地质横断面选线技术在铁路工程中的应用

王哲威 冯 涛 杜宇本 李沧海

（中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031）

铁路工程穿越不良地质路段时对地质条件考虑不足，极有可能导致施工和运营期投资增加、工程废弃和安全事故等严重后果，如1981年成昆铁路因利子依达泥石流导致列车坠桥［1］、宝天铁路卧龙寺滑坡将铁路向南推移110 m致铁路废弃［2］、南昆铁路八渡滑坡治理增加近1亿投资等案例［3］。上世纪修建的铁路工程中类似失败选线屡见不鲜，人们逐渐认识到了地质选线的重要性［4-6］。

铁路工程横向地形地质条件的不同为线路走向提供了选择的余地，因此产生了横断面选线的概念。朱颖［7］提出了“地质选线、重大工程优先选址、环保选线、规划选线、资源选线、横断面选线”六位一体的选线理念，认为在“地面横坡较陡”时应采用横断面选线；高传东等［8］认为横断面选线技术适用在地形复杂和不良地质地段；目前，学界普遍认为采用横断面选线技术可使线路在左右短距离内的工程建设条件明显改善，但现有研究中并未充分考虑地质条件的影响，具体适用条件并未提及，相关的工程支撑案例也罕有见刊。由此可见，如何将地质选线和横断面选线充分结合仍需进一步深化理论研究。

线路选线论证时，线路工程师在地形复杂地段考虑采用横断面选线技术，在地形横坡较陡地段为避免高陡路堑、高路堤、隧道进口严重偏压等问题进行横断面控制，从而确定最佳工程设置。然而，以上方法忽略了“地质横向变化较大地段”，对地质因素考虑不够，存在一定的局限性。地质工程师主要侧重于平面选线，地质选线基本工作步骤是由地质工程师在1∶2 000～1∶10 000等小比例尺平面图上标注出不良地质界限和类型、给出稳定性评价结果和比选意见，然后由线路工程师结合地形、地物、地方规划、环保、资源等其它因素综合确定线路方案。此类方案在多数情况下效果明显，但当地质条件横向变化较快时往往存在考虑不足的情况，导致后期工程风险和投资增加。由此可见，由于专业思维习惯的不同，横断面选线对地质条件没有充分考虑，进而导致部分地质横向变化较大地段选线不够细致。因此，在地质选线工程实践中仍需加强横向地质条件的对比分析。

为将横断面选线和地质选线充分结合，本文提出了地质横断面选线的定义，并通过一系列工程实例来证明地质横断面选线重点适用地段和工作方法的合理性。

1 地质横断面选线的重点适用地段

地质横断面选线的定义为：横断面选线除了适用在“地面横坡较陡地段”外，亦适用在“地质横向变化较大地段”，在地质条件横向变化大甚至有突变的地段。具体方法为：首先，在平面图上选出控制性横断面，经调查和勘探后填绘大比例尺（1∶500，1∶200）地质横断面，对比分析横向地质条件的差异，优选横向地质条件较好地段设置合理的工程，再交由设计专业结合其它条件选出最优方案。地质横断面选线技术适用于地形横坡较陡地段以及地质横向变化较大地段。

1.1 地质构造线与线路平行或小角度相交地段

地质构造线主要指区域性构造在地面上的延伸线，如褶皱轴迹、大的断层线、岩层走向线、区域性片理或劈理的走向线等。当铁路工程沿着构造线行进时，线路可能长距离压着地层界线、岩性分界线、断层界线行进。当界线两侧存在显著差异的工程地质条件，如可溶岩和非可溶岩界线，煤系地层与非煤系地层界线，断层上下盘等，充分考虑构造线两侧的地质条件差异、开展地质横断面选线意义重大。横断面控制可使铁路工程避开断层破碎带、可溶岩和非可溶岩的接触带等不利情况，优选硬质岩、非可溶岩、非煤系地层、断层下盘、隔水地层等地段通过，进而达到降低工程造价，减轻工程风险的效果。

1.2 顺河沿溪和横坡较陡地段

当线路顺着河流、溪沟行进时，横向可能跨越不同的微地貌单位，坡脚通常存在较厚的土层且地下水丰富，而斜坡上往往覆盖层较薄且地下水贫乏。当填方工程放坡至坡脚时往往存在滑移失稳的风险，横断面控制采取内移或下挡收坡的方式可消除工程滑坡风险。另外，坡脚线两侧地质条件差异大，沟谷中常年积水存在软土，而坡麓地段多为旱地，地质横断面控制可减少软土处理工程。

1.3 顺层地段

受线路走向、站位选址等因素控制，线路不可避免地需通过顺层段落，顺层边坡开挖常会发生较大规模的工程滑坡。对地形和地质条件充分研究，对挖方最大的横断面进行分析，采用线路适当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风险。另外，若线路通过段存在既有地下工程时，新建的隧洞存在顺层偏压，极有可能影响既有硐室。地质横断面分析可使工程设置避让既有工程的塌落拱范围，从而达到降低工程风险的目的。

1.4 滑坡、岩堆、采空区等不良地质路段

线路首先应绕避这些不良地质路段，当线路必须通过上述不良地质地段时，需进行横断面控制使线路在影响最小的地段以合理的工程形式通过，如通过滑坡和岩堆时采取“前缘加载，后缘减载”来降低工程滑坡风险、通过采空区时应避开“冒落带”以降低工程塌陷的风险。

1.5 并行既有道路工程地段

既有工程一般走行于最优侧段，也可能存在一些施工教训，在这些地段地质横断面选线技术可得到大量使用。笔者在渝怀二线工作期间，通过横断面选线提出了多达26段改线建议。其中，秀山段圈马隧道最为典型，既有铁路揭示每公里至少有2～3处岩溶大厅，增建二线由于开展地质横断面选线，尽管和既有铁路相距不足100 m，但施工期间仅揭示3处小型溶洞，其成功经验值得借鉴。

2 地质横断面选线的工作步骤

地质横断面选线的工作步骤为：

（1）选择控制性横断面。通过综合分析，选择地质横向变化可能对选线有影响的地段，比如线路和可溶岩界线最近的地段、顺层挖方最高地段和顺河地段最靠近河谷的断面。为了不遗漏，应尽量多做几个横断面进行控制。

（2）填绘地质断面。根据外业调查情况绘制地质剖面，必要时应进行钻孔控制。

（3）分析地质条件在横向的优劣。通过综合勘察资料，分析横向地质条件，在平面图上投影出不安全和安全位置的分界线。

（4）综合比选。将地质横断面分析成果交由线路专业，并结合其它控制性条件综合确定最优方案。

3 工程实例

为进一步说明地质横断面的重要性、地质横断面选线的重点适用地段和工作步骤，通过渝怀增建二线3个典型工点进行说明。

3.1 渝怀增建二线圈马隧道段顺构造线段地质选线

3.1.1 地质概况

溶蚀丘陵谷地地貌，地面高程480～610 m，地势较为平缓。下伏寒武系中统平井组（∈2p）白云岩、高台组（∈2g）泥质白云岩、白云岩夹页岩、寒武系下统清虚洞组（∈1q）灰岩、杷榔组（∈1p）页岩，各地层间均呈整合接触关系。隧道位于上硐背斜SE冀，背斜轴部伴随断层发育，岩层以单斜形式产出，层理产状为：N5～27°E／55～85°SE，线路走向和岩层走向基本一致。

3.1.2 控制性地质问题

不良地质主要为岩溶，其中清虚洞组（∈1q）厚层质纯灰岩中岩溶强烈发育，高台组（∈2g）和平井组（∈2p）由于岩性较杂，岩溶弱发育，杷榔组（∈1p）为非可溶岩。既有线圈马隧道和新建圈马隧道走向基本一致，全长1 453 m，最大埋深117 m，由于线路基本穿越岩溶强烈发育的清虚洞组（∈1q）厚层质纯灰岩，施工中揭示岩溶极发育。相关设计方案共发生30余次变更，并在线路两侧增设2条泄水洞，地质条件极差。

3.1.3 方案研究

选线中比选了3个线路方案，分别为右线方案、左侧方案一和左侧方案二，均顺着构造线行进，和既有铁路走向一致。右线方案主要穿越清虚洞组质纯灰岩地层，隧道专业认为既有铁路施工中增设的泄水洞位于左侧，地下水流向为由左至右，因此隧址应选择在右侧，这样可充分利用既有铁路泄水洞截排地下水；左侧方案一同样穿越清虚洞组质纯灰岩地层，为线路专业主推方案，主要优点是线路直顺，借鉴既有铁路施工经验可以有效应对岩溶风险；地质专业经详细调查后发现在既有铁路左侧60～100 m外分布岩溶弱发育的高台组（∈2g）地层，因此提出了左侧方案二。代表性横断面示意图如图1所示。

3.1.4 方案比选结论

由方案综合比选结果可知：（1）右线方案行进于岩溶强烈发育的清虚洞组中，且紧靠上硐背斜和上硐断层，地质条件最差；（2）左侧方案一行进于岩溶强烈发育的清虚洞组中，和既有线地质条件类似，施工开挖将会揭示大量岩溶现象；（3）左侧方案二避开了岩溶发育区、断层、背斜核部、可溶岩和非可溶岩的接触带，工程地质条件相对最优。

综合以上比选结果和其他控制条件后，选定左侧方案二为最终推荐方案，该隧道施工中仅揭示3处小溶洞，较既有铁路优化较大，节省了投资，保证了安全。

3.2 渝怀增建二线K502 + 700桃映车站顺河行进段地质选线

3.2.1 地质概况

测区为中低山河谷地貌，行进在翁达河左岸，地形左高右低，起伏较大。河谷地带上覆软塑状粉质粘土和卵石土，总厚度一般3～12 m，丘坡地带覆土薄，下伏基岩为砂质板岩。

3.2.2 控制性地质问题

主要地质风险为填方工程易沿着原地面或土石界面产生工程滑坡；另外，河谷地段表层分布1～4 m厚的松软土。

3.2.3 方案研究

既有车站左侧紧靠山体，增建二线只能在线路右侧设站，线路只能在河谷侧小范围通过，场地非常狭窄。选线期间研究了3组方案，分别为方案一（放坡）、方案一（桩基托梁）和方案二。其中方案一为路基方案，和既有线完全并行，线间距5.3 m；方案二为绕行方案，顺着线路右侧河谷行进，部分站位设在桥上。为选出最优线路方案，按5 m填绘1根地质横断面进行控制，最不利断面如图2所示。

图2 桃映车站最不利工程地质横断面示意图

3.2.4 方案比选结论

由方案比选结果可知：（1）方案一（桩基托梁）利用实体挡墙收坡，有效防止了工程滑坡风险，且规避了河流冲刷作用，地质风险最小；（2）方案二沿着河床行进，桥梁长度较其余方案多120 m，部分地段需处理表层松软土，工程投资最大，地质条件次之；（3）方案一（放坡）在近200 m长度范围内沿着翁达河右岸行进，坡脚存在松软土，斜坡稳定性差，河流冲刷作用强烈，坍岸问题严重，地质条件最差。经过综合比选，推荐方案一（放坡）为最终方案。

3.3 渝怀增建二线K583 + 700顺层工点地质选线

3.3.1 地质概况

丘陵地貌，下伏地层为白垩系紫红色泥质砂岩，岩层产状为N50°W／20°NE，倾向线路左侧，右侧山体顺层，视倾角为20°。

3.3.2 方案研究

选线期间共研究了3个方案，其中C1K并行既有铁路方案最为顺直，主要在既有铁路左侧以隧道通过；C2K路堑方案在既有铁路的基础上向左侧偏移约70 m，主要以路堑方式通过；K线方案向在既有铁路的基础上向左侧偏移约70 m，主要以填方通过，局部为挖方。选线过程中按20 m1根地质横断面进行控制，最不利断面如图3所示。

图3 最不利顺层位置工程地质横断面示意图

3.3.3 控制性地质问题

主要工程地质问题为顺层，施工开挖极易引起大面积的工程滑坡，也可能影响既有线安全。

3.3.4 方案比选结论

方案比选结果表明：（1）C1K并行既有铁路方案和既有铁路相距太近，右侧存在顺层偏压，施工可能导致既有线变形开裂，安全风险最大；（2）C2K路堑方案边坡高度达25 m以上，且为软质岩顺层边坡，施工极易导致工程滑坡；（3）K线方案虽绕行远，但避开了顺层边坡，亦保证了二线施工对既有线无影响，且无其它病害问题。最终，经综合比选后，以K线方案作为推荐方案。

4 结论

本文总结了地质横断面选线适用地段和工作方法，并通过具体案例进行说明，得出以下主要结论：

（1）地质横断面选线技术主要应用在地质界面横坡较陡地段，具体包括：构造线与线路平行或小角度相交地段、顺河沿溪和横坡较陡地段、顺层地段、滑坡、岩堆、采空区等不良地质路段和并行既有道路工程地段。

（2）地质横断面选线的基本工作步骤为：在平面上分析选出最不利断面，在精细勘察的基础上填绘地质断面，分析地质条件横向优劣，使线路优选地质条件较好地段通过。

（3）工程实践证明地质横断面选线可使工程设置的合理性、经济性和安全性进一步提高。