黄土阶地地区铁路选线影响要素与对策分析

王艺飞

(中铁第五勘查设计院集团有限公司郑州分院 河南郑州 450000)

随着我国中西部地区铁路网的不断扩展与完善，一些具有特殊地质条件的地区，已成为我国铁路建设的一个重要问题。在中国的中西部，特别是河南、陕西、山西、甘肃和宁夏一带，黄土多为松软的黄土，在长时间的冲刷下，形成了“千沟万壑”的地形特征。随着社会经济的发展和选线理念的不断完善，对铁路选线的要求也越来越高，而黄土区的特殊地质条件又给选线设计带来了很多的难度，这也是西部地区发展的一个重要课题。

1 黄土特性

（1）黄土是自第四纪以来在干旱、半干旱地区所形成的一种特有的沉积物。（2）质地均匀，颗粒成分主要是粉末，其含量通常为60%或更高，超过0.25 mm的微粒很少。（3）碳酸钙含量高达10%～30%，经常形成钙质结核。（4）多孔，通常有较大的孔洞；虫洞等。其孔隙较大，一般为1.0。（5）一类无层理、柱状节理，垂直节理发育，直立，黄土物性的特殊性主要体现在压密性、振陷性、湿陷性这3个方面。黄土在动、静荷载和浸水作用下，都会导致黄土的振陷变形、湿陷变形和压密变形，其中振陷变形和湿陷变形是由震动和湿湿两种原因造成的，从而导致黄土的结构性破坏，从而产生附加湿陷，有时是黄土液化。黄土的湿陷性变形具有突变性、不可逆性、非连续性等特点。此外，在一定的压力下，黄土的弹性变形、压密变形、塑性变形、蠕变变形等都有可能发生变化[1]。

2 黄土地区铁路工程地质选线原则

（1）黄土高原。在梁、山地带，最好选择在斜坡上；在有较好的排水条件下，尽量避开地形凌乱、沟谷深、冲沟发育、下伏地层倾斜方向不良、地下水发育地区。（2）在河谷地区，应该采取阶地展线，并与缺少低阶地的高陡谷的斜坡之间的安全间隔。（3）在工程建设中，应尽量避免在地质情况不佳的地段，如黄土滑坡、崩塌、陷洞、人为坑洞等。（4）路线选择在地层单一、土壤干燥、湿陷性较弱的区域，避开地质复杂、土壤软弱、含水率高、地下水发育的区域，并尽可能避开与之相平行的道路。（5）根据斜坡的稳定情况，确定线路通过部位、形式和施工方式；在黄土、沟梁的边界地区，路堑与隧道、路堤与桥墩的方案比较是必要的。（6）沟谷穿越线应选在沟槽下切缓慢、沟谷平直、河岸稳定的路段，避免谷坡零乱、坡度大、坡度大的地区，不宜在狭窄的悬空山口设置桥墩、桥台。（7）黄土隧洞入口宜选在山势稳定、地面排水良好的斜坡上；洞体选择在塬、梁顶面平坦或地势隆起的地段，不能在黄土、粘土的交界面、软硬层交界、山坡上杂乱、陷穴发育区域或塬边、塬顶处通过。（8）在穿越黄土地区既有和拟建水库、池塘地段时，除了要注意水库溃坝、塌岸的影响，还要注意水库蓄水后的黄土湿陷性问题。铁路选线要素分类详情见图1。

图1 铁路选线要素分类

3 工程案例

渑池县产业集聚区专用铁路位于河南省三门峡市渑池县产业集聚区，是交通运输部2021—2022年拟重点推进的铁路专用线项目之一，该院作为设计单位参与了项目的预可行性研究阶段，目前该项目正在有序推进。项目位于河南省三门峡市渑池县，沿线地貌主要为黄土阶地，场区内地形起伏较大，存在多条长大冲沟，部分路段沟壁、黄土台塬较陡，植被茂盛。由于线路所经区域距主城区较近，公路、铁路、高压电网布置密集，基本农田、文物保护资源和矿产资源分布广泛，加之冲沟等复杂地形地质情况较多，给铁路选线带来了一定的困难。

项目组结合项目具体情况确定了选线的基本原则：（1）充分考虑专用铁路运输需求和特点，通过多方案比选合理确定线路方案；（2）结合地区规划资料，尽可能绕避沿线的基本农田、文物保护区、水源保护区和矿区，减少与既有铁路、公路的交叉；（3）结合勘探资料，对不良地质地区以绕避为主，必须通过时应充分比选地基处理措施和桥梁隧道方案；（4）充分考虑项目的工程可行性，严格控制投资预算，兼顾工程合理性和经济性，落实“绿色选线”原则。

选线过程中，项目组充分进行了调研、踏勘和沟通对接，结合勘探和测量资料对接轨点、场站选址和线路方案进行了充分研究比选。南庄村以东两条长大冲沟最宽处达近400 m，平均高差达70 m左右，且两条冲沟南北各有一处小型水库，在充分研究比选后最终确定了以桥梁形式跨越冲沟，并与两水库均保持了500 m以上的间距，既减少了不良地形地质对线路的影响，也兼顾了环保因素，同时防止了水库泄洪可能引发的地质灾害给铁路线路带来的影响。仰韶村位于场址方案以西，其南侧紧邻仰韶村遗址保护范围和刘郭水库，东西侧各有一条长大冲沟，与上述选线原则相同，结合场站位置标高，最终确定了以桥梁形式于仰韶村北侧上跨两条冲沟，避免了对文物保护区的影响和水库泄洪对下游的影响，同时减小了对仰韶村的影响。由此可以看出，针对黄土阶地地区的地形地质特点，合理采用大跨桥梁形式，既可以绕避不良地质，保证线路的安全性和可行性，又在一定程度上满足了文物、生态保护的需求，同时对于耕地资源宝贵的黄土地区有着重要的意义。

4 黄土阶地地区铁路选线主要技术指标

（1）线路总长度。线路总长度是反映线路运行距离的最直观的指标，它不仅能反映线路的运行距离，而且还会影响到项目的投资和工期。（2）路基的数量。路基数量包含了路堤的数量和附属的圬工的数量。黄土阶地地区地形复杂，土石方施工及运输难度大，因此，在黄土阶地地区，路基工程量是衡量铁路施工质量的一个重要指标。（3）桥隧总长。在黄土丘陵区，由于地质情况的影响，在线路上要综合考虑桥梁、隧道的选址和规模，例如：在深厚湿陷性黄土地区，应采用桥梁，而在湿陷性黄土地段，则应尽量避免隧道长断面通过。同时，桥梁、隧道的长度和比例也会影响到工程的施工进度。（4）项目可行性。在黄土河谷地区进行线路选择时，要注意项目的可行性，包括施工难度较大的路段；主要项目技术方案的可行性，因地形、场地空间等因素的限制，对施工空间的可行性产生了一定的影响。（5）不良地质治理的可行性分析。由于黄土河谷地区的地质环境较差，给铁路施工造成了很大的困难，因此，在选择道路方案时，必须考虑是否能够有效地治理这些不良地质，同时也要考虑线路的安全性与合理性[2]。

5 黄土地区铁路选线策略

5.1 基于技术可行性的黄土阶地地区铁路选线策略

（1）在黄土的发源地，选择较宽的谷地；在平坦的坡面和相对稳定的山谷地区，或山坡稳定、地层单一、土壤干燥、湿陷性轻微、排水条件良好的地段，要充分发挥线路平纵面线形的变化，避开地形复杂、地形复杂、沟谷深、凹陷和冲沟等不利地段，并避开下层有软弱夹层和地下水的源边坡和斜坡上。（2）黄土阶地地区地貌复杂，沟壑纵横，在施工现场设计时，要根据地区的工程地质情况，科学地选择隧道和深挖、高填、桥梁、涵洞等布置位置和长度。合理选取路基横截面方案，多开挖、少填方，不采用半挖。（3）当设置隧道时，应避免出现过短的隧道，以减少施工、运行中出现的不良地质隐患，减少后期维修的困难。在进行长大隧道施工时，必须进行辅巷布置方案的比较，以保证施工方案的合理性。在湿陷性黄土和高水分地区，要尽量避免过长断面，或采取适当的治理措施。（4）在黄土阶地地区选址时，要结合该地区的地形地貌、地质条件等因素综合考虑，确定适合不同地区的线路方案。工业协作设计不受传统的站位布置方式的限制，在地形复杂、地形有限的情况下，挖掘出最优的位置，并在多个方案的对比中选择出最优的位置。

5.2 湿陷性黄土区铁路选线策略

在一定的压强条件下，湿滑黄土容易发生沉降大、沉降快、沉降不均匀、基础承载能力差等问题。（1）在深湿润的黄土地区，尽量避免这种类型的地基。根据《湿陷性黄土地区建筑规范》要求，在深厚湿润的黄土地带进行基础加固，必须跨越湿陷黄土层，不仅工作量大，而且由于地势特殊，在工程中很可能形成集水区，从而对基础的稳定造成一定的不利影响。所以，在深层湿陷的黄土中，宜选择架设桥墩，必要时加强基础，以建立路基或隧洞。（2）在湿润黄土区，要尽可能地减少地下水对结构的稳定性的作用。在一些分布密集、设置涵洞的地区，应采取跨跨方式，以便减少过渡段的建设，保证行车的平稳。（3）在选择以隧道形式穿越时，必须事先对黄土的湿陷性和厚度进行分析和判定，以保证施工的可行性，尽量避免在该地区出现较大的区间。在开口区进行基础加固时，不能采用凹形斜坡，否则容易引起集水区的人为干扰，从而影响其稳定[3]。该区域铁路选线变化见图2。

图2 湿陷性黄土区铁路选线变化

5.3 滑坡区铁路选线策略

黄土滑坡是一种广泛、规模大、分布广泛的黄土阶地地质灾害。其事故多发、危害性大，严重影响了铁路的运行和安全。（1）绕道是滑坡灾害控制中最有效的方法。滑坡区选线必须坚持“以防为主、以防为先”的方针。对已查明的大型滑坡或滑坡组，由于治理难度大、耗资大，需充分利用平纵面线形的变化进行绕避，或将线路标高设于滑坡的上限。（2）对边界条件明确、规模小、不能绕开的滑坡，在采取措施确保安全、投资合理的情况下，可以采取早治小的原则，在滑坡下缘以低填方或在滑坡上缘以浅挖方通过，切忌在坡体上部填方或下部挖方。（3）对于不能绕开的大范围滑坡或滑坡，可以采用大跨径的桥梁，或以滑动面以下的隧道作为通道，建议采用深埋的长隧道，采取早进晚出、施工不露头、尽量减少短巷群等措施。洞口段必须设置在斜坡平直、岩体完整的区域，或者在滑动面上，并做好防渗措施。合理确定线路纵坡，尽量减少土石分界面，减小浅埋沟断面长度。（4）加强前期地质勘查，对土体内的空洞、陷穴发育情况进行全面的调查，找出可能存在的不稳定边坡。选线穿越潜在不稳定的边坡，容易因施工等因素而导致边坡失稳，进而引发滑坡。因此，在选线时，必须对边坡稳定性进行评价，确定边坡稳定线，以确保边坡处于安全地带，并在施工中保证边坡不被削弱或损坏[4]。该区域铁路选线变化见图3。

图3 滑坡区铁路选线变化

5.4 基于环境保护的黄土沟壑区铁路选线策略

黄土丘陵地带是一个生态环境极为薄弱的区域，其自然生态状况极为糟糕，其发展程度较低，植被生长状况较差，水土流失较大[5]。（1）在建筑工地上进行开挖；回填对黄土峡谷的生态环境造成了很大的破坏，并引起了多种类型的地质灾难。在选择线路时，必须遵循“绿色选线”的原则，以达到“铁路”和“环保”相结合的目的。在线路的选取上应遵循“保护优先、预防为主、统筹使用”的方针，尽可能降低对原有地形的影响。在黄土丘陵区，在地质条件较低、对生态敏感的区域，按照绕避优先的思想，充分顾及特殊情况下的运行限制，从技术上进行；通过经济和环境因素的综合对比，选择合理的绕道。为了减少对地表的扰动及周边环境的影响，必须采用桥型结构[6]。（2）在规划中选择路线，选择路线时，要尽量避免保护区的核心地带和缓冲地带/国家饮用水水源保护区、核心景区、世界文化和自然遗产。在不能绕行的情况下，应根据不同的路线，合理选取不同的通行路线，并进行对比，以保证在穿越敏感地带时的合理性。（3）纵向断面选线时，应依据选线区域的地貌特点，采用适当的坡度，使其对周围的环境造成的影响最小。在确保施工的同时，尽量避免高填深挖，减少填埋量，并合理利用土石方。在山坡上砍伐破坏植被。采用水平与纵向相结合的方法，尽量避免在地质条件较低的区域进行选择，避免对周围的污染。（4）更好地维护土地和水源。黄土河谷地区的土地资源有限，应尽量在公路沿线合理开发；缺点：避免占用耕地、耕地，而在道路跨越农田时，宜采用桥梁，在隧道洞深埋区应避免下穿建筑，并考虑周边的地理位置和居住区的布局，避免因工程渗漏而造成的污染对周边地区和居民用水造成不利的后果。（5）在选择线路时，要注意噪音、水体、空气、垃圾、电磁、建筑过程中产生的振动对周边环境、居民区、学校、医院等造成的影响[7]。轮轨垂向力值见图4。

图4 轮轨垂向力值见图

6 结语

黄土凹陷是一种比较特殊的地貌类型，能引起塌陷；滑坡是一种严重的地质灾难，不仅可以使地面的各种建筑和构筑物受到严重的损害，而且还会诱发其他的地质灾难，使周围的生态和地质条件更加恶劣。