天平鐵路越嶺段主要工程地質問題及地質選線研究

陳秀義

(蘭州鐵道設計院有限公司 甘肅蘭州 730000)

1 概述

天(水)平(涼)鐵路南起隴海鐵路天水站，北接寶中鐵路安口南站(華亭站)。全長114 km，單線電氣化Ⅰ級鐵路，速度目標值120 km/h。是一條以運煤為主兼顧地方客貨運的鐵路，線路大致呈南北走向穿越關山、六盤山，為我國地形險峻、地質復雜，屬典型的山區越嶺線路之一，線路選線難度較高。全線橋、隧長度占線路總長近70%，為同標準鐵路中橋隧比例最高的線路[1-2]。

為最大限度地減少對關山、六盤山天然生態林的破壞，避免在山區展線，縮短線路長度，節省工程投資，線路采用以兩座特長隧道分別穿越關山(15 600 m)、六盤山(16 690 m)。因此段山體厚度大，而且本線為單線電氣化鐵路，須在關山、六盤山分界麻庵河明線設置六盤山車站，青林村設置青林車站，但麻庵河、南川河河谷兩側滑坡、危巖落石、巖堆發育，嚴重制約著關山隧道出口、六盤山隧道進、出口位置的選擇。本文在現場勘測的基礎上，結合區域構造及地質災害分布特征，開展越嶺段地質選線研究[3]。

2 區域工程地質條件

2.1 地形地貌

越嶺段屬關山、六盤山中山區，線路分別以N46°E和N36°E的走向穿越關山、六盤山，其嶺脊呈近東西走向。關山、六盤山以麻庵河分界，山高坡陡，植被茂密。地面高程1 500～2 600 m，相對高差400～700 m。

2.2 地層巖性

越嶺段地層主要有第四系，上第三系，白堊系下統，三疊系下統，震旦系和華力西期侵入巖等。第四系松散層分布于低中山區山頂大部地段，以風積砂質黃土為主；上第三系泥巖主要分布于山嶺南側和六盤山中部；關山山體中央華力西期閃長巖呈巨大的巖基產出，伴隨有小的巖體侵入。巖體組成比較復雜，多為斜長角閃巖、黑云母花崗閃長巖、黑云母石英閃長巖，黑云二長花崗巖及角閃閃長巖；關山北側和六盤山南側以白堊系下統砂巖夾泥巖為主，局部為砂巖夾礫巖；六盤山中部為震旦系白云巖，地表大部被第四系風積黃土覆蓋；六盤山北側出露三疊系下統砂巖夾礫巖，局部夾有頁巖[4]。

2.3 地質構造

本段位于青藏高原東北緣甘青地塊、阿拉善地塊、鄂爾多斯地塊、南華地塊和塔里木地塊交界帶，是我國重要的構造變形和強震活動區。在印度板塊北推擠壓動力作用下，本區北東向運動受到比較穩定的阿拉善塊體和鄂爾多斯塊體的阻擋而向東擠出，又受華南塊體的阻擋，運動趨勢由北向南呈NE-NEE-SEE-SSE，反映了區域總體受擠壓-擠出-旋轉機制控制。在其動力作用下，工程區經歷過多次強烈構造活動，構造復雜，斷裂以北西向為主，處于強烈擠壓狀態。受構造擠壓影響，巖體結構完整性不高，滑坡等不良地質發育。

2.4 氣象及地震

該區屬中溫帶亞濕潤氣候，四季分明，降水量差異較大，冬無嚴寒，夏無酷暑。年平均氣溫7.4～7.8℃，最熱月(7月)平均氣溫18.9～19.8℃，最冷月(1月)平均氣溫-3.2～-4.4℃，年平均降水量約為568.5～586.6 mm，年最大降水量824.4～906.5 mm；最大風速17.5～22.0 m/s；最大積雪厚度17～24 cm；最大季節凍結深度72～79 cm。

據《中國地震動參數區劃圖》(GB 18306—2015)劃分，場區地震動峰值加速度為0.20 g，地震動反應譜特征周期為0.45 s。

3 主要工程地質問題

3.1 滑坡

3.1.1 三角城滑坡群

三角城滑坡群發育于麻庵河右岸，由多個滑坡連接而成，在平面上呈多個“梨狀”相互連接，滑坡后壁圈椅狀地貌明顯，坡度約35°～50°，總體滑動方向自東南向西北，滑坡沿滑動方向長約500～800 m，寬約4 600～5 300 m。滑坡體自然坡度為20°～35°。滑坡體上平臺發育，未發現裂縫，雨季形成的沖溝下切較深，將三角城滑坡群分成多個既獨立又有聯系的滑坡。

根據勘探資料分析，滑坡體由黃土、碎石土組成，厚度約10～20 m；為堆積層牽引式巨型中深層-深層順層滑坡。滑坡體中地下水位埋深17～23 m，局部深切溝谷中可見泉水出露。滑床為白堊系砂巖夾泥巖，產狀 N20°～50°W/15°N，緩傾向麻庵河河床。前緣大部臨空，有的地段前緣還嚴重擠占麻庵河河床，導致河道彎曲明顯。滑坡群目前處于相對穩定狀態。

3.1.2 青林滑坡

青林滑坡位于南川河右岸六盤山隧道出口右側，總體成一簸箕狀，滑坡后緣可見平整的三角面滑床，滑面傾角基本與巖層產狀一致；滑體物質成分主要為巖塊及碎石土，大部已被前方河流沖走，部分在滑體中部、前緣殘存。該滑坡橫向寬度約260 m，縱向長度約160～220m，殘存滑體厚度約3～5 m，體積約20萬m3，為一中型淺層基巖順層滑坡。該滑體后緣滑床裸露，滑坡堆積體剩余數量較少，除局部堆積體有下滑可能外，其余地段穩定性較好。

滑體左側靠近線路位置發育有次級滑坡，該滑坡體物質為三疊系砂巖夾礫巖塊體，堆覆于滑坡體左側形成孤丘，錯落體主軸方向N30°E，穩定性較差。

3.1.3 新莊滑坡

滑坡位于南川河右岸，滑坡長約100～200 m，寬約80～150 m，滑坡邊界線明顯，具圈椅狀地貌。滑體主軸方向約N15°W，與線路方向夾角約70°。該滑坡滑體物質為坡積粉土、角礫土以及三疊系砂巖碎塊，厚度約10～30 m，體積約30～35萬m3。為中-深層基巖切層滑坡(見圖1)，目前穩定。

圖1 新莊滑坡主軸斷面圖

3.2 巖溶

在六盤山隧道中部分布的震旦系白云巖表面具有溶孔、溶蝕裂隙等溶蝕現象，溶蝕方向大部沿層面和節理面延伸，但規模較小，最大直徑不超過0.5 m，深度在0.2～0.5 m之間，充填物較少。通過物探和鉆探表明，巖體完整性較好，溶蝕裂隙僅肉眼可見，巖溶不發育，僅存在節理密集帶和延伸長大的節理處發生股狀涌水的可能，但不影響線路方案的選擇[5-6]。

3.3 危巖落石

六盤山隧道進口山體坡面陡峻，基巖裸露，樹木根系鉆入基巖裂隙內，表面被高大樹木覆蓋。基巖為白堊系厚層砂巖夾薄層泥巖，巖層產狀N20°W/15°N。發育有兩組主要節理:J1，N15°W/70°S，節理間距0.1～1.0 m，多數大于0.5 m，延伸大于5 m，微張；J2，N50°E/70°S，節理間距 0.2 ～0.7 m，延伸大于3 m，微張。溝底可見掉落的塊石，直徑最大可達10 m×5m×3 m。受不利的節理面組合切割和巖體差異風化的影響，隧道進口坡面巖體呈大塊狀，易產生崩塌落石[7-8]。

3.4 巖堆

主要分布在D13K方案關山隧道出口下方，基巖為白堊系厚層砂巖夾薄層泥巖，巖體受構造運動的影響，加之卸荷及物理風化作用強烈，節理、裂隙十分發育，有新鮮的崩塌和崩落痕跡。坡腳塊石林立，大小混雜，最大直徑可達4～5 m，結構較松散，其上無植物生長，行走很危險，處于極限平衡狀態。

4 地質方案比選

4.1 關山隧道出口方案地質比選

可行性研究階段大面積定線研究表明，采用兩座長隧道穿越關山、六盤山較其他走向方案有巨大的經濟、技術優勢，但受技術標準的限制，須在兩隧道間設置會讓站1處。故在三角城滑坡群間隙尋找可能、可靠的關山隧道出口是方案成立的制約因素。可行性研究階段提出了3個可能的出口位置，各方案線位見圖2。

圖2 關山隧道出口方案示意

定測工作中經反復比較，初步確定了三角城上游0.3 km DK方案、三角城上游1.6 km D13K方案、三角城上游2.4 km(DIK)方案作比選。

4.1.1 三角城上游0.3 km DK方案

此方案以15.45 km隧道穿越關山，而后以80 m高橋跨越麻庵河，可利用三角城隧道東北端溝谷設六盤山車站，車站多位于明線，設站條件好，六盤山隧道進口地質條件也較好。但關山隧道出口位于滑坡堆積體與下部基巖界線附近，洞身上方即為巨型滑坡，滑體與基巖界面富水且為順層滑坡，如遇地震、集中暴雨等情況滑體極易復活。該段巖層傾向與坡向一致，麻庵河溝谷深切，形成20～30 m高的基巖陡坎，若麻庵河橋臺基礎埋深高于溝谷，巖體存在順層滑動的可能，橋臺的穩定性也很差。

4.1.2 三角城上游1.6 km D13K方案

此方案以15.55 km隧道穿越關山，以45 m高橋跨越麻庵河，滑坡位于隧道出口的上部，隧道出口選擇在滑坡體前緣寬約100 m、高60 m的直立基巖陡坎上，陡坎下巖堆發育。此處麻庵河溝谷切割較深，巖體卸荷裂隙較發育，巖體較破碎，麻庵河大橋1號墩位于巖堆中，工程地質條件較差。此方案六盤山隧道進口位于凸出穩定的山體中，地質條件較好。

4.1.3 三角城上游2.4 km(DIK)方案

此方案線路于三角城上游2.4 km三角城滑坡群外緣處跨河，麻庵河橋高10 m，隧道出口位于麻庵河右岸基巖上方坡積層中，三角城滑坡群對其已無影響。坡積層厚度不大，約3～5 m，成分為黃土夾有塊石，下伏白堊系砂巖夾泥巖，在線路左側10～20 m沿基巖與坡積層接觸處有泉水發育，巖層產狀N20°W/15°N，節理較發育，巖體較完整，工程地質條件相對較好[9]。此方案六盤山隧道進口山體陡峻，洞口有危巖落石，地質條件較差。

4.2 六盤山隧道出口方案比選

由于受六盤山隧道前方青林設站、線路高程、南川河洪水位制約，六盤山隧道出口必須選擇在南川河右岸，臨近新莊滑坡、青林滑坡(見圖3)。

圖3 六盤山隧道出口方案示意

4.2.1 不過溝DIK方案

該方案六盤山隧道出口地質條件較好，但洞身DIK99+870～DIK100+005段位于新莊滑坡體中，處理難度大。經對新莊滑坡詳細勘探，滑體厚度約15～25 m，在滿足南川河洪水位控制的橋高最低的要求下，線路高程能夠調整到滑動面以下15～20 m左右，隧道拱頂距滑動面7～13 m，在此段施工時須采取控制爆破、加強支護和襯砌措施。

4.2.2 過溝D13K方案

該方案在DIK方案右側40 m左右，隧道洞口跨過溝位于青林次級滑坡的前緣，洞身也在新莊滑坡滑面下通過，但洞口距青林滑坡較近，滑體左側發育的次級滑坡，穩定性較差，對隧道出口安全有一定潛在威脅。

4.3 地質比選意見

綜上所述，從地質角度分析，關山隧道出口三角城上游0.3 km方案具明顯的不足之處，其上部滑坡目前雖處于相對穩定的狀態，但工程的修建對滑坡擾動較大，滑坡范圍大，滑體厚，治理困難；且橋臺位于順層“無根”的巖體上，存在極大的安全威脅，因此予以舍棄[10-12]。三角城上游1.6 km方案滑坡位于隧道出口的上方，橋臺處有巖堆，地質條件依然較差，地質條件較上游0.3 km方案改善有限，仍有安全隱患。三角城上游2.4 km方案避開了三角城滑坡群對工程的影響，洞口堆積層厚度不大，隧道基底位于基巖中。六盤山隧道進口危巖落石可采用清除坡面松動危巖后，預應力錨索+仰坡坡面掛網噴射混凝土+主動網防護+接長明洞的防護措施，工程實施難度較小，措施可靠，工程地質條件相對最好。故推薦地質條件最好DIK方案作為最終貫通方案。

六盤山隧道出口不過溝的DIK方案，線路高程經過調整，隧道拱頂距滑動面7～13 m，綜合分析認為，在此段采取控制爆破、加強支護和襯砌措施，能夠保證隧道施工和運營安全；過溝的D13K方案，洞口距青林滑坡較近，滑體左側發育的次級滑坡，對隧道出口安全影響較大。故推薦采取加固措施、從新莊滑坡下部通過，不過溝的DIK方案作為最終貫通方案。

5 結論

(1)天平鐵路穿越六盤山及其余脈關山越嶺段，滑坡、危巖落石、巖堆廣泛分布，工程地質條件復雜，控制著線路方案的選擇。

(2)通過大量的地質調繪和勘探工作，分析評價滑坡、危巖落石穩定性和影響程度。貫通方案關山隧道出口繞避了三角城滑坡群和巖堆；六盤山隧道進口對危巖落石進行了加固處理，出口避開了青林滑坡，選擇了在規模較小、邊界條件清楚的新莊滑坡下部以隧道形式通過。洞口施工較為順利，建成后運營至今，未出現地質災害。表明貫通方案合理、可行，地質選線是成功的。