寶蘭高鐵天水北山滑坡群地質選線研究與工程實例

張 喆

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043； 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院)，西安 710043)

寶雞—蘭州高速鐵路位于陜西省西部及甘肅省東部地區，線路自寶雞南出站后沿渭河南岸向西，在天水市花牛鎮設天水南站，出站后下穿耤河及北山滑坡群，沿天巉公路折向西北經秦安、定西等縣市至蘭州西站。甘肅省東部是我國黃土滑坡災害類型多、分布范圍廣、危害嚴重地區[1]，而天水周邊黃土滑坡是該區域最嚴重、發育最密集的地區，具有明顯繼承性、廣泛性和多期性，嚴重制約著天水至秦安段線路方案的走向和選擇，因此開展地質選線工作很有必要。

1 區域地質特征

1.1 地形地貌及地層結構

寶蘭高鐵天水至秦安段位于西秦嶺北麓向黃土溝壑梁峁區過渡段的低山丘陵區，區內黃土沖溝發育，溝深坡陡，黃土多呈披蓋式上覆于第三系泥巖之上，構成了特殊的黃土—泥巖二元結構。

1.2 區域地質構造與地震

區域構造為西秦嶺褶皺帶與隴西系內旋褶皺帶結合部，地質構造復雜且活動性各有差異，斷裂活動性與地質災害發育程度之間有著密切聯系[2]。渭河大斷裂為沿線區域性活動斷裂，第四紀以來區內抬升強烈，河流下切形成邊坡高陡的黃土梁峁及沖溝地貌，地形破碎為滑坡形成提供空間條件。區內地震具有活動頻率高、強度大等特點，形成北西向展布的天水—蘭州地震帶(圖1)。

圖1 寶蘭高鐵天水段構造體系及地震帶分布示意

1.3 黃土滑坡分布特征

天水地區滑坡密度大并具有明顯的時空分布特征[3]：滑體厚度由北至南、自東向西逐漸減小，沿深切河谷成群成帶分布，自然坡度角在15°～30°斜坡區易發生大中型滑坡。時間上具有多期次活動性。滑坡形成條件復雜成因多樣，有利的地形地貌及地層結構使上覆黃土沿傾斜巖土界面失穩，形成大面積多期多次的巨型滑坡，在地震、暴雨等自然災害及人類活動的影響下，可能使新滑坡發育及老滑坡復活。

2 滑坡區選線原則及勘察評估方法

2.1 滑坡區選線原則

對滑坡規模大且連續成群分布，地質選線確定為敏感點，提出線路繞避原則；沿斷裂分布的滑坡成因復雜、治理難度大或后期維護成本高的滑坡堅決予以繞避；對滑坡治理成本低、風險小宜選擇合理部位通過[4]，做到“繞有依據、治有措施”的原則，保證高鐵線形平順。

2.2 滑坡區勘察及評估手段

區內滑坡勘察工作首先采用遙感判釋黃土滑坡的分布，再通過地質調繪定性分析滑坡的規模及特征，對影響選線的滑坡進一步通過勘探進行定量評價，最后大范圍開展地災危險性評估[5]。

(1)遙感技術在地質選線中具有圖像視域寬、信息量豐富等優點。為查明工作區滑坡等不良地質分布，采用美國陸地衛星Landsat5TM的10 m和2.5 m分辨率數據，結合1∶1萬航片進行對照，多尺度遙感進行斷裂構造和不良地質判釋。判釋出渭河大斷裂及其分支斷層、天水北山滑坡群等39處。遙感判釋不但能滿足地質勘察技術需求，還能提高工作效率減少野外調查工作量[6]。天水北山滑坡群從地形特征判釋為：滑坡群后壁呈連續圓弧狀，滑體發育多級錯落平臺及雞爪狀黃土沖溝，滑坡前緣呈舌狀并侵占河床，單體滑體兩側有雙溝同源現象(圖2)。

圖2 天水北山滑坡群衛片判釋及航片判釋成果

(2)依據遙感判釋成果，重點對天水周邊滑坡密集區展開野外地質調繪，定性測繪滑坡的范圍及規模。對控制線位的天水北山滑坡群及渭河兩岸滑坡群進行測繪，初步判定其穩定性，根據滑坡規模結合工程特性對滑坡區的線位提出繞避或有利通過部位，從地質選線角度穩定線路方案。

(3)勘探定量評價滑坡。天水周邊選線主要受控因素有天水市區規劃、北山黃土滑坡群及天水機場， 線路完全繞避各類控制因素難度大，尤其北山滑坡群直接控制天水南站位和線路走向。通過鉆探查明北山滑坡體物質組成、判識滑面及含水情況，判斷滑坡性質[7]，完成滑坡主軸地質剖面圖定量檢算滑坡穩定性，為穩定下穿滑坡及耤河寬谷區的線路方案提供地質依據。

(4)地質災害危險性評估是重大工程項目必須開展的工作。通過地災評估分析建設工程合理性及建設用地適宜性，圈定地質災害敏感點，確定災害等級及可控范圍，采取合理工程處理措施確保工程安全建設并不惡化沿線的地質環境條件。

3 線路方案比選研究

3.1 線路走向受控因素

天水市規劃由秦州區沿耤河寬谷區與麥積區相向發展融合連成一片，天水南站設在兩區中間部位，滿足城市發展需求。為減少天水城區拆遷，在渭河右岸黃土高階地設天水南站，出站后線路走向受控因素主要有耤河寬谷區的城市主干道、密集的建筑物及天水機場。以上環境條件嚴重制約寶蘭高鐵天水至秦安段線路平面位置選擇。

3.2 控制選線地質因素

根據區域地質資料結合野外地質調查，天水北山滑坡群是在地殼不均勻抬升，河流長期侵蝕北岸坡腳，在復雜的自然條件下黃土斜坡失穩而形成的，地形地貌為黃土滑坡的形成提供空間條件，地質構造和地層巖性控制著滑坡的分布，地震、降雨是黃土滑坡誘發因素[8]。后期滑坡前緣又產生多期多塊的次生滑坡，并因長期的剝蝕使得滑體上沖溝發育。

天水北山巨型滑坡群分布于渭河一級支流耤河北岸山坡，東西延伸約11 km，黃土梁頂部為滑坡后緣，與河谷高差300 m以上，滑體主軸長0.8～1.2 km，為巨型黃土-泥巖滑坡，形成時代古老并經多次活動。鉆探揭示上部殘留滑體厚15～35 m，前緣堆積體厚達35～50 m，壓埋耤河Ⅰ級階地長達180 m。

3.3 方案研究及決策

根據滑坡區選線原則，結合北山滑坡群的分布及特征，提出以下選線思路：一是盡量采用平面外繞市區及北山滑坡群方案；二是借鑒武廣高鐵瀏陽河隧道穿越城市及河流的選線思路[9]，選擇合理部位在隧道內設倒人字形縱坡下穿北山滑坡群、城市規劃區及機場定向臺。

3.3.1 線路外繞市區及滑坡方案

線路自天水南站引出后沿耤河右岸而上，呈“U”狀展線，采用長大隧道穿越耤河南北兩岸的低山丘陵區，上跨隴海線和渭河后溯葫蘆河北上至秦安。該方案線路繞避了北山滑坡群并減少城區拆遷(圖3)。

圖3 線路外繞方案及取直方案平面示意

3.3.2 線路取直橋隧方案比選

(1)橋隧相連方案：出站后線路折向西北，以橋梁跨越耤河寬谷區，該方案存在以下問題：一是工程拆遷量大且切割天水城市規劃；二是橋梁大里程端部分墩臺設置在北山滑坡前緣堆積體上；三是斜穿北山的隧道進口約180 m位于滑坡體內，總體工程投資大且橋隧存在安全隱患。

(2)隧道方案：出站后線路以Ⅴ形縱坡足坡而下，設長大隧道下穿耤河寬谷區及北山滑坡群后在渭河右岸出洞，上跨渭河和隴海線后，溯葫蘆河而上至秦安縣。該方案渭河隧道全長10 016 m，洞身進口至北山8 625 m為Ⅴ形縱坡，出口1 391 m為順坡，除下穿耤河寬谷區及滑坡段地質條件復雜外，線路順直且無其他受控因素，滿足高速鐵路的速度目標值(圖4)。

圖4 渭河隧道Ⅴ形縱坡下穿耤河及滑坡設計縱斷面

3.4 方案比選

對線路平面外繞城區方案與隧道下穿河谷及滑坡的取直方案，從工程地質條件、工程設置及合理性、城市規劃干擾、運營舒適度、工程經濟等方面進行同精度比較[10]。詳見表1。

表1 線路外繞方案與取直方案綜合比選分析

取直方案雖然在隧道下穿耤河及北山滑坡段地質條件及工程措施復雜，但線路足坡而下，盡量加大了洞身埋深，而使地質條件有所改善，且線路短直，對城市規劃干擾小，投資較節省(兩方案投資差額12.4億元)，研究推薦線路取直下穿河谷及滑坡方案。

4 渭河隧道勘察設計

渭河隧道下穿耤河寬谷區水文地質問題和下穿滑坡區的安全風險是取直方案可行性的關鍵所在，為此對隧道下穿滑坡及河谷淺埋段開展了專項地質勘察及水文地質專題研究。

4.1 地質勘察

(1)耤河寬谷區水文地質專題研究：先采用瞬變電磁分析巖土界面、斷層及含水帶分布特征；再實施鉆探查明松散層厚度和基巖風化層，不同地貌單元均有鉆孔控制，確保隧道洞身位于完整基巖中。河谷區卵礫石與下伏泥巖的水文地質參數差異大，采取鉆孔內分層抽水，分別測試其滲透系數，并采用地下水動力學法預測隧道洞身涌水量和富水程度分區。

(2)隧道下穿滑坡段地質勘察：首先進行大面積地質調查及測繪確定滑坡范圍，再采用干鉆、并增大鉆壓、降低鉆速，通過提高巖芯采取率觀測土體含水量變化、軟塑帶或擦痕等分析研究滑面的位置。最終查明滑體以黃土為主、夾雜風化泥巖殘積物，滑床為泥巖，上部滑體厚15～35 m，前緣滑坡堆積體厚35～50 m(圖5)，滑帶土試驗φ=15°，c=20 kPa，考慮地震安全系數(k=1.1)，檢算滑坡推力為30 551.7 kN/m，通過滑坡推力檢算確定了隧道拱頂基巖安全厚度為12 m。

圖5 天水北山滑坡主軸剖面圖

4.2 隧道設計

(1)設計難點：隧道河谷淺埋段地表飽水卵礫石對下部泥巖具有補給作用，施工中弱膠結泥巖有突涌泥、滲漏水可能，防水設計要求高；下穿滑坡段變形控制嚴，以防北山滑坡復活可能；地表建筑物沉降控制要求高；施工及運營期間需設置防排水措施。因此渭河隧道為寶蘭高鐵Ⅰ級高風險隧道，是全線重難點和控制性工程。

(2)設計工法選擇：針對設計難點研究Ⅴ形坡段采取礦山法與盾構法施工方案比選，綜合分析施工風險、工期及投資等因素，經專家論證后推薦礦山法，鄰近耤河常年流水和建筑物密集區段采用三臺階臨時仰拱法；下穿北山滑坡和城市主干道采用雙側壁導坑法，泥巖為極軟巖(Rb=1～3 MPa)，施工盡可能采用非爆破開挖[11]，減小對圍巖擾動，并對圍巖壓力、水壓力、襯砌結構內力和變形進行監控量測，控制好圍巖變形。

(3)隧道輔助坑道設置：耤河寬谷區地形平坦，若設斜井則淺埋段長，對城市建設規劃影響大，而豎井占地面積小對城市建設規劃影響亦小，綜合分析施工難度、工期和投資采用豎井方案。依據隧道圍巖排列的工期結合施工場地、防災救援要求，采用3座豎井+2座斜井及出口平導方案[12]。

(4)隧道創新設計：渭河隧道Ⅴ形坡段防排水采用雙層全包防水設計[13]；在Ⅴ形縱坡最低點處設置2號豎井作為抽排水通道，通過橫向通道的泵房及揚水管將廢水抽排至耤河；隧道進口地形平緩，進洞設置U形槽框架結構遮雨棚(圖6)。

圖6 渭河隧道進口鋼筋混凝土U形槽遮雨棚

(5)隧道設計融入環保理念：豎井上段飽水卵礫石設計采用鉆孔咬合灌注樁圍護結構封堵水[14-15]，防止地下水流失引起地面沉降；在洞身滲漏水段徑向注漿緩解含水層滲入和運營期間排水壓力。設計采用全包防水避免地下水流失及疏干北山沖溝內滲流泉，保護地表水資源環境。

寶蘭高鐵開通后，運管部門反饋渭河隧道使用良好，驗證了渭河隧道選線思路的合理性及勘察設計的可靠性。

5 結論

論述黃土梁峁溝壑區以隧道工程豎向繞避滑坡地質選線思路，并通過扎實地質勘察工作和行之有效的設計方案，驗證下穿方案可行。

(1)線路采用Ⅴ形縱坡以隧道工程下穿河谷區及滑坡群，既避免了對城市規劃影響，又解決了外繞方案線路長投資大的問題，一舉兩得。

(2)隧道洞身選位應結合地形地貌、地層巖性特征，盡量減少隧道反坡排水的長度，通過水文地質研究結論選擇隧道反坡段最低點位置及高程。

(3)隧道Ⅴ形坡段設計采用全包防水，既減小反坡排水壓力又避免地下水流失造成地面沉降變形，避免隧道洞身與頂部含水層及河水發生水力聯系。

(4)滑坡等地質災害發育區高鐵選線應做好線路專業與地質專業的緊密配合。以隧道工程下穿滑坡應考慮強降雨、地震及人類活動等誘發因素導致滑體復活產生的圍巖壓力，通過檢算確定隧道頂板的安全厚度。

寶蘭高鐵開通兩年來實踐證明，該方案地質選線理念、思路和工作是合理可行的，對類似工程在充分考慮地形、地質、工程條件下的地質選線和工程設置具有較好的指導意義和參考價值。