新建银西铁路黄土沟壑区工程地质选线

张 哲

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,陕西西安 710043)

本线起点位于西安北站,终点为银川站,线路整体近南北走向,全长约600 km。其中,庆城至彬县段为一次新建双线,长约140 km；铁路等级为客运专线。

主要研究庆城—彬县段经董志塬下至泾河的区域方案比选。该区域行政划分为新庄镇,隶属庆阳市宁县。该区域为董志塬边缘处,地处黄土沟壑区,地层条件相对简单,但塬边大型黄土冲沟发育,冲沟中又普遍发育黄土滑坡等不良地质,成为该区域线路方案选择的主要控制因素。在选线过程中,地质工作力求从工程地质的角度出发,在进行详细的地质调查后,了解了该区域黄土滑坡的规模及影响,并充分总结分析了调查成果,掌握了黄土滑坡的形成机理及分布规律。在充分考虑黄土滑坡对铁路安全影响的基础上,尽可能兼顾铁路造价,减少铁路投资。经充分的技术和经济比较,线路最终选择CK(塬上长隧道相接)方案,该方案不仅避开了沟壑区的大量黄土滑坡,消除了此段黄土滑坡对铁路运营安全的影响,而且还考虑了铁路施工时可能发生的安全问题,减少了隐性投资。

1 地质环境特征

1.1 地貌特征

该区域大的地貌单元属于甘肃董志塬黄土沟壑区,地形总趋势为塬中部高,两侧低,从北部环江河谷区经黄土沟壑梁峁区,过渡到中部黄土塬区,再下塬经黄土沟壑梁峁区进入泾河河谷区。西峰区为为此段最高点,北有环江,南有泾河,西有蒲河,东有马莲河,将整个董志塬围住,塬面平坦开阔,缘边多黄土冲沟,黄土滑坡发育。

该区域的地貌特征为黄土覆盖层厚度由塬中部至塬边逐渐变薄,地面高程亦随之降,地面向泾河倾斜；地表植被不发育,多为耕地,房屋零星散落；黄土冲沟极发育,呈鸡爪状分布在黄土塬边,冲沟中游分布大量黄土滑坡,冲沟沟深由上游至下游逐渐加深,冲沟下游沟底白垩系基岩出露,调查时冲沟内普遍无水。

1.2 地层岩性

该区域地表多被厚层的第四系上更新统风积黄土覆盖，塬中部厚两侧薄,厚约5～15 m,普遍为黏质黄土,淡黄色,底部常见1～3 m棕红色古土壤层,土质均匀,具大孔隙结构,坚硬,具湿陷性,沟心两侧塬面场地类型为自重湿陷,湿陷等级Ⅲ～Ⅳ级,湿陷土层深度10～15 m。其下部为巨厚层第四系中更新统风积黄土，淡黄色、棕红色,厚度大于50 m,土质较均,夹多层古土壤层,古土壤中含少量白色钙质菌丝,其底部常见姜石层,坚硬—硬塑。黄土层下部局部分布有上第三系红黏土。下伏基岩主要为白垩系下统的砂岩夹页岩，灰绿、紫红色、灰色等,粉细粒结构,泥质胶结,层状构造,层理发育,节理较发育,局部夹薄层状泥页岩。岩层产状水平，强风化,厚1～3 m。

该区域各方案都走行在黄土地层中,岩性较为单一,围岩级别Ⅳ～Ⅴ级。

1.3 地质构造

本段线路位于中朝准地台的陕甘宁台坳西南部,南以乾县—富平断裂为界,与汾渭地堑相连,西以牛首山-固原断裂为界,与鄂尔多斯台缘褶皱带相邻,白垩系为基底岩层,产状水平为主,少有褶皱和断裂发育,未见岩浆侵入活动。

1.4 水文地质特征

该区域地表水不发育,各条冲沟调查时普遍无水。根据钻孔资料可知,地下水主要为第四系孔隙潜水,水量微小,埋深一般大于70 m,主要受大气降水补给。根据地下水水质报告分析,该区域地下水质良好,对圬工无侵蚀性。

1.5 气候特征

据庆阳市宁县气象站气象资料,该区域位于暖温带半干旱气候区,地处西北内陆,属大陆型气候,四季分明,春迟夏短,秋早冬长,昼夜温差大,雨雪稀少,蒸发强烈,气候干燥,风大沙多。年平均降水量524 mm,年最大降水量827.7 mm,年平均降水天数96.1天。由降水量来看,虽该区域位于大的半干旱气候区,但年降水量大于400 mm,气候较湿润,夏季雨水较多,为黄土滑坡的产生提供了条件。

2 黄土滑坡的产生机理及分布特征

该区域不良地质主要以黄土滑坡为主,黄土滑坡主要分布在黄土冲沟两岸,成片分布,铁路要经过这些冲沟下塬至泾河,因此黄土滑坡是控制线路走向的关键因素。通过现场调查,研究区域资料及相关案例,了解了黄土滑坡产生的机理,并掌握了该区域黄土滑坡分布的规律及特征。

2.1 黄土滑坡的产生机理

黄土滑坡产生的机理,主要由以下三个主要因素构成。

(1)重力作用

重力作用是黄土滑坡产生的内因,斜坡上的黄土由于自身重力产生重力势能,冲沟切割越深,斜坡处的黄土堆积体积越大,重力势能越高,这为黄土滑坡的形成提供了物质及能量来源。

(2)滑动面

根据勘探资料和黄土剖面调查,此区第四系黄土层堆积在产状基本水平的白垩系基岩上,第四系上更新统黏质黄土(Q3)的厚度一般为5～10 m,中更新统风积黏质黄土(Q2)厚度一般大于60 m。Q3黄土结构疏松,多孔隙,垂直节理发育；Q2黄土结构较致密,可见垂直节理,含多层厚度3～5 m的红色古土壤层,古土壤层黏粒含量高,具弱膨胀性,为第四系孔隙水的主要富水层,黄土的此种性质易产生滑动面。

(3)雨水

雨水对坡体稳定性影响主要表现在：雨水通过黄土垂直和侧向渗透,坡体的孔隙水压力增大、容重增加、基质吸力减小和产生击打力。分析发现,斜坡变形破坏与年降雨量的季节变化明显对应相关,其活动强度与降雨量大小呈滞后的正相关关系。在黄土滑坡的形成条件中,地下水的活动为斜坡变形破坏提供了十分重要的动力条件。地下水沿裂隙面下渗并常在沟谷底部溢出,改变了斜坡的水文地质条件,一方面增加了斜坡土体的重量,对不稳定土体产生静水压力或动水压力及向上的浮托力；另一方面降低了斜坡体中软弱结构面的抗剪强度,并起着溶解、冲刷的作用,使不稳定土体和稳定土体之间的侧向摩擦力减小,降低了黄土斜坡土体的稳定性。

地震、人为破坏植被也是诱发黄土滑坡等发生的外界因素。

黄土滑坡的产生便是以上因素共同作用的结果。产生的过程是由点到线、由线至面,首先是由于冲沟两侧靠近沟边的位置雨水通过黄土的垂直节理下渗到古土壤层中,水在古土壤层中一部分沿着层面向沟边渗流,一部分富含在土层中,还有一部分由古土壤层的某一不利点继续下渗,随着连通点一步步向沟边推移,最终点连成了线。当线汇集成了面,黄土滑坡便产生了(如图1所示)。

图1 滑动面与雨水渗流方向关系

2.2 黄土滑坡的分布特征

该区域黄土滑坡主要发育在冲沟的中游,上游及下游黄土滑坡不发育。具体分布见图2。

图2 新庄地区黄土滑坡分布

产生此种分布规律的原因在于,冲沟上游部分由于冲沟切割较浅,缺乏黄土物质,两侧黄土不具备充足的重力势能,亦不易形成较大的滑动面,；下游处下部基岩出露,由于基岩产状水平,不易形成完整的滑动面。下面通过冲沟的不同段落描述黄土斜坡的稳定性。

(1)冲沟上游

由图3可知,在冲沟上游及沟头部分,黄土斜坡坡度陡直,易产生黄土沿垂直节理产生剥离现象,属冲沟不断侵蚀塬面的基本过程,但冲沟冲刷不深,且沟底较狭窄,使滑动面无法从斜坡上贯通,下部土层有持力性,很难形成较大的黄土滑坡。CK方案由此处通过,绕避了黄土滑坡,使线路大部分行走在靠近黄土塬中部的地域,虽然增加了长隧道的数量及长度,但保证了线路的安全。

图3 冲沟上游黄土边坡滑动示意

(2)冲沟中游

图4 冲沟中游黄土边坡滑动示意

由图4可知,在冲沟中游部分,黄土层覆盖较厚,且冲沟切割较深,易形成贯通的滑动面,产生黄土滑坡。现场滑过后的黄土滑坡坡面较缓,中部隆起,积存了大量的黄土物质,对铁路隧道的洞门影响很大,属于不稳定边坡,需要处理。C22K方案由此处通过,隧道进出口多位于黄土滑坡处,虽然该方案主要由短隧道与桥相连,且运营里程最短,节省了工程投资,但滑坡的处理费用尚未确定,且处理后的边坡稳定性不能得到确实的保证。

(3)冲沟下游

由图5可知,在冲沟下游部分,黄土斜坡坡度陡直,但黄土覆盖层不厚,下伏产状水平的白垩系基岩。当滑动面切于基岩时,无法继续延伸至斜坡外部,滑动面无法连通,故无法形成规模较大的黄土滑坡。雨季时,易沿坡面形成滑坍溜泥。C23K方案通过此处,此方案虽绕避了大量的黄土滑坡,且运营里程也相对较短,隧道长度较短,节省投资,但该方案隧道绝大部分走行于第四系黄土与白垩系基岩的分界面处。根据庆阳市水利局的调查资料,该处地下水主要为基岩裂隙水,水量丰富,对将来隧道的施工及运营安全有不利影响。

图5 冲沟下游黄土边坡滑动示意

3 线路方案选择

本线初测阶段重点研究了塬上长隧道CK方案、塬边短隧道群C22K方案及沿泾河边行走的C23K方案。通过钻探及外业调绘,查清了本区区域的地层情况，发现原设计塬边短隧道群方案的洞口处理黄土滑坡的费用高,且无法保证处理后的洞口不会受到降雨的影响而产生次生的黄土滑坡,不能避免洞口边坡失稳,铁路安全难以保证；后又研究了沿泾河方案,该方案虽绕避了黄土滑坡,但大部分隧道高程刚好处于第四系黄土与白垩系基岩的分界面处,该接触面一般富水,对隧道影响较大,施工过程中易产生不良隐患,影响施工安全；经综合权衡，最终放弃了C22K及C23K方案,选择了通过这一区域的CK方案。

3.1 塬边短隧道群方案(C22K)

该方方案优点：新建线路此区域段内初步估计的工程投资最少(不含黄土滑坡处理费用),铁路的结构形式主要为桥隧相接,短隧道多,易于施工。

但经过现场调查后发现,该方案穿过的数条冲沟中,黄土滑坡普遍发育,有多处位于隧道进出口,预估处理费用较高,且该区域位于泾河附近,夏季多雨,工程处理后的洞口稳定性无法保证,更难以保证铁路的安全运营,会给铁路运行留下无法估量的安全隐患。

3.2 沿泾河方案(C23K)

该方案基本绕避了大量的黄土滑坡,走到了冲沟的下游,靠近泾河。该方案的优点：绕避黄土滑坡后的运营距离较短,隧道长度适中,初步估算工程投资也较省(未考虑隧道措施级别),主要为桥隧相连。

该方案隧道大部分走行于第四系黄土与白垩系基岩的分界面处,地下水较丰富,对隧道施工影响较大,若隧道支护措施级别提高会铁路造价提高；且隧道进出口处,黄土斜坡面积大、黄土物质较多,开挖后隧道进出口的稳定性存在一定隐患,加之该区域雨水较多,隧道洞口开挖后易形成次生黄土滑坡,会给铁路的施工及运营安全带来威胁。

综合考虑,该方案隐性威胁较大,且隧道施工开挖后的支护措施的变更无法估计,会给铁路造价及安全留下隐患,不是最好的选择。

3.3 塬上长隧道方案(CK)

在研究了以上两个方案后,结合该区域的黄土滑坡发育的规律及地层、地貌特性,选择塬上长隧道方案。该方案此区域内运营距离较长,长隧道较多,造价相对较高,但不会产生额外的附加费用。各隧道进出口的地质条件良好,冲沟冲刷较浅且靠近沟头,交通便利,易于施工。且该方案隧道主要走行于第四系黄土中,地层稳定,且根据钻孔资料得知,黄土地层中地下水不发育,对隧道施工影响较小,并能保证铁路的运营安全。

综上所述,在保证铁路施工、运营安全的前提下,选择了CK方案作为最后的贯通方案。

4 黄土沟壑区地质选线的认识

应查明黄土沟壑区的地层结构,地层岩性等特点,通过现场调查和勘探点,查明黄土的力学性质及地下水情况。

对于黄土滑坡发育地段,应以安全为第一,使铁路走在最为安全的通道上,不能怀有侥幸心理,将线路摆在不良地段。

该区域位于泾河边,气候湿润,降水较多,所以黄土滑坡较发育,对于降水较少的地区,黄土滑坡发育程度较低。

董志塬地区下伏白垩系基岩,该套基岩地层水平产状,对黄土滑坡的产生无太大影响；若遇基岩产状倾角较大的黄土地区,冲沟两侧黄土斜坡易沿基岩面滑动产生黄土滑坡。

[1]中铁一院.铁路工程地质手册[M].北京：中国铁道出版社，1999

[2]郑志勇.黄土滑坡的形成机理[J].西安科技大学学报，2008(12)

[3]落合博贵，等.晋西黄土力学强度特性及黄土滑坡发生机理的研究[J].北京林业大学学报，1994(12)

[4]李萍，等.陇东地区黄土工程地质特征[J].地球科学与环境学报，2004(6)

[5]王念秦，等.黄土滑坡勘察设计模式研究[J].中国地质灾害与防治学报，2002(2)

[6]张济贡，等.在铁路勘察中对滑坡的几点认识[J].地道勘测与设计，2005(6)

[7]TB10012—2007 铁路工程地质勘察规范[S]

[8]GB50021—2001 岩土工程勘察规范[S]