西宁至成都铁路同仁至甘加越岭段工程地质问题及地质选线

2019-05-16柏青

铁道标准设计 2019年6期

柏青

(陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院),西安 710043)

引言

新建西宁至成都铁路是纳入国家《中长期铁路网规划》的项目，是连接青海、甘肃、四川三个西部省份的重要铁路通道，也是路网性干线铁路。该项目的建设将打通北连新疆、南通四川的铁路运输大通道，连接西北铁路网、西南铁路网和华南铁路网，推进丝绸之路经济带的建设，加强经济带的辐射效应，带动西部整体区域经济快速发展，增强民族团结。

该铁路新建长度约509 km，勘测分为四队，本文依托于铁路勘测二队，工作范围为同仁至夏河。其中同仁至甘加越岭段位于青海、甘肃两省交界地带，地貌属秦岭中高山区，山势陡峻，不良地质发育，地质条件复杂，地质选线工作难度极大，因此有必要对其开展研究工作。当前铁路地质选线研究采用定性方法已取得较多成果，但对通过建立数学模型进行方案比选的研究较少[1-9]。本文将首先研究该区域的主要工程地质问题并确定其影响因素，然后确定建模参数，构建灰色关联法与变权理论融合的数学模型，对多种地质选线方案进行综合比选，确定最优的方案。

1 越岭段比选方案

越岭段主要比选方案详述如下。

方案C25K：线路从比较起点引出，以桥隧工程引线至同仁县城西设同仁车站，出站后以35.5 km特长隧道穿越瓜什则山岭，出隧道后设甘加车站引线至比较终点，线路全长76.0 km。

方案C24K：线路从比较起点引出，以桥隧工程引线至隆务河峡谷区沟口，在同仁县保安镇附近设站，出站后以24.5 km特长隧道穿越瓜什则山岭，出隧道后设甘加车站引线至比较终点，线路全长69.0 km。

方案ICK：线路从比较起点引出，以桥隧工程引线至隆务河峡谷区沟口跨越羊子河、隆务河，在同仁县保安镇附近设站，出站后以23.0 km特长隧道自东侧穿过瓜什则盆地，出隧道后设甘加车站引线至比较终点，线路全长75.0 km。

各方案参见图1。

图1 铁路地质选线方案示意

2 越岭段主要工程地质问题

2.1 软岩大变形

越岭段地质构造复杂、新构造运动强烈、隧道埋深大、地应力高，岩性以薄层软质岩为主，施工中可能发生软岩大变形，是目前山区铁路隧道建设的一大难题[10-12]。兰渝铁路木寨岭隧道、哈达铺隧道、马家山隧道围岩为三叠系板岩，岩质软，遇水易软化、崩解；构造以薄层状为主，片理面发育，层间结合差；受构造影响较重，揉皱现象发育；区域地应力高，其中木寨岭隧道实测最大水平主应力达到27 MPa，岩石强度应力比为0.2～0.5，属于极高地应力[13]，上述隧道在施工中均发生了围岩大变形，变形量大、变形时间长、初期支护难以稳定[14-15]。经过统计，兰渝铁路在三叠系地层的隧道开挖共32.2 km，围岩变更20.5 km，变更占比63.2%。

本文研究区与兰渝铁路相邻，同属于秦岭褶皱系，三叠系地层分布广泛，因此兰渝线勘察、设计及施工经验对于评价研究区软岩大变形问题有重要借鉴价值。通过研究兰渝铁路的经验及现场勘察资料，控制软岩大变形级别的主要因素包括岩性、岩体完整程度、板岩层厚、强度应力比、地下水等。

(1)岩性

对于是否产生大变形以及产生大变形的程度，岩性是一大控制因素[16]。就本文研究区而言，岩性主要包括板岩的成分及其在岩层中的比例。

研究区通过的三叠系地层均以板岩为主，板岩分为粉砂质板岩、泥质板岩。粉砂质板岩岩质较软，层厚一般为5～10 cm(中薄层)；泥质板岩岩质软，层厚一般为0.2～3.0 cm(极薄层-薄层)。

砂岩等夹层较板岩岩质较硬，是抵抗大变形的有利因素。其比例越高，软岩大变形的风险就越低。

根据上述分析将三叠系下统隆务河组地层进一步分为上、中、下三段。上段以泥质板岩为主，夹中厚层砂岩，板岩与夹层比例约8∶2；中段地层以粉砂质板岩为主，砂岩较少出露，板岩与夹层比例约9∶1；下段地层以砂岩为主，夹粉砂质板岩、泥质板岩，板岩与夹层比例约4∶6。

(2)岩体完整程度

岩体完整程度分为完整、较完整、较破碎、破碎和松散。其中较破碎、破碎岩体大变形的风险较高，较完整、完整岩体发生大变形的风险较低。三叠系下统隆务河组地层的岩体完整程度以较破碎为主。

(3)层厚

层厚是控制软岩的大变形的重要影响因素[17]，并且与岩性具有一定的相关性，例如砂质板岩一般层厚较大，泥质板岩层厚较小。根据西成线板岩形态特征，共划分为极薄层(<1 cm)、薄层(1～3 cm)、中薄层(3～10 cm)、中厚层(10～50 cm)四个等级。层厚越薄，软岩大变形的风险越高。

(4)强度应力比

强度应力比是判断是否存在高地应力的重要指标，当强度应力比小于0.3～0.5时，即能产生比正常隧道开挖大1倍以上的变形。此时洞周将出现大范围的塑性区，随着开挖引起围岩质点的移动，加上塑性区的“剪胀”作用，洞周将产生很大位移。

(5)地下水

地下水发育情况与软弱围岩大变形关系密切[18]。根据地面调查、物探、水文地质钻探等资料，采用大气降水入渗法、地下水径流模数法和地下水动力学法，对研究区进行水文地质分区，三叠系下统隆务河组上、中、下三段岩层地下水发育程度均为弱富水-中等富水。

通过上述分析，对软岩大变形各个控制因素进行分析，将三叠系下统隆务河组上、中、下三段岩层的软岩大变形风险进行分级，详见表1。

表1 软岩大变形风险分级

2.2 砂岩水稳性问题

兰渝铁路桃树坪、胡麻岭隧道围岩施工开挖后有如下情况[19]，新近系砂岩经开挖扰动，原始结构被破坏，岩体呈松散状态，稳定性变差，多呈粉细砂状，发生围岩变形、坍塌，富水状态下还会发生涌水、涌砂[20]，给隧道施工带来极大困难，被中科院地质所定为工程性质很差的劣质岩[21]。

越岭段特长隧道通过瓜什则盆地，该盆地为一东西长、南北窄的狭长盆地，地势东高西低，地表水水量较为丰富，自盆地四周各沟谷向西汇入加萨河。根据钻探资料，地表广覆第四系，下部为巨厚的上新近系中新统砂、砾岩，沉积厚度巨大，泥质胶结，富水状态下水稳性极差，极易崩解，工程性质极差，与兰渝铁路中的上新近系砂岩极为相似，施工中发生围岩变形、坍塌、涌水、涌砂等问题的风险极大。

3 地质选线模型

3.1 构建决策矩阵

分析研究区工程地质条件及主要工程地质问题，明确参与建模的评价指标，并形成决策矩阵A。

选取对应的灰色区间数作为定性评价指标的取值，如表2所示。

表2 定性评价指标与灰色区间数对应关系

3.2 数据标准化处理

为消除各评价指标单位、数量级等方面的差异，需进行标准化处理，利用灰色极差变换得到标准化决策矩阵X=(xij)m×n。

灰色极差标准化公式如下。

对于效益型定量指标

对于成本型定量指标

对于效益型定性指标

对于成本型定性指标

3.3 确定最优和最差方案

定量指标的最优、最差方案如下：

定性指标的最优、最差方案如下：

3.4 计算变权权重下的灰色关联度

方案Ai针对A+的灰色关联度G(x+(⊗)，xi(⊗))和关于A-的灰色关联度G(x-(⊗)，xi(⊗))，其计算公式为

据此可计算得到方案Ai关于最优、最差方案的灰色关联度G(x+(⊗)，xi(⊗))、G(x-(⊗)，xi(⊗))。以λ=0.5作为分辨系数，运用惩罚性指数型变权形式完成变权，否定水平U=0.8，惩罚系数a=-0.5，权重系数取β1=β2=0.5，最终得到G(xi(⊗))

G(xi(⊗))=0.5×G(x+(⊗)，xi(⊗))+

0.5×[1-G(x-(⊗)，xi(⊗))]

(3)

4 方案比选

分析西宁至成都铁路同仁至甘加越岭段3个方案的工程地质条件及主要工程地质问题，构建数学模型对3个方案进行综合比选。

4.1 各方案工程地质条件分析

方案C25K中越岭隧道大部分穿过燕山期花岗闪长岩，围岩条件较好，小部分通过三叠系下统隆务河组中段、上段板岩夹砂岩，软岩大变形风险低；在瓜什则段小部分位于上新近系中新统砂、砾岩中，存在轻微的上新近系砂岩水稳性问题。方案C24K越岭隧道主要通过三叠系下统隆务河组上段、中段板岩夹砂岩，围岩工程性质差，软岩大变形风险高；瓜什则段位于上新近系中新统砂、砾岩中，发生围岩变形、坍塌、涌水、涌砂等问题的风险高。方案ICK越岭隧道通过三叠系隆务河组中段、下段长度较大，软岩大变形风险在3个方案中居中；瓜什则盆地段位于三叠系地层，无上新近系砂岩水稳性问题。