西寧至成都鐵路隆務(wù)河峽谷區(qū)地質(zhì)條件分析及選線研究

劉道勝

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043)

我國西部地區(qū)高山峽谷廣布，各種不良地質(zhì)問題極其突出，對鐵路工程方案有著重大影響。因此，線路通過峽谷區(qū)時有必要開展專門的選線研究。針對峽谷區(qū)的鐵路地質(zhì)選線，已有專家進(jìn)行了相關(guān)研究。李金城、魏國俊等通過對拉日鐵路雅魯藏布江峽谷段斷裂構(gòu)造、地震和地?zé)岬葐栴}的分析研究，提出了峽谷區(qū)的選線原則及處理對策[1-2]；韓康對渝懷線烏江峽谷區(qū)的不良地質(zhì)(重點(diǎn)是巖溶發(fā)育規(guī)律及暗河高程)進(jìn)行了研究，以指導(dǎo)宏觀選線[3]；卿三惠等對玉蒙鐵路曲江峽谷橋位選址進(jìn)行分析，主要從施工條件、工程造價等方面進(jìn)行比選，認(rèn)為峽谷區(qū)必須堅持“重大工程優(yōu)先選址”的地質(zhì)選線原則[4]。這些研究各有重點(diǎn)，但都更側(cè)重于線位的宏觀走向。以西寧至成都鐵路隆務(wù)河峽谷區(qū)選線為研究對象，在充分吸收既有工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對線位邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析比選，結(jié)合巖體地應(yīng)力成果，得出最優(yōu)方案。

1 工程概況

新建西寧至成都鐵路位于青海、甘肅、四川三省交界地帶。線路北起青海省省會西寧市，向南經(jīng)海東市平安縣、化隆縣，黃南藏族自治州尖扎縣、同仁縣；后向東南方向進(jìn)入甘肅省甘南藏族自治州，依次經(jīng)夏河縣、合作市、碌曲縣；向南經(jīng)四川省阿壩藏族羌族自治州若爾蓋縣，接入成蘭鐵路黃勝關(guān)站。

隆務(wù)河為黃河的一級支流，隆務(wù)河峽谷區(qū)位于尖扎縣與同仁縣之間。受峽谷兩端尖扎、同仁站位限制，線路必須穿越隆務(wù)河峽谷。目前，在狹窄的峽谷區(qū)已經(jīng)修建了牙同高速公路、203公路(省道)，跨越既有道路并選擇適宜的穿越峽谷位置成為地質(zhì)選線的重點(diǎn)。

2 區(qū)域地質(zhì)條件

2.1 地形地貌特征

隆務(wù)峽谷區(qū)地處青藏高原與黃土高原的過渡地帶，處于祁連山帶與西秦嶺造山帶結(jié)合部的祁連山一側(cè)[5]、黃河南岸中山-高中山區(qū)，地面高程為2 100～3 400 m，相對高差為500～1 300 m。該區(qū)域地形起伏，山巒疊嶂，溝谷斜坡陡峻，沖溝發(fā)育，隆務(wù)河蜿蜒向北，匯入黃河公伯峽水庫。

該峽谷區(qū)長約26 km。由于青藏高原的急劇抬升隆起，黃河、隆務(wù)河及各支溝向下劇烈侵蝕。隆務(wù)河谷下切強(qiáng)烈，呈明顯的V形溝槽，谷底最窄處不足30 m，岸坡陡峻，谷底與兩側(cè)岸坡相對高差可達(dá)1 000 m以上。河谷兩岸山體基巖裸露，產(chǎn)狀近直立，植被覆蓋少，風(fēng)化作用強(qiáng)烈。受構(gòu)造及風(fēng)化影響，巖體破碎，峽谷兩岸危巖、落石、巖堆、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象極發(fā)育。峽谷區(qū)地貌見圖1。

圖1 隆務(wù)河峽谷區(qū)地貌

2.2 地層巖性

隆務(wù)河峽谷區(qū)地層以沉積巖和變質(zhì)巖為主，局部夾侵入巖透鏡體。主要地層有新近系臨夏組泥質(zhì)砂巖夾薄層礫巖、積石組角礫巖夾砂巖；三疊系中-上統(tǒng)古浪堤組砂巖、板巖互層，三疊系下統(tǒng)江里溝組、果木溝組板巖夾砂巖；二疊系上統(tǒng)硅質(zhì)巖以及石關(guān)組灰?guī)r、二疊系下統(tǒng)大關(guān)山組灰?guī)r夾板巖。在河谷兩側(cè)沖溝及山坡坡腳等處有較厚的第四系堆積物，主要為碎石類土。各斷層帶內(nèi)分布斷層角礫巖、壓碎巖等。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

本區(qū)位于青藏高原北部，祁連造山帶和西秦嶺造山帶結(jié)合部的東段，長期處于板塊邊緣活動帶，對地殼運(yùn)動反應(yīng)敏感。區(qū)內(nèi)構(gòu)造形式復(fù)雜多樣，在漫長的地質(zhì)歷史時期，經(jīng)歷了多次地殼造山運(yùn)動和多期構(gòu)造變形，形成了現(xiàn)今復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造形跡[6]?？傮w來看，其主體構(gòu)造線方向以NW—SE為主，控制著全區(qū)的構(gòu)造格架。

峽谷區(qū)與線路各方案相關(guān)的較大的斷層有9條，其中區(qū)域性的大斷裂有中務(wù)尕楞逆沖斷層(F5)、喇嘛大寺—文都大寺斜沖斷裂(F6)、麥油賽加逆斷層(F7)、隆務(wù)峽—甘加蛇綠混雜巖帶的南側(cè)斷層(F8)、羊子溝—尕楞口逆斷層(F9)、一隔寺—賽加盆緣斷層(F10)等，這些斷層大多與線路大角度相交，斷帶寬度一般在50～200 m之間。

3 主要不良地質(zhì)問題

3.1 危巖與落石

本區(qū)地層以板巖、砂巖、灰?guī)r分布最廣，且多呈互層或夾層狀分布，巖體軟硬不均，在節(jié)理裂隙切割及熱脹冷縮作用下，出露巖體支離破碎，加之各河谷、支溝兩側(cè)邊坡高陡，局部近垂直，為危巖落石的形成和運(yùn)動提供了有利的地形條件[7]，形成了該段較嚴(yán)重的危巖、落石地貌，尤其是沿隆務(wù)河峽谷區(qū)遍布的危巖、落石對線路有較為嚴(yán)重的威脅(見圖2)。

圖2 高陡邊坡及危巖落石

3.2 巖堆

隆務(wù)河兩岸巖堆廣泛分布，往往與危巖、落石伴生而成[8]。巖堆的塊石成分以板巖、砂巖、灰?guī)r等為主，塊徑不一，一般塊徑為10～50 cm，最大可達(dá)10 m左右。大部分巖堆的縫隙都被坡積角礫土或碎石局部充填，并長有少量雜草，少部分新近巖堆直接裸露，無土壤和植被覆蓋。巖堆體平均厚度一般為10～30 m，鉆探揭示的最大厚度達(dá)50 m左右。這些巖堆體基本處于極限平衡狀態(tài)，遇暴雨或大風(fēng)時，表部碎、塊石常常滾落[9]。若開挖擾動，可能有整體失穩(wěn)的風(fēng)險。

3.3 泥石流

在多期構(gòu)造運(yùn)動、強(qiáng)烈的物理風(fēng)化及冰川作用等影響下，本區(qū)巖體大多松動破碎，山坡及溝谷兩岸的各支溝內(nèi)堆積大量碎屑物，為泥石流提供了充足的物質(zhì)來源，加之溝谷狹窄，溝道縱比降大[10]，也利于泥石流的形成。本區(qū)的泥石流以溝谷型為主，兼具坡面型，黃河、隆務(wù)河兩側(cè)的各大小支溝幾乎均為泥石流溝，在部分相對寬緩的溝口地帶均分布有規(guī)模較大的新、老洪積扇，說明該區(qū)從古至今泥石流現(xiàn)象十分嚴(yán)重[2]，屬于泥石流強(qiáng)發(fā)育區(qū)。特別是從尖扎至古浪堤跨隆務(wù)河段，發(fā)育多條長大泥石流溝，匯水面積大，溝床縱坡陡，泥石流發(fā)育處于旺盛期，在暴雨季經(jīng)常爆發(fā)泥石流災(zāi)害，對峽谷區(qū)的道路危害程度極大。

3.4 斷裂

該峽谷區(qū)斷裂構(gòu)造較發(fā)育，斷層破碎帶普遍較寬，斷帶物質(zhì)主要由斷層泥、斷層角礫、壓碎巖等組成，工程性質(zhì)差，隧道開挖時，圍巖極容易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。另外，斷層帶內(nèi)構(gòu)造裂隙水普遍發(fā)育，地下水循環(huán)較快，施工中產(chǎn)生突涌水、涌泥的風(fēng)險較高。

3.5 高地應(yīng)力

隆務(wù)河谷區(qū)處于祁連造山帶和西秦嶺造山帶結(jié)合部兩個板塊的擠壓帶內(nèi)，造成了本區(qū)的高地應(yīng)力?？辈炱陂g，在各主要地層內(nèi)進(jìn)行了深孔鉆探，并在孔內(nèi)進(jìn)行了水壓致裂法地應(yīng)力測試，各巖層地應(yīng)力測試成果匯總見表1。根據(jù)各孔地應(yīng)力測試結(jié)果，該區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)力占主導(dǎo)地位，并以北東-南西向擠壓為主，三個主應(yīng)力的大小關(guān)系基本為SH>Sh>Sv，反映了較強(qiáng)的水平構(gòu)造應(yīng)力作用。從各鉆孔應(yīng)力與深度的關(guān)系看，應(yīng)力隨深度基本呈線性增大的趨勢。

表1 隆力河峽谷區(qū)各巖層地應(yīng)力測試成果匯總

本區(qū)域地層以板巖、砂巖分布最廣，均為軟質(zhì)巖，其中板巖為薄層狀構(gòu)造，層厚一般為0.05～0.1 m，深埋隧道開挖時，圍巖極易發(fā)生擠壓性大變形，且層越薄，發(fā)生大變形的幾率越高；地應(yīng)力水平越高，擠壓變形越強(qiáng)烈[11]。在各斷層帶，巖體多破碎成角礫、碎石狀，在高地應(yīng)力條件下，也極易發(fā)生嚴(yán)重的大變形[12]。

4 工程地質(zhì)選線原則

針對隆務(wù)河峽谷區(qū)地質(zhì)條件及影響線路方案的主要地質(zhì)問題，確定以下選線原則：

(1)線路應(yīng)盡量繞避山高坡陡、巖層受切嚴(yán)重、危巖落石密集分布的地段，對工程處理困難的大型巖堆地段也應(yīng)盡量繞避。隧道工程需嚴(yán)格遵守早進(jìn)洞、晚出洞的原則，必要時接長明洞。

現(xiàn)有牙同高速公路在隆務(wù)河谷區(qū)的5座隧道均已建成并通車運(yùn)營，采用工程類比法分析了該公路10個洞口的選擇，對鐵路選線有一定的借鑒作用。高速公路隧道邊坡地質(zhì)地貌情況見表2。

表2 隆務(wù)河峽谷區(qū)既有牙同高速公路隧道洞口條件分析

根據(jù)物質(zhì)組成不同，隆務(wù)河兩側(cè)坡積層的天然安息角度一般在30°～40°之間。由表2可知，當(dāng)洞口有坡積層分布時，可選擇坡度相對較緩、坡積層穩(wěn)定的山坡穿過，但應(yīng)盡量減少對坡積體的擾動。當(dāng)邊坡高陡時，應(yīng)盡量選擇基巖裸露的山脊通過。當(dāng)邊坡高度不超過100 m時，可選擇基巖裸露或覆蓋層薄的山坡穿過，同時應(yīng)做好坡面防護(hù)。

(2)線路應(yīng)繞避處于發(fā)育旺盛期的大型泥石流溝，以及淤積嚴(yán)重的洪積扇區(qū)和大面積分布的山坡泥石流地段。處于峽谷河段的線路，應(yīng)在查明泥石流活動痕跡、判明泥石流規(guī)模和發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上以高橋大跨通過。對發(fā)育程度中等或輕微的泥石流溝谷，盡量以橋梁形式跨越通過，并留足夠的凈空及跨度(不壓縮溝床斷面)。

(3)隆務(wù)河峽谷區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，發(fā)育多條大的斷層，各方案與斷層的關(guān)系(通過斷層的角度、伴行長度及工程設(shè)置)對工程安全性及投資有著較大影響。因此，需考慮斷層對方案的影響，線路方案應(yīng)避免順斷裂帶行進(jìn)或小角度與斷裂帶相交[13]。

(4)在峽谷地段(從谷坡至山體以內(nèi))，可劃分為應(yīng)力松弛區(qū)、應(yīng)力過渡區(qū)和應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)，在水平方向的影響范圍一般為谷寬的3倍左右。因此，若在隆務(wù)河兩側(cè)修建隧道，有條件時應(yīng)盡量靠近隆務(wù)河谷底，以降低洞身地應(yīng)力，減少高地應(yīng)力條件下軟巖擠壓變形問題。

5 線路方案比選

考慮到隆務(wù)河峽谷區(qū)的地形條件及危巖、落石、泥石流等不良地質(zhì)極發(fā)育的特點(diǎn)，選線總體思路是“多走隧道少露頭”。線路自尖扎車站引出后進(jìn)當(dāng)順?biāo)淼溃鏊砗蠹纯缏?wù)河進(jìn)隆務(wù)隧道，出隆務(wù)隧道后即引入同仁車站。

跨隆務(wù)河主要比選方案有：古浪堤下穿牙同高速方案(D4K)、古浪堤上跨牙同高速方案(D13K)、一跨引水渠不限速方案(DK)、三跨引水渠方案(D8K)和五跨隆務(wù)河(D9K)。各方案走向及與隆務(wù)河、牙同高速關(guān)系見圖3。

各方案大體走向相近，對大型不良地質(zhì)體均進(jìn)行了繞避，通過的斷裂構(gòu)造基本相當(dāng)。主要從線路長度、跨隆務(wù)河的工程設(shè)置及兩側(cè)隧道進(jìn)出口邊坡的穩(wěn)定程度、受構(gòu)造的影響程度以及兩端隧道埋深等幾個方面進(jìn)行對比(見表3)。

(1)DK、D8K、D9K、D13K方案外部邊界條件較好，但各方案洞口邊坡均發(fā)育有不良地質(zhì)，處理難度大，風(fēng)險相對較高。D4K方案河兩側(cè)隧道洞口分別位于高階地及高速公路邊，邊坡穩(wěn)定，無不良地質(zhì)發(fā)育，且下穿公路填方路基風(fēng)險也相對較小。

(2)D8K、D9K在隧道內(nèi)與f8-1斷層相交角度僅10°～12°，通過斷帶距離長，大變形、突涌水、突泥等不利因素對隧道開挖及支護(hù)影響大[14]，工程風(fēng)險較大。

(3)尖扎至隆務(wù)河段DK、D8K、D9K方案整體距隆務(wù)河谷較遠(yuǎn)，線位長，隧道埋深大，地應(yīng)力高[15]，洞室開挖發(fā)生硬巖巖爆及軟巖擠壓變形的風(fēng)險高；而D4K、D13K方案距隆務(wù)河谷較近，線位短，隧道埋深相對較小，地應(yīng)力水平相對較低，部分段落已位于應(yīng)力松弛或過渡區(qū)，發(fā)生巖爆及軟巖擠壓變形的風(fēng)險相對變小。

綜合上述各方案地質(zhì)條件，下穿牙同高速(D4K)方案線路最短，埋深最淺，跨隆務(wù)河兩側(cè)洞口邊坡條件最好，受構(gòu)造影響相對較小，地應(yīng)力水平也相對較低，地質(zhì)條件最優(yōu)。因此，推薦古浪堤下穿牙洞高速(D4K)方案。

圖3 各線路走向方案示意

表3 跨隆務(wù)河各方案工程地質(zhì)條件比選

6 結(jié)束語

在地形地質(zhì)條件復(fù)雜的峽谷區(qū)，影響線路方案的不良地質(zhì)因素較多。在充分借鑒當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)查明區(qū)域地質(zhì)條件及各類不良地質(zhì)特征，開展綜合地質(zhì)選線十分重要。應(yīng)通過多方案、多角度的地質(zhì)比選，選擇受不良地質(zhì)影響較小、地質(zhì)條件相對較好、工程處理難度較小的方案，以提高工程合理性、經(jīng)濟(jì)性和安全性[16]。