西寧至成都鐵路地質防災減災選線原則研究

張 明

(軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

根據(發改基礎〔2016〕1536號)《中長期鐵路網規劃綱要》(2016-2020)，中西部未來是我國鐵路建設的重點區域。然而西部地區地質條件復雜、山嶺地區占比很大，地質地形因素是限制鐵路建設的重要因素和工程投資控制的關鍵，影響著鐵路建設速度和質量[1-3]。

山區鐵路選線經歷了由“地形選線”“地質選線”“減災選線”三大發展階段[4-7]。關于不良地質區域的鐵路選線設計很多學者進行了研究，朱穎[8]結合案例，論述了復雜艱險山區不良地質區域高速鐵路選線設計的理論與方法；毛邦燕[9]基于現場調研與實驗數據，明晰了控制成昆鐵路線路走向的不良地質控制因素；李偉[10]針對川藏鐵路的特殊地理環境與生態環境，提出了地質、環保和工程設計并重的選線原則；張爽[11]通過鄭萬鐵路分析了高鐵線路在巖溶發育、危巖落石等不良地質區域的減災選線技術；韓峰[12]基于GIS的三維可視化功能對不良地質體建模，為不良地質區域線路方案的平立面比選提供了參考；張喆[13]以寶蘭高鐵為例，研究了高橋隧比鐵路在黃土滑坡、富水砂巖層及飽和卵礫石等區域的不良地質繞避；霍欣[14]在詳細地質調繪及分析鉆探、物探成果的基礎上，提出了高地應力、高地溫地質區域選線的原則；孫先鋒[15]通過采用現場調查和遙感判釋等技術手段，研究活動斷裂特征及其對鐵路的影響；胡永占[16]通過分析西十高鐵沿線主要工程地質災害，提出了不穩定斜坡、長大區域斷裂、巖溶等復雜地質環境下秦嶺山區高速鐵路線路空間地質綜合選線方法。隨著建造技術水平的發展，鐵路選線設計更加重視對環境、地質災害的判釋[17]。學者們從防災減災的角度出發，對各種不良地質條件下普速鐵路和高速鐵路選線方法及相關內容進行了大量研究，為選線設計提供了理論方法并積累了工程經驗[18]。

西寧—成都鐵路沿線地質條件極為復雜，弱成巖水穩定地段和軟巖大變形地段是影響線路走向方案設計的主要不良地質因素，以該線的西寧至黃勝關區段為例，并結合現代選線設計理論和防災減災理念，采用從面到線、從線到點的選線方法，利用高墩大跨橋梁、長大隧道規避不良地質和特殊地質，從而達到防災減災的效果，并應用于工程設計中。進一步完善以防災減災為核心的地質選線方法，為今后鐵路不良地質區域的選線提供一定參考。

1 西寧—成都鐵路概況

西寧至成都鐵路作為國家“八縱八橫”蘭(西)廣通道的重要組成部分，線路走行于青藏高原東部邊緣與黃土高原過渡地帶，整體呈南北走向[19]。線路北起青海省東北部的西寧盆地，向南穿祁連山、越秦嶺、跨若爾蓋草原，翻岷山，后與成蘭鐵路黃勝關車站接軌，地面高程2 000～4 200 m。如圖1所示，沿線地貌以中高山區為主，地形起伏大，地質構造、地層巖性及水文地質條件極其復雜[20]。線路位于華北、揚子、青藏及塔里木四大板塊相互匯集部位之隆起造山帶，線路沿線地質災害問題突出，嚴重影響著線路方案設計。

圖1 西寧—成都鐵路地理位置示意

2 復雜地質問題

西寧—成都鐵路沿線區域地形地質條件極其復雜，區域性斷裂帶發育，新構造活動強烈，地應力及地震烈度高[21]。滑坡、崩塌、泥石流等不良地質極其發育。尤其是在地質歷史時期特殊的沉積、構造、成巖環境下，使得該段線路面臨著諸如弱成巖水穩性、軟巖大變形等特殊復雜地質問題的挑戰，從而使得本線的工程設置復雜，各類不良地質共同影響下的選線設計難度較大。本次主要對復雜地形條件下弱成巖水穩性地段、軟巖大變形地質兩大因素，并充分借鑒相鄰蘭渝鐵路的工程設計經驗，對該類不良地質因素下的防災減災選線思路及方法進行研究。

3 弱成巖水穩性地段地質減災選線

3.1 地質特點

海東西至尖扎段海東南山越嶺段，區域內主要以第三系、白堊系弱成巖地層，以弱成巖砂巖、礫巖為主，工程性質情況與蘭渝鐵路桃樹坪隧道、胡麻嶺隧道類似。其特點為在無地下水影響時，整體穩定性較好；在遇水后結構迅速破壞，開挖擾動后多呈粉細砂狀，穩定性差，易產生圍巖變形、坍塌、流沙、基底軟化等現象。

3.2 地質減災選線原則

在弱成巖水穩性地層段，選線設計在滿足地形高差的情況下，需同時考慮如何從源頭規避不良地質。從而在優化線路條件的同時，最大程度降低不良地質段的工程處理措施，并提高工程施工及運營安全。本次研究對該不良地質段提出選線時在展線合理的情況下盡量采用明線通過該區域，從根本上避免弱成巖地層的影響。若受地形控制，必須采用隧道時，線路應盡量繞避或以最小距離通過弱成巖地層段的總體思路。在無法繞避時，采用抬高線路高程，使本線設計高程高于地下水位高程，從而從縱向避開富水弱成巖地層，進而改善隧道段水文地質條件，降低施工風險，從設計源頭達到防災減災目的。

3.3 方案比選研究

研究方法主要應用于本線翻越拉脊山段，該段山體寬厚，高差均較大，線路不可避免需設長大越嶺隧道工程。選線設計中在考慮城鎮分布、地形條件、地質特征、越嶺隧道長度及線路線型等多種因素的條件下，主要研究了兩大走向方案，如圖2所示。

圖2 拉脊山越嶺方案示意

方案1：該方案群科設站以32 km長隧道取直穿越拉脊山。線路平面盡量沿黃河階地布線，設站后取直線路、拔起高程越嶺。其優勢在于明線布線段落長，從而避免了不良地質對工程的危害。但該方案受車站填方高度及明線段工程設置條件控制，線路無法提高拔高高程，主越嶺隧道長達32 km，且隧道洞身約21.5 km長線路經過貴德組與民和組的弱成巖地層，縱斷面上主越嶺隧道段整體高程較低，且有近20 km長線路走行于地下水位之下，使該段隧道工程弱成巖水穩性問題突出，地質條件差，施工風險高。

方案2：該方案設化隆站以21 km長隧道穿越拉脊山。線路平面上繞避民和組和貴德組水穩性差的地層，盡量布設于硬質巖范圍內，圍巖條件好；且提前設站后，盡早拔高線路高程，縮短主越嶺隧道長度，并使線路高程高于地下水位，使得隧道盡量不受弱成巖水穩性地層影響，從而從根源優化主越嶺隧道段地層圍巖及工程設置條件，保證工程的安全可靠。

最終，經過現場大量勘探、綜合比選研究及專家認證，設計推薦線路走行于硬質巖中、穿越弱成巖段落短、線路整體高程高于地下水位的21 km長越嶺方案。該方案從根源上解決了工程受弱成巖影響問題，通過繞避弱成巖，拔高設計高程，從平縱空間走行于弱成巖地層外，避免了隧道工程受其影響，同時減少了隧道不良地質段的工程處理措施。

4 軟巖大變形地質減災選線

4.1 軟巖大變形地區選線原則

線路沿線區域地應力高，三疊系、二疊系板巖分布廣泛，該地層在高地應力作用下，極易發生隧道大變形破壞，嚴重威脅工程施工及運營。本區域選線在滿足地形高程要求下，綜合考慮區域軟巖大變形分布情況，以綜合選線為基礎，提出拔高線路整體設計高程，降低隧道埋深，進而減少區域高地應力對軟巖大變形影響的新思路。同時，選線平面設計上盡量選擇巖性較好的段落通過，線路縱斷面上靈活采用大坡度抬升高程，在溝谷處漏頭，縮短隧道長度，盡量設置埋深淺、長度短的隧道工程通過。

4.2 隧道穿越二疊系炭質板巖段落線路方案比選

合作至夏河段通過二疊系地層，以炭質板巖、千枚狀板巖為主，為全線巖性最差的板巖，與蘭渝線木寨嶺隧道、紙坊隧道巖性相當。且該段落處于高地應力地段，巖質軟弱、巖層較薄、巖體破碎，影響方案的主要工程地質因素為隧道圍巖條件及擠壓性圍巖大變形風險。

合作至唐尕昂段沿合作河谷布線，本段選線中提出采用大坡度抬升高程，利用支溝隧道漏頭，多設置埋深淺(最大埋深413 m)的短隧道群工程。避免取直設置的長大隧道(10.6 km)，埋深大的隧道(最大埋深740 m)，從根源降低隧道軟巖大變形問題，方案比選示意如圖3所示。

圖3 合作至唐尕昂線路方案比選示意

唐尕昂至夏河段本線設計中選擇傍河谷沿大夏河布線，線路雖較取直方案繞長3 km，但所經地層巖性相對好，且傍山隧道埋深小，隧道以短隧道群為主，隧道整體較取直長隧道方案地應力低，軟巖大變形風險小，方案比選如圖4所示。綜上所述，在軟巖大變形突出段，選線設計中應采用傍山隧道群布線，從而降低隧道埋深，降低工程施工與運營風險。

圖4 唐尕昂至夏河段線路方案比選示意

4.3 隧道穿越三疊系砂巖、砂質板巖段落方案比選

碌曲至博拉段線路通過地層為三疊系地層，以砂巖、砂質板巖為主，與蘭渝線毛羽山隧道、天池坪隧道、新城子隧道相似。

該段線路地處高地應力環境，隧道具有圍巖大變形風險，同樣線路以車站布點為基礎，在保證線路走行合理前提下，盡量靠近河谷，采用短隧道群通過，并靈活采用大坡度拔高線路高程，在溝谷處露頭，降低隧道埋深的同時避免長大隧道工程，從根源降低區域隧道軟巖大變形風險，方案比選見圖5。

圖5 碌曲至博拉線路方案比選示意

5 結論

(1)西寧—成都鐵路沿線地形起伏大、地質復雜，是防災減災選線重點考慮的因素，選線設計時應以地質條件為導向，分區段研究線路方案，通過平、縱斷面結合開展了地質防災減災選線研究，總結了弱成巖水穩性地段、軟巖大變形地段、高地應力地段和巖體破碎地段的平、縱斷面選線方法。

(2)在弱成巖水穩性地質問題突出地段，平面選線時首要選擇明線或硬質巖布線，以最大程度繞避弱成巖地段。縱斷面設計中盡量抬升線路高程，使隧道設計高程位于地下水位之上；在軟巖大變形地質問題突出地段，首要選線原則應盡量通過巖性較好的地層，拔高線路，以淺埋、短隧工程通過。

(3)在地應力較高地段，隧道埋深越大，區域高地應力使軟巖大變形地質災害更加嚴重。選線時采用縱斷面抬高高程，減少隧道埋深；在巖體破碎地段，選線時平面沿河谷繞行布線，縱斷面采用大坡度抬升高程，采用埋深淺、長度短的隧道群工程通過不良地質困難地段。