西安至十堰高速鐵路主要工程地質問題及防治對策

楊南輝

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

西安至十堰高速鐵路是西武高速鐵路的重要組成部分，目標速度350 km/h，線路建成后“古都西安”到“江城武漢”最快只需2 h。線路起于關中平原的西安市，經商洛進入鄂西北地區，接入十堰北站，與已開工建設的武漢至十堰高速鐵路對接。通過高速鐵路連接關中城市圈和武漢城市圈，對促進陜鄂經濟具有重要的意義。西安至十堰高速鐵路呈西北-東南向穿過陜鄂兩省境內的秦嶺山脈。秦嶺山脈平均高程約692 m，最大高程達 1 350 m，最小高程325 m，為長江、黃河兩大水系分水嶺。秦嶺以南降雨匯入長江支流嘉陵江、漢江，秦嶺以北降水流入黃河支流渭河，地形陡峻，南北向支流、沖溝較發育。

線路沿線受區域深大斷裂控制，地質構造發育，地層巖性復雜多變，沿線分布大量不良地質。藍田西北為渭河盆地，地勢較平坦開闊，但山前黃土塬周緣地勢陡峭，不良地質極發育，嚴重影響線路走向。藍田至鄖西為秦嶺中山區，山高谷深，局部線路與區域性深大斷裂走向基本一致，且滑坡等重力地質災害發育[1]。

1 工程地質特征

線路整體由西北向東南傾斜，西安市至藍田縣段位于渭河斷陷盆地，藍田縣至山陽縣段屬于秦嶺中山區，山陽縣至鄖西縣段屬于秦嶺南麓低山區，鄖西縣至十堰市段位于秦嶺南麓及武當山北坡低山丘陵區。

線路沿線地層巖性復雜多變，以變質巖為主。西安市至藍田縣段的渭河斷陷盆地上部以第四系松散層為主，下伏新近系泥巖、砂巖。藍田縣至鄖西縣段的秦嶺中低山區地層巖性主要為古近系、白堊系沉積巖，志留系、奧陶系、寒武系、震旦系、中元古界變質巖，燕山期、印支期侵入巖。鄖西縣至十堰市段的秦嶺南麓及武當山北坡低山丘陵區，地層巖性主要為第四系松散層，基巖主要為古近系沉積巖，震旦系、中元古界變質巖等。

線路沿線地質構造復雜，跨越中朝準地臺和秦嶺褶皺系兩大構造單元，東南與揚子準地臺毗鄰。涉及的二級構造單元有汾渭斷陷、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，斷裂非常發育。經統計，與線路相關的深大斷裂共有7條，且小斷裂密布。斷裂構造以東西向為主，其次為北東向和北西向。東西向斷層早期在南北向古構造應力場的長期持續作用下，主要表現為壓性或壓扭性，具有切割深度大、延伸長的特點，并有較寬的斷層破碎帶。斷裂帶物質主要由碎裂巖、糜棱巖、斷層角礫、斷層泥礫等構造巖組成。7條深大斷裂分布及特征分別見圖1、表1。

線路橫跨黃河、長江兩大水系的分水嶺秦嶺。嶺北的渭河、浐河、灞河及其支流屬黃河水系。嶺南的丹江、漢江及其支流屬長江水系，主要受大氣降水補給，水量豐富。地下水類型主要為第四系孔隙水、基巖裂隙水、構造裂隙水及巖溶裂隙水，補給主要來自大氣降水及地表水。

圖1 線路沿線深大斷裂分布

表1 線路沿線深大斷裂特征

2 特殊巖土

線路沿線的特殊巖土主要包括濕陷性黃土、冰水沉積層、膨脹巖土、軟土及松軟土等。

2.1 濕陷性黃土

秦嶺以北的渭河盆地廣泛分布有黃土，多具自重濕陷性或非自重濕陷性，濕陷土層厚度5～20 m，濕陷等級Ⅰ～Ⅳ級[2]。分布有濕陷性黃土的地段，沖溝、陷穴發育，易造成邊坡失穩、路基沉陷，為路基、橋梁等工程造成隱患，工程地質條件差。

2.2 冰水沉積層

主要分布于秦嶺北側山前的藍田縣至厚子鎮一帶，厚10～30 m，主要由漂石土組成，漂石成分以花崗巖、片麻巖、石英巖等為主。石英巖巖質堅硬，花崗巖、片麻巖多已風化為碎塊狀、粒狀或散砂狀，軟硬不均；充填物分選性差，結構疏松，飽和。漂石土易沿含水軟弱夾層產生斜坡變形，工程地質條件差。

2.3 膨脹巖土

沿線新近系、古近系、白堊系泥巖以及商洛附近的第四系膨脹土，具弱-中等膨脹性。該類巖土含有蒙脫石、水云母等，脹縮性大，易風化剝落，遇水易崩解，是路塹開挖產生邊坡變形的主要原因之一。

2.4 軟土

主要分布于渭河盆地各大河流及其支溝溝床、丹江及其支流河床和一級階地，由于地下水位較高，滲出后浸泡地表土，使土體呈軟塑狀，厚度在1～5 m。

2.5 松軟土

沿線地表的黃土、粉質黏土多為地表耕植土。厚度1～5 m，結構松散，承載力偏低，路基需要處理。

3 不良地質

線路穿越東秦嶺，地質構造復雜，內、外動力地質作用強烈。加之人類活動頻繁，產生了典型的山區工程地質問題，如滑坡、錯落、崩塌、巖堆、危巖落石、泥石流、巖溶、地震液化、有害氣體、地裂縫等。

3.1 重力地質災害

重力地質災害是控制線路方案的重要因素，包括滑坡、錯落、崩塌、巖堆、危巖落石、泥石流等，廣泛分布于線路沿線[3]。其中白鹿塬、秦嶺山脈山前地帶及秦嶺山脈斜坡地段是重力地質災害嚴重發育地區(見圖2)。

圖2 線路沿線重力地質災害分布

白鹿塬位于西安市與藍田縣之間，塬頂面與塬邊河谷高差達100 m，塬邊斜坡陡峻，加之受新地質構造運動的影響，塬邊新、老滑坡極其發育，為滑坡、崩塌等重力地質災害嚴重發育地帶[4]。秦嶺山脈山前地帶及秦嶺山脈巖體受構造活動影響很嚴重，軟弱破碎，風化嚴重，因而殘、坡積層發育，殘、坡積土層在水流、地震、人類工程活動等綜合作用下，極易沿下伏基巖面產生滑動[5]。秦嶺中低山區斜坡地帶基巖陡坎附近，巖體受構造影響很嚴重，穩定性差，在斜坡陡坎坡腳，多有崩落體堆積[6]。泥石流主要分布于秦嶺北坡山前地帶及秦嶺中低山區各沖溝內[7-8]。

經統計，線路沿線寬度約10 km的帶狀范圍內重力地質災害總數為 1 462 處。其中西安市62處、藍田縣295處、商洛市447處、山陽縣306處、丹鳳縣228處、鄖西縣113處、鄖縣11處。線路沿線各縣市重力地質災害密度見圖3[9-10]。

圖3 線路沿線各縣市重力地質災害密度

3.2 巖溶

線路沿線的寒武系、奧陶系、石炭系地層中的灰巖、白云巖均為可溶巖地層，主要分布于鎮安縣—山陽縣一線以南、白河縣—鄖西縣—鄖縣一線以北的廣大地區，藍田縣和柞水縣以東有零星分布(圖4)。野外調查可見大型溶洞及落水洞，基本為無水溶洞，有明顯的巖溶漏斗、巖溶洼地等喀斯特地貌。

圖4 線路沿線巖溶發育區分布

藍田至山陽段秦嶺中山區：主要分布于藍田縣—商南縣一線、柞水縣至商洛市之間的寒武系地層中。其中輞峪河溝口段巖溶相對不發育，輞峪河上游支溝川山溝右側輞川溶洞至藍橋河段巖溶發育。輞川的凌云洞為多層溶洞，深約520 m，直徑最大約15 m，高程為835～894 m。

山陽至十堰段低山及低山丘陵區：主要發育于山陽縣板巖鎮—商南縣汪家店鎮以南、鄖西縣香口鎮—鄖縣劉洞鎮以北的寒武系、奧陶系、石炭系灰巖地層中，寬約22～26 km，東西長度>120 km，多為中等巖溶發育區，屬裸露型。通過野外調查及物探手段發現，該地溶洞主要為大型溶洞及落水洞，基本無水，可見明顯的巖溶漏斗、巖溶洼地等喀斯特地貌[11]。

3.3 地震

陜西省關中盆地位于汾渭地塹地震帶，屬于高烈度地震區，地震活動較頻繁。1556年1月23日，陜西關中發生的華縣地震，震級8.3級，是中國歷史上破壞力最強的一次大地震，也是世界有歷史紀錄的地震中死亡人數最多的地震。1998年1月5日，陜西關中發生的4.8級涇陽地震是近場區儀器測定的最大地震。該地震也是關中乃至陜西省地震活動加強的標志。線路的西安市至藍田縣段位于關中盆地，其余路段未穿過主要地震區或地震帶，且有資料記錄的歷史地震較少。

根據GB 18306—2015《中國地震動峰值加速度區劃圖》，在Ⅱ類場地條件下線路的西安市至藍田縣段基本地震動峰值加速度為0.20g(相當于地震基本烈度為Ⅷ度)[12]；藍田縣至商洛市段的基本地震動峰值加速度為0.10g～0.15g(相當于地震基本烈度為Ⅶ度)；商洛市至十堰市段的基本地震動峰值加速度以0.05g(相當于地震基本烈度為Ⅵ度)為主，僅鄖西縣至十堰市段的部分線路通過基本地震動峰值加速度為0.10g的場地(圖5)[13]。

圖5 線路沿線地震動峰值加速度分布

地震主要引起2類災害：①直接災害，由于地震破壞作用導致鐵路工程建筑的破壞； ②次生災害，由地震引起的破壞間接導致鐵路工程建筑物破壞，如滑坡、崩塌落石、泥石流、地裂縫、地面塌陷、砂土液化、黃土震陷等[14]。根據計算結果，在Ⅷ度地震烈度作用下線路經過的浐河、灞河河漫灘和一級階地、一級和二級洪積湖積臺地、洪積扇地貌單元上均有可能發生地震液化；灞河二級階地和黃土塬前臺地可能發生輕微-嚴重震陷，其中黃土塬前二級臺地的飽和軟黃土區為黃土震陷嚴重發育區。

3.4 有害氣體

渭河盆地南緣斷裂帶以南、八渡—寶雞—鐵爐子—三要斷裂帶以北的線路分布有武陵期、燕山期花崗巖，太華群地層和面狀放射性異常區，推測該區域存在有害氣體。由于隧道穿行于其中，有害氣體對隧道施工影響較大。

3.5 西安市區地裂縫

西安市區地裂縫走向多為東北-西南方向，近似平行于長安—臨潼斷裂，傾向南，傾角70°～96°；紡織城站位方案涉及地裂縫，工程設置應以簡易工程通過，并采取相應的工程措施。

4 線路選線的重點、難點及對策

1)秦嶺北緣的白鹿塬周緣斜坡處滑坡成群分布，滑坡規模大，范圍廣，且滑體物質厚，邊坡穩定性極差。白鹿塬下部的新近系泥巖、砂巖，成巖作用差，結構松散，尤其是土石分界面處含水量大，呈散砂或流砂狀，工程性質極差。隧道工程通過該地層時易產生坍塌、突水突泥等重大施工風險，風險極大。因此，白鹿塬周緣滑坡群及其下部新近系泥巖、砂巖地層控制線路方案，選線時應繞避。

2)秦嶺山前藍田縣至厚子鎮一帶冰水沉積層廣泛分布。初測鉆探揭示，冰水沉積層厚約10～30 m，主要由漂石土組成，漂石成分以花崗巖、片麻巖、石英巖為主。其中石英巖巖質堅硬，花崗巖、片麻巖多已風化為碎塊狀、粒狀或散砂狀，軟硬不均。充填物分選性差，結構疏松，飽和。漂石土易沿含水軟弱夾層產生斜坡變形，工程地質條件差。線路方案宜繞避該區域，若必須通過時不宜設置隧道或深挖方等復雜工程，宜以簡易直線路基通過。

3)秦嶺中低山區地質構造發育，深大區域斷裂有12條，走向以近東西或北西為主，斷層破碎帶寬，巖性復雜，工程性質差，線路通過時易產生隧道塌方、突涌水等重大地質災害。故線路方案應避開深大斷裂帶或以大角度通過，同時應采取適當的工程措施，以確保工程安全。

4)線路沿線的山陽縣板巖鎮—商南縣汪家店鎮以南、鄖西縣香口鎮—鄖陽區劉洞鎮以北的寒武系、奧陶系、石炭系灰巖地層寬約22～26 km，東西長度>120 km，多為中等巖溶發育區，屬裸露型。初測調查及物探揭示主要為大型溶洞及落水洞，大多沒有水，可見明顯的巖溶漏斗、巖溶洼地等喀斯特地貌。線路應繞避巖溶強烈發育地帶、可溶巖與非可溶巖的接觸帶、構造發育帶等，通過巖溶地段時應盡量抬高標高，從巖溶區的垂直徑流帶通過。

5 結論

新建西安至十堰高速鐵路地質環境復雜，工程難度較大，具有典型復雜山區鐵路的特點，工程地質條件將對線路方案的選擇起到關鍵作用。本文針對研究區內典型的工程地質問題進行分析、歸納及總結。線路方案的選擇可參考以下原則：

1)對地形復雜、規模巨大、分布集中的不良地質地段，應盡量完全繞避。當不能完全避開時，宜以簡單的直線工程通過(選擇最有利地形等)。隧道進出口、橋梁墩臺及路基工程應避開斜坡不穩定、不良地質發育或可能發生重大地震次生災害的地段。

2)盡量繞避巖溶區或以最短距離穿越，對巖溶危害要避重就輕，以安全高度跨越巖溶區。

3)綜合考慮地質條件與地震，注意地震效應，盡量避讓地震及地震次生災害嚴重地段。

4)盡量避開斷裂帶，當無法繞避時應以大角度簡易工程通過斷裂。當線路走向與活動斷層近平行時，線路應避免沿壓扭性斷層上盤走行，選擇斷層下盤。線路經過斷裂帶時，少橋梁路基、多隧道，且盡量避免高墩、大跨及特殊結構橋跨越活動斷裂。

[1]中鐵第一勘察設計院集團有限公司.西安至十堰鐵路預可研報告[R].西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2016.

[2]趙文.渭南地區區域穩定性評價[J].鐵道工程學報,2012,29(12):26-31.

[3]樂重.鐵路綜合選線原則思考[J].高速鐵路技術,2015,6(3):54-58.

[4]王興國，何愛民，李文平,等.陜西省西安市長安區地質災害調查與區劃報告[R].西安: 陜西礦業開發工貿公司，2003.

[5]陜西工程勘察研究院.陜西省藍田縣地質災害詳細調查報告[R].西安: 陜西省地質調查院，2013.

[6]陜西省地質調查院.陜西省商洛市商州區地質災害詳細調查報告[R].西安: 陜西省地質調查院，2013.

[7]陳希民，王兆泉.陜西省丹鳳縣地質災害調查與區劃報告[R].西安: 核工業西北地質調查院，2002.

[8]金有生，任蒼智，張彥宏,等.陜西省丹鳳縣地質災害調查與區劃報告[R].西安: 核工業西北地質調查院，2002.

[9]徐紹宇，張桂坪，伍松,等.湖北省鄖西縣地質災害調查與區劃報告[R].武漢:湖北省地質環境總站，2003.

[10]徐紹宇，安建國，潘建華,等.湖北省鄖縣地質災害調查與區劃報告[R].武漢:湖北省地質環境總站，2003.

[11]湖北省地質環境總站咸寧市站.湖北省十堰市地質災害調查與區劃報告[R].武漢: 湖北省地質環境總站，2005.

[12]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB 18306—2015 中國地震動參數區劃圖[S].北京:中國標準出版社，2015.

[13]中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 50011—2010 建筑抗震設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社，2010.

[14]馬宗晉.中國自然災害和減災對策(之三)——我國的地震災害及其應對[J].防災科技學院學報,2007，9(1):1-5.