西十高速鐵路穿越秦嶺山區(qū)空間地質(zhì)綜合選線對策

胡永占

（1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043；2.陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中鐵一院），西安 710043；3.軌道交通工程信息化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中鐵一院），西安 710043）

隨著國家“西部大開發(fā)”和“一帶一路”倡議的提出以及《關(guān)中平原城市群發(fā)展規(guī)劃》的批復(fù)，中西部大量的基礎(chǔ)設(shè)施尤其是高速鐵路工程得到了快速發(fā)展。西安至重慶高速鐵路、西安至成都高速鐵路、西安至武漢高速鐵路等多條鐵路橫穿秦嶺山區(qū)［1］。本文以西十（西安—十堰）高速鐵路為例，分析復(fù)雜秦嶺山區(qū)主要工程地質(zhì)災(zāi)害，探索空間地質(zhì)綜合選線對策，為復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下高速鐵路選線提供地質(zhì)依據(jù)。

1 工程概況

西十高速鐵路是西安至武漢高速鐵路的一部分，位于陜西省東南部和湖北省西北部，是中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目。線路西起陜西省西安市，向東南引線穿越秦嶺山脈，經(jīng)商洛和十堰兩市［2］，與建設(shè)中的武漢至十堰鐵路相接，形成西安至武漢高速鐵路通道，北端通過西安樞紐銜接西寶、鄭西、西成、銀西、大西、包西等高速鐵路，輻射西北及蒙西地區(qū)，南端經(jīng)武漢樞紐銜接武廣、武九等高速鐵路，溝通華中、華南、贛閩地區(qū)，開辟了西北至華中以及偏遠(yuǎn)地區(qū)的便捷客運(yùn)通道。線路行經(jīng)渭河盆地及秦嶺山地，連接關(guān)中平原與江漢平原，西十高速鐵路新建正線全長約258 km。其中藍(lán)田至十堰北段長約220 km 穿越秦嶺山區(qū)［3］，因此該段的地質(zhì)選線是本項(xiàng)目的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2 主要地質(zhì)災(zāi)害

西十高速鐵路穿越的秦嶺山區(qū)地形地貌復(fù)雜，長大區(qū)域斷裂發(fā)育，地層巖性經(jīng)多期地質(zhì)構(gòu)造作用后復(fù)雜多樣。山區(qū)不穩(wěn)定斜坡廣泛分布、長大區(qū)域斷裂構(gòu)造復(fù)雜、巖溶分布范圍廣且發(fā)育強(qiáng)烈，是西十高速鐵路秦嶺山區(qū)存在的主要工程地質(zhì)災(zāi)害。

2.1 復(fù)雜山區(qū)不穩(wěn)定斜坡

秦嶺為我國黃河和長江兩大水系的分水嶺。工程區(qū)內(nèi)嶺脊總體展布方向?yàn)楸睎|向，秦嶺山勢北陡南緩。北坡溝谷短，溝床縱坡陡，溝谷總體特點(diǎn)是上游多呈U形谷，下游多呈V形谷，谷坡陡峻。南坡溝谷較長，多呈樹枝狀水系。地表植被發(fā)育，多為喬木、灌木［4］。地貌分區(qū)如圖1所示。

圖1 西十高速鐵路沿線地貌分區(qū)

秦嶺山區(qū)不穩(wěn)定斜坡沿斷層帶及溝谷呈條帶狀廣泛分布，主要為滑坡、錯落，崩塌、巖堆、危巖落石，山區(qū)覆蓋層斜坡以及高陡基巖斜坡等［5］。

2.1.1 滑坡

秦嶺山區(qū)受構(gòu)造作用影響嚴(yán)重，巖體軟弱破碎，風(fēng)化嚴(yán)重，殘坡積層發(fā)育。這些殘坡積土層在地表水、地下水等綜合作用下，極易沿下伏基巖面產(chǎn)生滑動形成滑坡。滑坡的類型主要有堆積層滑坡、基巖順層滑坡、斷層帶滑坡。

堆積層滑坡主要分布于秦嶺山區(qū)的緩坡地帶。滑體的主要物質(zhì)為坡積碎石土、細(xì)（粗）角礫土及粉質(zhì)黏土。這類滑坡一般規(guī)模較大，影響線路方案的選擇及工程的設(shè)置［6］。

基巖順層滑坡主要分布于秦嶺山區(qū)的沉積巖及變質(zhì)巖地層分布區(qū)。巖體受構(gòu)造作用強(qiáng)烈，一般較破碎，片理發(fā)育。在溝谷下切過程中，由于地下水長期浸泡，河流的長期淘蝕作用、人為作用等因素形成臨空面，巖體極易沿著巖層的片理面或?qū)永砻婊瑒有纬身槍踊隆Ｔ趲r層走向與河谷走向一致且?guī)r層傾向河谷段易形成滑坡群。此類滑坡的規(guī)模巨大，對線路方案的選擇影響較大。

斷層帶滑坡主要分布于秦嶺中山區(qū)長大區(qū)域斷裂帶附近，尤其是秦嶺山前沿斷裂帶滑坡成群分布。沿線長大區(qū)域斷裂在地質(zhì)歷史時期都經(jīng)受過多次活動，且在不同時期構(gòu)造應(yīng)力場發(fā)生變化，起初多為壓性或壓扭性，后來又多顯張性。斷裂破碎帶一般較寬，結(jié)構(gòu)松散，含水，致使斷帶附近斜坡極易失穩(wěn)，形成沿斷帶分布的滑坡群。這類滑坡嚴(yán)重影響線路方案的選擇，不易整治，應(yīng)以繞避為原則。

2.1.2 錯落

錯落是斜坡變形的一種類型，主要指斜坡上巖石及土體沿陡傾角的構(gòu)造面、節(jié)理密集帶、軟硬巖接觸帶、土石分界面等軟弱結(jié)構(gòu)面，在重力或人為因素作用下引起的以垂直下錯為主的變形現(xiàn)象。秦嶺山區(qū)長大區(qū)域斷裂帶附近以及高陡的山體邊坡處，錯落較為發(fā)育，具有明顯的錯落體和后緣陡壁。

2.1.3 崩塌、巖堆、危巖落石

從崩塌、巖堆、危巖落石發(fā)育的現(xiàn)狀來看，崩塌、巖堆、危巖落石主要分布于秦嶺山區(qū)基巖陡坎斜坡地帶。受地質(zhì)構(gòu)造影響，秦嶺山區(qū)基巖陡坎斜坡地帶的巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，邊坡穩(wěn)定性差，易形成崩落堆積體。其中輞川河溝口段以及藍(lán)橋河溝口至蘭橋鎮(zhèn)段兩岸山體陡峻，危巖落石成群分布。鐵路方案對崩塌、巖堆，以及嚴(yán)重的危巖落石區(qū)予以繞避，對輕微的危巖落石或零星孤石應(yīng)加強(qiáng)防護(hù)設(shè)計(jì)。

2.1.4 山區(qū)覆蓋層斜坡以及高陡基巖斜坡

山區(qū)覆蓋層斜坡和高陡基巖邊坡在秦嶺山區(qū)廣泛分布，對鐵路線路方案和工程設(shè)置有較大的影響。

山區(qū)覆蓋層斜坡主要分布于秦嶺山區(qū)低緩斜坡地帶。斜坡表層分布有第四系松散層，加上秦嶺山區(qū)降雨充沛，降雨形成的地表徑流水多匯集在土石分界面處，易形成沿土石分界面滑移的不穩(wěn)定斜坡。鐵路通過斜坡地帶時，由于施工開挖形成臨空面，易造成邊坡失穩(wěn)，形成工程滑坡。鐵路應(yīng)繞避或不宜以長大段落通過斜坡地帶，同時加強(qiáng)擋護(hù)措施。

高陡基巖邊坡主要分布于秦嶺山區(qū)基巖陡坎處。邊坡表層分布有風(fēng)化松動層，開挖時易形成崩塌；順層邊坡易沿巖層面產(chǎn)生滑塌，嚴(yán)重時導(dǎo)致工程滑坡。

鐵路通過高陡基巖邊坡時，不宜傍山深挖邊坡，隧道通過時宜大角度早進(jìn)晚出，同時應(yīng)加強(qiáng)超前支護(hù)及擋護(hù)措施，以確保隧道洞門安全。本項(xiàng)目涉及到的高陡基巖邊坡主要集中在隧道進(jìn)出口或橋臺處，建議加強(qiáng)各種擋護(hù)措施。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造與地震

2.2.1 地質(zhì)構(gòu)造

工程區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，橫跨渭河斷陷盆地、華北地臺南緣褶皺帶、北秦嶺加里東褶皺帶、禮泉-柞水華力西褶皺帶、南秦嶺印支褶皺帶等構(gòu)造單元，發(fā)育有十多條長大區(qū)域斷裂。斷裂走向主要為東西向，其次為北東向和北西向。

主要斷裂早期受南北向構(gòu)造應(yīng)力場的作用影響較大，以壓扭性或壓性斷層為主，對地貌切割深度大，影響范圍廣，斷層破碎帶較寬，延伸長。破碎帶物質(zhì)復(fù)雜，壓裂巖、糜棱巖、斷層角礫、斷層泥礫等構(gòu)造巖均較發(fā)育［7］。主要區(qū)域斷裂構(gòu)造如圖2 所示。其中：F1 為秦嶺山前大斷裂；F1-1 為華山山前斷裂；F2 為唐藏-商南大斷裂；F2-1 為金陵寺-夜村-商南斷層；F2-2為草坪街-商南斷層；F2-3 為南秦河斷裂；F3 為鐵爐子-三要斷層；F4 為草坪街?jǐn)鄬樱籉5 為牛頭巖斷裂；F8為鳳鎮(zhèn)-山陽斷裂；F9為板巖鎮(zhèn)斷裂。

圖2 西十高速鐵路沿線主要區(qū)域斷裂構(gòu)造示意

2.2.2 地震

根據(jù)地震安全性評價結(jié)果，大致以秦嶺山前大斷裂和華山山前斷裂為界，以北的近場區(qū)屬于華北地震區(qū)的汾渭地震帶中的渭河地震亞帶，以南的近場區(qū)屬于華南地震區(qū)的長江中游地震帶。歷史地震和現(xiàn)代地震活動均一致表明，秦嶺山區(qū)地震活動水平不高。其中，藍(lán)田至山陽之間未記載到4.7 級以上破壞性地震，且小震活動也非常稀少；山陽以南至十堰附近破壞性地震只有1 次（1964 年湖北鄖西4.9 級地震），但小震活動略多，且有向東南逐漸增多的趨勢。

沿線近場區(qū)內(nèi)主要發(fā)育15條一定規(guī)模的斷裂，其中，全新世活動斷裂5條（與線路有關(guān)的活動性斷裂為F1），晚更新世活動斷裂6 條，早中更新世斷裂4 條。秦嶺山區(qū)屬于較穩(wěn)定的活動構(gòu)造區(qū)，內(nèi)部斷裂活動性弱，多為第四紀(jì)早中期活動斷裂、晚期第四紀(jì)以來基本不活動。因此，綜合看來，秦嶺山區(qū)僅存在發(fā)生6.0～6.5 級地震的構(gòu)造背景，區(qū)內(nèi)的晚更新世活動斷裂是潛在的發(fā)震構(gòu)造。

2.3 復(fù)雜山區(qū)巖溶

本區(qū)輞川鎮(zhèn)附近以及山陽至鄖西段的奧陶系和寒武系可溶巖地層中發(fā)育大型溶洞及落水洞，局部可見巖溶洼地、巖溶漏斗等喀斯特地貌。其中輞川鎮(zhèn)附近可溶巖地帶已開發(fā)為溶洞旅游風(fēng)景區(qū)。

山陽至鄖西段可溶巖為石炭系、奧陶系、寒武系地層，主要發(fā)育于山陽縣板巖鎮(zhèn)油房溝村-商南縣趙川鎮(zhèn)、鄖西縣香口鎮(zhèn)-鄖陽區(qū)劉洞鎮(zhèn)以北，南北寬約22～26 km，東西長度大于120 km，屬裸露型中等巖溶發(fā)育區(qū)。經(jīng)地質(zhì)調(diào)繪及物探揭示主要為大型無水溶洞及落水洞，可見明顯的巖溶洼地等喀斯特地貌。巖溶發(fā)育強(qiáng)度分區(qū)如圖3所示。

圖3 西十高速鐵路沿線山陽至鄖西段巖溶發(fā)育強(qiáng)度分區(qū)

3 地質(zhì)選線對策

通過對西十高速鐵路秦嶺山區(qū)存在的主要工程地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了分析、歸納、總結(jié)，研究了復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下秦嶺山區(qū)高速鐵路線路方案，提出了不同地質(zhì)災(zāi)害類型下高速鐵路空間綜合地質(zhì)選線對策。

3.1 復(fù)雜山區(qū)不穩(wěn)定斜坡地帶地質(zhì)選線

鐵路通過復(fù)雜山區(qū)不穩(wěn)定斜坡時，對不良地質(zhì)集中成群分布或存在大型滑坡、錯落的穩(wěn)定性差或較差的斜坡地帶，工程施工和運(yùn)營難度大，線路應(yīng)以繞避為主；對穩(wěn)定或較穩(wěn)定的斜坡地帶選線時，應(yīng)注意挖方地帶邊坡高度的控制，尤其是山區(qū)覆蓋層斜坡，如果邊坡太高，容易造成邊坡失穩(wěn)，形成工程滑坡；對于明線橫穿滑坡或崩塌較發(fā)育的穩(wěn)定性較差溝谷，隧道洞口應(yīng)選在工程設(shè)置可靠的穩(wěn)定邊坡處，或者采取下穿溝谷以隧道工程通過［8］。總之，線路應(yīng)從平面位置、縱向坡度的優(yōu)化調(diào)整方面進(jìn)行空間地質(zhì)綜合選線，繞避復(fù)雜山區(qū)不穩(wěn)定斜坡。即線路不宜傍山深挖邊坡；隧道通過時宜大角度早進(jìn)晚出，同時應(yīng)加強(qiáng)超前支護(hù)及擋護(hù)措施，以確保隧道洞門安全。

3.2 長大區(qū)域斷裂構(gòu)造發(fā)育區(qū)地質(zhì)選線

鐵路應(yīng)盡量避免在長大區(qū)域性斷裂帶和構(gòu)造帶交匯處的地震區(qū)通過。當(dāng)難以避開時，宜以大角度通過構(gòu)造帶，并調(diào)整縱向坡度避免在構(gòu)造破碎帶上設(shè)置重大工程，尤其是地震區(qū)的活動斷裂帶內(nèi)不宜設(shè)置大中橋、特大橋、高橋、長大隧道、高填深挖難以修復(fù)的大型建筑物。

鐵路必須通過地震區(qū)時，應(yīng)盡量利用空闊地形以低路堤通過；應(yīng)繞避對抗震不利的懸崖陡壁、地形復(fù)雜和不良地質(zhì)分布較多的地段，以減少地震可能造成的破壞。

3.3 復(fù)雜巖溶山區(qū)地質(zhì)選線

鐵路應(yīng)盡量設(shè)法繞避具網(wǎng)狀洞穴和巨大空洞的巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)。尤其應(yīng)避免巖溶發(fā)育的褶皺帶和斷裂帶交匯處、可溶巖與非可溶巖接觸帶［9］、巖溶水富集區(qū)及排泄帶；并以最大交角選擇其最窄、最易于采取工程措施處通過［10］。

通過巖溶區(qū)時應(yīng)通過線路縱向坡度的調(diào)整，使線路高程抬高從而繞避巖溶區(qū)水平徑流帶，多以路基、橋梁工程通過，少設(shè)隧道，尤其應(yīng)避免長大隧道。

4 結(jié)論

1）對于復(fù)雜山區(qū)不穩(wěn)定斜坡地帶，線路應(yīng)盡量繞避穩(wěn)定性差、地形復(fù)雜且不良地質(zhì)集中分布的斜坡段落；不能繞避時宜采用低填少挖的簡易路基工程、選擇最有利的地形通過，或通過調(diào)整線路縱向坡度以隧道下穿方式通過。

2）對于長大區(qū)域斷裂構(gòu)造發(fā)育區(qū)，線路應(yīng)避免通過長大區(qū)域性斷裂帶和構(gòu)造帶交匯處，盡量繞避區(qū)域性大斷裂的主帶；宜選在斷裂帶最窄處以低路堤等工程盡量正交通過。

3）對于復(fù)雜巖溶山區(qū)，線路應(yīng)繞避具網(wǎng)狀洞穴和巨大空洞的巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)；不能繞避時，宜選擇其最窄、最易于采取工程措施處通過，可調(diào)整線路縱向坡度，抬高線路高程從而繞避巖溶區(qū)水平徑流帶，多以路基、橋梁工程大角度或近乎垂直通過，少設(shè)隧道，尤其應(yīng)避免長大隧道。