某高鐵工程地質(zhì)選線研究

巨小強(qiáng)

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

1 某高鐵線路特點(diǎn)

1.1 工程概況

某高速鐵路作為包海通道的重要組成部分，位于陜西關(guān)中及北部地區(qū)。線路自西安北站引出，向北經(jīng)西安市高陵區(qū)、閻良區(qū)，渭南市富平縣，銅川市耀州區(qū)、王益區(qū)、印臺(tái)區(qū)、宜君縣，延安市黃陵縣、洛川縣、富縣、甘泉縣，至本項(xiàng)目終點(diǎn)延安市寶塔區(qū)，線路正線全長(zhǎng)約290 km。

1.2 某高鐵的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

某高鐵為雙線高速鐵路，速度目標(biāo)值：350 km/h；最小曲線半徑：一般7 000 m，困難5 500 m。最大坡度：20‰，個(gè)別25‰。到發(fā)線有效長(zhǎng)度650 m，部分450 m[1]。

1.3 某高鐵的線路走向選擇

(1)西安至銅川段線路走向主要受控于引入西安樞紐方案且沿線經(jīng)濟(jì)據(jù)點(diǎn)較少，線路走向方案唯一。

(2)銅川至延安段根據(jù)銅川—延安航空線兩側(cè)城鎮(zhèn)分布情況，結(jié)合地形條件，選擇沿線人口密集、線路短直、投資節(jié)省的沿210國(guó)道通道。

(3)根據(jù)本線的功能定位，結(jié)合沿線主要城鎮(zhèn)和重要客流集散點(diǎn)的引入條件，從吸引客流能力、工程可靠度、城市規(guī)劃配套等方面考慮，西安至銅川段，受地形地質(zhì)條件影響較小。銅川至富縣段，站點(diǎn)靠近城市時(shí)，線路起伏較大，增加工程難度；如果選擇沿河谷布線，則站址遠(yuǎn)離城市。富縣至延安段，城鎮(zhèn)基本位于河谷區(qū)，站位選擇對(duì)于線路起伏影響較小，主要考慮聯(lián)接沿線經(jīng)濟(jì)據(jù)點(diǎn)、方便城鎮(zhèn)居民乘車。

1.4 某高鐵的地形地貌特點(diǎn)

沿線地勢(shì)由南至北，逐漸升高，可劃分為渭河沖積平原區(qū)、黃土臺(tái)塬區(qū)、黃土梁峁溝壑區(qū)及子午嶺低中山區(qū)4個(gè)地貌單元。其中黃土梁峁溝壑區(qū)，位于陜北高原南部，是本線通過范圍最廣的一個(gè)地貌單元。線路多次通過其間的沮河、洛河河谷，地形起伏，溝壑縱橫，高程735～1 480 m。黃土沖溝呈西北—東南走向，以“V”字形溝谷為主，沖溝兩岸黃土滑坡、錯(cuò)落、溜坍遍布。該區(qū)是本線線路選擇的難點(diǎn)，也是重點(diǎn)。子午嶺低中山區(qū)：位于陜北黃土高原最南部，山頂呈圓形，基巖山地受控于北北西向緩傾的單斜構(gòu)造，基本呈單傾向斜坡，山坡兩側(cè)不對(duì)稱，高程850～1 710 m，最高峰為哭泉梁，海拔約1 710 m，其南基巖大面積裸露，其北薄層黃土覆蓋。如圖1所示。

圖1 黃土溝壑梁峁區(qū)

西安至銅川段，地形不控制線路選擇。銅川至富縣段，線路由南向北經(jīng)過的宜君縣城位于海拔較高的子午嶺低中山區(qū)，黃陵縣城位于海拔較低的沮河河谷區(qū)，洛川縣城位于海拔較高的黃土梁峁上，富縣縣城位于低海拔的洛河河谷區(qū)，站點(diǎn)靠近城鎮(zhèn)時(shí)，線路反復(fù)上山下山上塬下塬引起線路起伏較大，增加工程難度。

2 選線區(qū)工程地質(zhì)條件[2-3]

2.1 地層巖性

沿線地層主要為第四系全新統(tǒng)沖積層及上更新統(tǒng)風(fēng)積層，人工堆積層、滑坡堆積層及洪積層散落分布地表，溝谷兩岸基巖裸露。巖性以第四系素填土，雜填土，粉質(zhì)黏土，粉土，黏質(zhì)黃土，砂質(zhì)黃土，粉、細(xì)砂，中、粗、礫砂，細(xì)、粗圓礫土組成，以及近于水平向北緩傾的三疊系砂巖、頁(yè)巖，二疊系砂巖、頁(yè)巖和奧陶系灰?guī)r等。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

選線區(qū)屬于中朝準(zhǔn)地臺(tái)一級(jí)構(gòu)造單元，跨越汾渭斷陷及陜甘寧臺(tái)坳兩個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元。西安北至銅川段位于汾渭斷陷的次級(jí)構(gòu)造單元渭河斷凹。銅川至延安段位于陜甘寧臺(tái)坳內(nèi)，先后通過陜甘寧坳緣褶斷束及陜北臺(tái)凹兩個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元。

2.3 不良地質(zhì)

沿線影響線路走向的主要不良地質(zhì)為滑坡(群)、錯(cuò)落(群)、煤窯采空等。

2.3.1 滑坡(群)和錯(cuò)落(群)

銅川以北黃土溝壑梁峁區(qū)及低中山區(qū)，地形起伏大，大氣降水及地表水的溯源侵蝕強(qiáng)烈，溝壑縱橫，且地下水分布復(fù)雜，黃土沖溝兩岸岸坡穩(wěn)定性差，滑坡、錯(cuò)落遍布，甚至成群出現(xiàn)，規(guī)模不一，以中型為主，也有大型及巨型；分布位置相對(duì)集中，主要出現(xiàn)在陡峭的河谷、沖溝兩岸，特征明顯，多呈現(xiàn)圈椅狀地貌，前緣突出，對(duì)河道、沖溝具擠壓作用且呈現(xiàn)南坡(陰坡)比北坡顯著增多的特點(diǎn)。如圖2所示。

圖2 黃土滑坡

2.3.2 煤窯采空

沿線煤礦采空區(qū)主要分布在銅川北部、富縣東部及延安北部地區(qū)。

(1)銅川北部礦區(qū)采空區(qū)：也是對(duì)某高鐵選線影響最大的采空區(qū)，主要分布國(guó)有王家河煤礦、石柱煤礦、西頭煤礦、三里洞煤礦等，這些煤礦現(xiàn)在均已停產(chǎn)，目前線路對(duì)這些大型煤礦的采空沉陷區(qū)均進(jìn)行了繞避，僅在CK111+230～+455通過王家河小煤窯采空區(qū)。該小煤窯采空區(qū)位于銅川市王益區(qū)王家河鎮(zhèn)，為解放前人工開采，煤層層底高程731.32～739.44 m，煤層層厚0.3～0.8 m，地表未發(fā)現(xiàn)房屋開裂現(xiàn)象。

(2)富縣東部礦區(qū)：富縣東部主要分布復(fù)興煤礦，德馨煤礦及牛武煤礦3個(gè)礦區(qū)，均為正在開采的礦區(qū)，煤層厚0.5～1.0 m，埋深38～50 m。煤礦均在線路右側(cè)，復(fù)興煤礦距線路最近，礦區(qū)邊界距線路最近距離約2.2 km。

(3)延安北部礦區(qū)：延安北部礦區(qū)主要以川口煤礦及小煤窯為主。本次線路進(jìn)行了繞避。

2.4 特殊巖土

沿線的特殊巖土為濕陷性黃土、膨脹土、軟土及松軟土、填土。濕陷性黃土全線廣泛分布，膨脹(巖)土主要為黃土層中古土壤及沿線上第三系、侏羅系、三疊系、二疊系、石炭系的泥巖、頁(yè)巖等。軟土局部分布，松軟土廣泛分布。填土散落分布，主要以填筑土及素填土為主。

3 影響線路選擇的主要工程地質(zhì)問題

3.1 黃土岸坡的穩(wěn)定性問題

黃土岸坡的穩(wěn)定性為影響本線線路選擇的頭號(hào)地質(zhì)問題。某高鐵大部分段落都位于溝壑縱橫的黃土溝壑梁峁區(qū)，除非中間不設(shè)站，以一座隧道貫通或一座大跨橋梁跨越，否則通過黃土岸坡在所難免，岸坡穩(wěn)定性問題也就不可避免。通過對(duì)本線地質(zhì)條件的分析梳理，全線的黃土岸坡問題主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

3.1.1 滑坡、錯(cuò)落等不良地質(zhì)現(xiàn)象眾多(圖3)

圖3 侏羅系延安組頁(yè)巖夾砂巖

這是影響本線線路選擇的主要地質(zhì)問題，尤其在洛川上下塬段及富縣、甘泉進(jìn)出站前后成為線路選擇最主要的控制性因素。通過大范圍現(xiàn)場(chǎng)調(diào)繪、遙感解譯及重點(diǎn)滑坡的地質(zhì)調(diào)查，區(qū)內(nèi)控制方案和影響工程設(shè)置的滑坡有2 089處，錯(cuò)落128處?；戮哂幸韵绿攸c(diǎn)：①規(guī)模不一，小型—巨型、淺層—深層滑坡均有分布；②分布規(guī)律性強(qiáng)，一般為重力牽引式黃土滑坡，同一區(qū)域形成機(jī)理相同，滑坡一般成群出現(xiàn)；③形成時(shí)間不同，新滑坡—古滑坡均有分布；新滑坡地貌特征明顯，存在圈椅狀地貌，平臺(tái)發(fā)育，坡面平緩，前緣突出，對(duì)沖溝河道具擠壓作用；老滑坡、古滑坡坡面多被地表徑流侵蝕或被開墾為耕地，某些形態(tài)特征表現(xiàn)不明顯；④按滑動(dòng)面及剪出口位置可分為：黃土—基巖接觸面滑坡、基巖面剪出滑坡、黃土基巖混合滑坡及黃土滑坡。

3.1.2 潛在的岸坡不穩(wěn)定性問題

潛在的岸坡不穩(wěn)定性問題主要表現(xiàn)在黃土陷穴的發(fā)育、黃土沖溝的溯源侵蝕、黃土岸坡坡腳水流沖刷、人為卸荷等引起的岸坡不穩(wěn)定性問題。該問題往往容易被忽視，在黃土梁峁溝壑區(qū)，由于黃土的大孔隙、直立性好、具濕陷性、裂隙發(fā)育的自身特征，目前穩(wěn)定的黃土陡峻岸坡在大氣降水、地表徑流的沖刷和溯源侵蝕下，溝谷發(fā)展很快，形成一系列大小不等、深淺不一的黃土陷穴，這些陷穴不斷發(fā)展串通，形成新的不穩(wěn)定岸坡。

3.1.3線路選擇及工程設(shè)置不當(dāng)或工程實(shí)施過程中引起的岸坡不穩(wěn)定性問題

在黃土梁峁溝壑區(qū)，黃土沖溝縱橫、岸坡陡峻，線路為了繞避滑坡、錯(cuò)落等不良地質(zhì)體及其他不穩(wěn)定岸坡，在線路選擇及工程設(shè)置上容易犯線路表面上未通過滑坡錯(cuò)落等不良地質(zhì)體，但在工程實(shí)施中誘發(fā)甚至破壞既有岸坡穩(wěn)定性的問題，這些問題在既有黃土地區(qū)鐵路公路工程施工中屢見不鮮。在線路選擇及工程設(shè)置中，一定要加強(qiáng)這些地段的岸坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)工作，線路避免路基陡坡掛線，橋梁墩臺(tái)應(yīng)設(shè)置在岸坡穩(wěn)定線以內(nèi)，隧道進(jìn)出口及斜井口的仰坡防護(hù)要有針對(duì)性，同時(shí)必須做好坡面的防排水工程。

3.2 煤窯采空區(qū)問題

陜北地區(qū)煤礦眾多，煤窯采空以及采空引起的地表沉降等屢屢發(fā)生，這是影響該地區(qū)選線的又一突出問題。某高鐵通道未經(jīng)過煤窯采空嚴(yán)重的黃陵店頭礦區(qū)，繞避了富縣東部礦區(qū)及延安北部的川口煤礦等采空沉陷區(qū)。與線路關(guān)系密切的銅川北部礦區(qū)，線路距離王家河煤礦及其斜井采空陷落區(qū)較近，部分段落通過王家河小煤窯采空區(qū)。針對(duì)王家河煤礦采空區(qū)及斜井采空區(qū)應(yīng)在收集礦區(qū)設(shè)計(jì)、開采及實(shí)測(cè)資料基礎(chǔ)上，采用綜合勘探方法，確定采空層位及范圍，落實(shí)驗(yàn)證采空沉陷區(qū)的邊界以及距離線路的距離，進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，提出相應(yīng)工程措施、意見，預(yù)留保安礦柱的寬度等。針對(duì)小煤窯采空區(qū)應(yīng)積極收集小煤窯采空區(qū)或附近勘探或開采資料，并采用區(qū)域地質(zhì)資料分析、實(shí)地調(diào)查訪問、坑洞測(cè)量與勘探相結(jié)合方法，查明開采情況、開采層位、坑道寬度及高度、頂板巖體性質(zhì)、開采特征、地面變形情況，提出穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和工程措施、意見。

3.3 沿土、石分界面存在的地質(zhì)問題(圖4)

圖4 三疊系永坪組砂巖夾頁(yè)巖

某高鐵選線區(qū)，銅川至延安段位于陜甘寧臺(tái)坳內(nèi)，先后通過陜甘寧坳緣褶斷束及陜北臺(tái)凹兩個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元。地層具有典型的二元結(jié)構(gòu)，上部為黃土，下部為近于水平向北緩傾的三疊系及二疊系砂巖、頁(yè)巖及其互層。線路位于土石分界面位置時(shí)對(duì)工程的安全可靠性及投資影響很大，尤其是隧道工程。根據(jù)既有已建或在建鐵路的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，在土石分界面位置，往往地下水聚集，圍巖工程性質(zhì)變差，隧道拱頂易發(fā)生塌方掉塊，邊墻易開裂變形，甚至發(fā)生突水涌泥等重大安全事故。銅川至延安段，隧道工程比例很高，達(dá)到75%以上，選線中應(yīng)高度重視土石分界面問題。查明土石分界面的具體高程，合理優(yōu)化線路縱斷面，減少隧道洞身尤其是拱頂通過土石分界面的段落長(zhǎng)度，是該段選線的主要控制因素。

3.4 黃土的濕陷性問題

本線黃土廣布，其中河谷區(qū)、沖積平原區(qū)場(chǎng)地濕陷類型為非自重-自重，濕陷等級(jí)Ⅰ～Ⅲ級(jí)，濕陷土層厚度2～15 m；黃土塬區(qū)及溝壑梁峁區(qū)濕陷類型為自重，濕陷等級(jí)Ⅱ～Ⅳ級(jí)，濕陷土層厚度5～25 m。黃土的濕陷性對(duì)工程的地基處理、地基形式、邊坡防護(hù)、防排水措施及工程造價(jià)影響較大。該問題在某高鐵選線區(qū)不可避免，不是選線的控制性因素，但需要在工程設(shè)計(jì)中引起重視。

4 某高鐵工程地質(zhì)選線的原則[4-15]

通過對(duì)本線主要工程地質(zhì)問題的分析，歸納總結(jié)工程地質(zhì)選線原則如下。

(1)線路應(yīng)繞避巨型、大型、深層、穩(wěn)定性差的滑坡(群)和錯(cuò)落(群)。

(2)滑坡和錯(cuò)落規(guī)模小、邊界條件清楚，整治方案技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理時(shí)，線路可選擇在有利于滑坡和錯(cuò)落穩(wěn)定的部位通過，避免在其上部填方或下部挖方。

(3)線路通過潛在的岸坡不穩(wěn)定地段時(shí)，工程應(yīng)設(shè)置在岸坡穩(wěn)定線以內(nèi)，同時(shí)確保山體穩(wěn)定條件不受削弱和破壞。

(4)線路應(yīng)繞避大型礦區(qū)如王家河煤礦及其斜井采空區(qū)，工程宜設(shè)置在采空塌陷影響區(qū)范圍外一定距離，在收集礦區(qū)資料的基礎(chǔ)上應(yīng)采取物探和鉆探相結(jié)合的手段落實(shí)驗(yàn)證塌陷影響區(qū)邊界。

(5)線路必須通過人為坑洞如王家河小煤窯采空區(qū)時(shí)，應(yīng)查明其采空區(qū)范圍、巷道高度、基巖頂板深度等，分析對(duì)鐵路工程的影響，并采取可行的安全工程處理措施。

(6)黃土溝壑梁峁區(qū)工程設(shè)置盡量少露頭，以長(zhǎng)隧、深埋隧道及大跨度橋梁工程為主，減少于潛在不穩(wěn)定斜坡等地段設(shè)置工程。

(7)合理設(shè)置線路縱坡，減少隧道工程穿越土石分界面及淺埋溝谷的段落長(zhǎng)度。

5 結(jié)語(yǔ)

地質(zhì)選線是鐵路選線的重點(diǎn)和難點(diǎn)。陜北黃土地區(qū)高速鐵路選線面臨技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高、地形困難、滑坡等不良地質(zhì)發(fā)育、工程難度大等問題。通過對(duì)某高速鐵路選線區(qū)工程地質(zhì)條件的分析，梳理出影響該項(xiàng)目的主要工程地質(zhì)問題，針對(duì)這些問題確定了適合本線的地質(zhì)選線原則。研究認(rèn)為，某高鐵的線路走向及地形特點(diǎn)，決定了滑坡等岸坡穩(wěn)定性問題和煤窯采空及采空引起的地表沉降是影響該項(xiàng)目選線的主要地質(zhì)問題。本線確定的地質(zhì)選線原則不僅適用于陜北黃土高原，對(duì)隴東、晉西南、豫西等黃土地區(qū)亦有一定的借鑒作用。