西寧至成都高速鐵路拉脊山選線研究

張學伏

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 西安 710043)

1 項目背景

新建西寧至成都鐵路位于青海、甘肅、四川三省交界地帶。線路北起青海省省會西寧市，向南經海東市翻越拉脊山，經黃南州、甘肅省甘南州進入四川省若爾蓋縣，接入在建成蘭鐵路黃勝關站，與成蘭鐵路共線引入成都樞紐。本線是國家“八縱八橫”高速鐵路蘭(西)廣通道的重要組成部分，蘭渝鐵路為蘭(西)廣通道的貨運主通道、與本線有共同的地質特征，對本工程建設有指導意義。

2 復雜的地質條件

拉脊山位于湟水河與黃河之間的分水嶺，線路垂直穿越其兩端低中間高的起伏地形，需大坡度翻越。高壓氣體及第三系、白堊系弱成巖工程水穩性為該段突出的地質問題，同時拉脊山南麓的滑坡群對線路選線也有很大影響。

2.1 高壓氣體

2.1.1 高壓氣體成因機制分析

基底為下元古界薊縣系碎裂化大理巖，火山噴出巖及變質巖，本身含豐富的CO2。海東南山特長隧道XCDCSZ-3-1號孔終孔深度380 m，在進行孔內水文地質試驗時，初始噴出高壓氣體的噴射高度達5 m。根據鉆孔及周圍深孔揭示情況，初步判斷該孔處可能為1處古隆起構造，根據鉆孔底部巖芯的破碎情況判定為風化殘丘[1]。從氣源分布區、流體及壓力勢分布分析，盆地的古隆起構造多處于低流體勢和較低的壓力分布區。巖體破碎，儲層發育，滲透性良好，是氣體運移的指向區。深孔穿透蓋層，蓋層主要為第三系至侏羅系的沉積巖、含泥巖和石膏巖，具有厚度足夠、連續性和封堵性強、分布范圍大、穩定性好等特征，是天然理想的蓋儲層結構組合。高壓氣體形成原因如圖1所示。

圖1 高壓氣體形成原因示意圖

2.1.2 高壓氣體分布特征

根據深孔鉆探、地震與大地電磁的10條剖面，修正基底等值線圖，發現存在1處近東西走向、樞紐東傾的鼻狀隆起構造，平面上呈西寬東窄。鼻狀隆起構造縱斷面如圖2 所示[2]。從圖2可以看出，其脊線呈中間高兩側低。且兩側不對稱的特征，局部具有起伏，即向東埋深越來越大，往西埋深先小后大，最淺位置厚度小于200 m。

圖2 鼻狀隆起構造縱斷面圖

通過對盆地揭露的CO2相關活動事件進行研究，分析CO2氣體的生儲運規律，可得出以下結論：

(1)基底古風化殼中CO2主要以游離態的形式存在，儲存量大、壓力大，尤其在基底隆起地段。揭露后會形成高壓氣流，且衰減慢。線路勘察時應查明隧道走行段落的基底標高，隧道開挖不能揭露的基底地層。孔探揭露基底古隆起地段出現高壓氣體即為此種情況。

(2)白堊系砂礫巖地層，CO2會以溶解態或少量的氣相與水共存和運移，儲存量小，揭露后很快逸散。平安三合鎮地熱井勘探中揭示的CO2間歇自噴和本區域水文地質調查中發現的含CO2的泉水(包括藥水灘、冰嶺山、撓莊村和馬場溝、沙溝及石溝沿等)均為白堊系地層中水汽兩相CO2的出漏點，多為斷層導氣，且多分布有厚層的鈣華。白堊系地層中水汽兩相的CO2氣體多為基底CO2氣體逸散進入白堊系砂礫巖孔隙中，被第三系泥巖封存，局部斷裂構造發育，順斷層以水汽兩相溢出。隧道走行于該地層時應加強通風，使隧道的CO2濃度低于0.5%。

2.1.3 高壓氣體對工程的影響分析

高壓的CO2氣體對鐵路隧道的施工和結構設計均有一定影響。

(1)對施工人員人身安全的影響

高壓的CO2氣體惡化施工作業環境，降低勞動生產效率，威脅作業人員健康和安全。易導致巖石和氣體突出，產生掌子面塌方、冒頂，巖、氣突出能瞬間導致人員死亡。CO2濃度處于0.3%～0.4%時，會導致人呼吸加深，出現頭疼、耳鳴、血壓增加等癥狀，當濃度高達0.8%以上時，會導致人當場死亡。

(2)對隧道結構設計的影響

為降低高壓的CO2氣體的影響，需開展高壓CO2防突隧道支護體系、適應高濃度CO2條件的水泥防腐保護厚度、適應高濃度CO2條件下的通風系統等研究。

2.2 第三系、白堊系弱成巖工程水穩性

第三系、白堊系為特殊成巖環境和沉積過程形成的地層，具有成巖時間比較晚、膠結性能比較差、強度比較低、易風化和泥化崩解等特性，屬于弱成巖地層。弱成巖地層主要為成分成熟度及結構成熟度較低、富含剛性顆粒，具有弱膠結、低強度、遇水后崩解泥化、擾動敏感等特性，對許多深部地下工程支護方式及工程穩定性均有較大影響。

2.2.1 空間分布特征

測區弱成巖地層主要分布于拉脊山北、南兩麓的西寧盆地和化隆盆地。拉脊山北麓西寧盆地弱成巖地層主要有第三系馬哈拉溝組、洪溝組、祁家川組和白堊系民和組地層。拉脊山南麓化隆盆地弱成巖地層主要有第三系貴德組、臨夏組、咸水河組、西寧組、馬哈拉溝組及洪溝組地層。

2.2.2 弱成巖地層水穩性特征

針對不同地層時代進行了深孔鉆探，再對不同巖性進行現場巖芯簡易泡水試驗、顆粒分析試驗和黏土礦物含量試驗，根據試驗結果對其水穩性特征(巖性分類、成巖情況分類、膠結類型分類、水敏感性特征分類、賦水性特征分類)進行歸納分類，并綜合評價其水穩性。弱成巖地層水穩性特征如表1所示。

表1 弱成巖地層水穩性特征一覽表

由表1可知，弱膠結的泥巖砂巖，遇水瞬間崩解為散狀，水穩性綜合評價極差，主要為拉脊山北麓的白堊系民和組砂巖及拉脊山南麓的第三系貴德組砂、礫巖。

2.2.3 與蘭渝鐵路第三系對照分析

西成鐵路尖扎至海東段主要通過第三系、白堊系弱成巖地層，與蘭渝鐵路蘭州至渭源段通過的第三系、白堊系沉積環境及巖性相似，以弱成巖的砂巖、泥巖及礫巖為主。西成、蘭渝鐵路通過弱成巖地層長度如表2所示，通過弱成巖地層特征對比如表3所示。

表2 西成、蘭渝鐵路通過弱成巖地層長度對比表

通過分析西成鐵路通過的8套第三系、白堊系弱成巖地層的沉積特征、膠結程度、黏粒含量、水文地質條件等，研究各地層的水穩性。其中白堊系民和組、第三系貴德組2套地層的砂巖水穩性差，巖層多呈5°～30°傾向盆地中心，對線路方案和工程設置影響較大。與蘭渝鐵路胡麻嶺隧道、桃樹坪隧道砂巖相比，西成鐵路弱成巖地層的各項水穩性特征在黏粒含量、巖性、水文地質條件、膠結程度等方面略好[3]。

表3 西成、蘭渝鐵路通過弱成巖地層特征對比表

2.2.4 弱成巖地層可能遇到的工程地質問題

根據蘭渝鐵路胡麻嶺、桃樹坪隧道及蘭新鐵路施工及運營中出現的問題，分析研究區弱成巖地層可能會遇到的工程地質問題有：(1)泥巖、石膏巖及芒硝巖的膨脹性問題；(2)石膏巖及芒硝巖的侵蝕性問題；(3)砂巖在水作用下穩定性變差的問題；(4)隧道施工涌水、涌砂的問題；(5)地層軟硬不均、隧道降水和開挖困難的問題等。

3 線路選線方案的研究

3.1 選線原則[5-7]

復雜地質條件下的選線原則有：

(1)線路盡量繞避弱成巖地層，盡量減少穿越弱成巖段落，走行于硬巖區；不可避免時，為減小弱成巖對線路的影響，線路應盡量抬高標高，走行于地下水位以上。

(2)線路應從平面上盡量繞避鼻狀隆起構造，減少高壓氣體對工程的影響。

(3)線路盡量繞避拉脊山嶺南沿溝谷大型滑坡連片發育的地區。

(4)綜合主越嶺隧道及兩端引線條件，選擇合理的工程。

3.2 工程方案

區域內橋隧相連的線路長度對工程投資有較大影響，因而合理的線路方案為經尖扎，在化隆縣昂思多鎮設站后，設越嶺隧道穿越鼻狀隆起構造，接入海東西車站。受高壓氣體的影響，在探明高壓分布及鼻狀隆起構造的特點后，線路應向西繞避鼻狀隆起構造。

線路向西偏移后，結合線路布線、車站選址以及主越嶺隧道情況，首先研究了取直線路的經群科沿高速公路方案，該方案線路自尖扎站取直，依次經群科、扎讓至既有海東西站。線路長度最短，但因取直線路，不可避免地需穿越了三大滑坡群，對該段橋隧工程影響巨大，橋隧施工較危險且運營成本極高，因此不予采用。然后結合不良地質和城市分布情況，繼續深化研究了經化隆方案與經群科方案，各方案示意如圖3所示[4]。

圖3 拉脊山越嶺隧道方案示意圖

(1)經化隆越嶺方案

該方案線路從尖扎站引出，向北跨黃河、走行于硬巖區，緊坡拔起線路標高，降低弱成巖水穩性對隧道工程的影響，行至化隆縣昂思多鎮設站。出站后穿越拉脊山，繞避鼻狀隆起構造，沿白沈家溝溝谷布線，引入蘭新高速鐵路既有海東西站。該段橋隧比96.7%，主越嶺隧道長21.5 km。

(2)經群科28 km隧道越嶺方案

該方案主越嶺隧道長28 km，越嶺隧道靠近城河溝布線，長大段落線路標高低于溝谷，總體未減少弱成巖段長度，故不予采用。

(3)經群科32.1 km隧道越嶺方案

該方案線路從尖扎站引出，明線橋梁工程走行于河谷，在群科鎮設站。穿越拉脊山后，沿白沈家溝足坡展線而下，引入蘭新高速鐵路既有海東西站，橋隧比87.0%，越嶺隧道長32.1 km。

3.3 方案比選

3.3.1 工程地質分析[5-7]

(1)從高壓CO2氣體分析

通過對高壓CO2氣體的分布和埋深進行研究，基本探明了鼻狀隆起構造的特點。兩個方案線路均走行于拉脊山北坡鼻狀隆起構造的西側，基底埋深較大，沿線發育有兩處鈣華地貌，為白堊系民和組砂、礫巖賦存，且多為水氣兩相。沿線僅以水氣兩相CO2封存于白堊系民和組砂、礫巖地層，水中溶解的氣體濃度有限。兩方案線路均繞避鼻狀隆起構造，區域內形成高壓氣體的概率均較小。

(2)從弱成巖水穩性分析

經化隆21.5 km隧道方案和經群科32.1 km隧道方案通過弱成巖地層的長度統計如表4所示。

表4 隧道通過弱成巖地層長度統計表(km)

注：古近系水穩性特征優于西寧組和貴德組地層

經群科32.1 km隧道方案主越嶺隧道經過弱成巖地層長度為20.3 km，均為白堊系及第三系貴德組水穩性極差的地層，其中貴德組地層17.9 km，水穩性問題突出，工程地質條件極差。引線隧道水穩性問題不突出。

經化隆21.5 km隧道方案主越嶺隧道經過弱成巖地層長度為6.8 km，其中有4.1 km走行于水穩性稍好的西寧組地層。引線隧道經過弱成巖地層長度為11.4 km，均為水穩性稍好的古近系地層。該方案線路拔起標高，水穩性風險小，工程地質條件較好。

(3)從與承壓水關系分析

分析西寧及化隆盆地第三系、白堊系地層沉積相的分布特征，發現盆地邊緣至盆地中心顆粒逐漸變細，表現為砂礫巖→砂泥巖→泥巖→石膏巖→鹽巖，且在盆地中央一定范圍內存在多層承壓水。

經化隆21.5 km隧道方案化隆盆地引線段隧道多走行于尕魯隆起硬巖區，部分第三系地層受基底隆起的影響，多不含承壓水。主越嶺隧道靠近盆地邊緣地帶，一般也不含承壓水，地質條件相對較好。

經群科32.1 km隧道方案主越嶺隧道于化隆盆地貫穿河湖相砂泥巖至洪積扇相砂礫巖地層，盆地中央地帶一定范圍揭露含承壓水弱膠結砂巖的可能性較大，地質條件較差，工程風險較大。

綜合比較，經化隆21.5 km隧道方案以21.5 km的隧道穿越拉脊山，主隧道線路走行于硬巖區，部分段落走行于水穩性稍好的古近系及西寧組地層，線路拔起標高，水穩性影響小，工程地質條件較好，該方案較優。

3.3.2主越嶺隧道工程設置與實施條件分析

由于地形復雜，區域內各方案基本為橋隧相連布線，除受工程地質條件影響外，還受主越嶺隧道輔助坑道條件及工期控制。海東南山隧道同方案施工條件對比如表5所示。

表5 海東南山隧道兩方案施工條件對比表

由表5可知，經化隆21.5 km隧道方案越嶺隧道長度短，隧道通過弱成巖地層段落短，施工斜井規模小,工期短，施工風險和難度低。從拉脊山主越嶺段隧道施工條件分析，方案更優。

3.3.3 工程投資分析

經化隆21.5 km隧道方案線路順直，越嶺主隧道較短，同時越嶺主隧道及其引線隧道走行于硬巖區的段落長，隧道指標低，線路總長度短，工程投資較少。

經群科32.1 km隧道方案越嶺主隧道長，嶺南主隧道穿越貴德組弱成巖地層的地段長，越嶺主隧道及輔助坑道地質條件差，隧道指標高，較經化隆21.5 km隧道方案線路長3.6 km，主越嶺隧道長10.5 km，工程投資增加13億元。

3.3.4 環保方面分析

經化隆21.5 km隧道方案僅穿越了昂思多水源地的準保護區，目前已取得同意穿越的相關批復。經群科32.1 km隧道方案穿越了牙什尕水源地和群科水源地的一級保護區，環保審批較為困難。

3.3.5站位對化隆縣居民出行輻射情況分析

化隆縣全縣人口30萬人，規劃將縣城遷移至群科新區，群科新區設化隆站主要輻射范圍為群科鎮和群科新區，現狀人口2.5萬人。昂思多鎮設站可輻射化隆縣城及周邊的巴燕鎮(既有化隆縣城)、二塘鄉、昂思多鎮、扎巴鎮、查甫鄉、阿什努鄉等鄉鎮，吸引范圍為化隆縣的大部分地區。從站位對化隆縣居民出行的輻射情況分析，于昂思多鎮設站的經化隆21.5 km隧道方案更加合理。

3.4 比選結論

經研究分析，經化隆21.5 km隧道方案，繞避了鼻狀隆起構造，遇到高壓氣體的概率小。主隧道及部分引線隧道線路走行于硬巖區，還有部分段落走行于水穩性稍好的古近系及西寧組地層，線路拔起標高，水穩性影響小。主越嶺隧道短，施工風險和難度低，工程設置合理，影響環境敏感點少，工程投資省，方案較優。

4 結論

西寧至成都鐵路穿越祁連山脈余脈拉脊山地段,該區域弱成巖工程水穩性地質問題非常突出，尤其是鐵路勘察階段遇到的高壓CO2氣體，國內尚屬首例，可供借鑒的工程經驗十分有限。本文通過開展地質專題勘察，查明不良地質分布的特征及特性，并借鑒蘭渝鐵路的施工經驗，科學、經濟、安全、合理地進行地質選線及工程設置，得出以下主要結論：

(1)西寧盆地基底根據埋深可分為“三坳四隆”構造，其地質背景十分獨特。針對高壓CO2氣體應開展專題研究，查明其空間分布、賦存狀態、儲量，在此基礎上選擇適宜的線路平面位置及標高，讓線路盡量走行于基底凹陷區。鼻狀隆起構造，往東基底寬度越來越小，埋深越來越大往西基底寬度逐漸增大，埋深先小后大，建議平面位置上盡量繞避鼻狀隆起構造。考慮到斷裂構造為氣體的主要運移通道，線路在拉脊山北麓應盡量避免以隧道工程穿越中、新生代斷裂構造。

(2)水穩性綜合評價極差的地層主要為拉脊山北麓的白堊系民和組砂巖和拉脊山南麓的第三系貴德組砂、礫巖。根據蘭渝線胡麻嶺、桃樹坪隧道及蘭新線施工運營中出現的問題，分析第三系、白堊系弱成巖地層可能遇到的工程地質問題有：①泥巖、石膏巖及芒硝巖的膨脹性問題；②石膏巖及芒硝巖的侵蝕性問題；③砂巖在水作用下穩定性變差的問題；④隧道施工涌水、涌砂的問題；⑤地層軟硬不均，隧道降水和開挖困難的問題等。

(3)線路選線盡量繞避弱成巖地層，走行于硬巖區；不可避免時，為減小弱成巖對線路的影響，線路應盡量抬高標高，走行于地下水位以上[8]。

(4)應參考蘭渝線桃樹坪、胡麻嶺隧道的施工經驗，嚴格按高風險隧道進行建設管理，加強地質超前預報，嚴格控制施工工序，確保施工安全。