寶成鐵路地質(zhì)災(zāi)害整治工程方案研究

王 靖

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710043)

寶成鐵路建于20世紀50年代,寶雞至江油段幾乎全部處于山區(qū),穿越秦嶺、巴山、劍門山,沿線地形險峻、山體坡度大、地質(zhì)條件復(fù)雜、水文地質(zhì)惡劣、環(huán)境敏感性強。受當時工程投資及修建技術(shù)的制約,鐵路選線以“埡口選線”“河谷選線”“土石方平衡”等為原則[1],技術(shù)標準低,擋護設(shè)備抗洪能力先天不足。

2018年7月12日,寶成鐵路K227+390～K227+460段右側(cè)發(fā)生山體崩塌,導(dǎo)致白雀寺隧道進口及進口端70m長線路被塌方體掩埋,路基擋土墻破壞,接觸網(wǎng)立柱等設(shè)施摧毀,行車中斷。2019年5月8日,寶成鐵路K225+360～K225+420線路右側(cè)發(fā)生淺層坡積層滑坡,列車限速通過,地質(zhì)災(zāi)害位置見圖1。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計[2],近年來,該段發(fā)生多次地質(zhì)災(zāi)害,主要災(zāi)害形式為風(fēng)化剝落、塹坡溜坍、附山垮塌、邊坡溜坍、山體滑坡。雖經(jīng)多次整治,地質(zhì)災(zāi)害仍常年不斷,嚴重影響線路和行車安全。已有許多學(xué)者進行相關(guān)研究,宋章等在對既有成渝鐵路地質(zhì)災(zāi)害特性及防治對策進行分析,提出截排水、增設(shè)支擋、加固處理落石等措施綜合治理[3];雷能忠等在鷹夏鐵路K339滑坡區(qū)工程治理中,提出在滑坡的不同部位,分別采用抗滑樁、錨桿框架梁和預(yù)應(yīng)力錨索框架梁進行邊坡支護[4];羅照新等采用抗滑樁、擋護工程、地表排水、既有邊坡加固、河岸防護等措施,對寶成線響巖子震害滑坡進行整治[5]。

圖1 寶成鐵路K227地質(zhì)災(zāi)害位置

以下基于前人的研究,對寶成線K225-K227段改線方案進行深入分析,以期徹底根治該段地質(zhì)災(zāi)害。

1 地質(zhì)災(zāi)害原因分析

1.1 地形地貌

寶成鐵路K225～K227段位于寶雞至陽平關(guān)段王家沱站(K222+135)與樂素河站(K234+369)區(qū)間內(nèi),為單線Ⅰ級電氣化鐵路,半自動閉塞,最小曲線半徑為300m,旅客列車速度目標值為70km/h。地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生于嘉陵江右岸與其支流溝谷的交匯處,受嘉陵江及其支流沖刷作用,該處形成上、下部陡峭,中部相對平緩的地貌特征,并堆積了較厚的第四系松散地層,為滑坡形成提供了地貌條件和物質(zhì)條件。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

K225災(zāi)害點處上部為第四系松散堆積層,主要為坡積層和后緣陡峻邊坡巖體掉落的崩積塊石土;下部為基巖的二元結(jié)構(gòu)特征,且邊坡基巖面傾向嘉陵江,基巖上部的第四系松散堆積層易沿土石分界面發(fā)生滑動。

K227災(zāi)害點處發(fā)生地輝長閃長巖受多期構(gòu)造應(yīng)力作用,巖體節(jié)理裂隙發(fā)育。長大節(jié)理相互切割,形成X形高角度剪節(jié)理。部分節(jié)理順坡發(fā)育,為卸荷節(jié)理,節(jié)理傾角控制巖質(zhì)邊坡的自然坡度。災(zāi)害點處山高坡陡,地形上陡(約75°)下緩(約46°)。輝長閃長巖在秦嶺第三期NE向應(yīng)力作用下,在災(zāi)害點處出現(xiàn)片理化現(xiàn)象,受后期邊坡應(yīng)力影響,輝長閃長巖風(fēng)化層較厚(8～10m)。發(fā)育的長大節(jié)理,深厚的風(fēng)化層,陡峻的地形,為災(zāi)害發(fā)生提供了物質(zhì)條件和地形條件。

1.3 水文條件

降雨特征上,滑坡處降雨量豐富,年平均降雨量為787.8mm,年最大降雨量為1353.3mm,一次最大降雨量為580.6mm,一次最大降雨量持續(xù)時間約為10d。K225處滑坡體淺表層主要由崩坡積物組成,崩積塊石及坡積碎石占比較大,其透水性強,易造成大量雨水下滲,在土石分界面處匯集,對邊坡土體起到了軟化作用,從而降低邊坡土體的穩(wěn)定性。K227處崩塌體受大氣降水入滲影響,增加了坡積層和風(fēng)化層的重量,削弱了結(jié)構(gòu)面和風(fēng)化層與弱風(fēng)化巖體接觸面的抗剪強度,再加上震動等因素影響,在諸多不利因素的組合下,導(dǎo)致山體崩塌災(zāi)害發(fā)生。

綜上分析,特殊的地貌條件和地層結(jié)構(gòu)、短時間豐富的降雨,導(dǎo)致K225處坡積層發(fā)生滑坡。節(jié)理裂隙發(fā)育的深厚風(fēng)化層、豐富持續(xù)的降雨,為大氣降水的下滲和運移提供了很好的條件;陡峻的地形,為坡積層、風(fēng)化層的下滑提供了有力的地形條件;大氣降水入滲增加了坡積層和風(fēng)化層的重量,削弱了結(jié)構(gòu)面和風(fēng)化層與弱風(fēng)化巖體接觸面的抗剪強度,再加上震動等因素影響,在諸多不利因素的組合下,導(dǎo)致K227處山體崩塌災(zāi)害發(fā)生。

2 地質(zhì)災(zāi)害治理

災(zāi)害發(fā)生后,對K225滑坡采取“鋼管微型樁+錨索+截排水”措施,對K227崩塌采取清除崩塌體、危巖落石,并對周邊區(qū)域進行排查等措施;對存在危巖落石地段采用錨桿加固,主、被動網(wǎng)防進行搶險加固,保證行車通暢,通車后再進行補強,治理后效果見圖2、圖3。

圖2 K225滑坡治理

圖3 K227崩塌治理

K225滑坡治理工程完成后,坡面未發(fā)現(xiàn)新裂縫及局部變形。但經(jīng)現(xiàn)場勘察,發(fā)現(xiàn)邊坡仍存在如下問題:①邊坡堆積體后緣的陡壁自然邊坡陡峻,邊坡巖性為輝長閃長巖,細粒結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,節(jié)理發(fā)育,該陡壁在地震和強降雨等極端條件下,邊坡卸荷層容易形成中-大型崩塌;②本段邊坡具有特殊的地貌特征和二元地層結(jié)構(gòu),且二元結(jié)構(gòu)的土石分界面較陡,豐富的降雨條件,以及該段邊坡堆積體發(fā)生的失穩(wěn)特征,綜合分析認為,該段堆積體邊坡為欠穩(wěn)定斜坡體。現(xiàn)場滑坡治理范圍僅是欠穩(wěn)定斜坡體中的一部分,處理范圍不夠。

K227崩塌治理工程完成后,治理范圍內(nèi)坡面未發(fā)現(xiàn)異常。經(jīng)現(xiàn)場勘察,發(fā)現(xiàn)邊坡仍存在如下安全問題。①崩塌段路塹坡腳既有擋墻破損,目前仍以主動防護網(wǎng)臨時包裹維持鐵路運營,存在安全隱患;②靠近山頂邊坡危石未采取防治措施,危石防護范圍不足,影響整個白雀寺1號明洞至白雀寺隧道間線路運營安全;③白雀寺1號明洞出口K227+275～+390段,山高坡陡,自然山坡巖體破碎,節(jié)理裂隙發(fā)育,在長期自然風(fēng)化、連續(xù)強降雨、地震、根劈作用等外部因素作用下,易發(fā)生危巖、落石、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害。

3 潛在地質(zhì)災(zāi)害

結(jié)合鐵路工務(wù)部門多年運營病害記錄及《寶成線漢中段地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評估報告》[6],應(yīng)用地面調(diào)繪、傾斜攝影、勘探等綜合勘察方法,對既有線K224+535～K229+425段潛在地質(zhì)災(zāi)害進行逐點排查。發(fā)現(xiàn)高度風(fēng)險4處/895m,中度風(fēng)險8處/1555m,低度風(fēng)險9處/2250m。潛在地質(zhì)災(zāi)害匯總見表1。

表1 潛在地質(zhì)災(zāi)害匯總

由表1可知,為重點整治或繞避中、高度風(fēng)險點,綜合地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估情況、線路平面接線條件、起終點附近地質(zhì)條件等因素,將整治范圍確定為K225+077～K229+066,既有線長3.989km。

4 改線方案

該段既有線多依山傍水而建,主要為路基工程,且以挖方為主,其邊坡形成了切腳形態(tài),且防護措施較為薄弱,邊坡穩(wěn)定性存在隱患。既有線曾發(fā)生5次較大的邊坡失穩(wěn)發(fā)事件,小型邊坡風(fēng)化剝落掉塊也發(fā)生過多次。地形陡峻依山傍河地段,滑坡、崩塌威脅,難以徹底處理,后患難免,線路應(yīng)盡量繞避,如南昆線八渡車站通過某巨型古滑坡,施工開挖后滑坡復(fù)活,后采取抗滑樁加固整治,分別采用預(yù)應(yīng)力錨索總計132孔,總長約6400m,抗滑樁107根,預(yù)應(yīng)力錨索樁共計113根,整治工程量巨大[7]。寶天線葡萄園站西側(cè)有7個滑坡及幾個岸邊淺層滑體,1985年發(fā)生大規(guī)模滑坡,迫使原有路基工程廢棄,造成改線1km(現(xiàn)以橋梁工程通過)[8]。

基于對本段地質(zhì)災(zāi)害的判識及整治地質(zhì)災(zāi)害的原則,結(jié)合設(shè)計規(guī)范[9]、既有線平縱斷面現(xiàn)狀、地形地質(zhì)條件等及滑坡危險區(qū)鐵路選線[10]、復(fù)雜山區(qū)脆弱環(huán)境下鐵路選線方法[11-15],研究了3個方案,方案示意如圖4。

圖4 寶成線地質(zhì)災(zāi)害整治改線方案示意

4.1 方案概述

(1)CK方案

改線段自路基K225+077引出,于既有線右側(cè)跨過青白石河后南下,以2.595km隧道穿過既有寶成線右側(cè)山體,經(jīng)過小碾溝、泥洼子溝,與既有線在K228+899曲線地段接入既有線。

新建線路長3.253km(隧道2595m/1座,橋梁296.6m/2座),改線后線路運營長度縮短736m。廢棄既有線長3.989km,廢棄既有隧道71m/1座、明洞176m/3座、中橋262m/3座。投資估算總額為14749.34萬元。

(2)CIK方案

改線段自路基K225+077引出,于既有線右側(cè)跨過青白石河后,以2.5km隧道穿過既有寶成線右側(cè)山體,跨過小碾溝,與既有線在K228+638曲線地段接入既有線。既有路塹邊坡噴混凝土防護,存在風(fēng)化剝落現(xiàn)象,邊坡處理措施薄弱,采用錨索格梁進行邊坡加固。

新建線路長2.947km(隧道2500m/1座,橋梁218.3m/2座),利用既有線453m,改線后線路運營長度縮短589m。廢棄既有線長3.56km,廢棄既有隧道71m/1座、明洞176m/3座、中橋229m/3座。投資估算總額為16944.22萬元。

(3)CIIK方案

改線段自路基K226+204引出,于既有線右側(cè)南下,以1.69km隧道取直穿過白雀寺隧道南側(cè)山體,跨過小碾溝,與既有線在K228+638曲線地段接入既有線。既有線K225+700～K226+204段屬一般風(fēng)險地段,擬采用格梁錨索、掛網(wǎng)噴護、被動防護網(wǎng)等措施;K225+360～K225+420右側(cè)滑坡影響行車安全,擬在現(xiàn)場搶險工程的基礎(chǔ)上,采用抗滑樁進行整治。K228+638～K228+899段;既有路塹邊坡噴混凝土防護,存在風(fēng)化剝落現(xiàn)象,邊坡處理措施薄弱,擬采用錨索格梁進行邊坡加固。

新建線路長1.949km(隧道1690m/1座,橋梁70m/1座),利用既有線1.58km(對部分路基邊坡進行加強處理)。改線后線路運營長度縮短460m,廢棄既有線長2.43km,廢棄既有隧道71m/1座、明洞176m/3座、中橋102.4m/2座。投資估算總額為15615.33萬元。

4.2 方案優(yōu)缺點分析

從線路工程條件、工程地質(zhì)條件、工期條件、施工條件、工程效果及工程經(jīng)濟等方面,對上述3個改線方案進行綜合分析,結(jié)果見表2。

表2 各方案優(yōu)缺點分析

綜上分析,CK、CIK方案雖新建線路長度大,隧道工程長,但不存在中、高風(fēng)險點,工程地質(zhì)條件及施工條件好,能夠徹底根治地質(zhì)災(zāi)害。另外,雖CK較CIK方案新建線路長306m,但線路順直,運營長度短139m,無需利用既有線小曲線半徑段,也無需對既有路塹邊坡局部加固處理,后期養(yǎng)護維修投入少,施工工期短1個月,工程投資省2195萬元。因此,推薦CK改線方案。

5 結(jié)語

(1)基于寶成鐵路K227段山體崩塌地質(zhì)災(zāi)害、K225段滑坡,識別、分析地質(zhì)災(zāi)害及提出原位整治方案,通過高墩大跨橋梁或隧道繞避地質(zhì)災(zāi)害,采取有效、可靠的工程措施保證改建鐵路建設(shè)及長期運營的安全,對提高鐵路運輸能力,提高區(qū)域路網(wǎng)整體運輸效率,提高鐵路綜合效益等方面有重要意義。

(2)在同等地形、地質(zhì)條件下,修建鐵路工程時,工程地質(zhì)選線應(yīng)做到繞有所依,并選擇合理的敷設(shè)方式、采取可靠的工程措施通過,以確保鐵路順利建設(shè)和安全運營。