地質(zhì)橫斷面選線技術(shù)在鐵路工程中的應(yīng)用

王哲威 馮 濤 杜宇本 李滄海

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031）

鐵路工程穿越不良地質(zhì)路段時(shí)對(duì)地質(zhì)條件考慮不足，極有可能導(dǎo)致施工和運(yùn)營期投資增加、工程廢棄和安全事故等嚴(yán)重后果，如1981年成昆鐵路因利子依達(dá)泥石流導(dǎo)致列車墜橋［1］、寶天鐵路臥龍寺滑坡將鐵路向南推移110 m致鐵路廢棄［2］、南昆鐵路八渡滑坡治理增加近1億投資等案例［3］。上世紀(jì)修建的鐵路工程中類似失敗選線屢見不鮮，人們逐漸認(rèn)識(shí)到了地質(zhì)選線的重要性［4-6］。

鐵路工程橫向地形地質(zhì)條件的不同為線路走向提供了選擇的余地，因此產(chǎn)生了橫斷面選線的概念。朱穎［7］提出了“地質(zhì)選線、重大工程優(yōu)先選址、環(huán)保選線、規(guī)劃選線、資源選線、橫斷面選線”六位一體的選線理念，認(rèn)為在“地面橫坡較陡”時(shí)應(yīng)采用橫斷面選線；高傳東等［8］認(rèn)為橫斷面選線技術(shù)適用在地形復(fù)雜和不良地質(zhì)地段；目前，學(xué)界普遍認(rèn)為采用橫斷面選線技術(shù)可使線路在左右短距離內(nèi)的工程建設(shè)條件明顯改善，但現(xiàn)有研究中并未充分考慮地質(zhì)條件的影響，具體適用條件并未提及，相關(guān)的工程支撐案例也罕有見刊。由此可見，如何將地質(zhì)選線和橫斷面選線充分結(jié)合仍需進(jìn)一步深化理論研究。

線路選線論證時(shí)，線路工程師在地形復(fù)雜地段考慮采用橫斷面選線技術(shù)，在地形橫坡較陡地段為避免高陡路塹、高路堤、隧道進(jìn)口嚴(yán)重偏壓等問題進(jìn)行橫斷面控制，從而確定最佳工程設(shè)置。然而，以上方法忽略了“地質(zhì)橫向變化較大地段”，對(duì)地質(zhì)因素考慮不夠，存在一定的局限性。地質(zhì)工程師主要側(cè)重于平面選線，地質(zhì)選線基本工作步驟是由地質(zhì)工程師在1∶2 000～1∶10 000等小比例尺平面圖上標(biāo)注出不良地質(zhì)界限和類型、給出穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果和比選意見，然后由線路工程師結(jié)合地形、地物、地方規(guī)劃、環(huán)保、資源等其它因素綜合確定線路方案。此類方案在多數(shù)情況下效果明顯，但當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件橫向變化較快時(shí)往往存在考慮不足的情況，導(dǎo)致后期工程風(fēng)險(xiǎn)和投資增加。由此可見，由于專業(yè)思維習(xí)慣的不同，橫斷面選線對(duì)地質(zhì)條件沒有充分考慮，進(jìn)而導(dǎo)致部分地質(zhì)橫向變化較大地段選線不夠細(xì)致。因此，在地質(zhì)選線工程實(shí)踐中仍需加強(qiáng)橫向地質(zhì)條件的對(duì)比分析。

為將橫斷面選線和地質(zhì)選線充分結(jié)合，本文提出了地質(zhì)橫斷面選線的定義，并通過一系列工程實(shí)例來證明地質(zhì)橫斷面選線重點(diǎn)適用地段和工作方法的合理性。

1 地質(zhì)橫斷面選線的重點(diǎn)適用地段

地質(zhì)橫斷面選線的定義為：橫斷面選線除了適用在“地面橫坡較陡地段”外，亦適用在“地質(zhì)橫向變化較大地段”，在地質(zhì)條件橫向變化大甚至有突變的地段。具體方法為：首先，在平面圖上選出控制性橫斷面，經(jīng)調(diào)查和勘探后填繪大比例尺（1∶500，1∶200）地質(zhì)橫斷面，對(duì)比分析橫向地質(zhì)條件的差異，優(yōu)選橫向地質(zhì)條件較好地段設(shè)置合理的工程，再交由設(shè)計(jì)專業(yè)結(jié)合其它條件選出最優(yōu)方案。地質(zhì)橫斷面選線技術(shù)適用于地形橫坡較陡地段以及地質(zhì)橫向變化較大地段。

1.1 地質(zhì)構(gòu)造線與線路平行或小角度相交地段

地質(zhì)構(gòu)造線主要指區(qū)域性構(gòu)造在地面上的延伸線，如褶皺軸跡、大的斷層線、巖層走向線、區(qū)域性片理或劈理的走向線等。當(dāng)鐵路工程沿著構(gòu)造線行進(jìn)時(shí)，線路可能長距離壓著地層界線、巖性分界線、斷層界線行進(jìn)。當(dāng)界線兩側(cè)存在顯著差異的工程地質(zhì)條件，如可溶巖和非可溶巖界線，煤系地層與非煤系地層界線，斷層上下盤等，充分考慮構(gòu)造線兩側(cè)的地質(zhì)條件差異、開展地質(zhì)橫斷面選線意義重大。橫斷面控制可使鐵路工程避開斷層破碎帶、可溶巖和非可溶巖的接觸帶等不利情況，優(yōu)選硬質(zhì)巖、非可溶巖、非煤系地層、斷層下盤、隔水地層等地段通過，進(jìn)而達(dá)到降低工程造價(jià)，減輕工程風(fēng)險(xiǎn)的效果。

1.2 順河沿溪和橫坡較陡地段

當(dāng)線路順著河流、溪溝行進(jìn)時(shí)，橫向可能跨越不同的微地貌單位，坡腳通常存在較厚的土層且地下水豐富，而斜坡上往往覆蓋層較薄且地下水貧乏。當(dāng)填方工程放坡至坡腳時(shí)往往存在滑移失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)，橫斷面控制采取內(nèi)移或下?lián)跏掌碌姆绞娇上こ袒嘛L(fēng)險(xiǎn)。另外，坡腳線兩側(cè)地質(zhì)條件差異大，溝谷中常年積水存在軟土，而坡麓地段多為旱地，地質(zhì)橫斷面控制可減少軟土處理工程。

1.3 順層地段

受線路走向、站位選址等因素控制，線路不可避免地需通過順層段落，順層邊坡開挖常會(huì)發(fā)生較大規(guī)模的工程滑坡。對(duì)地形和地質(zhì)條件充分研究，對(duì)挖方最大的橫斷面進(jìn)行分析，采用線路適當(dāng)外移消除挖方或最大限度降低挖方高度等方案，可有效降低工程滑坡風(fēng)險(xiǎn)。另外，若線路通過段存在既有地下工程時(shí)，新建的隧洞存在順層偏壓，極有可能影響既有硐室。地質(zhì)橫斷面分析可使工程設(shè)置避讓既有工程的塌落拱范圍，從而達(dá)到降低工程風(fēng)險(xiǎn)的目的。

1.4 滑坡、巖堆、采空區(qū)等不良地質(zhì)路段

線路首先應(yīng)繞避這些不良地質(zhì)路段，當(dāng)線路必須通過上述不良地質(zhì)地段時(shí)，需進(jìn)行橫斷面控制使線路在影響最小的地段以合理的工程形式通過，如通過滑坡和巖堆時(shí)采取“前緣加載，后緣減載”來降低工程滑坡風(fēng)險(xiǎn)、通過采空區(qū)時(shí)應(yīng)避開“冒落帶”以降低工程塌陷的風(fēng)險(xiǎn)。

1.5 并行既有道路工程地段

既有工程一般走行于最優(yōu)側(cè)段，也可能存在一些施工教訓(xùn)，在這些地段地質(zhì)橫斷面選線技術(shù)可得到大量使用。筆者在渝懷二線工作期間，通過橫斷面選線提出了多達(dá)26段改線建議。其中，秀山段圈馬隧道最為典型，既有鐵路揭示每公里至少有2～3處巖溶大廳，增建二線由于開展地質(zhì)橫斷面選線，盡管和既有鐵路相距不足100 m，但施工期間僅揭示3處小型溶洞，其成功經(jīng)驗(yàn)值得借鑒。

2 地質(zhì)橫斷面選線的工作步驟

地質(zhì)橫斷面選線的工作步驟為：

（1）選擇控制性橫斷面。通過綜合分析，選擇地質(zhì)橫向變化可能對(duì)選線有影響的地段，比如線路和可溶巖界線最近的地段、順層挖方最高地段和順河地段最靠近河谷的斷面。為了不遺漏，應(yīng)盡量多做幾個(gè)橫斷面進(jìn)行控制。

（2）填繪地質(zhì)斷面。根據(jù)外業(yè)調(diào)查情況繪制地質(zhì)剖面，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行鉆孔控制。

（3）分析地質(zhì)條件在橫向的優(yōu)劣。通過綜合勘察資料，分析橫向地質(zhì)條件，在平面圖上投影出不安全和安全位置的分界線。

（4）綜合比選。將地質(zhì)橫斷面分析成果交由線路專業(yè)，并結(jié)合其它控制性條件綜合確定最優(yōu)方案。

3 工程實(shí)例

為進(jìn)一步說明地質(zhì)橫斷面的重要性、地質(zhì)橫斷面選線的重點(diǎn)適用地段和工作步驟，通過渝懷增建二線3個(gè)典型工點(diǎn)進(jìn)行說明。

3.1 渝懷增建二線圈馬隧道段順構(gòu)造線段地質(zhì)選線

3.1.1 地質(zhì)概況

溶蝕丘陵谷地地貌，地面高程480～610 m，地勢(shì)較為平緩。下伏寒武系中統(tǒng)平井組（∈2p）白云巖、高臺(tái)組（∈2g）泥質(zhì)白云巖、白云巖夾頁巖、寒武系下統(tǒng)清虛洞組（∈1q）灰?guī)r、杷榔組（∈1p）頁巖，各地層間均呈整合接觸關(guān)系。隧道位于上硐背斜SE冀，背斜軸部伴隨斷層發(fā)育，巖層以單斜形式產(chǎn)出，層理產(chǎn)狀為：N5～27°E／55～85°SE，線路走向和巖層走向基本一致。

3.1.2 控制性地質(zhì)問題

不良地質(zhì)主要為巖溶，其中清虛洞組（∈1q）厚層質(zhì)純灰?guī)r中巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，高臺(tái)組（∈2g）和平井組（∈2p）由于巖性較雜，巖溶弱發(fā)育，杷榔組（∈1p）為非可溶巖。既有線圈馬隧道和新建圈馬隧道走向基本一致，全長1 453 m，最大埋深117 m，由于線路基本穿越巖溶強(qiáng)烈發(fā)育的清虛洞組（∈1q）厚層質(zhì)純灰?guī)r，施工中揭示巖溶極發(fā)育。相關(guān)設(shè)計(jì)方案共發(fā)生30余次變更，并在線路兩側(cè)增設(shè)2條泄水洞，地質(zhì)條件極差。

3.1.3 方案研究

選線中比選了3個(gè)線路方案，分別為右線方案、左側(cè)方案一和左側(cè)方案二，均順著構(gòu)造線行進(jìn)，和既有鐵路走向一致。右線方案主要穿越清虛洞組質(zhì)純灰?guī)r地層，隧道專業(yè)認(rèn)為既有鐵路施工中增設(shè)的泄水洞位于左側(cè)，地下水流向?yàn)橛勺笾劣?，因此隧址?yīng)選擇在右側(cè)，這樣可充分利用既有鐵路泄水洞截排地下水；左側(cè)方案一同樣穿越清虛洞組質(zhì)純灰?guī)r地層，為線路專業(yè)主推方案，主要優(yōu)點(diǎn)是線路直順，借鑒既有鐵路施工經(jīng)驗(yàn)可以有效應(yīng)對(duì)巖溶風(fēng)險(xiǎn)；地質(zhì)專業(yè)經(jīng)詳細(xì)調(diào)查后發(fā)現(xiàn)在既有鐵路左側(cè)60～100 m外分布巖溶弱發(fā)育的高臺(tái)組（∈2g）地層，因此提出了左側(cè)方案二。代表性橫斷面示意圖如圖1所示。

3.1.4 方案比選結(jié)論

由方案綜合比選結(jié)果可知：（1）右線方案行進(jìn)于巖溶強(qiáng)烈發(fā)育的清虛洞組中，且緊靠上硐背斜和上硐斷層，地質(zhì)條件最差；（2）左側(cè)方案一行進(jìn)于巖溶強(qiáng)烈發(fā)育的清虛洞組中，和既有線地質(zhì)條件類似，施工開挖將會(huì)揭示大量巖溶現(xiàn)象；（3）左側(cè)方案二避開了巖溶發(fā)育區(qū)、斷層、背斜核部、可溶巖和非可溶巖的接觸帶，工程地質(zhì)條件相對(duì)最優(yōu)。

綜合以上比選結(jié)果和其他控制條件后，選定左側(cè)方案二為最終推薦方案，該隧道施工中僅揭示3處小溶洞，較既有鐵路優(yōu)化較大，節(jié)省了投資，保證了安全。

3.2 渝懷增建二線K502 + 700桃映車站順河行進(jìn)段地質(zhì)選線

3.2.1 地質(zhì)概況

測(cè)區(qū)為中低山河谷地貌，行進(jìn)在翁達(dá)河左岸，地形左高右低，起伏較大。河谷地帶上覆軟塑狀粉質(zhì)粘土和卵石土，總厚度一般3～12 m，丘坡地帶覆土薄，下伏基巖為砂質(zhì)板巖。

3.2.2 控制性地質(zhì)問題

主要地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)為填方工程易沿著原地面或土石界面產(chǎn)生工程滑坡；另外，河谷地段表層分布1～4 m厚的松軟土。

3.2.3 方案研究

既有車站左側(cè)緊靠山體，增建二線只能在線路右側(cè)設(shè)站，線路只能在河谷側(cè)小范圍通過，場(chǎng)地非常狹窄。選線期間研究了3組方案，分別為方案一（放坡）、方案一（樁基托梁）和方案二。其中方案一為路基方案，和既有線完全并行，線間距5.3 m；方案二為繞行方案，順著線路右側(cè)河谷行進(jìn)，部分站位設(shè)在橋上。為選出最優(yōu)線路方案，按5 m填繪1根地質(zhì)橫斷面進(jìn)行控制，最不利斷面如圖2所示。

圖2 桃映車站最不利工程地質(zhì)橫斷面示意圖

3.2.4 方案比選結(jié)論

由方案比選結(jié)果可知：（1）方案一（樁基托梁）利用實(shí)體擋墻收坡，有效防止了工程滑坡風(fēng)險(xiǎn)，且規(guī)避了河流沖刷作用，地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)最小；（2）方案二沿著河床行進(jìn)，橋梁長度較其余方案多120 m，部分地段需處理表層松軟土，工程投資最大，地質(zhì)條件次之；（3）方案一（放坡）在近200 m長度范圍內(nèi)沿著翁達(dá)河右岸行進(jìn)，坡腳存在松軟土，斜坡穩(wěn)定性差，河流沖刷作用強(qiáng)烈，坍岸問題嚴(yán)重，地質(zhì)條件最差。經(jīng)過綜合比選，推薦方案一（放坡）為最終方案。

3.3 渝懷增建二線K583 + 700順層工點(diǎn)地質(zhì)選線

3.3.1 地質(zhì)概況

丘陵地貌，下伏地層為白堊系紫紅色泥質(zhì)砂巖，巖層產(chǎn)狀為N50°W／20°NE，傾向線路左側(cè)，右側(cè)山體順層，視傾角為20°。

3.3.2 方案研究

選線期間共研究了3個(gè)方案，其中C1K并行既有鐵路方案最為順直，主要在既有鐵路左側(cè)以隧道通過；C2K路塹方案在既有鐵路的基礎(chǔ)上向左側(cè)偏移約70 m，主要以路塹方式通過；K線方案向在既有鐵路的基礎(chǔ)上向左側(cè)偏移約70 m，主要以填方通過，局部為挖方。選線過程中按20 m1根地質(zhì)橫斷面進(jìn)行控制，最不利斷面如圖3所示。

圖3 最不利順層位置工程地質(zhì)橫斷面示意圖

3.3.3 控制性地質(zhì)問題

主要工程地質(zhì)問題為順層，施工開挖極易引起大面積的工程滑坡，也可能影響既有線安全。

3.3.4 方案比選結(jié)論

方案比選結(jié)果表明：（1）C1K并行既有鐵路方案和既有鐵路相距太近，右側(cè)存在順層偏壓，施工可能導(dǎo)致既有線變形開裂，安全風(fēng)險(xiǎn)最大；（2）C2K路塹方案邊坡高度達(dá)25 m以上，且為軟質(zhì)巖順層邊坡，施工極易導(dǎo)致工程滑坡；（3）K線方案雖繞行遠(yuǎn)，但避開了順層邊坡，亦保證了二線施工對(duì)既有線無影響，且無其它病害問題。最終，經(jīng)綜合比選后，以K線方案作為推薦方案。

4 結(jié)論

本文總結(jié)了地質(zhì)橫斷面選線適用地段和工作方法，并通過具體案例進(jìn)行說明，得出以下主要結(jié)論：

（1）地質(zhì)橫斷面選線技術(shù)主要應(yīng)用在地質(zhì)界面橫坡較陡地段，具體包括：構(gòu)造線與線路平行或小角度相交地段、順河沿溪和橫坡較陡地段、順層地段、滑坡、巖堆、采空區(qū)等不良地質(zhì)路段和并行既有道路工程地段。

（2）地質(zhì)橫斷面選線的基本工作步驟為：在平面上分析選出最不利斷面，在精細(xì)勘察的基礎(chǔ)上填繪地質(zhì)斷面，分析地質(zhì)條件橫向優(yōu)劣，使線路優(yōu)選地質(zhì)條件較好地段通過。

（3）工程實(shí)踐證明地質(zhì)橫斷面選線可使工程設(shè)置的合理性、經(jīng)濟(jì)性和安全性進(jìn)一步提高。