平面示意[2]

1 場(chǎng)地地質(zhì)條件

陽(yáng)安鐵路北依秦嶺，南鄰大巴山。整個(gè)線路近東西走向，地理坐標(biāo)北緯32°43′～33°9′，東經(jīng)106°2′～108°58′。線路蜿蜒曲折，沿線及周邊地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，存在深大斷裂，巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，并且風(fēng)化嚴(yán)重，地質(zhì)環(huán)境較差。

1.1 地形地貌

陽(yáng)安鐵路所處的地貌單元為陜南秦巴山地，漢江和嘉陵江流域上游。線路自陽(yáng)平關(guān)沿途經(jīng)秦嶺山地與漢中—安康低山丘陵盆地過(guò)渡區(qū)、漢中盆地、西鄉(xiāng)盆地、安康盆地到達(dá)安康。沿線穿過(guò)4個(gè)地貌單元，以中山為主，其次為低山丘陵、斷陷盆地、河谷階地，整體地勢(shì)西高東低。

1.2 氣候條件

整條線路位于北亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，屬大陸性季風(fēng)氣候，主要表現(xiàn)為四季分明、冬夏氣溫變化明顯以及年降水分布不均勻。該區(qū)年平均氣溫12.9～15.5 ℃；年平均降水量793.6～1 103.6 mm，其中7～9月份降水占全年降水量的75%～80%，并且多為暴雨和連陰雨，這一時(shí)期同樣也是地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)期。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

在秦巴構(gòu)造單元?jiǎng)澐致詧D上，陽(yáng)安線大致以洋縣為界，西段屬揚(yáng)子臺(tái)地，東段屬北大巴山早古生代褶皺帶[3]。線路周圍地質(zhì)條件復(fù)雜，斷裂發(fā)育[1]，其中具有代表性的斷裂主要有2條：金山寺—陽(yáng)平關(guān)—大安斷裂和月河斷裂，如圖2所示，這2條斷裂分別影響和控制著線路西段與東段的地質(zhì)構(gòu)架和沉積環(huán)境。經(jīng)監(jiān)測(cè)，這2條斷裂以0.01～0.06 mm/年的速度發(fā)生位移。斷層活動(dòng)導(dǎo)致線路周圍的巖體破碎，為滑坡、崩塌以及泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的形成提供了重要的物質(zhì)條件(例如K45+120處滑坡發(fā)育形成的重要原因，便是該段鐵路正處于金山寺—陽(yáng)平關(guān)—大安斷裂破碎帶上[4])。

此外第四紀(jì)以來(lái)，陽(yáng)安線沿線斷陷盆地下陷，兩側(cè)抬升。盆地的這種差異運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致在山前常有洪積、沖積扇形成，松散堆積物發(fā)育，與此同時(shí)山區(qū)亦不乏外營(yíng)力剝落物質(zhì)形成的殘積、坡積層，這些都為地質(zhì)災(zāi)害的形成奠定了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)。

1.4 地層巖性

陽(yáng)安線由于受地質(zhì)構(gòu)造作用，巖漿巖侵入作用和變質(zhì)作用的影響，出露的地層巖性復(fù)雜多變[5]。線路附近從元古界—新生界基本都有地層出露，現(xiàn)結(jié)合地質(zhì)圖(圖2)，對(duì)沿線主要地層巖性分區(qū)間進(jìn)行簡(jiǎn)要描述。

陽(yáng)平關(guān)—勉縣區(qū)間由于受斷裂構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，區(qū)域變質(zhì)作用明顯，周圍節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石表面風(fēng)化嚴(yán)重。出露巖性以下元古界碧口巖群以及上古界燈影組變質(zhì)巖為主。

勉縣—洋縣區(qū)間位于盆地以及河谷階地，區(qū)間范圍內(nèi)地勢(shì)平坦，構(gòu)造作用不強(qiáng)烈，地質(zhì)災(zāi)害少，地層巖性以第三系和第四系沉積巖為主。

洋縣—石泉區(qū)間位于低山峽谷區(qū)，受區(qū)域構(gòu)造影響，線路所經(jīng)區(qū)域地形起伏較大，隧道眾多。巖石片理裂隙發(fā)育，表面風(fēng)化程度為中—強(qiáng)風(fēng)化。地層巖性以下元古界碧口巖群砂巖為主，局部范圍(晏家壩—馬蹤灘區(qū)間)內(nèi)存在大量元古界巖漿巖侵入。

石泉—安康區(qū)間，該區(qū)間雖位于漢陰、安康盆地及月河河谷區(qū)，屬丘陵地貌[5]，但從地質(zhì)圖中可以看出，線路多走行于河谷階地上，地勢(shì)較為平坦，雖受月河斷裂影響，但地質(zhì)災(zāi)害較少，地層巖性以第三系和第四系沉積巖為主。

圖2 陽(yáng)安線地質(zhì)圖(引自陜西省區(qū)域地質(zhì)志，略有修改)

1.5 災(zāi)害調(diào)查

野外調(diào)查范圍依據(jù)西安鐵路局下發(fā)的《陽(yáng)安線地質(zhì)災(zāi)害及設(shè)備隱患排查工作評(píng)估大綱》，不包含勉縣—洋縣區(qū)間、改線雙繞地段及改線繞避區(qū)段，調(diào)查對(duì)象主要針對(duì)鐵路兩側(cè)50 m范圍內(nèi)高度大于20 m的邊坡，不良地質(zhì)體以及隧道仰坡，內(nèi)容包括查明沿線地質(zhì)災(zāi)害及路基設(shè)備隱患的類型、分布、規(guī)模、誘發(fā)因素及其對(duì)鐵路的危害程度等，調(diào)查方式以野外地質(zhì)踏勘為主，歷時(shí)20余天，共調(diào)查119處病害點(diǎn)，其中地質(zhì)災(zāi)害類64處，主要為崩塌、溜坍、滑坡以及泥石流(如表1所示)，其中以崩塌(含風(fēng)化剝落)最為發(fā)育并對(duì)線路的影響最大。

上述災(zāi)害的形成除與地形地貌、氣象水文、植被覆蓋等沿線自然環(huán)境因素以及區(qū)域地質(zhì)條件有關(guān)外，還與人類的工程活動(dòng)有著密不可分的關(guān)系，如不合理的切削山體、破壞植被以及墾荒等。本文通過(guò)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)圖片，就各類地質(zhì)災(zāi)害及其成因進(jìn)行分析。

2 主要地質(zhì)災(zāi)害及機(jī)理分析

2.1 崩塌

調(diào)查范圍內(nèi)共發(fā)現(xiàn)崩塌災(zāi)害34處，影響線路長(zhǎng)度4765 m，均為巖質(zhì)崩塌，主要集中在青陽(yáng)驛—勉西(K52+345～K60+020)以及池河—高粱鋪(K283+320～K286+840)區(qū)間靠線路內(nèi)側(cè)石質(zhì)塹坡上，巖性多為板巖、片巖、砂巖、巖漿巖以及第四系松散堆積物等。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明崩塌體距離線路水平距離1.5～3.5 m，垂直距離0.5～10 m。

調(diào)查結(jié)果表明，導(dǎo)致崩塌形成的直接原因是線路開(kāi)挖切削山體，未經(jīng)坡面保護(hù)的破碎裸露巖體在降雨或地震等作用下破壞了整體穩(wěn)定性，臨空的巖塊在重力作用下，脫離母巖崩落。具體原因大致可分為以下幾種情況：①塹坡坡度陡峻，為崩塌的形成提供了必要的條件，統(tǒng)計(jì)此次調(diào)查的34處崩塌災(zāi)害坡度，主要集中在1∶0.4～1∶0.7，較大的坡度，增大了巖體的下滑力，相比緩坡而言，可以使其在較小的作用力影響下形成崩塌。②受地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)影響，巖石構(gòu)造裂隙發(fā)育，表面破碎，為雨水的下滲提供了良好的通道，降低裂隙的摩擦系數(shù)，加速裂隙發(fā)展，切割巖體形成巖塊，使之在重力的作用下，脫離母巖，成為落石而形成崩塌。③巖體存在軟弱結(jié)構(gòu)面或結(jié)構(gòu)面的組合形式不利于坡體的穩(wěn)定，與此同時(shí)在雨水沖刷、陽(yáng)光暴曬等外營(yíng)力作用下，風(fēng)化進(jìn)程加劇，使得被結(jié)構(gòu)面切割形成的巖塊最終在重力的作用下沿不利結(jié)構(gòu)面形成向坡面外滑動(dòng)的落石。圖3為位于池河—高粱鋪區(qū)間K286+650處線路左側(cè)塹坡，巖性為變質(zhì)砂巖，從圖中可以看出，表部巖石植被覆蓋較少，巖體被兩組節(jié)理切割，存在多處探頭，部分巖塊松動(dòng)。④軟硬巖互層，由于兩者的差異風(fēng)化造成硬質(zhì)巖石形成探頭，最終剪斷下部軟弱巖層發(fā)生錯(cuò)斷式崩塌或在自身重力作用下沿軟弱巖層面產(chǎn)生滑移式崩塌。圖4為青羊驛—小寨區(qū)間K58+550處線路左側(cè)塹坡，巖石性質(zhì)為砂巖與片巖互層，由于砂巖抗風(fēng)化作用較強(qiáng)于片巖，差異風(fēng)化最終導(dǎo)致片巖形成空腔，上部的砂巖因失去支撐而穩(wěn)定性降低形成危巖探頭。⑤地震以及爆破采石所產(chǎn)生的震動(dòng)使塹坡原有裂隙擴(kuò)展甚至貫通，破碎巖塊受到擾動(dòng)，大大增加了崩塌形成的概率，此外，列車行駛過(guò)程中的振動(dòng)以及樹(shù)木的根劈作用也會(huì)對(duì)崩塌的形成產(chǎn)生一定的影響。

圖3 K286+650處巖質(zhì)崩塌

圖4 K58+550處巖質(zhì)崩塌

2.2 滑坡

調(diào)查范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)滑坡災(zāi)害2處，影響線路長(zhǎng)度1 007 m，第一處為堆積層滑坡，位于洋縣—晏家壩區(qū)間K158+600～880線路左側(cè)路堤段(圖5)，滑體由施工棄土構(gòu)成，總厚度5 m左右，滑面為其下覆基巖頂面。該滑坡于2013年雨季發(fā)生滑動(dòng)，滑動(dòng)土體掩蓋了坡下的公路，滑坡側(cè)壁切割路堤，造成路堤邊坡失穩(wěn)，距離路基最近處3.5 m。2014年對(duì)該處進(jìn)行了抗滑樁施工，工程完成后又一次發(fā)生滑動(dòng)，好在抗滑樁抵住了滑坡對(duì)路堤的進(jìn)一步破壞，目前該滑坡暫時(shí)處于滑帶固結(jié)階段，但有再次復(fù)活的可能，威脅路堤安全。第二處為巖質(zhì)滑坡，位于茶鎮(zhèn)—繒溪河區(qū)間K253+233～950的傍山隧道內(nèi)(新魚壩隧道)，隧道所經(jīng)地段巖性以綠泥石石英片巖為主，該處滑坡自從施工完成后就有向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，雖進(jìn)行多次整治，但山體的運(yùn)動(dòng)仍然導(dǎo)致襯砌出現(xiàn)多處開(kāi)裂變形。

經(jīng)調(diào)查，導(dǎo)致上述滑坡形成的具體原因是：(1)堆積層滑坡，修筑公路的棄土堆積在鐵路左側(cè)的溝里，形成棄土堆積坡，土體松散，植被稀少，雨后土體浸水，重量增加，下滑力增大，最終導(dǎo)致滑體沿基巖面向下滑動(dòng)；(2)巖質(zhì)滑坡，由于施工之前，勘察較為粗略，致使隧道坐落在古滑坡錯(cuò)臺(tái)上。該段山體地質(zhì)斷裂構(gòu)造發(fā)育，2條逆沖斷層橫貫全區(qū)，規(guī)模較大，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石風(fēng)化嚴(yán)重，與此同時(shí)降水滲入又會(huì)軟化綠泥石片巖，降低巖土體強(qiáng)度同時(shí)加速裂隙向深部發(fā)展；此外從圖6可以看出，隧道左側(cè)為漢江上游的石泉水庫(kù)，滑坡前緣常年受河水或庫(kù)水的下切與侵蝕作用影響，土體不斷流失，坡腳高度變高，導(dǎo)致坡體抗滑力下降，與此同時(shí)水庫(kù)水位經(jīng)常因截流閘門的控制而發(fā)生較大變化(水位差最高可達(dá)10 m[6])，庫(kù)水位的反復(fù)升降作用即改變了坡體所受的側(cè)壓力與浮托力，同時(shí)也導(dǎo)致滑面中的細(xì)小顆粒在這種過(guò)程中發(fā)生運(yùn)移，降低了滑面的抗剪強(qiáng)度，從而導(dǎo)致坡體的整體穩(wěn)定性下降。

圖5 K158+600～K158+880處堆積層滑坡

圖6 K253+233～K253+950處巖質(zhì)滑坡

2.3 泥石流

調(diào)查范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)泥石流災(zāi)害1處，影響線路長(zhǎng)度10 m，地點(diǎn)位于石泉縣站內(nèi)K267+927過(guò)水涵洞處，為溝谷型泥石流。溝內(nèi)植被覆蓋率中等，堆積物多為塊石、碎石土等第四紀(jì)松散坡積物，降雨時(shí)容易造成涵渠堵塞，2011年～2013年曾對(duì)涵洞及上游進(jìn)行清理，并修建了3道攔石壩，位置如圖7所示，可抵擋一般規(guī)模的洪水對(duì)涵洞的威脅，但遇特大洪水時(shí)，仍存在泥石流越過(guò)攔石壩頂，堵塞涵洞，淤埋和沖毀鐵路的危險(xiǎn)。

泥石流災(zāi)害形成的原因有：(1)溝谷兩側(cè)山坡較陡，嶺谷高差大，便于雨水匯集；(2)溝谷狹窄，溝道縱比降大，為泥石流的形成提高了優(yōu)越的勢(shì)能條件；(3)受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響巖體裂隙發(fā)育，表層風(fēng)化嚴(yán)重，兩側(cè)的山體存在多處崩塌(圖7)，溝內(nèi)松散土層堆積，這些為泥石流的形成提供了豐富的物源基礎(chǔ)；(4)該縣降雨集中，且多為暴雨和連陰雨[7]，為泥石流的形成提供了激發(fā)水源；(5)除以上因素外，人為因素也會(huì)對(duì)泥石流的形成產(chǎn)生一定影響，例如修建公路不合理的切削山體造成的崩塌，溝內(nèi)開(kāi)墾農(nóng)田破壞植被致使土層疏松等。

圖7 K267+927過(guò)水涵洞處泥石流溝

2.4 溜坍

本次調(diào)查范圍內(nèi)共發(fā)現(xiàn)溜坍災(zāi)害27處，影響線路長(zhǎng)度1 464 m，此類災(zāi)害在陽(yáng)安線分布廣泛，各個(gè)區(qū)間基本都有分布，類型分為塹坡溜坍和路堤溜坍，以塹坡溜坍為主。相比其他地質(zhì)災(zāi)害而言，溜坍對(duì)線路的威脅相對(duì)較小，但放任其發(fā)展，仍會(huì)對(duì)行車安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。例如塹坡溜坍往往導(dǎo)致坡體穩(wěn)定性降低，坍體在雨水作用下沿坡面滾落，堵塞側(cè)溝，掩埋行車路線；而路堤溜坍通常導(dǎo)致路肩缺失，軌枕外露，嚴(yán)重時(shí)甚至路堤坍塌，使軌道懸空[8]，危及行車安全。因此有必要對(duì)此類災(zāi)害予以重視。

調(diào)查結(jié)果表明，溜坍災(zāi)害形成的原因如下所述。(1)受區(qū)域構(gòu)造影響，坡面陡峭，風(fēng)化嚴(yán)重的巖質(zhì)邊坡，表層結(jié)構(gòu)松散，植被覆蓋率低，在雨水的沖刷侵蝕作用下，土體充分吸水，達(dá)到飽和狀態(tài)后，抗剪強(qiáng)度驟降，從而形成表層溜坍[8]。例如位于沙河坎—馬蹤灘區(qū)間K189+230～K189+240處線路左側(cè)溜坍(圖8)，便是由于花崗巖全風(fēng)化層雨季遭受地表水沖刷，飽水后自重增大，與此同時(shí)較陡的坡度以及凸形坡面又增加了坍體的下滑力，使其最終在重力作用下從坡體的肩中部與母體分離，并沿坡面下滑而形成的。(2)自然坡開(kāi)墾農(nóng)田破壞了原有植被，造成坡體裸露，翻松土層造成土壤結(jié)構(gòu)破壞，強(qiáng)度降低，澆灌和降水在增大土體的自重同時(shí)也使得水壓力增大，排水能力下降，土體加速飽和，最終導(dǎo)致溜坍形成，例如位于響水—寧強(qiáng)區(qū)間K35+520～K35+577處線路左側(cè)溜坍(圖9)，便是由不合理的墾荒所引起的，從圖中可以看到，封閉網(wǎng)底部堆積大量溜坍產(chǎn)生的土體，致使防護(hù)網(wǎng)受壓變形，部分溜坍體進(jìn)入側(cè)溝，目前裸露的自然坡表面仍存在發(fā)生溜坍的隱患。

圖8 K189+230～K189+240處溜坍

圖9 K35+520～K35+577處溜坍

除上述地質(zhì)災(zāi)害外，沿線還存在著一些工程地質(zhì)問(wèn)題，主要是擋墻開(kāi)裂變形、路基下沉、隧道襯砌開(kāi)裂等，這些問(wèn)題將在今后的研究工作中進(jìn)一步探討。

3 防治對(duì)策

目前鐵路與公路地質(zhì)災(zāi)害防治本著“以防為主，避讓與防治相結(jié)合”的原則[9]，主要包括兩方面措施：一是避險(xiǎn)繞行，即避開(kāi)地質(zhì)災(zāi)害集中且頻發(fā)區(qū)段(目前陽(yáng)安線復(fù)線就是采取此種措施，通過(guò)在漢江南岸修建短隧道，避開(kāi)小寨至勉西區(qū)間的崩塌落石及河岸沖刷[8]);二是對(duì)致災(zāi)地質(zhì)作用的防治，即防止災(zāi)害發(fā)生、減少災(zāi)害損失[10]，針對(duì)不同的地質(zhì)災(zāi)害，采取不同的防治措施，針對(duì)本線路存在的地質(zhì)災(zāi)害，建議的主要治理措施列于表2。

除此之外，由于線路附近降雨集中，因此在雨季來(lái)臨時(shí)，特別是遇到暴雨或連續(xù)降雨時(shí)，應(yīng)進(jìn)行雨中巡查，重點(diǎn)路段設(shè)置臨時(shí)看守，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及早治理，將災(zāi)害損失減到最低。

表2 地質(zhì)災(zāi)害的類型和防治措施

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)線路地質(zhì)災(zāi)害類型、分布以及成因等有關(guān)因素的調(diào)查與分析，提出防治對(duì)策并得出以下主要結(jié)論。①線路的地質(zhì)災(zāi)害類型主要包括崩塌、滑坡、泥石流以及溜坍4種，其中以崩塌落石最為發(fā)育，且對(duì)線路的影響最大，但滑坡、泥石流以及溜坍的危害同樣不可忽視。②災(zāi)害多發(fā)生在陡坡陡崖或地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈、植被覆蓋率低的高路塹段，分布范圍廣，治理難度較大。③復(fù)雜的地質(zhì)條件以及汛期降雨是誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的主要原因，此外地震以及人類活動(dòng)對(duì)線路的影響也同樣不可忽視。④施工之前詳細(xì)的工程地質(zhì)勘察對(duì)于規(guī)劃線路，避讓地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)地段，保證工程質(zhì)量與安全至關(guān)重要。⑤坡面防護(hù)以及合理的防排水設(shè)施可最大限度減輕甚至避免災(zāi)害的損失。⑥對(duì)于已發(fā)生的病害，應(yīng)及時(shí)采取措施進(jìn)行整治，防止其繼續(xù)惡化。

致謝：感謝西安鐵路局漢中工務(wù)段以及安康工務(wù)段大力支持，感謝馬吉林老師以及北京遠(yuǎn)方路基工程咨詢有限公司趙明剛等人的幫助。