復(fù)雜環(huán)境下山區(qū)高速鐵路綜合地質(zhì)勘察

胡永占

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

隨著國(guó)家“西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略”和“一帶一路”的提出以及《關(guān)中平原城市群發(fā)展規(guī)劃》的批復(fù)，大量的基礎(chǔ)設(shè)施尤其是高速鐵路工程得到了快速發(fā)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(qū)，為此探索和研究復(fù)雜秦嶺山區(qū)高速鐵路綜合地質(zhì)勘察有著重大的現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)中西部高速鐵路建設(shè)有著重要的指導(dǎo)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(guān)中平原與江漢平原，是中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目。線路西起陜西省西安市，向東南穿越秦嶺山脈，經(jīng)商洛和十堰兩市，與建設(shè)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(zhǎng)約258 km，穿越秦嶺山區(qū)約220 km，因此秦嶺山區(qū)的地質(zhì)勘察是本項(xiàng)目的勘察工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1 地質(zhì)條件綜合分析

西安至十堰高速鐵路穿越秦嶺山區(qū)，地形地貌復(fù)雜，長(zhǎng)大區(qū)域斷裂發(fā)育，地層巖性經(jīng)多期地質(zhì)構(gòu)造作用后復(fù)雜多樣，復(fù)雜山區(qū)不穩(wěn)定斜坡沿?cái)鄬訋Ъ皽瞎瘸蕳l帶狀廣泛分布，山區(qū)巖溶發(fā)育，工程地質(zhì)條件極其復(fù)雜，存在眾多工程地質(zhì)問(wèn)題。

1.1 地形地貌復(fù)雜

沿線主要通過(guò)地貌單元為渭河盆地區(qū)、秦嶺中山區(qū)、秦嶺低山區(qū)以及低山丘陵等，如圖1 所示。秦嶺為我國(guó)黃河和長(zhǎng)江兩大水系的分水嶺。工程區(qū)內(nèi)嶺脊總體展布方向?yàn)楸睎|向秦嶺山勢(shì)北陡南緩，北坡溝谷短，溝床縱坡陡，溝谷總體特點(diǎn)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(zhǎng)，多呈樹(shù)枝狀水系。地表植被發(fā)育，多為喬木、灌木[1]。

1.2 長(zhǎng)大區(qū)域斷裂發(fā)育

工程區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，橫跨渭河斷陷盆地、華北地臺(tái)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(gòu)造單元，發(fā)育有十多條長(zhǎng)大區(qū)域斷裂，斷裂主要走向以東西向?yàn)橹鳎员睎|向和北西向?yàn)榇巍Ｖ饕獢嗔言缙谑苣媳毕驑?gòu)造應(yīng)力場(chǎng)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(zhǎng)的特點(diǎn)，且斷層破碎帶較寬，斷帶物質(zhì)較為復(fù)雜，碎裂巖、糜棱巖、斷層角礫、斷層泥礫等構(gòu)造巖均較發(fā)育[2]。主要斷裂構(gòu)造見(jiàn)西安至十堰高速鐵路秦嶺山區(qū)主要構(gòu)造示意圖，詳見(jiàn)圖2。

圖1 西安至十堰高速鐵路地貌分區(qū)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(qū)域斷裂構(gòu)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?jǐn)鄬樱籉5 為牛頭巖斷裂；F8 為鳳鎮(zhèn)-山陽(yáng)斷裂；F9 為板巖鎮(zhèn)斷裂。

1.3 復(fù)雜山區(qū)不穩(wěn)定斜坡廣泛分布

秦嶺山區(qū)不穩(wěn)定斜坡廣泛分布沿?cái)鄬訋Ъ皽瞎瘸蕳l帶狀廣泛分布，主要為滑坡、錯(cuò)落，崩塌、巖堆、危巖落石等山區(qū)不穩(wěn)定斜坡。

1.3.1 滑坡、錯(cuò)落 秦嶺山區(qū)巖體受構(gòu)造影響很嚴(yán)重，軟弱破碎，風(fēng)化嚴(yán)重，因而殘、坡積層發(fā)育，在地表水、地下水等綜合作用下，極易沿下伏基巖面產(chǎn)生滑動(dòng)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(cuò)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(gòu)造面、節(jié)理密集帶、軟硬巖接觸帶、土石分界面等軟弱結(jié)構(gòu)面，在重力作用或人工開(kāi)挖坡體前緣而引起的坡體以垂直下錯(cuò)為主的變形現(xiàn)象[3]。

1.3.2 崩塌、巖堆、危巖落石 從其發(fā)育的現(xiàn)狀來(lái)看，其易發(fā)段主要分布于秦嶺中低山區(qū)斜坡地帶基巖陡坎附近，巖體受構(gòu)造影響很嚴(yán)重，穩(wěn)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(lán)橋河溝口至蘭橋鎮(zhèn)段兩岸山體陡峻，危巖落石成群分布。

1.4 山區(qū)巖溶發(fā)育

本區(qū)的寒武系、奧陶系地層為可溶巖地層，主要分布于輞川鎮(zhèn)附近以及山陽(yáng)至鄖西段，主要為大型溶洞及落水洞，大多沒(méi)有水，可見(jiàn)明顯的巖溶漏斗、巖溶洼地等喀斯特地貌。

其中輞川鎮(zhèn)附近可溶巖地帶，開(kāi)發(fā)為輞川溶洞旅游風(fēng)景區(qū)。山陽(yáng)至鄖西段可溶巖主要發(fā)育于山陽(yáng)縣板巖鎮(zhèn)-商南縣汪家店鎮(zhèn)以南、鄖西縣香口鎮(zhèn)-鄖陽(yáng)區(qū)劉洞鎮(zhèn)以北的寒武系、奧陶系、石炭系灰?guī)r地層中，寬約22～26km，東西長(zhǎng)度大于120km，多為中等巖溶發(fā)育區(qū)，屬裸露型。

2 綜合地質(zhì)勘察

秦嶺山區(qū)，山大溝深，地形地貌復(fù)雜，地層巖性多變，復(fù)雜山區(qū)不穩(wěn)定斜坡、巖溶等不良地質(zhì)發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造極其復(fù)雜，為復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境山區(qū)越嶺鐵路選線。針對(duì)西安至十堰高速鐵路秦嶺山區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)條件，采用“大場(chǎng)景”三維立體遙感技術(shù)、野外地質(zhì)調(diào)繪和現(xiàn)場(chǎng)鉆探、各類物理勘探、綜合測(cè)井、水文試驗(yàn)等綜合勘察手段，開(kāi)展綜合地質(zhì)勘察工作。

2.1 真實(shí)感場(chǎng)景遙感技術(shù)

遙感技術(shù)作為一種基本技術(shù)手段已經(jīng)成為地質(zhì)調(diào)查工作所廣泛應(yīng)用，隨著我國(guó)鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，又為遙感的地質(zhì)應(yīng)用提供了新的發(fā)展機(jī)會(huì)，并應(yīng)用于鐵路勘察設(shè)計(jì)中。

真實(shí)感場(chǎng)景遙感技術(shù)，簡(jiǎn)稱“大場(chǎng)景”遙感技術(shù)[4]：是指利用影像數(shù)據(jù)與地形數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)生成的一種真三維空間場(chǎng)景技術(shù)，以高精度的大范圍三維地形場(chǎng)景為基礎(chǔ)的線路協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，為鐵路工程地質(zhì)勘察及選線設(shè)計(jì)提供一套全新的手段和環(huán)境。

“大場(chǎng)景”遙感技術(shù)以遙感技術(shù)、航空攝影測(cè)量技術(shù)及地理信息系統(tǒng)技術(shù)為基礎(chǔ)，是各學(xué)科技術(shù)的交叉與融合的新技術(shù)、新手段。具有如下優(yōu)勢(shì)：（1）解譯過(guò)程方便，易于控制，實(shí)時(shí)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(zhì)特征；（3）立體定位快速靈活，大場(chǎng)景的職能驅(qū)動(dòng)功能可根據(jù)坐標(biāo)值或里程位置快速定位解譯目標(biāo)，克服了航空影像定位查找耗時(shí)費(fèi)力的缺點(diǎn)，提高了解譯效率和精度[5]。豐富鐵路地質(zhì)勘察手段，大大提高了地質(zhì)勘察工作效率，為鐵路山區(qū)地質(zhì)勘察選線的新創(chuàng)舉。

2.2 綜合勘察

對(duì)復(fù)雜山區(qū)不穩(wěn)定斜坡的勘察應(yīng)采用“大場(chǎng)景”遙感技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)繪查明其位置、分布范圍，線路方案無(wú)法繞避時(shí)并布置鉆探以及室內(nèi)試驗(yàn)分析評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性。

對(duì)長(zhǎng)大斷裂尤其是活動(dòng)斷裂的勘察應(yīng)采用“大場(chǎng)景”遙感技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)繪查明斷層位置、走向、地貌特征等，影響線路方案時(shí)并布置鉆探、物探查明其寬度斷帶物質(zhì)及其富水性等。

對(duì)巖溶區(qū)的勘察應(yīng)采用“大場(chǎng)景”遙感技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)繪的基礎(chǔ)上，布置鉆探、綜合物探查明巖溶分布范圍和形態(tài)，查明地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造特征，溶巖發(fā)育與巖性、地質(zhì)構(gòu)造及裂隙的關(guān)系，并分析評(píng)價(jià)其工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件。

2.3 綜合勘察方法體系

針對(duì)西安至十堰高速鐵路秦嶺山區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)條件，采用室內(nèi)“大場(chǎng)景”三維立體遙感技術(shù)、野外地質(zhì)調(diào)繪和現(xiàn)場(chǎng)鉆探、各類物理勘探、綜合測(cè)井、水文試驗(yàn)等結(jié)合后形成了一套快速、準(zhǔn)確、高效的新型綜合勘察方法體系，為復(fù)雜山區(qū)鐵路地質(zhì)勘察的新創(chuàng)舉。

3 空間綜合地質(zhì)選線

根據(jù)西安至十堰高鐵秦嶺山區(qū)，山大溝深，地形地貌復(fù)雜，地層巖性多變，巖溶以及滑坡、錯(cuò)落等不穩(wěn)定斜坡發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造極其復(fù)雜等地質(zhì)特點(diǎn)，采用室內(nèi)“大場(chǎng)景”三維立體遙感技術(shù)與傳統(tǒng)綜合勘探相結(jié)合的新型綜合勘察手段，提出復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境山區(qū)越嶺鐵路地質(zhì)選線原則：

對(duì)長(zhǎng)大區(qū)域性斷裂帶和構(gòu)造線交匯處應(yīng)繞避；當(dāng)難以避開(kāi)時(shí)，宜以大角度通過(guò)構(gòu)造帶，并調(diào)整縱向坡度避免在構(gòu)造破碎帶上設(shè)置重大工程，宜以低路堤等簡(jiǎn)易的工程通過(guò)。

對(duì)復(fù)雜山區(qū)不穩(wěn)定斜坡，應(yīng)注意控制挖方地帶邊坡高度的控制，尤其是山區(qū)覆蓋層斜坡，如果邊坡太高，容易造成邊坡失穩(wěn)，產(chǎn)生崩塌、落石等病害；線路應(yīng)盡量繞避地形復(fù)雜、不良地質(zhì)規(guī)模巨大且集中分布段落；不能繞避時(shí)采用簡(jiǎn)易的明線工程選擇最有利的地形通過(guò)，或通過(guò)調(diào)整線路坡度以隧道下穿方式通過(guò)；隧道通過(guò)時(shí)宜大角度早進(jìn)晚出，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)超前支護(hù)及擋護(hù)措施，以確保隧道洞門安全。

對(duì)復(fù)雜巖溶山區(qū)，應(yīng)繞避巖溶強(qiáng)烈發(fā)育地帶以及可溶巖與非可溶巖的接觸帶、構(gòu)造發(fā)育帶等，通過(guò)巖溶地段時(shí)縱向坡度應(yīng)盡量抬高標(biāo)高，從巖溶區(qū)的垂直徑流帶通過(guò)。

4 結(jié)論

西安至十堰高鐵秦嶺山區(qū)，長(zhǎng)大區(qū)域斷裂等地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、山區(qū)不穩(wěn)定斜坡廣泛分布以及巖溶發(fā)育，通過(guò)采用“大場(chǎng)景”三維立體遙感技術(shù)與其它勘察手段結(jié)合后形成新的綜合勘察方法體系進(jìn)行地質(zhì)勘察工作，提出復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境山區(qū)越嶺鐵路空間地質(zhì)綜合選線原則。

（1）新的綜合勘察方法體系：“大場(chǎng)景”三維立體遙感技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)野外調(diào)查相結(jié)合的地質(zhì)調(diào)繪方法、現(xiàn)場(chǎng)鉆探、各類物理勘探、綜合測(cè)井、水文試驗(yàn)等結(jié)合后形成了一套快速、準(zhǔn)確、高效的綜合勘察方法體系，豐富了鐵路地質(zhì)勘察手段，大大提高了山區(qū)鐵路的地質(zhì)勘察工作效率，為鐵路山區(qū)地質(zhì)勘察的新創(chuàng)舉，是越嶺山區(qū)鐵路綜合地質(zhì)勘察成功的案例，對(duì)越嶺山區(qū)鐵路地質(zhì)勘察工作有很大的借鑒意義；

（2）復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境山區(qū)越嶺鐵路空間地質(zhì)綜合選線原則：對(duì)于長(zhǎng)大區(qū)域斷裂等地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、山區(qū)不穩(wěn)定斜坡廣泛分布以及巖溶發(fā)育的越嶺山區(qū)鐵路，線路方案應(yīng)從平面位置和縱向坡度的優(yōu)化調(diào)整進(jìn)行空間地質(zhì)綜合選線，為鐵路山區(qū)地質(zhì)選線的新突破，是越嶺山區(qū)鐵路綜合地質(zhì)選線成功的范例，對(duì)越嶺山區(qū)鐵路地質(zhì)選線工作有重大的指導(dǎo)價(jià)值。