西寧至成都鐵路同仁至甘加越嶺段工程地質問題及地質選線

柏 青

(陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

引言

新建西寧至成都鐵路是納入國家《中長期鐵路網規劃》的項目，是連接青海、甘肅、四川三個西部省份的重要鐵路通道，也是路網性干線鐵路。該項目的建設將打通北連新疆、南通四川的鐵路運輸大通道，連接西北鐵路網、西南鐵路網和華南鐵路網，推進絲綢之路經濟帶的建設，加強經濟帶的輻射效應，帶動西部整體區域經濟快速發展，增強民族團結。

該鐵路新建長度約509 km，勘測分為四隊，本文依托于鐵路勘測二隊，工作范圍為同仁至夏河。其中同仁至甘加越嶺段位于青海、甘肅兩省交界地帶，地貌屬秦嶺中高山區，山勢陡峻，不良地質發育，地質條件復雜，地質選線工作難度極大，因此有必要對其開展研究工作。當前鐵路地質選線研究采用定性方法已取得較多成果，但對通過建立數學模型進行方案比選的研究較少[1-9]。本文將首先研究該區域的主要工程地質問題并確定其影響因素，然后確定建模參數，構建灰色關聯法與變權理論融合的數學模型，對多種地質選線方案進行綜合比選，確定最優的方案。

1 越嶺段比選方案

越嶺段主要比選方案詳述如下。

方案C25K：線路從比較起點引出，以橋隧工程引線至同仁縣城西設同仁車站，出站后以35.5 km特長隧道穿越瓜什則山嶺，出隧道后設甘加車站引線至比較終點，線路全長76.0 km。

方案C24K：線路從比較起點引出，以橋隧工程引線至隆務河峽谷區溝口，在同仁縣保安鎮附近設站，出站后以24.5 km特長隧道穿越瓜什則山嶺，出隧道后設甘加車站引線至比較終點，線路全長69.0 km。

方案ICK：線路從比較起點引出，以橋隧工程引線至隆務河峽谷區溝口跨越羊子河、隆務河，在同仁縣保安鎮附近設站，出站后以23.0 km特長隧道自東側穿過瓜什則盆地，出隧道后設甘加車站引線至比較終點，線路全長75.0 km。

各方案參見圖1。

圖1 鐵路地質選線方案示意

2 越嶺段主要工程地質問題

2.1 軟巖大變形

越嶺段地質構造復雜、新構造運動強烈、隧道埋深大、地應力高，巖性以薄層軟質巖為主，施工中可能發生軟巖大變形，是目前山區鐵路隧道建設的一大難題[10-12]。蘭渝鐵路木寨嶺隧道、哈達鋪隧道、馬家山隧道圍巖為三疊系板巖，巖質軟，遇水易軟化、崩解；構造以薄層狀為主，片理面發育，層間結合差；受構造影響較重，揉皺現象發育；區域地應力高，其中木寨嶺隧道實測最大水平主應力達到27 MPa，巖石強度應力比為0.2～0.5，屬于極高地應力[13]，上述隧道在施工中均發生了圍巖大變形，變形量大、變形時間長、初期支護難以穩定[14-15]。經過統計，蘭渝鐵路在三疊系地層的隧道開挖共32.2 km，圍巖變更20.5 km，變更占比63.2%。

本文研究區與蘭渝鐵路相鄰，同屬于秦嶺褶皺系，三疊系地層分布廣泛，因此蘭渝線勘察、設計及施工經驗對于評價研究區軟巖大變形問題有重要借鑒價值。通過研究蘭渝鐵路的經驗及現場勘察資料，控制軟巖大變形級別的主要因素包括巖性、巖體完整程度、板巖層厚、強度應力比、地下水等。

(1)巖性

對于是否產生大變形以及產生大變形的程度，巖性是一大控制因素[16]。就本文研究區而言，巖性主要包括板巖的成分及其在巖層中的比例。

研究區通過的三疊系地層均以板巖為主，板巖分為粉砂質板巖、泥質板巖。粉砂質板巖巖質較軟，層厚一般為5～10 cm(中薄層)；泥質板巖巖質軟，層厚一般為0.2～3.0 cm(極薄層-薄層)。

砂巖等夾層較板巖巖質較硬，是抵抗大變形的有利因素。其比例越高，軟巖大變形的風險就越低。

根據上述分析將三疊系下統隆務河組地層進一步分為上、中、下三段。上段以泥質板巖為主，夾中厚層砂巖，板巖與夾層比例約8∶2；中段地層以粉砂質板巖為主，砂巖較少出露，板巖與夾層比例約9∶1；下段地層以砂巖為主，夾粉砂質板巖、泥質板巖，板巖與夾層比例約4∶6。

(2)巖體完整程度

巖體完整程度分為完整、較完整、較破碎、破碎和松散。其中較破碎、破碎巖體大變形的風險較高，較完整、完整巖體發生大變形的風險較低。三疊系下統隆務河組地層的巖體完整程度以較破碎為主。

(3)層厚

層厚是控制軟巖的大變形的重要影響因素[17]，并且與巖性具有一定的相關性，例如砂質板巖一般層厚較大，泥質板巖層厚較小。根據西成線板巖形態特征，共劃分為極薄層(<1 cm)、薄層(1～3 cm)、中薄層(3～10 cm)、中厚層(10～50 cm)四個等級。層厚越薄，軟巖大變形的風險越高。

(4)強度應力比

強度應力比是判斷是否存在高地應力的重要指標，當強度應力比小于0.3～0.5時，即能產生比正常隧道開挖大1倍以上的變形。此時洞周將出現大范圍的塑性區，隨著開挖引起圍巖質點的移動，加上塑性區的“剪脹”作用，洞周將產生很大位移。

(5)地下水

地下水發育情況與軟弱圍巖大變形關系密切[18]。根據地面調查、物探、水文地質鉆探等資料，采用大氣降水入滲法、地下水徑流模數法和地下水動力學法，對研究區進行水文地質分區，三疊系下統隆務河組上、中、下三段巖層地下水發育程度均為弱富水-中等富水。

通過上述分析，對軟巖大變形各個控制因素進行分析，將三疊系下統隆務河組上、中、下三段巖層的軟巖大變形風險進行分級，詳見表1。

表1 軟巖大變形風險分級

2.2 砂巖水穩性問題

蘭渝鐵路桃樹坪、胡麻嶺隧道圍巖施工開挖后有如下情況[19]，新近系砂巖經開挖擾動，原始結構被破壞，巖體呈松散狀態，穩定性變差，多呈粉細砂狀，發生圍巖變形、坍塌，富水狀態下還會發生涌水、涌砂[20]，給隧道施工帶來極大困難，被中科院地質所定為工程性質很差的劣質巖[21]。

越嶺段特長隧道通過瓜什則盆地，該盆地為一東西長、南北窄的狹長盆地，地勢東高西低，地表水水量較為豐富，自盆地四周各溝谷向西匯入加薩河。根據鉆探資料，地表廣覆第四系，下部為巨厚的上新近系中新統砂、礫巖，沉積厚度巨大，泥質膠結，富水狀態下水穩性極差，極易崩解，工程性質極差，與蘭渝鐵路中的上新近系砂巖極為相似，施工中發生圍巖變形、坍塌、涌水、涌砂等問題的風險極大。

3 地質選線模型

3.1 構建決策矩陣

分析研究區工程地質條件及主要工程地質問題，明確參與建模的評價指標，并形成決策矩陣A。

選取對應的灰色區間數作為定性評價指標的取值，如表2所示。

表2 定性評價指標與灰色區間數對應關系

3.2 數據標準化處理

為消除各評價指標單位、數量級等方面的差異，需進行標準化處理，利用灰色極差變換得到標準化決策矩陣X=(xij)m×n。

灰色極差標準化公式如下。

對于效益型定量指標

對于成本型定量指標

1)

對于效益型定性指標

對于成本型定性指標

2)

3.3 確定最優和最差方案

定量指標的最優、最差方案如下：

定性指標的最優、最差方案如下：

3.4 計算變權權重下的灰色關聯度

方案Ai針對A+的灰色關聯度G(x+(?)，xi(?))和關于A-的灰色關聯度G(x-(?)，xi(?))，其計算公式為

據此可計算得到方案Ai關于最優、最差方案的灰色關聯度G(x+(?)，xi(?))、G(x-(?)，xi(?))。以λ=0.5作為分辨系數，運用懲罰性指數型變權形式完成變權，否定水平U=0.8，懲罰系數a=-0.5，權重系數取β1=β2=0.5，最終得到G(xi(?))

G(xi(?))=0.5×G(x+(?)，xi(?))+

0.5×[1-G(x-(?)，xi(?))]

(3)

4 方案比選

分析西寧至成都鐵路同仁至甘加越嶺段3個方案的工程地質條件及主要工程地質問題，構建數學模型對3個方案進行綜合比選。

4.1 各方案工程地質條件分析

方案C25K中越嶺隧道大部分穿過燕山期花崗閃長巖，圍巖條件較好，小部分通過三疊系下統隆務河組中段、上段板巖夾砂巖，軟巖大變形風險低；在瓜什則段小部分位于上新近系中新統砂、礫巖中，存在輕微的上新近系砂巖水穩性問題。方案C24K越嶺隧道主要通過三疊系下統隆務河組上段、中段板巖夾砂巖，圍巖工程性質差，軟巖大變形風險高；瓜什則段位于上新近系中新統砂、礫巖中，發生圍巖變形、坍塌、涌水、涌砂等問題的風險高。方案ICK越嶺隧道通過三疊系隆務河組中段、下段長度較大，軟巖大變形風險在3個方案中居中；瓜什則盆地段位于三疊系地層，無上新近系砂巖水穩性問題。

4.2 數學模型比選

根據上文分析，選取線路長度、越嶺隧道長度、越嶺隧道硬巖長度、越嶺隧道新近系砂巖長度、越嶺隧道埋深、隧道正常涌水量、軟巖大變形風險分級、砂巖水穩性問題、施工風險等9個評價指標構建模型，對3個方案進行評價比選。評價指標取值情況見表3。

表3 3個方案參數及相應取值

根據表3形成決策矩陣A，依照表2，以灰色區間數對指標P7～P9取值加以表示。再結合公式(1)、公式(2)標準化處理決策矩陣內存在的數據，取得X這一標準化決策矩陣。

對評價指標P1～P9對應的灰色關聯系數進行計算，獲得相應灰色關聯系數矩陣。利用層次分析法計算常權下各評價指標的權重

W={0.048，0.096，0.096，0.014，0.010，0.014，0.288，0.240，0.192}。

對應的變權向量W(Xi)如下

通過公式(3)對變權權重向量、灰色關聯系數矩陣的綜合，獲得變權權重之下，各方案的綜合灰色關聯度(表4)。

表4 基于常權和變權方法的各方案綜合灰色關聯度

由表4可知兩種方法計算下，常權情況下方案ICK為最優方案，利用變權突出軟巖大變形及砂巖水穩性問題的情況下方案C25K為最優方案，說明在鐵路地質選線時側重點不同導致方案優劣排序發生變化。

綜上所述，在軟巖大變形和砂巖水穩性為主要工程地質問題的研究區地質選線中，方案C25K為最優方案。

5 結論

(1)軟巖大變形為研究區的主要工程地質問題之一，巖性、巖體完整程度、層厚、應力強度比、地下水為軟巖大變形的主要影響因素，據此對三疊系軟巖大變形進行了風險分級，為方案比選提供了地質依據。

(2)砂巖水穩性為研究區的另一個主要工程地質問題，上新近系砂巖受擾動后結構易破壞，強度急劇下降，水穩性極差，富水狀態下發生涌水、涌砂風險極高，長隧道選線應盡量繞避。

(3)相比傳統采用定性方法進行地質選線，本文在綜合分析研究區工程地質條件的基礎上，確定10個參與建模的評價指標，綜合灰色關聯、變權理論構建鐵路地質選線模型，突出研究區的主要工程地質問題，對研究區3個方案進行定量的工程地質條件比選，明確了最優方案。