黃土階地地區鐵路選線影響要素與對策分析

王藝飛

(中鐵第五勘查設計院集團有限公司鄭州分院 河南鄭州 450000)

隨著我國中西部地區鐵路網的不斷擴展與完善，一些具有特殊地質條件的地區，已成為我國鐵路建設的一個重要問題。在中國的中西部，特別是河南、陜西、山西、甘肅和寧夏一帶，黃土多為松軟的黃土，在長時間的沖刷下，形成了“千溝萬壑”的地形特征。隨著社會經濟的發展和選線理念的不斷完善，對鐵路選線的要求也越來越高，而黃土區的特殊地質條件又給選線設計帶來了很多的難度，這也是西部地區發展的一個重要課題。

1 黃土特性

（1）黃土是自第四紀以來在干旱、半干旱地區所形成的一種特有的沉積物。（2）質地均勻，顆粒成分主要是粉末，其含量通常為60%或更高，超過0.25 mm的微粒很少。（3）碳酸鈣含量高達10%～30%，經常形成鈣質結核。（4）多孔，通常有較大的孔洞；蟲洞等。其孔隙較大，一般為1.0。（5）一類無層理、柱狀節理，垂直節理發育，直立，黃土物性的特殊性主要體現在壓密性、振陷性、濕陷性這3個方面。黃土在動、靜荷載和浸水作用下，都會導致黃土的振陷變形、濕陷變形和壓密變形，其中振陷變形和濕陷變形是由震動和濕濕兩種原因造成的，從而導致黃土的結構性破壞，從而產生附加濕陷，有時是黃土液化。黃土的濕陷性變形具有突變性、不可逆性、非連續性等特點。此外，在一定的壓力下，黃土的彈性變形、壓密變形、塑性變形、蠕變變形等都有可能發生變化[1]。

2 黃土地區鐵路工程地質選線原則

（1）黃土高原。在梁、山地帶，最好選擇在斜坡上；在有較好的排水條件下，盡量避開地形凌亂、溝谷深、沖溝發育、下伏地層傾斜方向不良、地下水發育地區。（2）在河谷地區，應該采取階地展線，并與缺少低階地的高陡谷的斜坡之間的安全間隔。（3）在工程建設中，應盡量避免在地質情況不佳的地段，如黃土滑坡、崩塌、陷洞、人為坑洞等。（4）路線選擇在地層單一、土壤干燥、濕陷性較弱的區域，避開地質復雜、土壤軟弱、含水率高、地下水發育的區域，并盡可能避開與之相平行的道路。（5）根據斜坡的穩定情況，確定線路通過部位、形式和施工方式；在黃土、溝梁的邊界地區，路塹與隧道、路堤與橋墩的方案比較是必要的。（6）溝谷穿越線應選在溝槽下切緩慢、溝谷平直、河岸穩定的路段，避免谷坡零亂、坡度大、坡度大的地區，不宜在狹窄的懸空山口設置橋墩、橋臺。（7）黃土隧洞入口宜選在山勢穩定、地面排水良好的斜坡上；洞體選擇在塬、梁頂面平坦或地勢隆起的地段，不能在黃土、粘土的交界面、軟硬層交界、山坡上雜亂、陷穴發育區域或塬邊、塬頂處通過。（8）在穿越黃土地區既有和擬建水庫、池塘地段時，除了要注意水庫潰壩、塌岸的影響，還要注意水庫蓄水后的黃土濕陷性問題。鐵路選線要素分類詳情見圖1。

圖1 鐵路選線要素分類

3 工程案例

澠池縣產業集聚區專用鐵路位于河南省三門峽市澠池縣產業集聚區，是交通運輸部2021—2022年擬重點推進的鐵路專用線項目之一，該院作為設計單位參與了項目的預可行性研究階段，目前該項目正在有序推進。項目位于河南省三門峽市澠池縣，沿線地貌主要為黃土階地，場區內地形起伏較大，存在多條長大沖溝，部分路段溝壁、黃土臺塬較陡，植被茂盛。由于線路所經區域距主城區較近，公路、鐵路、高壓電網布置密集，基本農田、文物保護資源和礦產資源分布廣泛，加之沖溝等復雜地形地質情況較多，給鐵路選線帶來了一定的困難。

項目組結合項目具體情況確定了選線的基本原則：（1）充分考慮專用鐵路運輸需求和特點，通過多方案比選合理確定線路方案；（2）結合地區規劃資料，盡可能繞避沿線的基本農田、文物保護區、水源保護區和礦區，減少與既有鐵路、公路的交叉；（3）結合勘探資料，對不良地質地區以繞避為主，必須通過時應充分比選地基處理措施和橋梁隧道方案；（4）充分考慮項目的工程可行性，嚴格控制投資預算，兼顧工程合理性和經濟性，落實“綠色選線”原則。

選線過程中，項目組充分進行了調研、踏勘和溝通對接，結合勘探和測量資料對接軌點、場站選址和線路方案進行了充分研究比選。南莊村以東兩條長大沖溝最寬處達近400 m，平均高差達70 m左右，且兩條沖溝南北各有一處小型水庫，在充分研究比選后最終確定了以橋梁形式跨越沖溝，并與兩水庫均保持了500 m以上的間距，既減少了不良地形地質對線路的影響，也兼顧了環保因素，同時防止了水庫泄洪可能引發的地質災害給鐵路線路帶來的影響。仰韶村位于場址方案以西，其南側緊鄰仰韶村遺址保護范圍和劉郭水庫，東西側各有一條長大沖溝，與上述選線原則相同，結合場站位置標高，最終確定了以橋梁形式于仰韶村北側上跨兩條沖溝，避免了對文物保護區的影響和水庫泄洪對下游的影響，同時減小了對仰韶村的影響。由此可以看出，針對黃土階地地區的地形地質特點，合理采用大跨橋梁形式，既可以繞避不良地質，保證線路的安全性和可行性，又在一定程度上滿足了文物、生態保護的需求，同時對于耕地資源寶貴的黃土地區有著重要的意義。

4 黃土階地地區鐵路選線主要技術指標

（1）線路總長度。線路總長度是反映線路運行距離的最直觀的指標，它不僅能反映線路的運行距離，而且還會影響到項目的投資和工期。（2）路基的數量。路基數量包含了路堤的數量和附屬的圬工的數量。黃土階地地區地形復雜，土石方施工及運輸難度大，因此，在黃土階地地區，路基工程量是衡量鐵路施工質量的一個重要指標。（3）橋隧總長。在黃土丘陵區，由于地質情況的影響，在線路上要綜合考慮橋梁、隧道的選址和規模，例如：在深厚濕陷性黃土地區，應采用橋梁，而在濕陷性黃土地段，則應盡量避免隧道長斷面通過。同時，橋梁、隧道的長度和比例也會影響到工程的施工進度。（4）項目可行性。在黃土河谷地區進行線路選擇時，要注意項目的可行性，包括施工難度較大的路段；主要項目技術方案的可行性，因地形、場地空間等因素的限制，對施工空間的可行性產生了一定的影響。（5）不良地質治理的可行性分析。由于黃土河谷地區的地質環境較差，給鐵路施工造成了很大的困難，因此，在選擇道路方案時，必須考慮是否能夠有效地治理這些不良地質，同時也要考慮線路的安全性與合理性[2]。

5 黃土地區鐵路選線策略

5.1 基于技術可行性的黃土階地地區鐵路選線策略

（1）在黃土的發源地，選擇較寬的谷地；在平坦的坡面和相對穩定的山谷地區，或山坡穩定、地層單一、土壤干燥、濕陷性輕微、排水條件良好的地段，要充分發揮線路平縱面線形的變化，避開地形復雜、地形復雜、溝谷深、凹陷和沖溝等不利地段，并避開下層有軟弱夾層和地下水的源邊坡和斜坡上。（2）黃土階地地區地貌復雜，溝壑縱橫，在施工現場設計時，要根據地區的工程地質情況，科學地選擇隧道和深挖、高填、橋梁、涵洞等布置位置和長度。合理選取路基橫截面方案，多開挖、少填方，不采用半挖。（3）當設置隧道時，應避免出現過短的隧道，以減少施工、運行中出現的不良地質隱患，減少后期維修的困難。在進行長大隧道施工時，必須進行輔巷布置方案的比較，以保證施工方案的合理性。在濕陷性黃土和高水分地區，要盡量避免過長斷面，或采取適當的治理措施。（4）在黃土階地地區選址時，要結合該地區的地形地貌、地質條件等因素綜合考慮，確定適合不同地區的線路方案。工業協作設計不受傳統的站位布置方式的限制，在地形復雜、地形有限的情況下，挖掘出最優的位置，并在多個方案的對比中選擇出最優的位置。

5.2 濕陷性黃土區鐵路選線策略

在一定的壓強條件下，濕滑黃土容易發生沉降大、沉降快、沉降不均勻、基礎承載能力差等問題。（1）在深濕潤的黃土地區，盡量避免這種類型的地基。根據《濕陷性黃土地區建筑規范》要求，在深厚濕潤的黃土地帶進行基礎加固，必須跨越濕陷黃土層，不僅工作量大，而且由于地勢特殊，在工程中很可能形成集水區，從而對基礎的穩定造成一定的不利影響。所以，在深層濕陷的黃土中，宜選擇架設橋墩，必要時加強基礎，以建立路基或隧洞。（2）在濕潤黃土區，要盡可能地減少地下水對結構的穩定性的作用。在一些分布密集、設置涵洞的地區，應采取跨跨方式，以便減少過渡段的建設，保證行車的平穩。（3）在選擇以隧道形式穿越時，必須事先對黃土的濕陷性和厚度進行分析和判定，以保證施工的可行性，盡量避免在該地區出現較大的區間。在開口區進行基礎加固時，不能采用凹形斜坡，否則容易引起集水區的人為干擾，從而影響其穩定[3]。該區域鐵路選線變化見圖2。

圖2 濕陷性黃土區鐵路選線變化

5.3 滑坡區鐵路選線策略

黃土滑坡是一種廣泛、規模大、分布廣泛的黃土階地地質災害。其事故多發、危害性大，嚴重影響了鐵路的運行和安全。（1）繞道是滑坡災害控制中最有效的方法?；聟^選線必須堅持“以防為主、以防為先”的方針。對已查明的大型滑坡或滑坡組，由于治理難度大、耗資大，需充分利用平縱面線形的變化進行繞避，或將線路標高設于滑坡的上限。（2）對邊界條件明確、規模小、不能繞開的滑坡，在采取措施確保安全、投資合理的情況下，可以采取早治小的原則，在滑坡下緣以低填方或在滑坡上緣以淺挖方通過，切忌在坡體上部填方或下部挖方。（3）對于不能繞開的大范圍滑坡或滑坡，可以采用大跨徑的橋梁，或以滑動面以下的隧道作為通道，建議采用深埋的長隧道，采取早進晚出、施工不露頭、盡量減少短巷群等措施。洞口段必須設置在斜坡平直、巖體完整的區域，或者在滑動面上，并做好防滲措施。合理確定線路縱坡，盡量減少土石分界面，減小淺埋溝斷面長度。（4）加強前期地質勘查，對土體內的空洞、陷穴發育情況進行全面的調查，找出可能存在的不穩定邊坡。選線穿越潛在不穩定的邊坡，容易因施工等因素而導致邊坡失穩，進而引發滑坡。因此，在選線時，必須對邊坡穩定性進行評價，確定邊坡穩定線，以確保邊坡處于安全地帶，并在施工中保證邊坡不被削弱或損壞[4]。該區域鐵路選線變化見圖3。

圖3 滑坡區鐵路選線變化

5.4 基于環境保護的黃土溝壑區鐵路選線策略

黃土丘陵地帶是一個生態環境極為薄弱的區域，其自然生態狀況極為糟糕，其發展程度較低，植被生長狀況較差，水土流失較大[5]。（1）在建筑工地上進行開挖；回填對黃土峽谷的生態環境造成了很大的破壞，并引起了多種類型的地質災難。在選擇線路時，必須遵循“綠色選線”的原則，以達到“鐵路”和“環?！毕嘟Y合的目的。在線路的選取上應遵循“保護優先、預防為主、統籌使用”的方針，盡可能降低對原有地形的影響。在黃土丘陵區，在地質條件較低、對生態敏感的區域，按照繞避優先的思想，充分顧及特殊情況下的運行限制，從技術上進行；通過經濟和環境因素的綜合對比，選擇合理的繞道。為了減少對地表的擾動及周邊環境的影響，必須采用橋型結構[6]。（2）在規劃中選擇路線，選擇路線時，要盡量避免保護區的核心地帶和緩沖地帶/國家飲用水水源保護區、核心景區、世界文化和自然遺產。在不能繞行的情況下，應根據不同的路線，合理選取不同的通行路線，并進行對比，以保證在穿越敏感地帶時的合理性。（3）縱向斷面選線時，應依據選線區域的地貌特點，采用適當的坡度，使其對周圍的環境造成的影響最小。在確保施工的同時，盡量避免高填深挖，減少填埋量，并合理利用土石方。在山坡上砍伐破壞植被。采用水平與縱向相結合的方法，盡量避免在地質條件較低的區域進行選擇，避免對周圍的污染。（4）更好地維護土地和水源。黃土河谷地區的土地資源有限，應盡量在公路沿線合理開發；缺點：避免占用耕地、耕地，而在道路跨越農田時，宜采用橋梁，在隧道洞深埋區應避免下穿建筑，并考慮周邊的地理位置和居住區的布局，避免因工程滲漏而造成的污染對周邊地區和居民用水造成不利的后果。（5）在選擇線路時，要注意噪音、水體、空氣、垃圾、電磁、建筑過程中產生的振動對周邊環境、居民區、學校、醫院等造成的影響[7]。輪軌垂向力值見圖4。

圖4 輪軌垂向力值見圖

6 結語

黃土凹陷是一種比較特殊的地貌類型，能引起塌陷；滑坡是一種嚴重的地質災難，不僅可以使地面的各種建筑和構筑物受到嚴重的損害，而且還會誘發其他的地質災難，使周圍的生態和地質條件更加惡劣。