北环铁路工程地质环境分析.pdf

西 铁 科 技 增刊6 西 铁 科 技 技术类 北 环 铁 路 工 程 地 质 环 境 分 析 铁道第一勘察设计院于国新 摘要 北环铁路位于关中盆地, 地质环境和人文环境复杂, 铁道工程与地质环境 既相互作用, 又相互影响, 对铁路工程中的工程地质环境问题以适应和改造并 重,重要的是注意工程引起的地质环境的改变。 本文从天然地质环境入手, 详细论述了北环铁路存在的工程地质环境问题及其成因和对策,分析了 铁路工程对天然工程地质环境的影响和改变, 确立了解决问题的方法。 关键词 铁路工程地质环境黄土地震液化 1引言 北环铁路属西安铁路枢纽中一货运铁路线,东起 陇海铁路新丰镇编组站, 西接陇海铁路的茂陵车站, 全 长64公里, 主要功能是分流枢纽内货物运输列车, 以减 轻陇海铁路运力不足的压力。北环铁路主要走行于西 安市和咸阳市郊区,途中经过著名的临潼旅游区、 灞 河、 泾河、 渭河国家湿地保护区及咸阳北面的汉代文物 保护区等, 沿线风景秀丽、 文化遗产众多。它所处的环 境种类较多, 也较复杂。但作为工程基础的地质环境却 是环境评价中容易忽视的一个环节。本文从北环铁路 地质环境角度出发,论述铁路工程与地质环境的相互 作用和相互影响,实事求是的分析地质环境在工程建 设中的重要性。 2地质环境 2.1 地貌环境 北环铁路位于关中盆地腹地,南望南北气候分界 线的秦岭山脉, 背靠茫茫千里、 沟壑纵横的黄土高原, 中部就是北环铁路经过的渭河冲积平原。沿线发育渭 河的一、 二、 三级阶地及灞河、 渭河河床漫滩等。 阶地类 型为内嵌式。各个阶地阶面较平坦、 阶坎明显, 各个阶 地间都有明显的分界线, 横剖面上, 依此呈台阶状。渭 河河床地势最低, 经过长期淤积, 河床标高与堤外基本 持平。一级阶地、 河床及漫滩人类活动频繁, 砂坑 、 鱼塘 众多, 河床下更是千疮百孔, 浑浊的水面下隐藏着难以 琢磨清楚的大小取砂坑 。地貌环境决定了铁路工程基 本形式, 不可避免地采用挖方和填方形式。 2.2地层环境 北环线地层以风积黄土和冲积砂层、粉质粘土为 主, 各地貌单元上地层结构区别明显。一级阶地和河床 为冲积砂层夹粉质粘土, 上覆黄土状土; 二、 三级阶地 均上覆1520m厚的马兰黄土 图1, 但三级阶地在马兰 黄土下还分布一层离石黄土,其余全为冲积砂层和粉 质粘土层等图2。 黄土普遍存在湿陷性, 湿陷系数由地 表至深部逐渐减小。由于地层承载力直接影响着工程 设施的形式和地基处理方案,所以地层环境对北环铁 路影响最大。 图1粉铺村附近渭河二级阶地地层结构图 图西兰路附近渭河三级阶地地层结构图 技术类 “/200 1 2 增刊6西 铁 科 技西 铁 科 技 2.3 构造环境 北环铁路构造上位于渭河断陷盆地中部,盆地内 断裂构造极为发育,主要有秦岭纬向构造体系的近东 西向断裂, 新华夏构造体系的北北东向断裂, 陇西帚状 构造体系的北西向断裂以及祁吕贺山字形构造体系前 弧东翼的北东东向断裂。这些断裂交错切割形成了宝 鸡凸起、 咸礼凸起、 西安凹陷、 蒲城凸起、 固市凹陷和临 蓝凸起等六个次级构造单元图3。北环铁路主要经过 临蓝凸起、 西安凹陷和咸礼凸起三个次级构造单元。 虽 然铁路横跨长安-临潼断裂和渭河北岸断裂等, 但因其 多为深埋断裂, 所以它们直接影响铁路工程可能性不 大。不过, 我们不能忽视与此有关的沉降和地表开裂对 工程的影响, 如后面将要谈到的地裂缝。 图3渭河断陷盆地凹陷、 凸起分布示意图 2.4水文环境 北环线经过的最大河流是渭河, 它是黄河一级支 流, 由西向东流向黄河, 水量随季节变化很大, 一般夏 秋两季水量丰富, 河面宽阔, 洪水来临可至堤岸, 深不 可及。目前河流浑浊, 污染十分严重。 灞河是渭河较大支流, 自南向北流入渭河, 水量受 季节性控制变化较大。其余还有沙河、老河等较小河 流, 数量小, 均有不同程度污染。 河流和沟壑的存在使桥梁工程不可避免,而且桥 梁的规模与河流的大小一致。 3人文环境 北环铁路途经西安、 咸阳市郊, 村庄星罗棋布, 人 口密集, 道路纵横交错。城市扩建、 道路开挖、 垃圾堆 积、 采集砂料、 车辆运行等人类活动极为频繁, 这些既 是人类施加给地质环境上交通线路的地质作用,也是 产生环境工程地质问题或地质灾害的环境因素。它是 破坏地质环境最重要的因素, 常处于主导地位或激发 地位, 又可以是改善地质环境的因素, 是可调控程度最 高的因素〔1〕 , 同时也是最不易发觉的因素。它对北环 铁路的直接影响是为方便人们出行、 劳动、 灌溉等而增 设涵洞、 桥梁等, 体现人文关怀, 继而对地质环境发生 作用。 关中是中华文明发源地之一, 历经秦、 汉、 唐等多 个朝代, 遗留的文化遗迹很多, 可看得见的坟冢比比皆 是, 地下到处隐藏着不为人知的文化遗产。因此北环铁 路的修建或使它重见天日或永远使它沉睡地下, 它的 洞穴、 填土、 盗洞又成了铁路工程的隐患。 4环境工程地质问题 4.1黄土湿陷性 具有湿陷性的马兰黄土分布在北环铁路的大部分 地区,湿陷沉降也就成了北环铁路的主要工程地质问 题。马兰黄土土质较均匀, 结构疏松, 发育针状孔隙和 大的虫孔, 垂直节理发育, 具有较强的湿陷性, 湿陷性 由地表到深部有逐渐减小的趋势。湿陷类型以自重为 主, 局部为非自重, 湿陷等级II- III级, 个别地方为IV级, 湿陷厚度1020m。 黄土湿陷可造成路基下沉、 路堤变形 及路堑边坡滑塌等, 自重湿陷场地还对桥桩基产生负 摩擦, 破坏性更强。 北环线上冲洪积成因的黄土状土分布于渭河一级 阶地, 同样也具有湿陷性, 但湿陷性比马兰黄土要弱的 多, 湿陷类型多为非自重, 湿陷等级I- II级。 黄土和黄土状土在天然含水量时,往往具有较高 的强度和较小的压缩性, 但遇水浸湿后, 有的即便在自 重作用下也会发生剧烈大量的变形,强度也随着迅速 降低; 而有的却不发生湿陷, 有的湿陷强烈, 有的湿陷 较小。可见同是黄土, 它们遇水浸湿后的反应却有很大 差别, 正是这种差别引起工程的不均匀沉降, 最后导致 工程破坏。黄土自身结构特点, 使北环铁路的工程地质 环境极其脆弱, 只要无水存在, 它可保铁路安然无恙, 但水一旦浸入, 黄土性质立刻发生变化, 所以为防止湿 陷破坏工程安全, 黄土地基一般都需处理, 从而改变了 原有的地质环境。因此马兰黄土的存在使工程所处的 工程地质环境存在着恶化的隐患, 雨水的到来更会带 来灾难性的后果。 4.2 饱和软黄土 饱和软黄土是北环铁路乃至西安城区普遍存在的 一种特殊性岩土,它主要是马兰黄土长期处于饱和状 态, 使其性质发生了变化而形成的一种特殊土。它的基 技术类技术类 北环铁路工程地质环境分析 “/200 西 铁 科 技 增刊6 西 铁 科 技 技术类 本特征是, 饱和度大于80, 呈软塑或流塑, 孔隙比大于 0.8, 天然含水量与液限非常接近〔2〕 , 如黄土梁洼区饱 和软黄土天然含水量平均值为31.46,液限平均 值为 31.29;渭河二级阶地饱和软黄土天然含水量为30.86, 液限平均值为30.44。 力学性质同样也有自己的特点。压缩系数普遍大 于0.4MPa-1, 为中等偏高压缩和高压缩; 比贯入阻力小 于1MPa; 反映土强度的力学指标三轴试验的c和Φ普遍 较低, 强度包络线接近水平状 图4, 一般c20kPa,Φ 10,c和Φ值的偏低是造成土的力学性质变差的根本原 因。 图4饱和软黄土三轴试验结果图 在北环铁路上,饱和软黄土主要分布于马兰黄土 中, 普遍位于古土壤层以上, 厚度510m,这里常常赋存 包气带水或上层滞水。饱和软黄土的出现与马兰黄土 底部分布的古土壤密切关联。古土壤深埋地下后, 由于 受到上覆地层的压力, 结构发生较大变化, 土壤中的裂 隙、 土粒的团粒结构等变得不明显。 由于地下水的作用 使原来不含碳酸 钙的层也会沿裂 隙形成钙丝和 钙斑 〔3〕 , 进一步发展就可形成大量的姜石, 从而造成古土 壤垂直渗透系数比上部黄土要低的多。图5是根据许兆 义教授〔4〕 对晋北马兰黄土渗透系数测试结果绘制的 垂直渗透系数随深度变化的曲线,1622m之间为古土 壤层, 可见垂直渗透系数随深度逐渐变小, 在古土壤层 处达到极小, 显然古土壤就是黄土层中相对隔水层。 渭河二级阶地上马兰黄土中古土壤垂直渗透系数 同样具有该特征。我们在西康二线老河中桥曾对马兰 黄土的垂直渗透系数作过测试, 结果黄土渗透系数为 4 10- 5, 古土壤渗透系数为2.23 10- 6, 由此可见, 黄土 和古土壤的渗透系数差一个数量级,由于渗透系数的 差异, 古土壤就拦截了大气降水和地表水向下补给, 在 其上部形成了一个上层滞水层, 它的长期存在就使黄 土长期处于饱和状态, 引起黄土性质的变化, 形成饱和 软黄土。 图5马兰黄土渗透系数随深度的变化 饱和软黄土层性质接近软土, 为工程地基的软弱下卧 层, 过大的附加应力会影响到已均衡的工程地质环境, 造成强度失稳或大的沉降,同时也会影响到临近建筑 物的稳定。因此根据工程实际需要进行下卧软弱层的 检算, 以便采取相应措施。 4.3饱和砂层的地震液化 北环铁路存在地震液化可能的段落较少,不及全 长的十分之一, 主要分布于灞河、 渭河河床及漫滩, 主 要为饱和、 松散的中细砂层。它们标准贯入击数均小于 10击, 承载力低。地震液化对工程影响很大, 低填路堤 和桥桩基应采取相应措施。 4.4 人工填筑土 北环铁路人工填筑土分布无规律, 土质极不均匀, 既有压实填土, 也有建筑垃圾、 生活垃圾等组成的杂填 土, 还有农田改造时的素填土等。其中取土坑 和挖砂坑 中杂填土对工程影响最大。它沉降不均匀, 承载力低, 对路堤安全造成了较大影响。 4.5地裂缝 在二十世纪九十年代初, 在咸阳市区和近郊陆续 出现了地表开裂, 即地裂缝, 目前已发现露头11处, 主 要分布于渭河北岸秦都区马泉乡赵家至渭阳乡任家咀 一线, 可见长度15km, 地裂缝已使千余间房屋建筑发生 了开裂变形等不同程度地破坏。与北环铁路有关的地 裂缝是大泉地裂缝,近东西向展布, 平面上呈羽状排 列; 具水平拉张、 垂直位移和水平扭动特性。发育的规 模大小不一, 一般在水泥地上缝隙较窄, 为数毫米; 在 田地上缝隙反映较宽, 一般为数十厘米至1m左右, 局部 形成陷穴和落水洞。裂缝可探深度大于20m。 有关资料显示,咸阳附近渭河北岸断裂带沿三级 阶地前缘阶坎分布。根据北环铁路在附近工程钻探资 料判断, 地裂缝所经就是渭河二级阶地和三级阶地的 技术类 北环铁路工程地质环境分析 k h “/200 1 增刊6西 铁 科 技西 铁 科 技 上接第110页与拱肋面内反对称挠曲振动。 从以上可看出,系杆拱的前两阶振型均为拱肋面 外振动, 第三阶振型才是竖向振动, 所以说系杆拱竖向 刚度较大, 根据规范, 简支梁竖向自振频率应不小于no no23.58*LΦ-0.5922.384Hz。本桥满足要求。 5施工简介 钢管混凝土系 杆拱的受力 同其施 工顺序密 切相 关。本桥施工采用先梁后拱法, 即先在支架上浇注系梁 和部分横梁, 使其先形成受力结构, 以它为施工平台, 吊装拱肋、 横撑、 斜撑, 安装吊杆, 最后安装剩余横梁, 调整吊杆力, 铺设桥面工程, 达到成桥状态。 6体会 钢-混凝土组合梁结构是利用钢材耐拉、 混凝土耐 压而结合成整体并共同工作的一种结构形式。与钢或 混凝土单一材料制成的构件相比, 钢-混凝土组合梁结 构可提高结构的强度和刚度, 随着先进的泵送混凝土 工艺的应用, 钢-混凝土组合结构特别在大跨度桥梁上 将会有更大的发展。 参考文献 〔1〕 陈宝春、 李勇钢-混凝土组合桥梁设计与应用 〔2〕 黄乔桥梁钢-混凝土组合结构设计原理 〔3〕 铁路桥涵设计基本规范TB10002.1- 2005 分界线, 该分界面实际上就是三级阶地的阶坎, 它显然 受渭河北岸断裂带的控制, 这是内因。外因是这里靠近 咸阳地下水彩虹降水漏斗,由于水位的下降诱发和加 剧了地面开裂 〔5〕 。因此地裂缝对铁路的影响是长期 的, 影响规模与人类活动密切相关。 5人为引起的工程地质环境改变 5.1阻断地表排水 北环铁路引起的工程地质环境改变最明显的是铁 路路堤成了阻隔地表水顺畅排泄的一道拦水坝。既有 陇海铁路、 西康铁路和咸铜铁路由于排水设计不到位, 使雨水不能及时排泄, 造成下渗, 使黄土长期处于饱和 状, 从而出现了上述饱和软黄土的工程地质问题。 北环铁路路堑所处位置的地表排水是由北向南, 而北环铁路却是由东到西,深大的路堑截断了地表水 天然的排泄方向, 路堑成了人为的排水沟槽。路堑排水 既影响路基稳定, 又侵蚀堑坡, 出现了新的环境地质问 题。 5.2边坡稳定性的破坏 北环铁路长达几公里的挖方路堑对工程地质环境 改变最大, 它不仅改变了原来平坦开阔的地貌, 而且还 出现了新的工程地质问题, 即边坡稳定性的破坏。虽然 黄土直立性较好, 如果处理不当, 它的边坡顶部容易出 现拉应力区,表现为拉裂变形;坡底易出现应力集中 区, 即压应力区, 表现为剪应变。 此外, 无支护边坡易发 生坡底掏蚀。 5.3淤积和侵蚀 北环铁路淤积有两个方面。一是路堤阻水造成的 雨水淤积和过水涵洞内的淤积,造成人们生活和生产 不便; 二是渭河特大桥因造成过水断面减小, 引起上游 河床淤积。 侵蚀同样发生在渭河特大桥附近,因过水断面减 小, 河水流速加大, 出现横向涡流, 造成河底和河岸侵 蚀, 影响河岸和桥台稳定。长达几公里的路堑也是发生 侵蚀的地方, 原因是它将雨水的片流集中成暂时的集 中流, 侵蚀性增强。 5结束语 北环铁路沿线既存在黄土湿陷性、 饱和软黄土、 地 震液化等固有工程地质环境问题, 又有阻滞地表水、 边 坡稳定、 淤积和侵蚀等新的工程地质问题。前者需要我 们采取措施避免, 如加强地表水排泄, 防止下渗就可避 免黄土湿陷; 后者需要去适应, 如设计合理的边坡来适 应黄土边坡的稳定性,设计大跨度来适应过水断面的 需求等。总之, 北环铁路的工程地质环境较复杂, 黄土 湿陷应是该线最主要的环境工程地质问题。 参考文献 〔1〕 刘起霞, 李清波等, 环境工程地质, 黄河水利出版社,2001.3 〔2〕 西安城市规划局等,西安城市工程地质图集,西安地图出版社,1998 〔3〕 杜恒俭等,地貌学及第四纪地质学,地质出版社,1981.7 〔4〕 许兆义,包气带水文地质专论,地震出版社,1993.10 〔5〕 于国新,咸阳地裂缝成因分析,安全与环境工程,2006,1331- 4 技术类技术类 北环铁路工程地质环境分析 “/200