天平铁路越岭段主要工程地质问题及地质选线研究

陈秀义

(兰州铁道设计院有限公司 甘肃兰州 730000)

1 概述

天(水)平(凉)铁路南起陇海铁路天水站，北接宝中铁路安口南站(华亭站)。全长114 km，单线电气化Ⅰ级铁路，速度目标值120 km/h。是一条以运煤为主兼顾地方客货运的铁路，线路大致呈南北走向穿越关山、六盘山，为我国地形险峻、地质复杂，属典型的山区越岭线路之一，线路选线难度较高。全线桥、隧长度占线路总长近70%，为同标准铁路中桥隧比例最高的线路[1-2]。

为最大限度地减少对关山、六盘山天然生态林的破坏，避免在山区展线，缩短线路长度，节省工程投资，线路采用以两座特长隧道分别穿越关山(15 600 m)、六盘山(16 690 m)。因此段山体厚度大，而且本线为单线电气化铁路，须在关山、六盘山分界麻庵河明线设置六盘山车站，青林村设置青林车站，但麻庵河、南川河河谷两侧滑坡、危岩落石、岩堆发育，严重制约着关山隧道出口、六盘山隧道进、出口位置的选择。本文在现场勘测的基础上，结合区域构造及地质灾害分布特征，开展越岭段地质选线研究[3]。

2 区域工程地质条件

2.1 地形地貌

越岭段属关山、六盘山中山区，线路分别以N46°E和N36°E的走向穿越关山、六盘山，其岭脊呈近东西走向。关山、六盘山以麻庵河分界，山高坡陡，植被茂密。地面高程1 500～2 600 m，相对高差400～700 m。

2.2 地层岩性

越岭段地层主要有第四系，上第三系，白垩系下统，三叠系下统，震旦系和华力西期侵入岩等。第四系松散层分布于低中山区山顶大部地段，以风积砂质黄土为主；上第三系泥岩主要分布于山岭南侧和六盘山中部；关山山体中央华力西期闪长岩呈巨大的岩基产出，伴随有小的岩体侵入。岩体组成比较复杂，多为斜长角闪岩、黑云母花岗闪长岩、黑云母石英闪长岩，黑云二长花岗岩及角闪闪长岩；关山北侧和六盘山南侧以白垩系下统砂岩夹泥岩为主，局部为砂岩夹砾岩；六盘山中部为震旦系白云岩，地表大部被第四系风积黄土覆盖；六盘山北侧出露三叠系下统砂岩夹砾岩，局部夹有页岩[4]。

2.3 地质构造

本段位于青藏高原东北缘甘青地块、阿拉善地块、鄂尔多斯地块、南华地块和塔里木地块交界带，是我国重要的构造变形和强震活动区。在印度板块北推挤压动力作用下，本区北东向运动受到比较稳定的阿拉善块体和鄂尔多斯块体的阻挡而向东挤出，又受华南块体的阻挡，运动趋势由北向南呈NE-NEE-SEE-SSE，反映了区域总体受挤压-挤出-旋转机制控制。在其动力作用下，工程区经历过多次强烈构造活动，构造复杂，断裂以北西向为主，处于强烈挤压状态。受构造挤压影响，岩体结构完整性不高，滑坡等不良地质发育。

2.4 气象及地震

该区属中温带亚湿润气候，四季分明，降水量差异较大，冬无严寒，夏无酷暑。年平均气温7.4～7.8℃，最热月(7月)平均气温18.9～19.8℃，最冷月(1月)平均气温-3.2～-4.4℃，年平均降水量约为568.5～586.6 mm，年最大降水量824.4～906.5 mm；最大风速17.5～22.0 m/s；最大积雪厚度17～24 cm；最大季节冻结深度72～79 cm。

据《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015)划分，场区地震动峰值加速度为0.20 g，地震动反应谱特征周期为0.45 s。

3 主要工程地质问题

3.1 滑坡

3.1.1 三角城滑坡群

三角城滑坡群发育于麻庵河右岸，由多个滑坡连接而成，在平面上呈多个“梨状”相互连接，滑坡后壁圈椅状地貌明显，坡度约35°～50°，总体滑动方向自东南向西北，滑坡沿滑动方向长约500～800 m，宽约4 600～5 300 m。滑坡体自然坡度为20°～35°。滑坡体上平台发育，未发现裂缝，雨季形成的冲沟下切较深，将三角城滑坡群分成多个既独立又有联系的滑坡。

根据勘探资料分析，滑坡体由黄土、碎石土组成，厚度约10～20 m；为堆积层牵引式巨型中深层-深层顺层滑坡。滑坡体中地下水位埋深17～23 m，局部深切沟谷中可见泉水出露。滑床为白垩系砂岩夹泥岩，产状 N20°～50°W/15°N，缓倾向麻庵河河床。前缘大部临空，有的地段前缘还严重挤占麻庵河河床，导致河道弯曲明显。滑坡群目前处于相对稳定状态。

3.1.2 青林滑坡

青林滑坡位于南川河右岸六盘山隧道出口右侧，总体成一簸箕状，滑坡后缘可见平整的三角面滑床，滑面倾角基本与岩层产状一致；滑体物质成分主要为岩块及碎石土，大部已被前方河流冲走，部分在滑体中部、前缘残存。该滑坡横向宽度约260 m，纵向长度约160～220m，残存滑体厚度约3～5 m，体积约20万m3，为一中型浅层基岩顺层滑坡。该滑体后缘滑床裸露，滑坡堆积体剩余数量较少，除局部堆积体有下滑可能外，其余地段稳定性较好。

滑体左侧靠近线路位置发育有次级滑坡，该滑坡体物质为三叠系砂岩夹砾岩块体，堆覆于滑坡体左侧形成孤丘，错落体主轴方向N30°E，稳定性较差。

3.1.3 新庄滑坡

滑坡位于南川河右岸，滑坡长约100～200 m，宽约80～150 m，滑坡边界线明显，具圈椅状地貌。滑体主轴方向约N15°W，与线路方向夹角约70°。该滑坡滑体物质为坡积粉土、角砾土以及三叠系砂岩碎块，厚度约10～30 m，体积约30～35万m3。为中-深层基岩切层滑坡(见图1)，目前稳定。

图1 新庄滑坡主轴断面图

3.2 岩溶

在六盘山隧道中部分布的震旦系白云岩表面具有溶孔、溶蚀裂隙等溶蚀现象，溶蚀方向大部沿层面和节理面延伸，但规模较小，最大直径不超过0.5 m，深度在0.2～0.5 m之间，充填物较少。通过物探和钻探表明，岩体完整性较好，溶蚀裂隙仅肉眼可见，岩溶不发育，仅存在节理密集带和延伸长大的节理处发生股状涌水的可能，但不影响线路方案的选择[5-6]。

3.3 危岩落石

六盘山隧道进口山体坡面陡峻，基岩裸露，树木根系钻入基岩裂隙内，表面被高大树木覆盖。基岩为白垩系厚层砂岩夹薄层泥岩，岩层产状N20°W/15°N。发育有两组主要节理:J1，N15°W/70°S，节理间距0.1～1.0 m，多数大于0.5 m，延伸大于5 m，微张；J2，N50°E/70°S，节理间距 0.2 ～0.7 m，延伸大于3 m，微张。沟底可见掉落的块石，直径最大可达10 m×5m×3 m。受不利的节理面组合切割和岩体差异风化的影响，隧道进口坡面岩体呈大块状，易产生崩塌落石[7-8]。

3.4 岩堆

主要分布在D13K方案关山隧道出口下方，基岩为白垩系厚层砂岩夹薄层泥岩，岩体受构造运动的影响，加之卸荷及物理风化作用强烈，节理、裂隙十分发育，有新鲜的崩塌和崩落痕迹。坡脚块石林立，大小混杂，最大直径可达4～5 m，结构较松散，其上无植物生长，行走很危险，处于极限平衡状态。

4 地质方案比选

4.1 关山隧道出口方案地质比选

可行性研究阶段大面积定线研究表明，采用两座长隧道穿越关山、六盘山较其他走向方案有巨大的经济、技术优势，但受技术标准的限制，须在两隧道间设置会让站1处。故在三角城滑坡群间隙寻找可能、可靠的关山隧道出口是方案成立的制约因素。可行性研究阶段提出了3个可能的出口位置，各方案线位见图2。

图2 关山隧道出口方案示意

定测工作中经反复比较，初步确定了三角城上游0.3 km DK方案、三角城上游1.6 km D13K方案、三角城上游2.4 km(DIK)方案作比选。

4.1.1 三角城上游0.3 km DK方案

此方案以15.45 km隧道穿越关山，而后以80 m高桥跨越麻庵河，可利用三角城隧道东北端沟谷设六盘山车站，车站多位于明线，设站条件好，六盘山隧道进口地质条件也较好。但关山隧道出口位于滑坡堆积体与下部基岩界线附近，洞身上方即为巨型滑坡，滑体与基岩界面富水且为顺层滑坡，如遇地震、集中暴雨等情况滑体极易复活。该段岩层倾向与坡向一致，麻庵河沟谷深切，形成20～30 m高的基岩陡坎，若麻庵河桥台基础埋深高于沟谷，岩体存在顺层滑动的可能，桥台的稳定性也很差。

4.1.2 三角城上游1.6 km D13K方案

此方案以15.55 km隧道穿越关山，以45 m高桥跨越麻庵河，滑坡位于隧道出口的上部，隧道出口选择在滑坡体前缘宽约100 m、高60 m的直立基岩陡坎上，陡坎下岩堆发育。此处麻庵河沟谷切割较深，岩体卸荷裂隙较发育，岩体较破碎，麻庵河大桥1号墩位于岩堆中，工程地质条件较差。此方案六盘山隧道进口位于凸出稳定的山体中，地质条件较好。

4.1.3 三角城上游2.4 km(DIK)方案

此方案线路于三角城上游2.4 km三角城滑坡群外缘处跨河，麻庵河桥高10 m，隧道出口位于麻庵河右岸基岩上方坡积层中，三角城滑坡群对其已无影响。坡积层厚度不大，约3～5 m，成分为黄土夹有块石，下伏白垩系砂岩夹泥岩，在线路左侧10～20 m沿基岩与坡积层接触处有泉水发育，岩层产状N20°W/15°N，节理较发育，岩体较完整，工程地质条件相对较好[9]。此方案六盘山隧道进口山体陡峻，洞口有危岩落石，地质条件较差。

4.2 六盘山隧道出口方案比选

由于受六盘山隧道前方青林设站、线路高程、南川河洪水位制约，六盘山隧道出口必须选择在南川河右岸，临近新庄滑坡、青林滑坡(见图3)。

图3 六盘山隧道出口方案示意

4.2.1 不过沟DIK方案

该方案六盘山隧道出口地质条件较好，但洞身DIK99+870～DIK100+005段位于新庄滑坡体中，处理难度大。经对新庄滑坡详细勘探，滑体厚度约15～25 m，在满足南川河洪水位控制的桥高最低的要求下，线路高程能够调整到滑动面以下15～20 m左右，隧道拱顶距滑动面7～13 m，在此段施工时须采取控制爆破、加强支护和衬砌措施。

4.2.2 过沟D13K方案

该方案在DIK方案右侧40 m左右，隧道洞口跨过沟位于青林次级滑坡的前缘，洞身也在新庄滑坡滑面下通过，但洞口距青林滑坡较近，滑体左侧发育的次级滑坡，稳定性较差，对隧道出口安全有一定潜在威胁。

4.3 地质比选意见

综上所述，从地质角度分析，关山隧道出口三角城上游0.3 km方案具明显的不足之处，其上部滑坡目前虽处于相对稳定的状态，但工程的修建对滑坡扰动较大，滑坡范围大，滑体厚，治理困难；且桥台位于顺层“无根”的岩体上，存在极大的安全威胁，因此予以舍弃[10-12]。三角城上游1.6 km方案滑坡位于隧道出口的上方，桥台处有岩堆，地质条件依然较差，地质条件较上游0.3 km方案改善有限，仍有安全隐患。三角城上游2.4 km方案避开了三角城滑坡群对工程的影响，洞口堆积层厚度不大，隧道基底位于基岩中。六盘山隧道进口危岩落石可采用清除坡面松动危岩后，预应力锚索+仰坡坡面挂网喷射混凝土+主动网防护+接长明洞的防护措施，工程实施难度较小，措施可靠，工程地质条件相对最好。故推荐地质条件最好DIK方案作为最终贯通方案。

六盘山隧道出口不过沟的DIK方案，线路高程经过调整，隧道拱顶距滑动面7～13 m，综合分析认为，在此段采取控制爆破、加强支护和衬砌措施，能够保证隧道施工和运营安全；过沟的D13K方案，洞口距青林滑坡较近，滑体左侧发育的次级滑坡，对隧道出口安全影响较大。故推荐采取加固措施、从新庄滑坡下部通过，不过沟的DIK方案作为最终贯通方案。

5 结论

(1)天平铁路穿越六盘山及其余脉关山越岭段，滑坡、危岩落石、岩堆广泛分布，工程地质条件复杂，控制着线路方案的选择。

(2)通过大量的地质调绘和勘探工作，分析评价滑坡、危岩落石稳定性和影响程度。贯通方案关山隧道出口绕避了三角城滑坡群和岩堆；六盘山隧道进口对危岩落石进行了加固处理，出口避开了青林滑坡，选择了在规模较小、边界条件清楚的新庄滑坡下部以隧道形式通过。洞口施工较为顺利，建成后运营至今，未出现地质灾害。表明贯通方案合理、可行，地质选线是成功的。