_兰渝铁路特殊复杂地质环境及特征研究

兰渝铁路特殊复杂地质环境及特征研究

甄秉国

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安

摘

710043）

要：通过对兰渝铁路沿线地质环境进行研究，总结分析复杂工程地质问题的特征，为类似工程的设计与施工提

供指导。研究表明兰渝铁路经过区域地质构造、不良地质及特殊岩土极为发育，且处于高地震烈度及极高地应力地质环境极为特殊复杂。施工中所遇到的软岩大变形及流砂等属于特殊复杂地质环境引发的工程地质问题，区，

需在科研的基础上进行特殊设计。

关键词：兰渝铁路;地质环境;工程地质问题;不良地质中图分类号：U212.22

文献标识码：A

文章编号：1004-2954（2013）04-0001-04

ResearchonComplexGeologicalEnvironmentand

CharacteristicsofLanzhou-ChongqingRailway

ZHENBing-guo

（ChinaRailwayFirstSurveyandDesignInstituteGroupCo．，Ltd．，Xi'an710043，China）

Abstract：ThroughresearchongeologicalenvironmentalongLanzhou-ChongqingRailway，thispapersummarizesandanalyzesthecharacteristicsofthecomplexengineeringgeologicalproblemssoastoprovideguidanceforthedesignandconstructionofsimilarprojects．TheresearchresultsshowthattheadversegeologyandtheweakrockandsoilaredevelopedconsiderablyalongLanzhou-ChongqingRailway，wheretheseismicintensitiesarehighandthecrustalstressesareextremelylarge，sothegeologicalconditionisextremelycomplex．Furthermore，belongingtotheengineeringgeologicalproblemscausedbypeculiarandcomplexgeologicalenvironment，thelargesoftrockdeformations，driftsandandsoonwhichwereencounteredintheprocessofconstruction，shouldbedesignedspeciallyonthebasisofscientificresearch．

Keywords：Lanzhou-ChongqingRailway；geologicalenvironment；engineeringgeologicalproblem；adversegeology

占15.66%。22.1

工程地质背景

区域地质环境（图1、图2）

兰渝铁路通过黄土高原区和秦岭高中山区，在区域地质上位于华北地块、扬子地块、青藏地块及塔里木地块四大地块相互汇集部位合围之隆起造山带，属青藏高原隆升区边缘地带，地质环境极为复杂特殊。

尤其是新生代以来印度板块与欧亚板块碰撞，导致青藏高原隆升及其向北东的持续扩展挤压作用，造成本区域断裂、褶皱发育，初始地应力状态极其复杂，多为高—极高的地应力环境背景。2.2

地质构造

兰渝铁路兰广段从北向南线路经过祁连褶皱系、秦岭褶皱系、松潘—甘孜褶皱系、扬子准地台四个一级

1

1工程概况

新建兰渝铁路兰州至广元段北起兰州东站，向南

经兰州市榆中县、定西市渭源县、漳县、岷县后，翻越长黄河分水岭，经陇南市宕昌县、武都区，沿白龙江东江、

岸而下，以28.238km隧道穿越西秦岭，在姚渡镇附近跨过两省交界进入四川省广元市青川县境内，并沿川陕界行进进入广元市。

兰州至广元段正线线路总长约493km，全段隧道工程集中，长大隧道比例较高，该段共分布有隧道66座，隧道总长343.263km，隧道占线路总长度的比例为70%，其中长度大于10km的特长隧道9座，长度143.96km，占隧道工程的比例为42%；桥梁77km，

收稿日期：2012-09-28；修回日期：2012-11-23

2001年毕业于长安大学建筑作者简介：甄秉国（1976—），男，工程师，

E-mail：zbg0515@163．com。工程专业，工学学士，

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沿线特殊岩土主要为湿陷性黄土、软土、膨胀岩。2.52.5.1

地震

区域地震的分布

兰渝铁路沿线属于青藏地震区北部地震亚区的龙门山地震带，地震活动相当强烈，是青藏高原北部地震亚区主要强震活动带之一。自有地震记载以来，本带其中5.0～5.9级地震共发生M≥4.7级地震197次，

109次，6.0～6.9级地震35次，7.0～7.9级9次，8级1879年武都地震3次，分别为1654年天水8级地震、8级地震和2008年汶川8级地震。

根据对兰渝铁路沿线两侧各50km范围内有震源

图1

板块构造简图

深度的仪器记录地震资料的统计分析，沿铁路地震震源深度绝大部分在39km以内，90%的地震在24km以内，基本上是发生在地壳中上层的浅源地震。2.5.2

汶川地震对沿线地质条件的影响

汶川8级大地震是我国历史上最严重的破坏性地其地震规模和破坏程度均是罕见的。此次地震之一，

震造成了严重的人员伤亡和大量的建筑物损毁，基础设施严重损毁，震中地区周围的16条国道、省道、干线公路和宝成线等6条铁路受损中断；次生灾害多发，山滑坡、泥石流频发。体崩塌、

根据汶川8级地震等烈度线图，线路在渭源以南均在≥Ⅵ度区范围之内，其中武都以南到广元约120km经过≥Ⅷ度区，经过Ⅸ度区的线路长约30km。

兰渝铁路沿线高地应力软岩地段是汶川地震影响严重地段，区域岩体中构造节理裂隙较震前会更加发育，隧道围岩状态及软岩流变特性受地震影响明显，地震使得地应力状态变得更加复杂、区域内降雨量增大。2.6

区域气候变化对沿线工地条件影响严重兰渝铁路纵贯甘肃省东南部、陕西省西南部和四川省东北部，属北亚热带湿润向暖温半湿润过渡的季受境内高山峡谷地形的影响，气候上有明显的风气候，

区域特征，气候差异悬殊，垂直分带的差异性明显，河谷炎热，山地寒冷。

自2008年汶川地震以来，在建兰渝铁路沿线各地区降水强度、降水量、持续时间等方面都有不同程度的岷县、宕昌、青川变化。如：对照一次最大降水量发现，

和广元2007年至2011年间一次最大降水量都超过了2000年前30年中的极值。

工程区域近年降雨量增加，各种地质灾害频发。2010年8月7日甘南藏族自治州舟曲县突降强降雨，持续了9h，降雨量达96.3mm，县城北面的罗家峪、三眼峪泥石流下泄，由北向南冲向县城，造成沿河房屋被冲毁，泥石流阻断白龙江、形成堰塞湖；2010年8月11日，陇南市境内突发暴雨，引发泥石流、山体滑坡等地质灾害，致使多处交通路段堵塞；2012年5月10

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图2青藏高原东向挤出的效应图

大地构造单元，线路位于其接合部位。在漫长的地质历史时期内经历了多期次的构造运动，后期活动对前期形成的构造体系加以改造、归并、复合，使构造环境愈加复杂，形成了隧道通过部位特殊的构造变形、复杂的地应力场及岩性。

线路穿越区域性大断裂10条，沿线与线路有关的较大断层有87条，大的褶皱43个，次级断层、褶皱（曲）及小构造十分发育。2.3

区域地应力场

通过现场实测，兰渝线地应力的分布特征是：以水平应力为主，应力值随深度的增加而增大；以合作－岷F3断裂以北，县断裂构造带（F3）为界，最大水平主应即N29°E～N68°E，最大水平主力方向以北东向为主，

F3断裂以南，应力最大值为27.16MPa，以北西向为主，即N29°W～N75°W，最大水平主应力最大值为33.82MPa。2.4

不良地质及特殊岩土

兰渝铁路沿线不良地质极为发育，主要有滑坡、泥石流、危岩落石、岩堆、岩溶、高烈度地震区、人工坑洞、有害气体等，以滑坡、泥石流为主，岩堆次之，调查沿线范围内共有滑坡206处，泥石流沟127条，岩堆27处。不良地质体在全线分布并不均匀。2

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日，甘肃省岷县发生特大冰雹、强降雨，引发大量洪灾、泥石流灾害等等，降雨强度和持续时间都属历史罕见。3

特殊复杂的工程地质问题及特征

兰渝铁路通过区域地质环境特殊复杂，自开工建出现了许多的工程地质问题。设以来，3.13.1.1

第三系砂岩复杂的水稳特性形成背景及分布特征

区域第三系地层划分为陇东区、陇西盆地的甘肃群，为一套桔黄色、浅棕黄色泥质砂岩、泥岩互层，属陆厚度小于296m。相湖盆及山间凹地沉积，

第三系砂岩在兰渝铁路主要分布于桃树坪隧道、胡麻岭、马家坡隧道及哈达铺隧道等隧道，长度约8km。3.1.2

砂岩基本特征

－

3.2.1软岩分布

兰渝线软岩分布广泛，主要为二叠系板岩、炭质板岩；三叠系板岩；志留系千枚岩、炭质千枚岩；泥盆系下总长约83km，涉及隧道15座。统千枚岩等，3.2.2

岩石特征

二叠系、三叠系板岩矿物成分中绿泥石、伊利石、高局部变质程度较深岭石等黏土矿物含量占14%～49%，

岩石中绢云母等软质片状矿物含量高达37%，具有强度低、遇水易软化、崩解或膨胀等特性；志留系千枚岩呈鳞片变晶结构，以新生矿物绢云母为主，含量高达81%～88%，片状矿物粘结力差，经受应力扰动和地下水的作用，层片裂解，整体弱化，易变形，其结构特征主要为：

（1）软硬不均、岩性、层厚变化频繁，片理面发育，层间光滑、结合差；

（2）局部受构造影响较重，揉皱现象发育；（3）节理裂隙较发育、发育。3.2.3

软岩大变形特征

软岩地层均以薄层或片状构造为主，结构面发育，岩质软，又处于复杂高地应力区，施工中围岩变形具有变形时间长、初期支护难以稳定的特点。

（1）二叠系、三叠系围岩变形均以水平收敛变形为主，主要发生在边墙、拱腰部位，初期表面出现环、纵向裂缝，支护内鼓，变形速率39～682mm/d，最大变形量达1915mm。

（2）志留系拱顶下沉及收敛变形量均较大，一般变形量在600～800mm，局部有底鼓现象，喷射混凝土大量环向开裂、掉块，部分钢拱架扭曲、断裂，初期支护结构失稳，侵入衬砌净空，具有变形速率快、变形量大、周期长等特点。

（3）三叠系板岩岩层直立，走向与洞轴线*行，围岩变形较大，且难以控制。3.2.4

大变形控制措施

通过对掌子面超前小导洞应力释放试验和初期支护措施调整试验进行总结分析，确定二叠系板岩、炭质H175型钢为主进行系统设板岩隧道初期支护以I20b、

计；三叠系板岩和志留系炭质千枚岩隧道初期支护以H175为主进行系统设计。3.3

岩溶隧道涌水问题

兰渝线兰广段灰岩主要分布于化马隧道，施工中主要问题为隧道突涌水。3.3.1

工程概况

2011年1月5日，化马隧道进口DK302+926，岩性为二叠系灰岩，在进行开挖钻眼作业时，右侧拱腰处一孔在钻到3.5m时，突然发生涌水，水柱喷射距离达到12m左右。

随后在止浆墙外侧施作超前探孔，深度达到3m

第三系砂岩颗粒组成以粉细粒为主，粒径主要为

50.075～0.25mm，渗透性差（渗透系数约10cm/s）具

有原始状态下密实度高（e=0.236～0.448）、不扰动状态下承载力和变形模量比较高的岩石特性。但第三系成岩作用差，由于黏粒含量少，结砂岩为泥质弱胶结，

构脆弱，极易破坏，围岩稳定性差，工程性质极差。3.1.3

主要工程地质问题

（1）复杂的水文地质条件。第三系粉细砂岩属陆相湖盆及山间凹地沉积而成，地层岩性较单一，颗粒较结构紧密，属新生代沉积，受构造运动影响较小，均一，

节理裂隙不发育。因此，在天然状态下，存在构造裂隙地下水主要赋存于砂岩孔隙水中，由的可能性非常小，

于砂岩胶结程度、黏粒含量及补给途径的不同，使地下水分布具有不均匀性，表现为局部沟谷地段砂岩含水水文地质条件十分复杂。偏高或地下水相对富集，

（2）砂岩在水作用下稳定性变差、变形大、开挖及支护难度大。

（3）涌水、涌砂。

（4）软硬不均、降水及开挖困难。第三系砂岩受在形成过程中多为泥质弱胶结，局部沉积环境的影响，

为钙质半胶结或胶结的薄层、透镜体或结核状砂岩，其分布规律性差。由于掌子面上下围岩软硬不均、渗透存在降排水较困难，较软围岩易变形、坍塌，性的差异，

而钙质胶结层强度和厚度较大，人工开挖困难。3.1.4

措施建议

经过不断探索和科研后，对前期的各项施工方案和工法、辅助施工措施进行了系统的研究分析和施工建议采用“重降水、密导管、强支护、辅注浆、快探索，

挖快支快封闭”的原则进行设计施工。3.2

高地应力软岩隧道大变形问题

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时水压急剧上升，达到4.5m时探明前方有一5～10cm裂隙，钻孔深度达到5m时，由于探孔前方水压过高，水流喷射距离瞬间达到25m，最高涌水

3

量达35000m/d。

（2）5.12汶川特大地震：地表坡积细角砾土松分析认为受2008年5月12日汶川特大地震的影散，

响较大，地震对表层土体有较强的松动作用，使岩土体抗剪强度降低，并为地表水下渗和径结构进一步破坏，流提供了便利条件。

（3）强降雨：该地区降雨主要集中在6～9月份，降雨量大且集中，对隧道出口段坡积层侵蚀、浸润严重，降低岩土体的强度，对坡体稳定极为不利。3.5.3

主要处理措施建议

（1）根据现场实际，隧道出口接长明洞；

（2）在隧道洞门两侧及下部设置重力式挡土墙防护；

（3）右侧坡脚支挡并反压回填，仰坡采用土钉和注浆等综合加固措施。4

结论

（1）兰渝铁路经过黄土高原区、西秦岭高中山区，穿过4个一级构造单元及10条区域性断裂带，岩性复杂多变且工程性质差，不良地质及特殊岩土普遍发育，又处于高烈度地震区，地质环境条件极为特殊复杂，是险、难的山区铁路。我国现阶段在建的又一条艰、

（2）兰渝线隧道所处的特殊地质环境，施工中遇到的软岩大变形及流砂等属于特殊复杂地质环境引发需在科研的基础上进行特殊设计。的工程地质问题，参考文献：

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对超前钻孔实测水压在2.0MPa左右。3.3.2

主要处理措施

（1）掌子面设止浆墙后施作超前地质预报。现场通过多次TSP、红外探水、雷达等物探及超前水平钻孔，查明了本次为灰岩裂隙水及管道水。

（2）迂回导坑绕避。在掌子面DK302+926后方DK302+890处设置迂回导坑绕避该段岩溶管道，迂回导坑平行隧道，距隧道30～40m。

（3）设置泄水洞。化马隧道预测正常涌水量为11.2万m3/d，而隧道的侧沟与中心水沟的最大排水

3

量为7万m/d，为保证施工及正常运营需设置泄水洞

进行排水。3.43.4.1

瓦斯隧道问题工程概况

化马隧道化马沟斜井正洞兰州方向掌子面DK304+190，揭示地层为F36断层压碎岩，原岩以石炭系炭质板夹有石炭系灰岩薄层，岩质软，岩体破碎，无水。岩为主，

2012年7月15日，电焊切割超前小导管时，导管口发生气体燃烧现象，测得瓦斯浓度为4.63%，现场停止施工，到26日，测得瓦斯浓度为1.25%。3.4.2

处理措施

通过现场取样、试验，对该隧道瓦斯进行了综合评估，经专家研讨会论证，确定为高瓦斯隧道，建议设计、施工及运营均按高瓦斯隧道标准进行。3.5

斜坡稳定问题

兰渝铁路通过黄土高原区和秦岭高中山区，山前斜坡地带工程分布较多，由于地质条件复杂，施工中出以鲁坝隧道出口边坡为例进现了边坡稳定性的问题，行说明。3.5.1

工程概况

工程位于角弓镇白龙江右岸二级阶地后缘，岸坡坡度变化较大，约25°～30°，植被稀少。表层为全新厚30～35m，其下为中更新统冲统坡积细角砾石土，

积粗圆砾土，下伏志留系炭质千枚岩。

由于2008年汶川大地震的灾后重建，地方有关部门在隧道出口段右侧取土，形成高20～45m，坡度约60°的高陡边坡，在2010年8月8日凌晨在强降雨的作用下，形成工程滑坡。3.5.2

原因分析

（1）人工取土：在隧道出口段右侧前缘取土，形成高陡临空面，破坏了该段斜坡的稳定性，加之降雨下渗，导致山体失稳滑塌。4

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