新建銀西鐵路黃土溝壑區工程地質選線

張 哲

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,陜西西安 710043)

本線起點位于西安北站,終點為銀川站,線路整體近南北走向,全長約600 km。其中,慶城至彬縣段為一次新建雙線,長約140 km；鐵路等級為客運專線。

主要研究慶城—彬縣段經董志塬下至涇河的區域方案比選。該區域行政劃分為新莊鎮,隸屬慶陽市寧縣。該區域為董志塬邊緣處,地處黃土溝壑區,地層條件相對簡單,但塬邊大型黃土沖溝發育,沖溝中又普遍發育黃土滑坡等不良地質,成為該區域線路方案選擇的主要控制因素。在選線過程中,地質工作力求從工程地質的角度出發,在進行詳細的地質調查后,了解了該區域黃土滑坡的規模及影響,并充分總結分析了調查成果,掌握了黃土滑坡的形成機理及分布規律。在充分考慮黃土滑坡對鐵路安全影響的基礎上,盡可能兼顧鐵路造價,減少鐵路投資。經充分的技術和經濟比較,線路最終選擇CK(塬上長隧道相接)方案,該方案不僅避開了溝壑區的大量黃土滑坡,消除了此段黃土滑坡對鐵路運營安全的影響,而且還考慮了鐵路施工時可能發生的安全問題,減少了隱性投資。

1 地質環境特征

1.1 地貌特征

該區域大的地貌單元屬于甘肅董志塬黃土溝壑區,地形總趨勢為塬中部高,兩側低,從北部環江河谷區經黃土溝壑梁峁區,過渡到中部黃土塬區,再下塬經黃土溝壑梁峁區進入涇河河谷區。西峰區為為此段最高點,北有環江,南有涇河,西有蒲河,東有馬蓮河,將整個董志塬圍住,塬面平坦開闊,緣邊多黃土沖溝,黃土滑坡發育。

該區域的地貌特征為黃土覆蓋層厚度由塬中部至塬邊逐漸變薄,地面高程亦隨之降,地面向涇河傾斜；地表植被不發育,多為耕地,房屋零星散落；黃土沖溝極發育,呈雞爪狀分布在黃土塬邊,沖溝中游分布大量黃土滑坡,沖溝溝深由上游至下游逐漸加深,沖溝下游溝底白堊系基巖出露,調查時沖溝內普遍無水。

1.2 地層巖性

該區域地表多被厚層的第四系上更新統風積黃土覆蓋，塬中部厚兩側薄,厚約5～15 m,普遍為黏質黃土,淡黃色,底部常見1～3 m棕紅色古土壤層,土質均勻,具大孔隙結構,堅硬,具濕陷性,溝心兩側塬面場地類型為自重濕陷,濕陷等級Ⅲ～Ⅳ級,濕陷土層深度10～15 m。其下部為巨厚層第四系中更新統風積黃土，淡黃色、棕紅色,厚度大于50 m,土質較均,夾多層古土壤層,古土壤中含少量白色鈣質菌絲,其底部常見姜石層,堅硬—硬塑。黃土層下部局部分布有上第三系紅黏土。下伏基巖主要為白堊系下統的砂巖夾頁巖，灰綠、紫紅色、灰色等,粉細粒結構,泥質膠結,層狀構造,層理發育,節理較發育,局部夾薄層狀泥頁巖。巖層產狀水平，強風化,厚1～3 m。

該區域各方案都走行在黃土地層中,巖性較為單一,圍巖級別Ⅳ～Ⅴ級。

1.3 地質構造

本段線路位于中朝準地臺的陜甘寧臺坳西南部,南以乾縣—富平斷裂為界,與汾渭地塹相連,西以牛首山-固原斷裂為界,與鄂爾多斯臺緣褶皺帶相鄰,白堊系為基底巖層,產狀水平為主,少有褶皺和斷裂發育,未見巖漿侵入活動。

1.4 水文地質特征

該區域地表水不發育,各條沖溝調查時普遍無水。根據鉆孔資料可知,地下水主要為第四系孔隙潛水,水量微小,埋深一般大于70 m,主要受大氣降水補給。根據地下水水質報告分析,該區域地下水質良好,對圬工無侵蝕性。

1.5 氣候特征

據慶陽市寧縣氣象站氣象資料,該區域位于暖溫帶半干旱氣候區,地處西北內陸,屬大陸型氣候,四季分明,春遲夏短,秋早冬長,晝夜溫差大,雨雪稀少,蒸發強烈,氣候干燥,風大沙多。年平均降水量524 mm,年最大降水量827.7 mm,年平均降水天數96.1天。由降水量來看,雖該區域位于大的半干旱氣候區,但年降水量大于400 mm,氣候較濕潤,夏季雨水較多,為黃土滑坡的產生提供了條件。

2 黃土滑坡的產生機理及分布特征

該區域不良地質主要以黃土滑坡為主,黃土滑坡主要分布在黃土沖溝兩岸,成片分布,鐵路要經過這些沖溝下塬至涇河,因此黃土滑坡是控制線路走向的關鍵因素。通過現場調查,研究區域資料及相關案例,了解了黃土滑坡產生的機理,并掌握了該區域黃土滑坡分布的規律及特征。

2.1 黃土滑坡的產生機理

黃土滑坡產生的機理,主要由以下三個主要因素構成。

(1)重力作用

重力作用是黃土滑坡產生的內因,斜坡上的黃土由于自身重力產生重力勢能,沖溝切割越深,斜坡處的黃土堆積體積越大,重力勢能越高,這為黃土滑坡的形成提供了物質及能量來源。

(2)滑動面

根據勘探資料和黃土剖面調查,此區第四系黃土層堆積在產狀基本水平的白堊系基巖上,第四系上更新統黏質黃土(Q3)的厚度一般為5～10 m,中更新統風積黏質黃土(Q2)厚度一般大于60 m。Q3黃土結構疏松,多孔隙,垂直節理發育；Q2黃土結構較致密,可見垂直節理,含多層厚度3～5 m的紅色古土壤層,古土壤層黏粒含量高,具弱膨脹性,為第四系孔隙水的主要富水層,黃土的此種性質易產生滑動面。

(3)雨水

雨水對坡體穩定性影響主要表現在：雨水通過黃土垂直和側向滲透,坡體的孔隙水壓力增大、容重增加、基質吸力減小和產生擊打力。分析發現,斜坡變形破壞與年降雨量的季節變化明顯對應相關,其活動強度與降雨量大小呈滯后的正相關關系。在黃土滑坡的形成條件中,地下水的活動為斜坡變形破壞提供了十分重要的動力條件。地下水沿裂隙面下滲并常在溝谷底部溢出,改變了斜坡的水文地質條件,一方面增加了斜坡土體的重量,對不穩定土體產生靜水壓力或動水壓力及向上的浮托力；另一方面降低了斜坡體中軟弱結構面的抗剪強度,并起著溶解、沖刷的作用,使不穩定土體和穩定土體之間的側向摩擦力減小,降低了黃土斜坡土體的穩定性。

地震、人為破壞植被也是誘發黃土滑坡等發生的外界因素。

黃土滑坡的產生便是以上因素共同作用的結果。產生的過程是由點到線、由線至面,首先是由于沖溝兩側靠近溝邊的位置雨水通過黃土的垂直節理下滲到古土壤層中,水在古土壤層中一部分沿著層面向溝邊滲流,一部分富含在土層中,還有一部分由古土壤層的某一不利點繼續下滲,隨著連通點一步步向溝邊推移,最終點連成了線。當線匯集成了面,黃土滑坡便產生了(如圖1所示)。

圖1 滑動面與雨水滲流方向關系

2.2 黃土滑坡的分布特征

該區域黃土滑坡主要發育在沖溝的中游,上游及下游黃土滑坡不發育。具體分布見圖2。

圖2 新莊地區黃土滑坡分布

產生此種分布規律的原因在于,沖溝上游部分由于沖溝切割較淺,缺乏黃土物質,兩側黃土不具備充足的重力勢能,亦不易形成較大的滑動面,；下游處下部基巖出露,由于基巖產狀水平,不易形成完整的滑動面。下面通過沖溝的不同段落描述黃土斜坡的穩定性。

(1)沖溝上游

由圖3可知,在沖溝上游及溝頭部分,黃土斜坡坡度陡直,易產生黃土沿垂直節理產生剝離現象,屬沖溝不斷侵蝕塬面的基本過程,但沖溝沖刷不深,且溝底較狹窄,使滑動面無法從斜坡上貫通,下部土層有持力性,很難形成較大的黃土滑坡。CK方案由此處通過,繞避了黃土滑坡,使線路大部分行走在靠近黃土塬中部的地域,雖然增加了長隧道的數量及長度,但保證了線路的安全。

圖3 沖溝上游黃土邊坡滑動示意

(2)沖溝中游

圖4 沖溝中游黃土邊坡滑動示意

由圖4可知,在沖溝中游部分,黃土層覆蓋較厚,且沖溝切割較深,易形成貫通的滑動面,產生黃土滑坡。現場滑過后的黃土滑坡坡面較緩,中部隆起,積存了大量的黃土物質,對鐵路隧道的洞門影響很大,屬于不穩定邊坡,需要處理。C22K方案由此處通過,隧道進出口多位于黃土滑坡處,雖然該方案主要由短隧道與橋相連,且運營里程最短,節省了工程投資,但滑坡的處理費用尚未確定,且處理后的邊坡穩定性不能得到確實的保證。

(3)沖溝下游

由圖5可知,在沖溝下游部分,黃土斜坡坡度陡直,但黃土覆蓋層不厚,下伏產狀水平的白堊系基巖。當滑動面切于基巖時,無法繼續延伸至斜坡外部,滑動面無法連通,故無法形成規模較大的黃土滑坡。雨季時,易沿坡面形成滑坍溜泥。C23K方案通過此處,此方案雖繞避了大量的黃土滑坡,且運營里程也相對較短,隧道長度較短,節省投資,但該方案隧道絕大部分走行于第四系黃土與白堊系基巖的分界面處。根據慶陽市水利局的調查資料,該處地下水主要為基巖裂隙水,水量豐富,對將來隧道的施工及運營安全有不利影響。

圖5 沖溝下游黃土邊坡滑動示意

3 線路方案選擇

本線初測階段重點研究了塬上長隧道CK方案、塬邊短隧道群C22K方案及沿涇河邊行走的C23K方案。通過鉆探及外業調繪,查清了本區區域的地層情況，發現原設計塬邊短隧道群方案的洞口處理黃土滑坡的費用高,且無法保證處理后的洞口不會受到降雨的影響而產生次生的黃土滑坡,不能避免洞口邊坡失穩,鐵路安全難以保證；后又研究了沿涇河方案,該方案雖繞避了黃土滑坡,但大部分隧道高程剛好處于第四系黃土與白堊系基巖的分界面處,該接觸面一般富水,對隧道影響較大,施工過程中易產生不良隱患,影響施工安全；經綜合權衡，最終放棄了C22K及C23K方案,選擇了通過這一區域的CK方案。

3.1 塬邊短隧道群方案(C22K)

該方方案優點：新建線路此區域段內初步估計的工程投資最少(不含黃土滑坡處理費用),鐵路的結構形式主要為橋隧相接,短隧道多,易于施工。

但經過現場調查后發現,該方案穿過的數條沖溝中,黃土滑坡普遍發育,有多處位于隧道進出口,預估處理費用較高,且該區域位于涇河附近,夏季多雨,工程處理后的洞口穩定性無法保證,更難以保證鐵路的安全運營,會給鐵路運行留下無法估量的安全隱患。

3.2 沿涇河方案(C23K)

該方案基本繞避了大量的黃土滑坡,走到了沖溝的下游,靠近涇河。該方案的優點：繞避黃土滑坡后的運營距離較短,隧道長度適中,初步估算工程投資也較省(未考慮隧道措施級別),主要為橋隧相連。

該方案隧道大部分走行于第四系黃土與白堊系基巖的分界面處,地下水較豐富,對隧道施工影響較大,若隧道支護措施級別提高會鐵路造價提高；且隧道進出口處,黃土斜坡面積大、黃土物質較多,開挖后隧道進出口的穩定性存在一定隱患,加之該區域雨水較多,隧道洞口開挖后易形成次生黃土滑坡,會給鐵路的施工及運營安全帶來威脅。

綜合考慮,該方案隱性威脅較大,且隧道施工開挖后的支護措施的變更無法估計,會給鐵路造價及安全留下隱患,不是最好的選擇。

3.3 塬上長隧道方案(CK)

在研究了以上兩個方案后,結合該區域的黃土滑坡發育的規律及地層、地貌特性,選擇塬上長隧道方案。該方案此區域內運營距離較長,長隧道較多,造價相對較高,但不會產生額外的附加費用。各隧道進出口的地質條件良好,沖溝沖刷較淺且靠近溝頭,交通便利,易于施工。且該方案隧道主要走行于第四系黃土中,地層穩定,且根據鉆孔資料得知,黃土地層中地下水不發育,對隧道施工影響較小,并能保證鐵路的運營安全。

綜上所述,在保證鐵路施工、運營安全的前提下,選擇了CK方案作為最后的貫通方案。

4 黃土溝壑區地質選線的認識

應查明黃土溝壑區的地層結構,地層巖性等特點,通過現場調查和勘探點,查明黃土的力學性質及地下水情況。

對于黃土滑坡發育地段,應以安全為第一,使鐵路走在最為安全的通道上,不能懷有僥幸心理,將線路擺在不良地段。

該區域位于涇河邊,氣候濕潤,降水較多,所以黃土滑坡較發育,對于降水較少的地區,黃土滑坡發育程度較低。

董志塬地區下伏白堊系基巖,該套基巖地層水平產狀,對黃土滑坡的產生無太大影響；若遇基巖產狀傾角較大的黃土地區,沖溝兩側黃土斜坡易沿基巖面滑動產生黃土滑坡。

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