蘭新高鐵祁連山越嶺段工程地質選線研究及回顧

王進華

(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

高速鐵路具有線型直.速度目標值高.輸送旅客能力強等特點，對運行中的安全性.舒適性要求高。隨著我國社會經濟的飛速成長.科學技術的進步，高速鐵路建設速度發展極快。高速鐵路的建成極大縮短了城市與城市之間的時空距離和旅客出行的時間成本，對區域經濟發展起到了極大的促進作用。

截止2020年底，我國高速鐵路路網運營里程超過3.8萬km，高鐵已網絡化運營，但仍存在東部強，中西部弱的路網格局。隨著我國西部大開發戰略的深入實施及“一帶一路”建設的推進，加快中西部高速鐵路的建設是近幾年高速鐵路建設的重點。但是我國中西部地區多以山區為主，地形地貌.構造復雜，自然環境差異極大，高速鐵路在復雜的高陡山區只能以隧道群的形式通過。建設高速鐵路在復雜山區的選線過程中具有地形條件困難.地質環境復雜.環境的敏感性高以及對工程的安全性要求高等特點[1]，因此在復雜的山區地形條件下進行工程地質選線是鐵路勘察設計過程中的重要環節[2]。

不同高速鐵路在地質選線過程中所遇到的控制因素各不相同，王志軍通過研究目前國內外的地質選線現狀，發現深入系統的研究在復雜山區的地質選線很少，以定性描述為主，以現有技術手段還無法形成合理的定量模型[3]，地質選線的理論主要是通過對已有工程實踐經驗的總結和提煉的基礎上，結合線路所通過地區的工程地質條件，選出經濟上合理.技術上可行的線路方案。以蘭新高鐵祁連山越嶺段為背景，在結合山區鐵路的地質選線經驗的基礎上，通過采用有針對性的綜合勘察方法和手段，對控制線路方案的控制因素進行綜合分析，推薦出合理的線路方案。

1 概述

蘭新高鐵是國家“八縱八橫”鐵路網主骨架之一陸橋通道的重要組成部分，在國民經濟與路網中均具有非常重要的意義和作用。線路東起甘肅省省會蘭州市，途經青海省會西寧，至新疆維吾爾自治區首府烏魯木齊市，全長1 776 km，是橫貫我國西北甘肅.青海.新疆三省區的第一條高速鐵路，同時也是世界上一次性建成最長的高速鐵路，于2014年12月26日通車運營。

祁連山越嶺段位于甘肅與青海兩省交界處，為國家級自然保護區，具有海拔高.高寒缺氧.生態脆弱.地層巖性及接觸關系復雜多變.區域性深大斷裂及復式褶皺等地質構造復雜.強富水.高地應力.“碎屑流”地層.軟巖變形.多年凍土等不良地質和特殊巖土發育的特點。各類不良地質現象及復雜的地形地質和水文地質條件.自然保護區是地質選線及勘察的重點和難點。

2 自然條件

2.1 地形地貌

越嶺段地屬祁連中高山山區，由一系列北西西-南東東山脈和山間谷地組成，海拔3 180～4 430 m，相對高差500～1 000 m，地形起伏大，山高坡陡，基巖裸露，溝壑縱橫，分布有眾多“V”形侵蝕谷。

2.2 地層巖性

測區地層三疊系.二疊系砂巖主要分布于祁連山南麓硫磺溝及二道溝兩岸；石炭系上統砂巖.頁巖分布于祁連山區北麓，下統灰巖.泥灰巖.砂巖.礫巖及頁巖分布于祁連山區；泥盆系砂巖.礫巖分布于祁連山區；志留系下統板巖分布于祁連山北坡；奧陶系中統板巖夾砂巖.板巖夾灰巖祁連山南麓硫磺溝以南。第四系塊石土.碎石類土.粉土等分布于緩坡地段及沖溝內。

2.3 區域地質構造

測區在大地構造上處于北西向展布的祁連褶皺系其邊緣部位，其次級構造單元為早寒武世末在陸殼裂谷盆地基礎上發育而成的北祁連主動大陸邊緣構造帶。北以北祁連北緣深斷裂帶與河西走廊沉降帶為界，其他四周也均以斷裂為邊界，總體呈北西向展布，長度大于寬度數倍，本單元內部大小斷裂構造極為發育，密集成帶，其間距為2～10 km，致使各地層單元多呈斷層接觸，并形成許多大小不一的構造透鏡體。新構造運動主要以間歇性斷塊差異升降運動為特征。

2.4 水文地質條件

測區沖溝多為常年流水，水量較大，主要受冰雪融水和大氣降水的補給。祁連山是黃河與內陸水系的分水嶺，北坡水系為河西走廊地區的重要水源，南坡水系主要匯集至黃河支流大通河。

地下水類型主要為基巖裂隙水.構造裂隙水和碳酸鹽巖巖溶裂隙水，主要接受冰雪融水.大氣降水.地表水補給，由于構造.巖性.地貌及氣象.水文條件的不同，其富水性也相差較大。

3 選線方案概況

祁連山越嶺段工程地質條件與水文地質條件極為復雜，地質構造.不良地質與特殊巖土發育，地質選線貫穿于方案研究.初測.定測.補定測等各階段。定測階段從地質條件.施工安全.工期及投資等方面綜合考慮，對初測推薦方案進行優化，本文重點從控制線路方案的地質構造.“碎屑流”地層.危巖落石和巖堆.高地應力.自然保護區等5個因素對初測階段CK方案和定測階段DK方案進行比選(圖1)。

圖1 祁連山越嶺段線路方案平面示意

CK方案起于大梁隧道進口DK333+000，止于元山隧道出口DK367+020，全長34.02 km，工程設置為5座隧道和4座大橋，隧道總長33.2 km，其中最長的祁連山隧道11.81 km，最短隧道大平羌溝隧道5.64 km，橋梁工程無特殊結構和高墩大跨。

DK方案起于大梁隧道進口DK328+870，止于元山隧道出口DK366+039，全長37.169 km，工程設置為7座隧道和6座大橋，隧道總長度34.7 km，其中最長的祁連山隧道9.5 km，最短隧道元山隧道0.939 km，大平羌溝大橋橋高85 m，為蘭新高鐵全線的最高橋梁(表1)。

表1 線路方案主要工程數量 km

4 控制線路方案的主要地質因素分析及評價

4.1 地質構造

測區位于北祁連山深斷裂系，呈北西及北西西向延展[4]，具規模大.斷裂深.歷經多期次的構造變動等特點。與線路工程有關的褶皺構造有五牛河腦—托拉溝上游向斜.二道溝上游復背斜.冷龍嶺向斜和鴛鳥口中游—敖包溝上游復背斜等。與線路工程有關的斷裂有F5～F8四條區域性深大斷裂及F8-1次級斷裂(圖2)。

圖2 越嶺段線路地質構造綱要示意

4.1.1 褶皺構造

五牛河腦—托拉溝上游向斜：北西西向緩波狀分布于冷龍嶺南坡，五牛河腦—老虎溝腦—托拉溝上游一帶，長約100 km。南北兩側受斷裂切割，構造形態不完整。核部廣泛出露奧陶系中統板巖及結晶灰巖。兩翼不對稱，北陡，傾角一般70°～75°，南緩，傾角50°～65°。為一緊密線性褶皺，軸面略北東傾。軸脊線波狀起伏，總體有西端揚起之勢。CK方案與DK方案大梁隧道均以大角度通過該向斜核部。

二道溝上游復背斜：軸線呈北西西向分布于二道溝，核部出露二疊系砂巖，兩翼為三疊系砂巖。北翼傾角43°～48°，南翼傾角57°～70°，軸面北傾，兩翼各分布一次級向斜，其軸線方向與主軸線一致。CK方案祁連山隧道以大角度通過該復背斜核部，DK方案于硫磺溝以大橋通過。

冷龍嶺向斜：軸線呈北西西向分布于冷龍嶺主脊附近，長約59 km，寬3～6 km，地貌上組成一向斜山。兩翼被斷裂切割，但其向斜形態仍較明顯。組成地層為志留系下統板巖，兩翼產狀變化較大，北東翼傾角55°～84°，南西翼傾角為47°～70°，軸面北東傾，軸脊線波狀起伏，總體有西端揚起之勢。CK方案與DK方案祁連山隧道均以大角度通過該向斜核部。

鴛鳥口中游—敖包溝上游復背斜：主軸線呈北西向沿冷龍嶺北坡西段延伸。主構造核部出露泥盆系砂巖.礫巖，兩翼斷續分布石炭系下統灰巖.砂巖及頁巖。兩翼不對稱，北東翼緩(40°).南西翼陡(60°)，軸面向南傾斜。軸脊線由東.西兩段分別向中央傾伏，并具分岔現象。兩翼次級褶曲發育，其軸線方向與主軸線一致，皆屬不對稱型，一般北東翼緩，南西翼陡，軸面多向南傾斜。CK方案和DK方案線路近平行經過該復背斜以砂巖為主的南西翼，次級褶曲發育。

4.1.2 斷裂構造

F5：逆斷裂，產狀N60°W～EW/79°S，破碎帶寬約100 m，斜穿硫磺溝，斷層上盤地層為奧陶系條帶狀結晶灰巖和砂質板巖，下盤為二疊系淺白色.灰白色砂巖，該斷層形成于加里東期，燕山期復活。CK方案祁連山隧道進口段長約210 m和DK方案大梁隧道出口段長約100 m以大角度通過該斷裂。

F6：逆斷裂，產狀N35°～45°W/50°～60°N，破碎帶寬50～150 m，以斷層角礫為主，斷帶內巖體較為破碎。上盤為志留系下統板巖，下盤為二疊系砂巖[5]。CK方案祁連山隧道洞身段長約190 m以大角度通過該斷裂及其次級斷裂，DK方案祁連山隧道進口長約90 m以大角度通過該斷裂。

F7：逆斷裂，產狀N48°～62°W/65°S，破碎帶寬100～200 m，以斷層角礫為主。呈北西西向貫穿于測區東北部，該斷裂規模大，活動期長，結合區域資料，斷裂形成于加里東早期或更早，加里東晚期表現為強烈擠壓。上盤為志留系下統板巖，下盤為泥盆系砂巖[6]。祁連山隧道洞身CK方案長約120 m和DK方案長約130 m均以大角度通過。

F8：逆斷裂，產狀N40°W/72°N，斷裂帶寬約350 m，以斷層角礫為主。上盤地層為石炭系上統砂巖，下盤為石炭系上統砂巖.頁巖.砂礫巖.夾煤層。該斷裂地形上和深部莫霍界面均為陡坡帶，主要表現為逆沖性質，兼有左旋走滑特征。CK方案元山隧道洞身長約350 m和DK方案雙墩子隧道出口段長約150 m大角度通過。

F8-1：逆斷層，產狀N48°W/70°S，破碎帶寬約260 m，由斷層壓碎巖及斷層角礫組成。斷層上盤地層為石炭系上統砂巖，下盤為泥盆系砂巖。CK方案元山隧道洞身長約260 m和DK方案大烏龍溝大橋均以大角度通過。

CK方案和DK方案隧道通過斷裂帶的長度分別為1 130 m和470 m(圖3)。

圖3 隧道通過斷裂帶長度對比

4.2 “碎屑流”地層

在斷裂構造F5與F6間為二道溝上游復背斜，地層巖性主要為二疊系和三疊系砂巖，受構造影響巖體極破碎，地表發育有常年流水的二道溝，有豐富的水量補給地下水，巖體浸水后極易崩解軟化。測區內的引硫濟金引水隧道工程進口段約2 km通過該套地層，該段施工過程中先后發生過9次大的塌方，最嚴重的為1999年6月26日發生的“碎屑流”，在對塌方長達2年的處理期間又發生過多次大的“碎屑流”，造成工期嚴重滯后[6]。CK方案祁連山隧道進口位于該引水隧道進口下游約1 km處，祁連山隧道洞身約3.3 km通過該套地層，水文地質環境與引水隧道工程類似，具備產生“碎屑流”的條件；DK方案位于引水隧道工程進口的上游，主要以硫磺溝大橋跨越，大梁隧道出口.祁連山隧道進口也為該套地層，但隧道洞口段均為淺埋斜坡地形，地下水不發育，無“碎屑流”條件。

4.3 危巖落石和巖堆

測區山高坡陡，基巖裸露，巖性多軟硬相間，風化作用強烈，同時受構造影響，巖石節理裂隙非常發育，巖體破碎，坡面危巖落石現象較發育，坡角多發育巖堆。CK方案和DK方案均已繞避[7]。

4.4 高地應力

測區位于青藏高原東北緣，本區新構造運動比較活躍，其類型和表現形式多樣，地應力場非常復雜且多變[8]。區域主應壓力方向以北北東為主，勘測階段實測最大水平主應力方向為N10°E～N21°E，最大水平主應力優勢方向為N35°E，最大水平主應力最大值為12 MPa，為極高地應力區。CK方案與最大水平主應力方向夾角10°～20°，DK方案與最大水平主應力方向夾角10°～27°，選線過程中已盡可能減小高地應力對隧道工程的影響。

4.5 自然保護區

祁連山越嶺段位于祁連山國家級自然保護區，線位的選擇必須考慮對保護區的影響，避開核心區，盡量從試驗區通過，確實困難可考慮從緩沖區通過。CK方案和DK方案均無法避免通過該保護區緩沖區，在設計中已對施工及運營后均采取了必要的防護措施，將工程對環境的影響降至最低[9-12]。

5 方案比選推薦意見

5.1 祁連山越嶺段選線原則

本次祁連山越嶺段地質選線的主要選線原則如下。

(1)地質構造

測區內地質構造發育，線路通過褶皺構造時應選擇工程地質和水文地質條件較好的一側翼部通過或以大角度與褶皺軸線相交通過；線路與斷層構造應盡量垂直或以大角度相交通過，盡量以橋梁跨越[13-18]。

(2)“碎屑流”地層

鑒于引硫濟金引水隧道工程施工過程中在該套地層所遇到的困難，線路應以繞避為主，如必須通過，則應選擇水文地質條件較好地段以最短距離通過。

(3)危巖落石和巖堆

測區基巖裸露，山高坡陡，巖體節理裂隙非常發育，線路應繞避危巖落石和巖堆[19]。

(4)高地應力

線路應與高地應力場區域最大主應力方向盡可能平行，但由于受到線路走向的影響，已盡量采取與最大主應力方向小角度相交[20]。

5.2 推薦意見

CK方案和DK方案通過測區的地層巖性與地質構造條件相當，不良地質均已繞避；線路與最大主應力方向盡可能小角度相交，以減小高地應力對隧道工程的影響；線路從鴛鳥口中游—敖包溝上游復背斜南西翼通過，其余褶皺和斷裂均以大角度通過(表2)。

表2 線路方案與地質因素關系

5.2.1 從地質構造對工程的影響方面分析

兩方案均以大角度通過沿線地質構造，隧道通過的斷裂破碎帶長度CK方案較DK方案長660 m，且CK方案隧道通過的F2斷裂地表常年流水，通過F8斷裂處為淺埋沖溝，施工中有坍塌.冒頂.涌水突泥的風險。DK方案優于CK方案。

5.2.2 從隧道洞口條件和不良地質對工程的影響方面分析

兩方案對危巖落石和巖堆均進行了繞避；大梁隧道進.出口段CK方案合計約2 km淺埋，DK方案約600 m淺埋，均位于緩坡地段坡積層中，工程地質條件較差；CK方案祁連山隧道洞身段約3.3 km通過“碎屑流”地層，地表發育常年流水的二道溝，隧道通過二道溝段位于引硫濟金引水隧道工程下游，較引硫濟金引水隧道工程埋深更淺，施工中更易發生“碎屑流”，DK方案大梁隧道出口與祁連山隧道進口通過該套地層，由于地表水和地下水均不發育，無產生“碎屑流”條件。DK方案優于CK方案。

DK方案隧道洞口段位于斜坡淺埋段，施工開挖揭示二疊系和三疊系砂巖受構造作用強烈，巖體破碎，多呈散狀，施工中局部受雨水下滲影響，有滲水現象，未發生“碎屑流”或塌方。

5.2.3 從隧道圍巖條件對工程的影響方面分析

根據綜合勘察成果，對CK方案和DK方案隧道群圍巖分級進行了統計(表3)。

表3 線路方案圍巖分級對照

CK方案隧道總長度較DK方案短1.5 km，但Ⅳ.Ⅴ級圍巖均較DK方案長5.6 km，施工難度和施工風險均超過DK方案。

綜上所述，DK方案工程地質條件和水文地質條件均優于CK方案，推薦DK方案。

6 結論

線路建成通車后，截止2020年5月，本段線路通過近6年的安全運營，進一步印證了對初測方案的優化是科學.合理的。通過祁連山越嶺段工程地質選線，得出以下結論。

(1)地質選線在山區鐵路勘察工作中是最重要的一個環節，選線過程貫穿于勘察的各個階段，選線的成敗將直接影響山區線路走向.工程投資和施工期限等重大原則問題。

(2)越嶺段研究區地質環境特殊復雜，選線過程中應采取具針對性的綜合勘察方法及手段，分析研究控制線路方案的主要地質因素，提出選線原則，對方案進行優化。

(3)祁連山越嶺段控制線路方案的主要工程地質問題是地質構造.“碎屑流”地層.危巖落石和巖堆.高地應力和自然保護區，其中地質構造.“碎屑流”地層是控制方案選擇的主要因素。勘察中通過對方案的不斷細化和完善，從地質構造.隧道洞口條件和不良地質.隧道圍巖條件三個方面對工程的影響進行分析，綜合比選出受地質構造和“碎屑流”地層影響最小.圍巖條件最好的DK方案。

(4)越嶺段經施工開挖驗證，與原設計基本一致，未發生因地質條件改變而引起的改線.工期延誤等問題，通車近6年一直在安全運營，對其他山區鐵路地質選線具有一定的借鑒意義。在復雜山區的地質選線理論仍需結合工程實踐進一步補充完善。