阿爾金山地區(qū)主要地質(zhì)問題分析與鐵路選線對策

趙 文

(陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院)，陜西 西安 710043)

新建格爾木至庫爾勒鐵路為《十二五綜合交通運(yùn)輸體系規(guī)劃》建設(shè)項(xiàng)目，線路東起青海省格爾木市，沿昆侖山北麓、柴達(dá)木盆地南緣西行，進(jìn)入新疆境內(nèi)，然后線路穿越阿爾金山，經(jīng)米蘭、若羌，沿塔里木河西抵庫爾勒市。

阿爾金山為塔里木盆地和柴達(dá)木盆地的界山，整體呈NEE走向，由6條平行的山脈組成，山脈全長約700 km，寬約60～100 km，海拔多在 4 000 m 以上，西高東低，北坡高差大[1]。整個(gè)阿爾金山地區(qū)氣候干旱，植被貧乏，無常年流水河流。

格庫鐵路經(jīng)過的阿爾金山巴什考拱越嶺地區(qū)，自然條件惡劣、地形復(fù)雜、地層古老、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，涉及眾多工程、水文地質(zhì)以及環(huán)保問題。該鐵路為客貨共線的非高速鐵路，區(qū)域地質(zhì)問題對線路方案的選擇及工程的設(shè)置有較大影響，線路方案的合理性及工程施工、運(yùn)營的安全對地質(zhì)選線提出了較高要求。

1 阿爾金山地區(qū)地質(zhì)特征

1.1 地形地貌

阿爾金山地區(qū)越嶺地段主要由山脈及山間盆地構(gòu)成。大致可以分為3個(gè)微地貌單元：索爾庫里盆地、乙亞加拉克山擠壓山區(qū)和巴什考拱盆地。

1.2 地層巖性

主要出露第四系全新統(tǒng)沖洪積粉土、砂類土、碎石類土，第三系礫巖、砂巖、泥巖，元古界薊縣系白云巖、灰?guī)r、片巖、千枚巖、石英巖，并出露有小面積華力西期輝長巖及花崗巖[2]。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

格庫鐵路位于塔里木—中朝板塊內(nèi)，越嶺地段主要穿越阿爾金山斷隆次級構(gòu)造單元。阿爾金山斷隆位于塔里木東南緣，是由阿爾金山南緣斷裂為界、阿爾金山西北緣—北山剪切斷裂系和紅柳溝—拉配泉斷裂所圍的地塊[3]。斷塊區(qū)以太古宙麻粒巖為基底[4],古元古代和中元古代沉積，薊縣紀(jì)末受阿爾金山運(yùn)動(dòng)聚合碰撞成山，后以剝蝕為主，局部間有沉積盆地，多受巖漿巖侵入。細(xì)部構(gòu)造可劃分為巴什考拱盆地、乙亞加拉克山—冰溝南隆起區(qū)、索爾庫里盆地沉降區(qū)三大次級構(gòu)造單元，如圖1所示。

注：Ⅱ2為巴什考拱盆地；Ⅱ3為乙亞加拉克山—冰溝南隆起區(qū)；Ⅱ4為索爾庫里盆地。圖1 區(qū)域大地構(gòu)造分區(qū)

阿爾金山地塊地質(zhì)演化十分復(fù)雜，斷裂構(gòu)造的形成和演化也具有長期性和性質(zhì)多變的特點(diǎn)[5]。

其中越嶺長隧道所經(jīng)過的區(qū)域，以額蘭塔格復(fù)向斜為中心，核部位于第一槽谷內(nèi)，東南翼(花土溝端)發(fā)育次級背斜，西北翼(若羌端)斷裂發(fā)育；斷裂構(gòu)造隨地形發(fā)育，沿山前、槽谷兩側(cè)發(fā)育較大斷裂，山脊及盆地內(nèi)發(fā)育其它次級斷裂；節(jié)理密集帶因多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在山體內(nèi)十分發(fā)育，多與褶皺、斷層伴生。

1.4 水文地質(zhì)

越嶺地區(qū)位于阿爾金山脈中段，屬青藏高原寒帶氣候區(qū)，海拔高度對氣溫的影響已超過緯度，春冬季節(jié)山區(qū)常有降雪。以越嶺長隧道所在乙亞加拉克山山脊為界，分為嶺南、嶺北2大獨(dú)立流域系統(tǒng)。東南側(cè)地表融雪水匯入索爾庫里盆地內(nèi)小型咸水湖；西北側(cè)地表水通過支流匯入紅柳溝，到山前戈壁消失。區(qū)域內(nèi)除距離洞身較遠(yuǎn)的紅柳溝為常年流水外，其余均為季節(jié)性沖溝； 紅柳溝主要由區(qū)內(nèi)木孜布拉克、巴什布拉克等主要的泉水匯集而成，全長40 km，流量較小，距離主要越嶺長隧道洞身約10～13 km。

2 格庫鐵路阿爾金山地區(qū)主要地質(zhì)問題

2.1 越嶺長隧道主要工程地質(zhì)問題

2.1.1 巖溶

阿爾金山靠近索爾庫里盆地的南側(cè)發(fā)育白云巖段落，地表普遍存在輕微的古溶蝕現(xiàn)象，多為溶蝕坑、槽。局部有小型溶洞，直徑小于1 m，規(guī)模相對較小，基本無充填，工程設(shè)計(jì)時(shí)可暫不考慮巖溶對工程的影響，待施工中根據(jù)揭露情況針對性處理。

2.1.2 高地應(yīng)力

根據(jù)附近深孔地應(yīng)力測試結(jié)果，最大水平主應(yīng)力11.25～22.18 MPa。洞身埋深大于500 m的白云巖、石英巖段落，巖質(zhì)堅(jiān)硬。巖石飽和抗壓強(qiáng)度30.8 MPa，巖石飽和抗壓強(qiáng)度與最大主應(yīng)力之比小于4，屬極高應(yīng)力區(qū)。隧道開挖過程中圍巖出現(xiàn)巖爆的可能性大。隧道通過的部分千枚巖、片巖、斷層破碎帶地段，由于巖性本身松軟、局部可能含水，因而具有塑性大、強(qiáng)度低的特點(diǎn)。在埋深較大地段，當(dāng)圍巖中處于高應(yīng)力水平時(shí)存在塑性變形的可能[7]。

2.1.3 順層

隧道進(jìn)出口巖層走向大致呈NEE向展布，但巖層受到劇烈的褶皺和多期斷裂作用，巖層產(chǎn)狀變化較大。局部巖層走向可能與隧道軸線小角度相交或近于平行，這些段落開挖易引起順層滑動(dòng)。

2.2 引線部分主要工程地質(zhì)問題

2.2.1 含鹽地層

含鹽土層主要分布索爾庫里盆地靠近阿爾金山山前地段和巴什考拱盆地殘丘上部，巖性多為洪積碎石類土，上部粉土含量較高，局部富集窩狀石膏，含鹽類型以硫酸鹽、亞硫酸鹽漬土為主，強(qiáng)度等級弱～中，局部段落含鹽超限土層厚度為0.05～0.25 m。

2.2.2 膨脹巖

索爾庫里盆地靠近隧道進(jìn)口地段地層為上第三系泥巖夾砂巖，泥巖自由膨脹率為38%～58%，蒙脫石含量6.0%～9.9%，陽離子交換量7.7～12 mmol/kg，判定泥巖具弱膨脹性。

2.2.3 順層

靠近巴什考拱低中山區(qū)地層以千枚巖、片巖、石英巖為主，巖層走向EW-NEE向，傾角50°～80°，巖體破碎。部分地段巖層走向與線路呈小角度相交，路塹開挖宜形成順層溜塌。

2.2.4 泥石流

2.3 沿線水文地質(zhì)問題

2.3.1 工程防排水

斷層帶和灰?guī)r、白云巖地段，可能存在溶洞、溶腔等，極易發(fā)生坍塌、冒頂、突水等問題。勘察中應(yīng)盡可能在物探基礎(chǔ)上進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，隧道縱坡設(shè)計(jì)宜采用“人”字坡和平導(dǎo)排水；施工中，應(yīng)增加超前鉆探及物探工作，加強(qiáng)地質(zhì)預(yù)報(bào)，做好通過巖溶斷層破碎帶及背斜核部時(shí)突然涌水的應(yīng)急措施，除加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作外，備好抽排水等必要的設(shè)施，以防突然涌水、涌砂等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，保證施工安全。

2.3.2 施工用水

索爾庫里盆地地下水分布極不均勻，高山融雪水主要沿洪積扇某一通道徑流。該段施工生活飲用水建議從茫崖鎮(zhèn)大河壩水源地或花土溝鎮(zhèn)運(yùn)水。阿爾金山至望塔，該段地表水和泉水礦化度為4～5 g/L，地表水、地下水匱乏，無開采利用價(jià)值，隧道排水及地表水可作為工程用水。

2.4 環(huán)境地質(zhì)問題

阿爾金山國家級自然保護(hù)區(qū)是我國第一個(gè)兼有高原生態(tài)類型，以保護(hù)特有物種為主的自然保護(hù)區(qū)。格庫鐵路通過的巴什考拱埡口區(qū)屬于保護(hù)區(qū)的實(shí)驗(yàn)區(qū)，環(huán)保要求嚴(yán)格，環(huán)境地質(zhì)問題突出[9]。重點(diǎn)關(guān)注野駱駝息棲地和飲用水源地。越嶺選線要充分考慮工程建設(shè)可能對野生動(dòng)物保護(hù)的影響，隧道要充分考慮地表水體與隧道的關(guān)系，預(yù)判隧道施工對地表水體的影響。

3 格庫鐵路選線對策

由于越嶺長隧道及兩端引線是一項(xiàng)不可分割的系統(tǒng)工程，在線路方案選擇和優(yōu)化過程中，我們始終貫徹了兩者統(tǒng)一研究、綜合考慮的原則，既重視對特長隧道越嶺地段工程和水文地質(zhì)條件的研究，又重視兩端引線段控制線路方案選擇的主要工程地質(zhì)問題的落實(shí)[10]，下面將線路方案研究中提出的地質(zhì)選線原則綜述如下:

1)阿爾金山地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造十分發(fā)育，線路通過區(qū)域性深大斷裂帶時(shí)應(yīng)以一般簡單工程、大角度短距離通過。避免在斷裂密集地帶迂回展線或設(shè)置重大工程。必須穿越時(shí)，應(yīng)在鐵路可能通過范圍內(nèi)，選擇相對穩(wěn)定的地塊大角度通過。

2)阿爾金山地區(qū)地層受地質(zhì)構(gòu)造作用影響較大，巖體破碎，溝谷選線宜避開陡峻山坡，避免巖層不利結(jié)構(gòu)面傾向線路的長大挖方工程；線路應(yīng)避免在高陡山坡、懸崖峭壁下引線，避開落石發(fā)育地段。避免在陡緩交界處設(shè)置路基高邊坡及大型擋護(hù)工程。

3)線路通過泥石流溝時(shí)，應(yīng)以大跨度橋梁、明洞或隧道通過?？缭綍r(shí)應(yīng)避開急彎部位和溝床縱坡變化點(diǎn)，并留有足夠的凈空和孔跨，應(yīng)根據(jù)泥石流通過的需要量和淤積厚度確定。

4)越嶺長隧道的選擇對越嶺地區(qū)的綜合選線起控制性作用，在相同工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件下，降低工程風(fēng)險(xiǎn)、確保安全運(yùn)營應(yīng)重點(diǎn)考慮；引線部分的選擇應(yīng)考慮繞避大型不良地質(zhì)、降低工程風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)省投資、縮短運(yùn)營時(shí)間等因素。

5)由于阿爾金山地區(qū)歷經(jīng)多期多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，巖體破碎，對于可能引發(fā)順層問題的段落，工程應(yīng)盡量避免深大挖方，必須通過時(shí)應(yīng)設(shè)置工程防護(hù)措施。

6)阿爾金山地區(qū)由于地質(zhì)構(gòu)造活躍，對于硬質(zhì)巖的完整性要認(rèn)真研究，尤其是隧道圍巖劃分時(shí)，以免施工時(shí)再重大變更。

7)關(guān)注生態(tài)保護(hù)，對保護(hù)區(qū)內(nèi)野生動(dòng)物息棲地和飲用水源地應(yīng)進(jìn)行繞避，野生動(dòng)物通道應(yīng)留足空間。

4 結(jié)論

1)阿爾金山地區(qū)越嶺地段地層古老、巖性復(fù)雜，斷裂構(gòu)造發(fā)育，影響線路方案選擇的地質(zhì)因素多，在多階段地質(zhì)工作的基礎(chǔ)上開展越嶺地段地質(zhì)選線工作非常重要。

2)在低速鐵路的選線過程中，堅(jiān)持越嶺長隧道和引線部分協(xié)同考慮的基本原則；對重大的不良地質(zhì)問題應(yīng)以繞避為主；對無法躲避的環(huán)境地質(zhì)問題，應(yīng)采取避重就輕的原則，盡量降低工程風(fēng)險(xiǎn)和難度，盡量減小對環(huán)境的影響。

3)格庫鐵路阿爾金山地區(qū)地質(zhì)選線工作重點(diǎn)在伊吞布拉克至巴什考拱段。最終推薦方案其嶺南、嶺北引線部分不良地質(zhì)、特殊巖土等工程地質(zhì)問題不發(fā)育，越嶺長隧道走向與區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造線大角度相交，方案整體工程地質(zhì)條件較好，對環(huán)境影響較小。

4)阿爾金山地區(qū)工程建設(shè)時(shí)，首先要研究區(qū)域地質(zhì)環(huán)境背景，考慮地表水與地下水的水力聯(lián)系，防治工程建設(shè)對水環(huán)境造成破壞；充分關(guān)注燕山期以前侵入巖，因?yàn)樵撎椎貙釉馐芏嗥诙啻螛?gòu)造影響，巖體完整性差，可能對隧道圍巖劃分產(chǎn)生較大影響；另外還要考慮該區(qū)野駱駝及其他野生動(dòng)物的保護(hù)，要充分考慮生存環(huán)境對于野生動(dòng)物保護(hù)的重要意義。