復雜環境下山區高速鐵路綜合地質勘察

胡永占

中鐵第一勘察設計院集團有限公司,陜西 西安710043

隨著國家“西部大開發戰略”和“一帶一路”的提出以及《關中平原城市群發展規劃》的批復，大量的基礎設施尤其是高速鐵路工程得到了快速發展。西安至重慶高鐵、西安至成都高鐵、西安至武漢高鐵等多條鐵路橫穿秦嶺山區，為此探索和研究復雜秦嶺山區高速鐵路綜合地質勘察有著重大的現實意義，對中西部高速鐵路建設有著重要的指導意義。

西安至十堰高速鐵路是位于陜西省東南部和湖北省西北部，連接關中平原與江漢平原，是中長期鐵路網規劃項目。線路西起陜西省西安市，向東南穿越秦嶺山脈，經商洛和十堰兩市，與建設中的武漢至十堰鐵路相接，形成西安至武漢高速鐵路通道全長約258 km，穿越秦嶺山區約220 km，因此秦嶺山區的地質勘察是本項目的勘察工作的重點和難點。

1 地質條件綜合分析

西安至十堰高速鐵路穿越秦嶺山區，地形地貌復雜，長大區域斷裂發育，地層巖性經多期地質構造作用后復雜多樣，復雜山區不穩定斜坡沿斷層帶及溝谷呈條帶狀廣泛分布，山區巖溶發育，工程地質條件極其復雜，存在眾多工程地質問題。

1.1 地形地貌復雜

沿線主要通過地貌單元為渭河盆地區、秦嶺中山區、秦嶺低山區以及低山丘陵等，如圖1 所示。秦嶺為我國黃河和長江兩大水系的分水嶺。工程區內嶺脊總體展布方向為北東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。地表植被發育，多為喬木、灌木[1]。

1.2 長大區域斷裂發育

工程區地質構造復雜，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造單元，發育有十多條長大區域斷裂，斷裂主要走向以東西向為主，以北東向和北西向為次。主要斷裂早期受南北向構造應力場的作用影響較大，以壓性或壓扭性斷層為主，具有切割深度大，延伸長的特點，且斷層破碎帶較寬，斷帶物質較為復雜，碎裂巖、糜棱巖、斷層角礫、斷層泥礫等構造巖均較發育[2]。主要斷裂構造見西安至十堰高速鐵路秦嶺山區主要構造示意圖，詳見圖2。

圖1 西安至十堰高速鐵路地貌分區圖Fig.1 Topography of Xi'an-Shiyan high-speed railway

圖2 西安至十堰高速鐵路主要區域斷裂構造示意圖Fig.2 Schematic diagram of the main regional faults of the Xi'an-Shiyan high-speed railway

圖2 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 為草坪街斷層；F5 為牛頭巖斷裂；F8 為鳳鎮-山陽斷裂；F9 為板巖鎮斷裂。

1.3 復雜山區不穩定斜坡廣泛分布

秦嶺山區不穩定斜坡廣泛分布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、危巖落石等山區不穩定斜坡。

1.3.1 滑坡、錯落 秦嶺山區巖體受構造影響很嚴重，軟弱破碎，風化嚴重，因而殘、坡積層發育，在地表水、地下水等綜合作用下，極易沿下伏基巖面產生滑動而形成滑坡，主要有堆積層滑坡、基巖順層滑坡、斷層帶滑坡和工程滑坡[2]。錯落是斜坡變形的一種類型，主要指斜坡上巖、土體，沿陡傾角的構造面、節理密集帶、軟硬巖接觸帶、土石分界面等軟弱結構面，在重力作用或人工開挖坡體前緣而引起的坡體以垂直下錯為主的變形現象[3]。

1.3.2 崩塌、巖堆、危巖落石 從其發育的現狀來看，其易發段主要分布于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，其中輞川河溝口段以及藍橋河溝口至蘭橋鎮段兩岸山體陡峻，危巖落石成群分布。

1.4 山區巖溶發育

本區的寒武系、奧陶系地層為可溶巖地層，主要分布于輞川鎮附近以及山陽至鄖西段，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。

其中輞川鎮附近可溶巖地帶，開發為輞川溶洞旅游風景區。山陽至鄖西段可溶巖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-鄖陽區劉洞鎮以北的寒武系、奧陶系、石炭系灰巖地層中，寬約22～26km，東西長度大于120km，多為中等巖溶發育區，屬裸露型。

2 綜合地質勘察

秦嶺山區，山大溝深，地形地貌復雜，地層巖性多變，復雜山區不穩定斜坡、巖溶等不良地質發育，地質構造極其復雜，為復雜地質環境山區越嶺鐵路選線。針對西安至十堰高速鐵路秦嶺山區復雜的地質條件，采用“大場景”三維立體遙感技術、野外地質調繪和現場鉆探、各類物理勘探、綜合測井、水文試驗等綜合勘察手段，開展綜合地質勘察工作。

2.1 真實感場景遙感技術

遙感技術作為一種基本技術手段已經成為地質調查工作所廣泛應用，隨著我國鐵路建設的快速發展，又為遙感的地質應用提供了新的發展機會，并應用于鐵路勘察設計中。

真實感場景遙感技術，簡稱“大場景”遙感技術[4]：是指利用影像數據與地形數據由計算機生成的一種真三維空間場景技術，以高精度的大范圍三維地形場景為基礎的線路協同設計平臺，為鐵路工程地質勘察及選線設計提供一套全新的手段和環境。

“大場景”遙感技術以遙感技術、航空攝影測量技術及地理信息系統技術為基礎，是各學科技術的交叉與融合的新技術、新手段。具有如下優勢：（1）解譯過程方便，易于控制，實時更新解譯成果到CAD 制圖中；（2）立體效果逼真，能清晰放映地形地貌及地質特征；（3）立體定位快速靈活，大場景的職能驅動功能可根據坐標值或里程位置快速定位解譯目標，克服了航空影像定位查找耗時費力的缺點，提高了解譯效率和精度[5]。豐富鐵路地質勘察手段，大大提高了地質勘察工作效率，為鐵路山區地質勘察選線的新創舉。

2.2 綜合勘察

對復雜山區不穩定斜坡的勘察應采用“大場景”遙感技術、現場地質調繪查明其位置、分布范圍，線路方案無法繞避時并布置鉆探以及室內試驗分析評價其穩定性。

對長大斷裂尤其是活動斷裂的勘察應采用“大場景”遙感技術、現場地質調繪查明斷層位置、走向、地貌特征等，影響線路方案時并布置鉆探、物探查明其寬度斷帶物質及其富水性等。

對巖溶區的勘察應采用“大場景”遙感技術、現場地質調繪的基礎上，布置鉆探、綜合物探查明巖溶分布范圍和形態，查明地層巖性、地質構造特征，溶巖發育與巖性、地質構造及裂隙的關系，并分析評價其工程地質及水文地質條件。

2.3 綜合勘察方法體系

針對西安至十堰高速鐵路秦嶺山區復雜的地質條件，采用室內“大場景”三維立體遙感技術、野外地質調繪和現場鉆探、各類物理勘探、綜合測井、水文試驗等結合后形成了一套快速、準確、高效的新型綜合勘察方法體系，為復雜山區鐵路地質勘察的新創舉。

3 空間綜合地質選線

根據西安至十堰高鐵秦嶺山區，山大溝深，地形地貌復雜，地層巖性多變，巖溶以及滑坡、錯落等不穩定斜坡發育，地質構造極其復雜等地質特點，采用室內“大場景”三維立體遙感技術與傳統綜合勘探相結合的新型綜合勘察手段，提出復雜地質環境山區越嶺鐵路地質選線原則：

對長大區域性斷裂帶和構造線交匯處應繞避；當難以避開時，宜以大角度通過構造帶，并調整縱向坡度避免在構造破碎帶上設置重大工程，宜以低路堤等簡易的工程通過。

對復雜山區不穩定斜坡，應注意控制挖方地帶邊坡高度的控制，尤其是山區覆蓋層斜坡，如果邊坡太高，容易造成邊坡失穩，產生崩塌、落石等病害；線路應盡量繞避地形復雜、不良地質規模巨大且集中分布段落；不能繞避時采用簡易的明線工程選擇最有利的地形通過，或通過調整線路坡度以隧道下穿方式通過；隧道通過時宜大角度早進晚出，同時應加強超前支護及擋護措施，以確保隧道洞門安全。

對復雜巖溶山區，應繞避巖溶強烈發育地帶以及可溶巖與非可溶巖的接觸帶、構造發育帶等，通過巖溶地段時縱向坡度應盡量抬高標高，從巖溶區的垂直徑流帶通過。

4 結論

西安至十堰高鐵秦嶺山區，長大區域斷裂等地質構造復雜、山區不穩定斜坡廣泛分布以及巖溶發育，通過采用“大場景”三維立體遙感技術與其它勘察手段結合后形成新的綜合勘察方法體系進行地質勘察工作，提出復雜地質環境山區越嶺鐵路空間地質綜合選線原則。

（1）新的綜合勘察方法體系：“大場景”三維立體遙感技術與現場野外調查相結合的地質調繪方法、現場鉆探、各類物理勘探、綜合測井、水文試驗等結合后形成了一套快速、準確、高效的綜合勘察方法體系，豐富了鐵路地質勘察手段，大大提高了山區鐵路的地質勘察工作效率，為鐵路山區地質勘察的新創舉，是越嶺山區鐵路綜合地質勘察成功的案例，對越嶺山區鐵路地質勘察工作有很大的借鑒意義；

（2）復雜地質環境山區越嶺鐵路空間地質綜合選線原則：對于長大區域斷裂等地質構造復雜、山區不穩定斜坡廣泛分布以及巖溶發育的越嶺山區鐵路，線路方案應從平面位置和縱向坡度的優化調整進行空間地質綜合選線，為鐵路山區地質選線的新突破，是越嶺山區鐵路綜合地質選線成功的范例，對越嶺山區鐵路地質選線工作有重大的指導價值。