西寧至成都鐵路拉脊山越嶺段主要工程地質問題及地質選線

季 備

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

1 工程概況

新建西寧至成都鐵路位于青海、甘肅、四川三省交界地帶。走行于青藏高原東部邊緣與黃土高原過渡地帶，整體呈南北走向，北起青海省東北部的西寧盆地，向南經祁連山、穿秦嶺、跨若爾蓋草原、抵岷山山脈，于四川省松潘縣黃勝關站與成蘭鐵路接軌。全線地形地質條件極為復雜。

結合新西成鐵路拉脊山越嶺段(西寧至尖扎)地質勘察工作，對該區域的主要工程地質問題進行分析，比選研究了西線(CK)、中線(IICK)、東線(C25K)等3個走向的線位方案，提出地質選線定線技術原則。

2 自然地理及地質特征

2.1 自然地理特征

拉脊山越嶺段及其引線地貌多樣，從西寧至尖扎主要為湟水河谷平原地貌、黃土紅巖低中山丘陵地貌(梁狀、梁峁狀)、拉脊山中山侵蝕地貌及黃河河谷平原地貌。湟水河谷平原地貌位于西寧盆地湟水河谷區，東西展布，地形平坦開闊，高程2 170～2 220 m，相對高差10～50 m。黃土紅巖低中山丘陵地貌分布于拉脊山南北兩側，海拔3 000 m以下，分布于西寧、化隆盆地邊緣至河谷區之間。拉脊山中山侵蝕地貌海拔多3 000 m以上，相對高差多大于500 m，山體坡度40°以上，溝谷多為深切的“V”形谷，跌水陡坎眾多。黃河河谷平原地貌位于化隆盆地黃河谷地。

全區為冬寒夏涼半干旱大陸性高原氣候，各氣象要素的年、日變化各地區差異較大，在垂向上隨著地勢增高降水量逐漸增大，而氣溫、蒸發量則逐漸減少。

2.2 地質特征

拉脊山越嶺及其引線地段主要通過祁連地槽褶皺系Ⅰ級地質構造單元，分屬于中祁連陸塊、拉脊山早古生代褶皺帶、南祁連陸塊等3個二級構造單元，西寧盆地、化隆盆地等2個三級構造單元(表1)。其中，西寧盆地地層以新近系至侏羅系砂巖、泥巖及礫巖為主。化隆盆地地層以新近系至古近系砂巖、泥巖及礫巖為主。拉脊山褶皺帶地層以志留系至震旦系火成巖及變質巖為主。

表1 地質構造單元劃分

西寧盆地是在祁連山陸塊中間隆起帶東段發育起來的中、新生代內陸斷陷盆地，具有雙層結構，由基底和蓋層組成。蓋層為中、新生代地層，分布廣，厚度大，產狀平緩，褶皺開闊。化隆盆地位于青藏高原東北緣，處在青藏高原與黃土高原交接地帶，大地構造位置屬于祁連造山帶與西秦嶺造山帶結合部，沉積有巨厚層的山麓相-河湖相沉積巖。

2.3 主要工程地質問題

新西成鐵路主要工程地質問題為白堊系-第三系弱膠結砂巖、深大斷裂、滑坡、崩塌、泥石流、地震災害等。

2.3.1 白堊系-第三系弱膠結砂巖

參考蘭渝鐵路桃樹坪、胡麻嶺隧道“桃胡砂巖”工程實例[1-4]，白堊系-第三系弱膠結砂巖在原始狀態下密實度、承載力和變形模量高，一經開挖擾動，遇水就變為松散，工程性質迅速惡化，開挖后多呈粉細砂狀，圍巖變形、坍塌嚴重，穩定性極差，涌水、涌砂[5-6]，被中科院地質所定為工程性質很差的劣質巖。本線西寧盆地、化隆盆地中新生代中深孔鉆探中也揭露有類似地層。本文主要從沉積巖相、地質構造、巖性結構、地下水富水性等方面，詳細分析了西寧盆地“桃胡砂巖”的分布及其工程地質特征。

晚白堊系從南至北依次為沖積扇相、咸水湖砂巖-泥巖相、鹽湖泥巖-芒硝巖相。

古近系從南至北依次為咸水濱湖泥巖-砂巖相，咸水淺湖砂巖-泥巖相。

地層整體表現為從拉脊山往北，顆粒變細。其中白堊系以砂礫巖為主，古近系以泥巖為主。

通過對勘察成果的分析，白堊系-第三系砂巖多以互層的形式出現，且砂巖根據黏土礦物的含量及膠結情況，其工程性質差異較大，具體分述如下。

(1)泥鈣質基底膠結式砂巖：此種砂巖黏粒含量大，巖體有效孔隙率較低，水一般不宜進入巖體，此種砂巖多不含水，水穩性尚可。

(2)泥鈣質孔隙膠結式砂巖：此種砂巖黏粒含量稍低，砂顆粒之間為顆粒支持結構，顆粒之間空隙多為泥質、鈣質礦物充填，根據膠結不同，性質差異較大。

(3)泥鈣質接觸膠結式砂巖：此種砂巖一般質地較純，砂顆粒之間為顆粒支持結構，膠結物主要分布于碎屑顆粒接觸地帶，顆粒之間空隙無充填，該層水穩性較差，類似蘭渝線的“桃胡砂巖”，飽水的情況下，受擾動后，工程性質急劇變差，易產生流砂問題，巖芯多呈砂土狀。干燥情況下，巖芯可成柱狀，但遇水浸泡后，一般3～5 min后軟化流變。

總體而言，砂巖根據黏土礦物的含量及膠結情況，其工程性質差異較大。泥鈣質接觸膠結式砂巖干燥情況下，巖心多呈柱狀，Ⅳ～Ⅴ圍巖為主，含地下水時由于水穩性極差，擾動砂化，巖芯多呈砂土狀，Ⅵ圍巖。如T1SZ-18、C1SZ-1號孔均位于褶皺等儲水構造部位，弱膠結砂巖中多含承壓水，巖芯成砂土狀，見圖1、圖2。

圖1 T1SZ-18易砂化砂巖

圖2 C1SZ-1易砂化砂巖

2.3.2 深大斷裂

(1)拉脊山北緣斷裂：斷層東西走向，傾向南，傾角54°～79°不等，逆斷層，破碎帶寬250～400 m。鉆探揭示，古近系地層被上部老地層覆蓋，表明斷層第三系后進行了逆沖推覆，為第三系活動性斷層。

(2)頭淌河—巴汗村大斷裂：走向東西，傾向北，傾角55°，逆斷層，破碎帶寬50～80 m。根據區域資料顯示，F2斷層生成于加里東旋回早期，燕山及喜馬拉雅等旋回亦有劇烈活動。

(3)拉脊山南麓大斷裂東段：斷層走向東西，傾向北，傾角50°～70°，逆斷層，破碎帶寬約150～300 m。根據區域資料顯示，斷層生成于加里東期，在華力西期、燕山期及喜馬拉雅期又不同程度的復活。

2.3.3 滑坡、錯落、泥石流

沿線滑坡、錯落、泥石流等主要分布于西寧、化隆盆地黃河及支流溝谷斜坡地帶(圖3，圖4)。該段地層主要為第四系松散覆蓋層及成巖作用較差的新近系巖層，受青藏高原間斷性抬升影響，斜坡底部受河流沖刷嚴重，滑坡、錯落、泥石流多見。對線路方案影響較大，應盡量予以繞避，尤其是大型滑坡發育地段。

圖3 夏瓊寺滑坡群

圖4 曲家溝滑坡群

如西方案中黃河左岸夏瓊寺滑坡群，中方案曲家溝右岸滑坡群，多為成群分布、規模巨大，處理及其困難。根據調查成果，對線路方案進行了優化，已繞避所有大型滑坡群。

2.3.4 地震災害

本區臨近河西走廊地震帶、蘭州天水地震帶及六盤山地震帶等多個大型地震帶，有史料記載以來的地震活動頻繁，較大的地震就有多次。如2016年1月21日青海門源6.4級地震、1990年4月26日青海黃南州共和縣7級地震、1976年8月松潘兩次7.2級地震、1964年4月19日青海瑪多7級地震等。

3 地質選線基本原則

鑒于新西成鐵路拉脊山越嶺段地形地質條件復雜，隧道長度大，工程艱巨。在勘測和設計過程中，在大面積區域地質調繪的基礎上，應做好多方案的比選。主要堅持以下復雜地質山區的基本選線原則。

(1)區內白堊系-第三系弱膠結地層發育，尤其以弱膠結砂巖水穩性最差，參考蘭渝線胡麻嶺、桃樹坪隧道施工工程經驗，越嶺段隧道應盡量避開弱膠結厚層狀砂巖地層，尤其是向斜核部等地下水發育地段，選擇厚層狀泥巖或礫巖中通過。

(2)區內區域地質構造復雜，區域深大斷裂發育， 地震活動頻繁，線路盡可能短距離、大角度且以簡單工程類型通過斷裂帶[7-9]。

(3)線路應繞避巨型、大型滑坡及錯落。線路應繞避發育旺盛期的特大型泥石流溝等，跨泥石流溝建筑物應有預留足夠的水流通道，隧道下穿泥石流溝時應預留足夠的抗沖刷頂板厚度[10-13]。

(4)區內水文地質條件復雜， 尤其是地下水對白堊系-第三系弱膠結砂巖的影響巨大，隧道應盡量避免走行于向斜核部等儲水構造部位。

4 線路方案比選

線路方案主要研究了東、中、西三個走向方案(圖5)。

各方案均近南北向垂直穿越拉脊山。影響方案工程地質條件的主要地質因素為：白堊系-第三系弱膠結地層分布長度，尤其是弱膠結砂巖段的分布長度、越嶺隧道硬質巖長度、圍巖情況、中新生代向斜核部等儲水構造發育情況等。各方案中-新生代弱膠結軟巖(晚白堊系至新近系弱膠結砂、礫、泥巖)及前侏羅紀硬巖分布特征見表2。

西方案越嶺隧道進口地形平緩，埋深較淺。洞口及斜井施工條件較好，交通方便。隧道埋深相對較小，輔助坑道設置條件相對較好。越嶺隧道拉北斷層以北均走行于中新統地層中，為沖積扇砂礫巖相，線路整體走行于丹麻向斜西翼，地層巖性以礫巖為主，局部夾泥巖、砂巖，隧道圍巖Ⅳ～Ⅴ為主。拉南斷裂以南隧道洞身均走行于上新統地層中，為沖洪積含泥礫巖相，構造位置位于化隆向斜核部及其北東翼，具備儲水構造的特征，尤其是向斜核部，可能分布有含承壓水弱膠結砂巖(砂層)。隧道圍巖Ⅳ～Ⅴ為主，富水弱膠結砂巖段，參考“桃胡砂巖”，圍巖為Ⅵ級。拉南、拉北斷裂之間為震旦系及前震旦系基底、寒武紀-志留紀巨厚的中基性-中酸性的火山碎屑巖，同時在地槽帶侵入相當規模的超基性巖，隧道圍巖Ⅲ～Ⅳ為主。嶺北引線位于拉脊山北麓山前低中山區，以隧道、橋梁為主；嶺南引線位于拉脊山南麓山前低中山區，以隧道工程為主。兩端引線工程隧道長度大，尤其是嶺南地區，均走行于第三系、白堊系弱成巖地層。

圖5 地質構造及中、東、西方案走向示意

方案主隧道長度/m引線隧道長度/m隧道總長度/m主隧道硬巖長度/m引線隧道硬巖長度/m主隧道弱膠結巖長度/m引線隧道弱膠結砂巖長度/m弱膠結砂巖總長度/m軟巖比例/%西方案143764651260888800044008376401124848879.63東方案28245265805482510100480018145217803992572.82中方案2826919164474335465440022804147643756879.20

中方案越嶺隧道洞口與其斜井施工條件較好，交通較方便。隧道埋深較大。越嶺隧道拉北斷層以北走行于白堊系沖積扇砂礫巖相及扇尾砂巖相，巖性以礫巖為主，局部夾砂巖，砂巖分布不規律，該段分布于北西向黎明向斜與石灰窯-拉樹嶺背斜之間，具備儲水構造的特征，隧道圍巖Ⅳ～Ⅴ為主。拉南斷裂以南隧道洞身均走行于上新統貴德組地層中，IICK55+500段以前為沖洪積含泥礫巖相，巖性以礫巖為主，夾泥巖，IICK55+500段以后位于砂巖-泥巖相，構造位置位于化隆向斜核部及其北東翼，具備儲水構造的特征，隧道圍巖Ⅳ～Ⅴ為主。拉脊山越嶺段震旦系至寒武系地層，隧道圍巖Ⅲ～Ⅳ為主。引線工程于小峽背斜東翼，硝溝處揭露有承壓水，含水砂巖層巖芯成砂土狀，Ⅵ級圍巖。

東方案越嶺隧道洞口及斜井施工條件較好，交通方便。除了嶺脊段埋深大外，其余段埋深相對較小。拉北斷裂以北越嶺隧道基本走行于第三系至白堊系地層中，第三系地層泥巖為主，白堊系地層為礫巖、砂巖及泥巖。該方案于山城-條嶺背斜東北翼揭露有含封閉型承壓水砂巖層，巖心呈砂土狀，厚約20 m，為隧道洞身上部。該段隧道圍巖Ⅳ～Ⅴ為主，含水砂巖段為Ⅵ級。拉脊山越嶺段為寒武系-泥盆系地層，隧道圍巖Ⅲ～Ⅳ為主，拉南斷裂以南地層以新近系礫巖、泥巖、砂巖為主，地下水不發育，隧道圍巖Ⅳ～Ⅴ為主。引線段昂思多及群科隧道位于尕魯凸起西側，受尕魯凸起的影響，發育承壓水的可能性小，該段隧道圍巖Ⅳ～Ⅴ為主，含水砂巖段為Ⅵ級。

整體而言，西方案越嶺段隧道最短，但引線工程隧道較長，隧道軟巖段落大。中方案和東方案越嶺隧道長度相當，但中方案勘測期間揭露有較大承壓水，對線位方案影響較大，不可控因素較多。東方案整體而言硬巖段落長，未揭露明顯承壓含水層，該方案整體較優。

5 結論

新西成鐵路拉脊山越嶺段位于青藏高原東北部，處于古亞洲構造域、特提斯構造域和濱太平洋構造域復合疊加的構造部位。區內地形地質條件復雜，尤其是含水弱膠結砂巖的分布對方案影響巨大。參考蘭渝線“桃胡砂巖”工程經驗，含水弱膠結砂巖隧道施工異常復雜，是一個世界性施工技術難題。在對三個通道方案進行詳細的地質調查、深孔鉆探、物探等測試工作后，在充分參考蘭渝鐵路工程經驗的基礎上，提出了拉脊山越嶺段選線定線的技術原則，選取了地質條件具有優勢的東線方案。