地質橫斷面選線技術在鐵路工程中的應用

王哲威 馮 濤 杜宇本 李滄海

（中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031）

鐵路工程穿越不良地質路段時對地質條件考慮不足，極有可能導致施工和運營期投資增加、工程廢棄和安全事故等嚴重后果，如1981年成昆鐵路因利子依達泥石流導致列車墜橋［1］、寶天鐵路臥龍寺滑坡將鐵路向南推移110 m致鐵路廢棄［2］、南昆鐵路八渡滑坡治理增加近1億投資等案例［3］。上世紀修建的鐵路工程中類似失敗選線屢見不鮮，人們逐漸認識到了地質選線的重要性［4-6］。

鐵路工程橫向地形地質條件的不同為線路走向提供了選擇的余地，因此產生了橫斷面選線的概念。朱穎［7］提出了“地質選線、重大工程優先選址、環保選線、規劃選線、資源選線、橫斷面選線”六位一體的選線理念，認為在“地面橫坡較陡”時應采用橫斷面選線；高傳東等［8］認為橫斷面選線技術適用在地形復雜和不良地質地段；目前，學界普遍認為采用橫斷面選線技術可使線路在左右短距離內的工程建設條件明顯改善，但現有研究中并未充分考慮地質條件的影響，具體適用條件并未提及，相關的工程支撐案例也罕有見刊。由此可見，如何將地質選線和橫斷面選線充分結合仍需進一步深化理論研究。

線路選線論證時，線路工程師在地形復雜地段考慮采用橫斷面選線技術，在地形橫坡較陡地段為避免高陡路塹、高路堤、隧道進口嚴重偏壓等問題進行橫斷面控制，從而確定最佳工程設置。然而，以上方法忽略了“地質橫向變化較大地段”，對地質因素考慮不夠，存在一定的局限性。地質工程師主要側重于平面選線，地質選線基本工作步驟是由地質工程師在1∶2 000～1∶10 000等小比例尺平面圖上標注出不良地質界限和類型、給出穩定性評價結果和比選意見，然后由線路工程師結合地形、地物、地方規劃、環保、資源等其它因素綜合確定線路方案。此類方案在多數情況下效果明顯，但當地質條件橫向變化較快時往往存在考慮不足的情況，導致后期工程風險和投資增加。由此可見，由于專業思維習慣的不同，橫斷面選線對地質條件沒有充分考慮，進而導致部分地質橫向變化較大地段選線不夠細致。因此，在地質選線工程實踐中仍需加強橫向地質條件的對比分析。

為將橫斷面選線和地質選線充分結合，本文提出了地質橫斷面選線的定義，并通過一系列工程實例來證明地質橫斷面選線重點適用地段和工作方法的合理性。

1 地質橫斷面選線的重點適用地段

地質橫斷面選線的定義為：橫斷面選線除了適用在“地面橫坡較陡地段”外，亦適用在“地質橫向變化較大地段”，在地質條件橫向變化大甚至有突變的地段。具體方法為：首先，在平面圖上選出控制性橫斷面，經調查和勘探后填繪大比例尺（1∶500，1∶200）地質橫斷面，對比分析橫向地質條件的差異，優選橫向地質條件較好地段設置合理的工程，再交由設計專業結合其它條件選出最優方案。地質橫斷面選線技術適用于地形橫坡較陡地段以及地質橫向變化較大地段。

1.1 地質構造線與線路平行或小角度相交地段

地質構造線主要指區域性構造在地面上的延伸線，如褶皺軸跡、大的斷層線、巖層走向線、區域性片理或劈理的走向線等。當鐵路工程沿著構造線行進時，線路可能長距離壓著地層界線、巖性分界線、斷層界線行進。當界線兩側存在顯著差異的工程地質條件，如可溶巖和非可溶巖界線，煤系地層與非煤系地層界線，斷層上下盤等，充分考慮構造線兩側的地質條件差異、開展地質橫斷面選線意義重大。橫斷面控制可使鐵路工程避開斷層破碎帶、可溶巖和非可溶巖的接觸帶等不利情況，優選硬質巖、非可溶巖、非煤系地層、斷層下盤、隔水地層等地段通過，進而達到降低工程造價，減輕工程風險的效果。

1.2 順河沿溪和橫坡較陡地段

當線路順著河流、溪溝行進時，橫向可能跨越不同的微地貌單位，坡腳通常存在較厚的土層且地下水豐富，而斜坡上往往覆蓋層較薄且地下水貧乏。當填方工程放坡至坡腳時往往存在滑移失穩的風險，橫斷面控制采取內移或下擋收坡的方式可消除工程滑坡風險。另外，坡腳線兩側地質條件差異大，溝谷中常年積水存在軟土，而坡麓地段多為旱地，地質橫斷面控制可減少軟土處理工程。

1.3 順層地段

受線路走向、站位選址等因素控制，線路不可避免地需通過順層段落，順層邊坡開挖常會發生較大規模的工程滑坡。對地形和地質條件充分研究，對挖方最大的橫斷面進行分析，采用線路適當外移消除挖方或最大限度降低挖方高度等方案，可有效降低工程滑坡風險。另外，若線路通過段存在既有地下工程時，新建的隧洞存在順層偏壓，極有可能影響既有硐室。地質橫斷面分析可使工程設置避讓既有工程的塌落拱范圍，從而達到降低工程風險的目的。

1.4 滑坡、巖堆、采空區等不良地質路段

線路首先應繞避這些不良地質路段，當線路必須通過上述不良地質地段時，需進行橫斷面控制使線路在影響最小的地段以合理的工程形式通過，如通過滑坡和巖堆時采取“前緣加載，后緣減載”來降低工程滑坡風險、通過采空區時應避開“冒落帶”以降低工程塌陷的風險。

1.5 并行既有道路工程地段

既有工程一般走行于最優側段，也可能存在一些施工教訓，在這些地段地質橫斷面選線技術可得到大量使用。筆者在渝懷二線工作期間，通過橫斷面選線提出了多達26段改線建議。其中，秀山段圈馬隧道最為典型，既有鐵路揭示每公里至少有2～3處巖溶大廳，增建二線由于開展地質橫斷面選線，盡管和既有鐵路相距不足100 m，但施工期間僅揭示3處小型溶洞，其成功經驗值得借鑒。

2 地質橫斷面選線的工作步驟

地質橫斷面選線的工作步驟為：

（1）選擇控制性橫斷面。通過綜合分析，選擇地質橫向變化可能對選線有影響的地段，比如線路和可溶巖界線最近的地段、順層挖方最高地段和順河地段最靠近河谷的斷面。為了不遺漏，應盡量多做幾個橫斷面進行控制。

（2）填繪地質斷面。根據外業調查情況繪制地質剖面，必要時應進行鉆孔控制。

（3）分析地質條件在橫向的優劣。通過綜合勘察資料，分析橫向地質條件，在平面圖上投影出不安全和安全位置的分界線。

（4）綜合比選。將地質橫斷面分析成果交由線路專業，并結合其它控制性條件綜合確定最優方案。

3 工程實例

為進一步說明地質橫斷面的重要性、地質橫斷面選線的重點適用地段和工作步驟，通過渝懷增建二線3個典型工點進行說明。

3.1 渝懷增建二線圈馬隧道段順構造線段地質選線

3.1.1 地質概況

溶蝕丘陵谷地地貌，地面高程480～610 m，地勢較為平緩。下伏寒武系中統平井組（∈2p）白云巖、高臺組（∈2g）泥質白云巖、白云巖夾頁巖、寒武系下統清虛洞組（∈1q）灰巖、杷榔組（∈1p）頁巖，各地層間均呈整合接觸關系。隧道位于上硐背斜SE冀，背斜軸部伴隨斷層發育，巖層以單斜形式產出，層理產狀為：N5～27°E／55～85°SE，線路走向和巖層走向基本一致。

3.1.2 控制性地質問題

不良地質主要為巖溶，其中清虛洞組（∈1q）厚層質純灰巖中巖溶強烈發育，高臺組（∈2g）和平井組（∈2p）由于巖性較雜，巖溶弱發育，杷榔組（∈1p）為非可溶巖。既有線圈馬隧道和新建圈馬隧道走向基本一致，全長1 453 m，最大埋深117 m，由于線路基本穿越巖溶強烈發育的清虛洞組（∈1q）厚層質純灰巖，施工中揭示巖溶極發育。相關設計方案共發生30余次變更，并在線路兩側增設2條泄水洞，地質條件極差。

3.1.3 方案研究

選線中比選了3個線路方案，分別為右線方案、左側方案一和左側方案二，均順著構造線行進，和既有鐵路走向一致。右線方案主要穿越清虛洞組質純灰巖地層，隧道專業認為既有鐵路施工中增設的泄水洞位于左側，地下水流向為由左至右，因此隧址應選擇在右側，這樣可充分利用既有鐵路泄水洞截排地下水；左側方案一同樣穿越清虛洞組質純灰巖地層，為線路專業主推方案，主要優點是線路直順，借鑒既有鐵路施工經驗可以有效應對巖溶風險；地質專業經詳細調查后發現在既有鐵路左側60～100 m外分布巖溶弱發育的高臺組（∈2g）地層，因此提出了左側方案二。代表性橫斷面示意圖如圖1所示。

3.1.4 方案比選結論

由方案綜合比選結果可知：（1）右線方案行進于巖溶強烈發育的清虛洞組中，且緊靠上硐背斜和上硐斷層，地質條件最差；（2）左側方案一行進于巖溶強烈發育的清虛洞組中，和既有線地質條件類似，施工開挖將會揭示大量巖溶現象；（3）左側方案二避開了巖溶發育區、斷層、背斜核部、可溶巖和非可溶巖的接觸帶，工程地質條件相對最優。

綜合以上比選結果和其他控制條件后，選定左側方案二為最終推薦方案，該隧道施工中僅揭示3處小溶洞，較既有鐵路優化較大，節省了投資，保證了安全。

3.2 渝懷增建二線K502 + 700桃映車站順河行進段地質選線

3.2.1 地質概況

測區為中低山河谷地貌，行進在翁達河左岸，地形左高右低，起伏較大。河谷地帶上覆軟塑狀粉質粘土和卵石土，總厚度一般3～12 m，丘坡地帶覆土薄，下伏基巖為砂質板巖。

3.2.2 控制性地質問題

主要地質風險為填方工程易沿著原地面或土石界面產生工程滑坡；另外，河谷地段表層分布1～4 m厚的松軟土。

3.2.3 方案研究

既有車站左側緊靠山體，增建二線只能在線路右側設站，線路只能在河谷側小范圍通過，場地非常狹窄。選線期間研究了3組方案，分別為方案一（放坡）、方案一（樁基托梁）和方案二。其中方案一為路基方案，和既有線完全并行，線間距5.3 m；方案二為繞行方案，順著線路右側河谷行進，部分站位設在橋上。為選出最優線路方案，按5 m填繪1根地質橫斷面進行控制，最不利斷面如圖2所示。

圖2 桃映車站最不利工程地質橫斷面示意圖

3.2.4 方案比選結論

由方案比選結果可知：（1）方案一（樁基托梁）利用實體擋墻收坡，有效防止了工程滑坡風險，且規避了河流沖刷作用，地質風險最??；（2）方案二沿著河床行進，橋梁長度較其余方案多120 m，部分地段需處理表層松軟土，工程投資最大，地質條件次之；（3）方案一（放坡）在近200 m長度范圍內沿著翁達河右岸行進，坡腳存在松軟土，斜坡穩定性差，河流沖刷作用強烈，坍岸問題嚴重，地質條件最差。經過綜合比選，推薦方案一（放坡）為最終方案。

3.3 渝懷增建二線K583 + 700順層工點地質選線

3.3.1 地質概況

丘陵地貌，下伏地層為白堊系紫紅色泥質砂巖，巖層產狀為N50°W／20°NE，傾向線路左側，右側山體順層，視傾角為20°。

3.3.2 方案研究

選線期間共研究了3個方案，其中C1K并行既有鐵路方案最為順直，主要在既有鐵路左側以隧道通過；C2K路塹方案在既有鐵路的基礎上向左側偏移約70 m，主要以路塹方式通過；K線方案向在既有鐵路的基礎上向左側偏移約70 m，主要以填方通過，局部為挖方。選線過程中按20 m1根地質橫斷面進行控制，最不利斷面如圖3所示。

圖3 最不利順層位置工程地質橫斷面示意圖

3.3.3 控制性地質問題

主要工程地質問題為順層，施工開挖極易引起大面積的工程滑坡，也可能影響既有線安全。

3.3.4 方案比選結論

方案比選結果表明：（1）C1K并行既有鐵路方案和既有鐵路相距太近，右側存在順層偏壓，施工可能導致既有線變形開裂，安全風險最大；（2）C2K路塹方案邊坡高度達25 m以上，且為軟質巖順層邊坡，施工極易導致工程滑坡；（3）K線方案雖繞行遠，但避開了順層邊坡，亦保證了二線施工對既有線無影響，且無其它病害問題。最終，經綜合比選后，以K線方案作為推薦方案。

4 結論

本文總結了地質橫斷面選線適用地段和工作方法，并通過具體案例進行說明，得出以下主要結論：

（1）地質橫斷面選線技術主要應用在地質界面橫坡較陡地段，具體包括：構造線與線路平行或小角度相交地段、順河沿溪和橫坡較陡地段、順層地段、滑坡、巖堆、采空區等不良地質路段和并行既有道路工程地段。

（2）地質橫斷面選線的基本工作步驟為：在平面上分析選出最不利斷面，在精細勘察的基礎上填繪地質斷面，分析地質條件橫向優劣，使線路優選地質條件較好地段通過。

（3）工程實踐證明地質橫斷面選線可使工程設置的合理性、經濟性和安全性進一步提高。