兰渝铁路特殊复杂地质环境及特征研究

甄秉国

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

1 工程概况

新建兰渝铁路兰州至广元段北起兰州东站，向南经兰州市榆中县、定西市渭源县、漳县、岷县后，翻越长江、黄河分水岭，经陇南市宕昌县、武都区，沿白龙江东岸而下，以28.238 km隧道穿越西秦岭，在姚渡镇附近跨过两省交界进入四川省广元市青川县境内，并沿川陕界行进进入广元市。

兰州至广元段正线线路总长约493 km，全段隧道工程集中，长大隧道比例较高，该段共分布有隧道66座，隧道总长343.263 km，隧道占线路总长度的比例为70%，其中长度大于10 km的特长隧道9座，长度143.96 km，占隧道工程的比例为 42%;桥梁 77 km，占 15.66% 。

2 工程地质背景

2.1 区域地质环境(图1、图2)

兰渝铁路通过黄土高原区和秦岭高中山区，在区域地质上位于华北地块、扬子地块、青藏地块及塔里木地块四大地块相互汇集部位合围之隆起造山带，属青藏高原隆升区边缘地带，地质环境极为复杂特殊。

尤其是新生代以来印度板块与欧亚板块碰撞，导致青藏高原隆升及其向北东的持续扩展挤压作用，造成本区域断裂、褶皱发育，初始地应力状态极其复杂，多为高—极高的地应力环境背景。

2.2 地质构造

兰渝铁路兰广段从北向南线路经过祁连褶皱系、秦岭褶皱系、松潘—甘孜褶皱系、扬子准地台四个一级大地构造单元，线路位于其接合部位。在漫长的地质历史时期内经历了多期次的构造运动，后期活动对前期形成的构造体系加以改造、归并、复合，使构造环境愈加复杂，形成了隧道通过部位特殊的构造变形、复杂的地应力场及岩性。

图1 板块构造简图

图2 青藏高原东向挤出的效应图

线路穿越区域性大断裂10条，沿线与线路有关的较大断层有 87条，大的褶皱43个，次级断层、褶皱(曲)及小构造十分发育。

2.3 区域地应力场

通过现场实测，兰渝线地应力的分布特征是:以水平应力为主，应力值随深度的增加而增大;以合作-岷县断裂构造带(F3)为界，F3断裂以北，最大水平主应力方向以北东向为主，即 N29°E～N68°E，最大水平主应力最大值为27.16 MPa，F3断裂以南，以北西向为主，即 N29°W ～N75°W，最大水平主应力最大值为33.82 MPa。

2.4 不良地质及特殊岩土

兰渝铁路沿线不良地质极为发育，主要有滑坡、泥石流、危岩落石、岩堆、岩溶、高烈度地震区、人工坑洞、有害气体等，以滑坡、泥石流为主，岩堆次之，调查沿线范围内共有滑坡206处，泥石流沟127条，岩堆27处。不良地质体在全线分布并不均匀。

沿线特殊岩土主要为湿陷性黄土、软土、膨胀岩。

2.5 地震

2.5.1 区域地震的分布

兰渝铁路沿线属于青藏地震区北部地震亚区的龙门山地震带，地震活动相当强烈，是青藏高原北部地震亚区主要强震活动带之一。自有地震记载以来，本带共发生 M≥4.7级地震197次，其中 5.0～5.9级地震109次，6.0～6.9级地震 35次，7.0～7.9 级 9次，8 级地震3次，分别为1654年天水8级地震、1879年武都8级地震和2008年汶川8级地震。

根据对兰渝铁路沿线两侧各50 km范围内有震源深度的仪器记录地震资料的统计分析，沿铁路地震震源深度绝大部分在39 km以内，90%的地震在24 km以内，基本上是发生在地壳中上层的浅源地震。

2.5.2 汶川地震对沿线地质条件的影响

汶川8级大地震是我国历史上最严重的破坏性地震之一，其地震规模和破坏程度均是罕见的。此次地震造成了严重的人员伤亡和大量的建筑物损毁，基础设施严重损毁，震中地区周围的16条国道、省道、干线公路和宝成线等6条铁路受损中断;次生灾害多发，山体崩塌、滑坡、泥石流频发。

根据汶川8级地震等烈度线图，线路在渭源以南均在≥Ⅵ度区范围之内，其中武都以南到广元约120 km经过≥Ⅷ度区，经过Ⅸ度区的线路长约30 km。

兰渝铁路沿线高地应力软岩地段是汶川地震影响严重地段，区域岩体中构造节理裂隙较震前会更加发育，隧道围岩状态及软岩流变特性受地震影响明显，地震使得地应力状态变得更加复杂、区域内降雨量增大。

2.6 区域气候变化对沿线工地条件影响严重

兰渝铁路纵贯甘肃省东南部、陕西省西南部和四川省东北部，属北亚热带湿润向暖温半湿润过渡的季风气候，受境内高山峡谷地形的影响，气候上有明显的区域特征，气候差异悬殊，垂直分带的差异性明显，河谷炎热，山地寒冷。

自2008年汶川地震以来，在建兰渝铁路沿线各地区降水强度、降水量、持续时间等方面都有不同程度的变化。如:对照一次最大降水量发现，岷县、宕昌、青川和广元2007年至2011年间一次最大降水量都超过了2000年前30年中的极值。

工程区域近年降雨量增加，各种地质灾害频发。2010年8月7日甘南藏族自治州舟曲县突降强降雨，持续了9h，降雨量达96.3 mm，县城北面的罗家峪、三眼峪泥石流下泄，由北向南冲向县城，造成沿河房屋被冲毁，泥石流阻断白龙江、形成堰塞湖;2010年8月11日，陇南市境内突发暴雨，引发泥石流、山体滑坡等地质灾害，致使多处交通路段堵塞;2012年5月10日，甘肃省岷县发生特大冰雹、强降雨，引发大量洪灾、泥石流灾害等等，降雨强度和持续时间都属历史罕见。

3 特殊复杂的工程地质问题及特征

兰渝铁路通过区域地质环境特殊复杂，自开工建设以来，出现了许多的工程地质问题。

3.1 第三系砂岩复杂的水稳特性

3.1.1 形成背景及分布特征

区域第三系地层划分为陇东区、陇西盆地的甘肃群，为一套桔黄色、浅棕黄色泥质砂岩、泥岩互层，属陆相湖盆及山间凹地沉积，厚度小于296 m。

第三系砂岩在兰渝铁路主要分布于桃树坪隧道、胡麻岭、马家坡隧道及哈达铺隧道等隧道，长度约8 km。

3.1.2 砂岩基本特征

第三系砂岩颗粒组成以粉细粒为主，粒径主要为0.075 ～0.25 mm，渗透性差(渗透系数约 10-5cm/s)具有原始状态下密实度高(e=0.236～0.448)、不扰动状态下承载力和变形模量比较高的岩石特性。但第三系砂岩为泥质弱胶结，成岩作用差，由于黏粒含量少，结构脆弱，极易破坏，围岩稳定性差，工程性质极差。

3.1.3 主要工程地质问题

(1)复杂的水文地质条件。第三系粉细砂岩属陆相湖盆及山间凹地沉积而成，地层岩性较单一，颗粒较均一，结构紧密，属新生代沉积，受构造运动影响较小，节理裂隙不发育。因此，在天然状态下，存在构造裂隙的可能性非常小，地下水主要赋存于砂岩孔隙水中，由于砂岩胶结程度、黏粒含量及补给途径的不同，使地下水分布具有不均匀性，表现为局部沟谷地段砂岩含水偏高或地下水相对富集，水文地质条件十分复杂。

(2)砂岩在水作用下稳定性变差、变形大、开挖及支护难度大。

(3)涌水、涌砂。

(4)软硬不均、降水及开挖困难。第三系砂岩受沉积环境的影响，在形成过程中多为泥质弱胶结，局部为钙质半胶结或胶结的薄层、透镜体或结核状砂岩，其分布规律性差。由于掌子面上下围岩软硬不均、渗透性的差异，存在降排水较困难，较软围岩易变形、坍塌，而钙质胶结层强度和厚度较大，人工开挖困难。

3.1.4 措施建议

经过不断探索和科研后，对前期的各项施工方案和工法、辅助施工措施进行了系统的研究分析和施工探索，建议采用“重降水、密导管、强支护、辅注浆、快挖快支快封闭”的原则进行设计施工。

3.2 高地应力软岩隧道大变形问题

3.2.1 软岩分布

兰渝线软岩分布广泛，主要为二叠系板岩、炭质板岩;三叠系板岩;志留系千枚岩、炭质千枚岩;泥盆系下统千枚岩等，总长约83 km，涉及隧道15座。

3.2.2 岩石特征

二叠系、三叠系板岩矿物成分中绿泥石、伊利石、高岭石等黏土矿物含量占14% ～49%，局部变质程度较深岩石中绢云母等软质片状矿物含量高达37%，具有强度低、遇水易软化、崩解或膨胀等特性;志留系千枚岩呈鳞片变晶结构，以新生矿物绢云母为主，含量高达81% ～88%，片状矿物粘结力差，经受应力扰动和地下水的作用，层片裂解，整体弱化，易变形，其结构特征主要为:

(1)软硬不均、岩性、层厚变化频繁，片理面发育，层间光滑、结合差;

(2)局部受构造影响较重，揉皱现象发育;(3)节理裂隙较发育、发育。

3.2.3 软岩大变形特征

软岩地层均以薄层或片状构造为主，结构面发育，岩质软，又处于复杂高地应力区，施工中围岩变形具有变形时间长、初期支护难以稳定的特点。

(1)二叠系、三叠系围岩变形均以水平收敛变形为主，主要发生在边墙、拱腰部位，初期表面出现环、纵向裂缝，支护内鼓，变形速率39～682 mm/d，最大变形量达1 915 mm。

(2)志留系拱顶下沉及收敛变形量均较大，一般变形量在600～800 mm，局部有底鼓现象，喷射混凝土大量环向开裂、掉块，部分钢拱架扭曲、断裂，初期支护结构失稳，侵入衬砌净空，具有变形速率快、变形量大、周期长等特点。

(3)三叠系板岩岩层直立，走向与洞轴线近平行，围岩变形较大，且难以控制。

3.2.4 大变形控制措施

通过对掌子面超前小导洞应力释放试验和初期支护措施调整试验进行总结分析，确定二叠系板岩、炭质板岩隧道初期支护以I20b、H175型钢为主进行系统设计;三叠系板岩和志留系炭质千枚岩隧道初期支护以H175为主进行系统设计。

3.3 岩溶隧道涌水问题

兰渝线兰广段灰岩主要分布于化马隧道，施工中主要问题为隧道突涌水。

心肌损伤后释放CK-MB、cTnI等特异性酶。室壁张力负荷较大时心肌能量代谢障碍，使大量CK-MB、cTnI通过受损的细胞膜向细胞间质内弥散。因此，血清CK-MB、cTnI水平的高低可灵敏反映心肌损伤的严重程度［17］。本研究中并发恶性心律失常患者的血清CK-MB、cTnI水平高于未并发恶性心律失常患者。这一结果提示，并发恶性心律失常的AMI患者心肌损伤更为严重，这可能与受损心肌细胞的传导及收缩能力下降有关。

3.3.1 工程概况

2011年1月5日，化马隧道进口 DK302+926，岩性为二叠系灰岩，在进行开挖钻眼作业时，右侧拱腰处一孔在钻到3.5 m时，突然发生涌水，水柱喷射距离达到12 m左右。

随后在止浆墙外侧施作超前探孔，深度达到3 m时水压急剧上升，达到4.5 m时探明前方有一 5～10 cm裂隙，钻孔深度达到5 m时，由于探孔前方水压过高，水流喷射距离瞬间达到 25 m，最高涌水量达35 000 m3/d。

对超前钻孔实测水压在2.0 MPa左右。

3.3.2 主要处理措施

(1)掌子面设止浆墙后施作超前地质预报。现场通过多次TSP、红外探水、雷达等物探及超前水平钻孔，查明了本次为灰岩裂隙水及管道水。

(2)迂回导坑绕避。在掌子面 DK302+926后方DK302+890处设置迂回导坑绕避该段岩溶管道，迂回导坑平行隧道，距隧道30～40 m。

(3)设置泄水洞。化马隧道预测正常涌水量为11.2万m3/d，而隧道的侧沟与中心水沟的最大排水量为7万m3/d，为保证施工及正常运营需设置泄水洞进行排水。

3.4 瓦斯隧道问题

化马隧道化马沟斜井正洞兰州方向掌子面DK304+190，揭示地层为F36断层压碎岩，原岩以石炭系炭质板岩为主，夹有石炭系灰岩薄层，岩质软，岩体破碎，无水。2012年7月15日，电焊切割超前小导管时，导管口发生气体燃烧现象，测得瓦斯浓度为4.63%，现场停止施工，到26日，测得瓦斯浓度为1.25%。

3.4.2 处理措施

通过现场取样、试验，对该隧道瓦斯进行了综合评估，经专家研讨会论证，确定为高瓦斯隧道，建议设计、施工及运营均按高瓦斯隧道标准进行。

3.5 斜坡稳定问题

兰渝铁路通过黄土高原区和秦岭高中山区，山前斜坡地带工程分布较多，由于地质条件复杂，施工中出现了边坡稳定性的问题，以鲁坝隧道出口边坡为例进行说明。

3.5.1 工程概况

工程位于角弓镇白龙江右岸二级阶地后缘，岸坡坡度变化较大，约25°～30°，植被稀少。表层为全新统坡积细角砾石土，厚30～35 m，其下为中更新统冲积粗圆砾土，下伏志留系炭质千枚岩。

由于2008年汶川大地震的灾后重建，地方有关部门在隧道出口段右侧取土，形成高20～45 m，坡度约60°的高陡边坡，在2010年8月8日凌晨在强降雨的作用下，形成工程滑坡。

3.5.2 原因分析

(1)人工取土:在隧道出口段右侧前缘取土，形成高陡临空面，破坏了该段斜坡的稳定性，加之降雨下渗，导致山体失稳滑塌。

(2)5.12汶川特大地震:地表坡积细角砾土松散，分析认为受2008年5月12日汶川特大地震的影响较大，地震对表层土体有较强的松动作用，使岩土体结构进一步破坏，抗剪强度降低，并为地表水下渗和径流提供了便利条件。

(3)强降雨:该地区降雨主要集中在6～9月份，降雨量大且集中，对隧道出口段坡积层侵蚀、浸润严重，降低岩土体的强度，对坡体稳定极为不利。

3.5.3 主要处理措施建议

(1)根据现场实际，隧道出口接长明洞;

(2)在隧道洞门两侧及下部设置重力式挡土墙防护;

(3)右侧坡脚支挡并反压回填，仰坡采用土钉和注浆等综合加固措施。

4 结论

(1)兰渝铁路经过黄土高原区、西秦岭高中山区，穿过4个一级构造单元及10条区域性断裂带，岩性复杂多变且工程性质差，不良地质及特殊岩土普遍发育，又处于高烈度地震区，地质环境条件极为特殊复杂，是我国现阶段在建的又一条艰、险、难的山区铁路。

(2)兰渝线隧道所处的特殊地质环境，施工中遇到的软岩大变形及流砂等属于特殊复杂地质环境引发的工程地质问题，需在科研的基础上进行特殊设计。

［1］铁道部第一勘测设计院.铁路工程地质手册［M］.北京:中国铁道出版社，1999.

［2］铁道第一勘察设计院.TB10012—2007 铁路工程地质勘察规范［S］.北京:中国铁道出版社，2007.

［3］王建军，甄秉国，周泉，等.兰渝线特殊地质隧道专题研究报告［R］.西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司，2011.

［4］郭正伟.高地应力软岩隧道现场试验分析［J］.铁道标准设计，2011(4):89-91.

［5］罗洪戈.宜万铁路堡镇隧道高地应力软岩大变形段施工技术［J］.铁道标准设计，2010(8):131-133.

［6］席继红.长大复杂岩溶隧道综合施工地质技术探讨［J］.铁道标准设计，2007(S2):110-112.

［7］王文和.高地应力软岩隧道围岩特性分析及施工方案探讨［J］.现代隧道技术，2004(S2):5-8.

［8］杨志华.秦岭造山带的构造格架和构造单位新划分［J］.地质科技情报，1996(3):43-47.

［9］李百祥.西秦岭地球物理场的地质解释［J］.甘肃地质学报，1997(2):64-67.

［10］宋春晖.青藏高原东北部贵德盆地新生代沉积演化与构造隆升［J］.沉积学报，2001(4):493-499.

［11］李吉均.中国西北地区晚更新世以来环境变迁模式［J］.第四纪研究，1990(3):12-15.

［12］王志才.青藏高原东北缘新生代以来的构造变形特征与时空演化:以陇西—武山地区为例［D］.北京:中国地震局地质研究所，2004:10-166.