某高铁工程地质选线研究

巨小强

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

1 某高铁线路特点

1.1 工程概况

某高速铁路作为包海通道的重要组成部分，位于陕西关中及北部地区。线路自西安北站引出，向北经西安市高陵区、阎良区，渭南市富平县，铜川市耀州区、王益区、印台区、宜君县，延安市黄陵县、洛川县、富县、甘泉县，至本项目终点延安市宝塔区，线路正线全长约290 km。

1.2 某高铁的主要技术标准

某高铁为双线高速铁路，速度目标值：350 km/h；最小曲线半径：一般7 000 m，困难5 500 m。最大坡度：20‰，个别25‰。到发线有效长度650 m，部分450 m[1]。

1.3 某高铁的线路走向选择

(1)西安至铜川段线路走向主要受控于引入西安枢纽方案且沿线经济据点较少，线路走向方案唯一。

(2)铜川至延安段根据铜川—延安航空线两侧城镇分布情况，结合地形条件，选择沿线人口密集、线路短直、投资节省的沿210国道通道。

(3)根据本线的功能定位，结合沿线主要城镇和重要客流集散点的引入条件，从吸引客流能力、工程可靠度、城市规划配套等方面考虑，西安至铜川段，受地形地质条件影响较小。铜川至富县段，站点靠近城市时，线路起伏较大，增加工程难度；如果选择沿河谷布线，则站址远离城市。富县至延安段，城镇基本位于河谷区，站位选择对于线路起伏影响较小，主要考虑联接沿线经济据点、方便城镇居民乘车。

1.4 某高铁的地形地貌特点

沿线地势由南至北，逐渐升高，可划分为渭河冲积平原区、黄土台塬区、黄土梁峁沟壑区及子午岭低中山区4个地貌单元。其中黄土梁峁沟壑区，位于陕北高原南部，是本线通过范围最广的一个地貌单元。线路多次通过其间的沮河、洛河河谷，地形起伏，沟壑纵横，高程735～1 480 m。黄土冲沟呈西北—东南走向，以“V”字形沟谷为主，冲沟两岸黄土滑坡、错落、溜坍遍布。该区是本线线路选择的难点，也是重点。子午岭低中山区：位于陕北黄土高原最南部，山顶呈圆形，基岩山地受控于北北西向缓倾的单斜构造，基本呈单倾向斜坡，山坡两侧不对称，高程850～1 710 m，最高峰为哭泉梁，海拔约1 710 m，其南基岩大面积裸露，其北薄层黄土覆盖。如图1所示。

图1 黄土沟壑梁峁区

西安至铜川段，地形不控制线路选择。铜川至富县段，线路由南向北经过的宜君县城位于海拔较高的子午岭低中山区，黄陵县城位于海拔较低的沮河河谷区，洛川县城位于海拔较高的黄土梁峁上，富县县城位于低海拔的洛河河谷区，站点靠近城镇时，线路反复上山下山上塬下塬引起线路起伏较大，增加工程难度。

2 选线区工程地质条件[2-3]

2.1 地层岩性

沿线地层主要为第四系全新统冲积层及上更新统风积层，人工堆积层、滑坡堆积层及洪积层散落分布地表，沟谷两岸基岩裸露。岩性以第四系素填土，杂填土，粉质黏土，粉土，黏质黄土，砂质黄土，粉、细砂，中、粗、砾砂，细、粗圆砾土组成，以及近于水平向北缓倾的三叠系砂岩、页岩，二叠系砂岩、页岩和奥陶系灰岩等。

2.2 地质构造

选线区属于中朝准地台一级构造单元，跨越汾渭断陷及陕甘宁台坳两个二级构造单元。西安北至铜川段位于汾渭断陷的次级构造单元渭河断凹。铜川至延安段位于陕甘宁台坳内，先后通过陕甘宁坳缘褶断束及陕北台凹两个次级构造单元。

2.3 不良地质

沿线影响线路走向的主要不良地质为滑坡(群)、错落(群)、煤窑采空等。

2.3.1 滑坡(群)和错落(群)

铜川以北黄土沟壑梁峁区及低中山区，地形起伏大，大气降水及地表水的溯源侵蚀强烈，沟壑纵横，且地下水分布复杂，黄土冲沟两岸岸坡稳定性差，滑坡、错落遍布，甚至成群出现，规模不一，以中型为主，也有大型及巨型；分布位置相对集中，主要出现在陡峭的河谷、冲沟两岸，特征明显，多呈现圈椅状地貌，前缘突出，对河道、冲沟具挤压作用且呈现南坡(阴坡)比北坡显著增多的特点。如图2所示。

图2 黄土滑坡

2.3.2 煤窑采空

沿线煤矿采空区主要分布在铜川北部、富县东部及延安北部地区。

(1)铜川北部矿区采空区：也是对某高铁选线影响最大的采空区，主要分布国有王家河煤矿、石柱煤矿、西头煤矿、三里洞煤矿等，这些煤矿现在均已停产，目前线路对这些大型煤矿的采空沉陷区均进行了绕避，仅在CK111+230～+455通过王家河小煤窑采空区。该小煤窑采空区位于铜川市王益区王家河镇，为解放前人工开采，煤层层底高程731.32～739.44 m，煤层层厚0.3～0.8 m，地表未发现房屋开裂现象。

(2)富县东部矿区：富县东部主要分布复兴煤矿，德馨煤矿及牛武煤矿3个矿区，均为正在开采的矿区，煤层厚0.5～1.0 m，埋深38～50 m。煤矿均在线路右侧，复兴煤矿距线路最近，矿区边界距线路最近距离约2.2 km。

(3)延安北部矿区：延安北部矿区主要以川口煤矿及小煤窑为主。本次线路进行了绕避。

2.4 特殊岩土

沿线的特殊岩土为湿陷性黄土、膨胀土、软土及松软土、填土。湿陷性黄土全线广泛分布，膨胀(岩)土主要为黄土层中古土壤及沿线上第三系、侏罗系、三叠系、二叠系、石炭系的泥岩、页岩等。软土局部分布，松软土广泛分布。填土散落分布，主要以填筑土及素填土为主。

3 影响线路选择的主要工程地质问题

3.1 黄土岸坡的稳定性问题

黄土岸坡的稳定性为影响本线线路选择的头号地质问题。某高铁大部分段落都位于沟壑纵横的黄土沟壑梁峁区，除非中间不设站，以一座隧道贯通或一座大跨桥梁跨越，否则通过黄土岸坡在所难免，岸坡稳定性问题也就不可避免。通过对本线地质条件的分析梳理，全线的黄土岸坡问题主要表现在以下3个方面。

3.1.1 滑坡、错落等不良地质现象众多(图3)

图3 侏罗系延安组页岩夹砂岩

这是影响本线线路选择的主要地质问题，尤其在洛川上下塬段及富县、甘泉进出站前后成为线路选择最主要的控制性因素。通过大范围现场调绘、遥感解译及重点滑坡的地质调查，区内控制方案和影响工程设置的滑坡有2 089处，错落128处。滑坡具有以下特点：①规模不一，小型—巨型、浅层—深层滑坡均有分布；②分布规律性强，一般为重力牵引式黄土滑坡，同一区域形成机理相同，滑坡一般成群出现；③形成时间不同，新滑坡—古滑坡均有分布；新滑坡地貌特征明显，存在圈椅状地貌，平台发育，坡面平缓，前缘突出，对冲沟河道具挤压作用；老滑坡、古滑坡坡面多被地表径流侵蚀或被开垦为耕地，某些形态特征表现不明显；④按滑动面及剪出口位置可分为：黄土—基岩接触面滑坡、基岩面剪出滑坡、黄土基岩混合滑坡及黄土滑坡。

3.1.2 潜在的岸坡不稳定性问题

潜在的岸坡不稳定性问题主要表现在黄土陷穴的发育、黄土冲沟的溯源侵蚀、黄土岸坡坡脚水流冲刷、人为卸荷等引起的岸坡不稳定性问题。该问题往往容易被忽视，在黄土梁峁沟壑区，由于黄土的大孔隙、直立性好、具湿陷性、裂隙发育的自身特征，目前稳定的黄土陡峻岸坡在大气降水、地表径流的冲刷和溯源侵蚀下，沟谷发展很快，形成一系列大小不等、深浅不一的黄土陷穴，这些陷穴不断发展串通，形成新的不稳定岸坡。

3.1.3线路选择及工程设置不当或工程实施过程中引起的岸坡不稳定性问题

在黄土梁峁沟壑区，黄土冲沟纵横、岸坡陡峻，线路为了绕避滑坡、错落等不良地质体及其他不稳定岸坡，在线路选择及工程设置上容易犯线路表面上未通过滑坡错落等不良地质体，但在工程实施中诱发甚至破坏既有岸坡稳定性的问题，这些问题在既有黄土地区铁路公路工程施工中屡见不鲜。在线路选择及工程设置中，一定要加强这些地段的岸坡稳定性评价工作，线路避免路基陡坡挂线，桥梁墩台应设置在岸坡稳定线以内，隧道进出口及斜井口的仰坡防护要有针对性，同时必须做好坡面的防排水工程。

3.2 煤窑采空区问题

陕北地区煤矿众多，煤窑采空以及采空引起的地表沉降等屡屡发生，这是影响该地区选线的又一突出问题。某高铁通道未经过煤窑采空严重的黄陵店头矿区，绕避了富县东部矿区及延安北部的川口煤矿等采空沉陷区。与线路关系密切的铜川北部矿区，线路距离王家河煤矿及其斜井采空陷落区较近，部分段落通过王家河小煤窑采空区。针对王家河煤矿采空区及斜井采空区应在收集矿区设计、开采及实测资料基础上，采用综合勘探方法，确定采空层位及范围，落实验证采空沉陷区的边界以及距离线路的距离，进行稳定性评价，提出相应工程措施、意见，预留保安矿柱的宽度等。针对小煤窑采空区应积极收集小煤窑采空区或附近勘探或开采资料，并采用区域地质资料分析、实地调查访问、坑洞测量与勘探相结合方法，查明开采情况、开采层位、坑道宽度及高度、顶板岩体性质、开采特征、地面变形情况，提出稳定性评价和工程措施、意见。

3.3 沿土、石分界面存在的地质问题(图4)

图4 三叠系永坪组砂岩夹页岩

某高铁选线区，铜川至延安段位于陕甘宁台坳内，先后通过陕甘宁坳缘褶断束及陕北台凹两个次级构造单元。地层具有典型的二元结构，上部为黄土，下部为近于水平向北缓倾的三叠系及二叠系砂岩、页岩及其互层。线路位于土石分界面位置时对工程的安全可靠性及投资影响很大，尤其是隧道工程。根据既有已建或在建铁路的经验和教训，在土石分界面位置，往往地下水聚集，围岩工程性质变差，隧道拱顶易发生塌方掉块，边墙易开裂变形，甚至发生突水涌泥等重大安全事故。铜川至延安段，隧道工程比例很高，达到75%以上，选线中应高度重视土石分界面问题。查明土石分界面的具体高程，合理优化线路纵断面，减少隧道洞身尤其是拱顶通过土石分界面的段落长度，是该段选线的主要控制因素。

3.4 黄土的湿陷性问题

本线黄土广布，其中河谷区、冲积平原区场地湿陷类型为非自重-自重，湿陷等级Ⅰ～Ⅲ级，湿陷土层厚度2～15 m；黄土塬区及沟壑梁峁区湿陷类型为自重，湿陷等级Ⅱ～Ⅳ级，湿陷土层厚度5～25 m。黄土的湿陷性对工程的地基处理、地基形式、边坡防护、防排水措施及工程造价影响较大。该问题在某高铁选线区不可避免，不是选线的控制性因素，但需要在工程设计中引起重视。

4 某高铁工程地质选线的原则[4-15]

通过对本线主要工程地质问题的分析，归纳总结工程地质选线原则如下。

(1)线路应绕避巨型、大型、深层、稳定性差的滑坡(群)和错落(群)。

(2)滑坡和错落规模小、边界条件清楚，整治方案技术可行、经济合理时，线路可选择在有利于滑坡和错落稳定的部位通过，避免在其上部填方或下部挖方。

(3)线路通过潜在的岸坡不稳定地段时，工程应设置在岸坡稳定线以内，同时确保山体稳定条件不受削弱和破坏。

(4)线路应绕避大型矿区如王家河煤矿及其斜井采空区，工程宜设置在采空塌陷影响区范围外一定距离，在收集矿区资料的基础上应采取物探和钻探相结合的手段落实验证塌陷影响区边界。

(5)线路必须通过人为坑洞如王家河小煤窑采空区时，应查明其采空区范围、巷道高度、基岩顶板深度等，分析对铁路工程的影响，并采取可行的安全工程处理措施。

(6)黄土沟壑梁峁区工程设置尽量少露头，以长隧、深埋隧道及大跨度桥梁工程为主，减少于潜在不稳定斜坡等地段设置工程。

(7)合理设置线路纵坡，减少隧道工程穿越土石分界面及浅埋沟谷的段落长度。

5 结语

地质选线是铁路选线的重点和难点。陕北黄土地区高速铁路选线面临技术标准高、地形困难、滑坡等不良地质发育、工程难度大等问题。通过对某高速铁路选线区工程地质条件的分析，梳理出影响该项目的主要工程地质问题，针对这些问题确定了适合本线的地质选线原则。研究认为，某高铁的线路走向及地形特点，决定了滑坡等岸坡稳定性问题和煤窑采空及采空引起的地表沉降是影响该项目选线的主要地质问题。本线确定的地质选线原则不仅适用于陕北黄土高原，对陇东、晋西南、豫西等黄土地区亦有一定的借鉴作用。