南昆铁路地质灾害与防治_蒋忠信

2001年3月第1期(总69)
铁　道　工　程　学　报
JO U N A L O F RA IL W AY EN G IN EERIN G SO CIE TY
M a rch　2001
No.1(Ser.69)
文章编号:1006-2106(2001)01-0083-06
南昆铁路地质灾害与防治
蒋忠信
(铁道部第二勘测设计院岩石工程公司,成都610031)
提　要:南昆铁路沿线地貌复杂,地质灾害类型多、地段长、危害大。

铁路建设中,对沿线的地貌特征和膨胀岩土、软土泥炭土、滑坡泥石流、断裂带、地下岩溶、煤层瓦斯、高地应力和高烈度地震等地质灾害进行了系统研究,拟订和实施了相应的防治工程措施,保证了南昆铁路顺利建成通车。

主题词:南昆铁路;地质灾害;工程防治
中图分类号:P642　文献标识码:A
南昆铁路,东起广西南宁,西至云南昆明,北接贵州红果,全长899.68km,是大能力电气化铁路干线,于1997年11月建成通车,1999年获铁道部科技进步特等奖。

该铁路地处西南山区,地质复杂,地形险峻,技术标准高,工程艰巨。

沿线地貌复杂,地质灾害类型多,地段长,危害大,地质灾害的防治是铁路建设的主要技术成果之一。

1　地貌区划与地质灾害类型
南昆铁路跨越中国两大地貌阶梯,铁路从海拔78 m的广西南宁盆地,向西逐渐攀升至云贵高原海拔1 725m的红果和海拔1981m的昆明。

沿线所经地貌单元,始于南宁盆地,向西北经百色盆地,溯乐里河河谷而上,穿米花岭分水岭,于八渡跨南盘江,向西溯南盘江峡谷坡上至黔西南高原的兴义,跨清水河至威舍。

从威舍一支线路向西,顺黄泥河、喜旧溪河上至滇东高原面,经罗平、师宗、陆良溶蚀平原(盆地)和石林原野,于宜良再跨南盘江,顺汤池河、阳宗海、七甸河而至昆明盆地。

另一支线路从威舍溯黄泥河向北,穿家竹箐分水岭而至红果。

沿线可划分为8个地貌区,相应分布特殊的地质灾害类型(图1)。

Ⅰ南宁-思林断陷堆积盆地区。

由北西向排列的南宁、杨美、隆安、雁江等新生代构造盆地组成,盆地中邕江、右江发育了Ⅰ—Ⅲ级阶地。

其中以第三系泥岩为基座的Ⅱ级阶地上,泥岩的红色风化壳和经红土化的河流沉积广布,多属兹脚胀土,膨胀性红土是主要地质灾害。

Ⅱ思林-百色断陷堆积盆地区。

由田东、田阳、百色等右江新生代断陷盆地组成,盆地内深厚的老第三纪泥质沉积被抬升为丘垅,具强烈膨胀性的下第三系泥质岩广布,膨胀岩为主要地质灾害。

右江发育了三级阶地,Ⅱ级阶地的弱网纹红土为弱膨胀土,Ⅲ级阶地的网纹红土也可具弱膨胀性。

Ⅲ乐里河断裂河谷区。

百色以后线路进入广西盆地向贵州高原过渡的斜坡地带,溯乐里河谷上行。

乐里河循塘兴潞城大断裂发育,谷坡岩性破碎,对沿河路基带来危害。

Ⅳ八渡-白水河之南盘江侵蚀溶蚀谷坡区。

南盘江深切成V形峡谷,深逾千米,谷坡高陡。

线路东段经谷坡下部三叠系碎屑岩区,多大型崩塌、滑坡。

西段经谷坡上部三叠系碳酸盐区,岩溶较弱且以垂直形态为主。

Ⅴ顶效-威舍岩溶区。

白水河后线路已上至高原区,区内碳酸盐岩广布,线路通过顶效带状孤峰平原、马岭平行岭谷、清水河溶蚀峡谷、威舍溶蚀槽谷等地貌单元,溶沿、暗河、漏斗等溶蚀地貌灾害严重。

Ⅵ黄泥河、块泽河侵蚀溶蚀河谷区。

北段(威舍至红果)黄泥河侵蚀、溶蚀二叠系地层,呈现中低山地貌,煤系地层高瓦斯、碳酸盐岩岩溶威胁大,段家河流域有泥石流灾害。

中段(威舍至岔江)黄泥河溶蚀峡谷区,碳酸盐岩岩溶发育。

西段(岔江至江所田)块泽河峡谷南岸碎屑岩谷坡多大型滑坡。

Ⅶ罗平、师宗、石林溶蚀高原区。

包括罗平孤峰平
收稿日期　2000-11-20　蒋忠信　高级工程师　男　1941年5月出生　铁二院岩土工程公司总工程师
原、师宗溶蚀盆地、陆良溶蚀盆地和路南石林原野,间碎屑侵蚀低山。

各种水平溶蚀地貌十分发育,溶洞、暗河、岩溶地下水危害严重。

Ⅷ宜良-昆明侵蚀溶蚀丘谷区。

顺小江大断裂发育
的南盘江深切于滇东高原面,为八、九度高烈阳淙海附近丘间洼地、缓坡之软土泥炭土等软基典型。

图1　南昆铁路地貌区划与主要地质灾害工点分布略图
归纳南昆铁路地质灾害为以下5种类型:
(1)盆(洼)地区特殊岩土灾害:膨胀性红土,膨胀岩,软土泥炭土;
(2)谷坡区地地质灾害:滑坡,断层破碎带,泥石流;
(3)岩溶区地质灾害:溶洞,地面坍塌,岩溶地下水;
(4)碎屑岩区煤层软岩地质灾害:瓦斯,高地应力;(5)地震灾害。

2　特殊岩土灾害与防治
特殊岩土灾害以膨胀岩土为主,分布于南宁-百色断陷盆地以及师宗西、昆明东,路段长230km ,占全线
总长的25.6%,而且危害深重。

软土、泥炭土主要分布于滇东高源面上七甸、永丰营等丘间洼地,类型独特,深厚典型,危害也大。

2.1　膨胀性红土的特性与路基处理
南宁-平果断陷盆地中沉积了巨厚的第三系,邕江、右江发育于其中,形成多级阶地。

盆地中红土广布,
包括第三系泥质岩表层形成于第四纪初的砖红壤风化壳、碳酸盐岩红粘土风化壳和形成于下、中更新世的阶地网纹红土。

此外田东-百色盆地中也有阶地网纹红土
分布。

砖红壤风化壳继承了母岩的膨胀特性,为膨胀性红土,风化愈浅膨胀性愈强。

网纹红土也可具弱膨胀性。

膨胀性红土除红土的共性外,因含较多的膨胀性粘土矿物,故具有一定的胀缩性,干湿循环后强度明显衰减,长期强度低[1]。

从而导致路基边坡失稳,基床翻浆冒泥,房屋开裂,成为主要路基病害之一。

对南昆铁路膨胀性红土路基处理,选择那桐工点进行现场试验研究。

加固其路堑边坡,对比试验了土钉墙、框架锚杆护坡、锚喷支护和重力式挡土墙等措施,经比较,推荐采用框架锚杆护坡及重力式挡土墙[2]。

路堤填筑采用填土含水量比最佳含水量略低的“偏干”原则,其床换填厚50cm 的渗水土,都获得成功。

2.2　第三系膨胀岩的特性与路基处理
思林-百色断陷盆地沉积了巨厚的下第三系泥质岩,其中那读组、百岗组的泥岩具中-强膨胀性,伏平
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组、建都岭组的泥质岩具弱-中膨胀性。

此外师宗西的长坡岭、昆明东站也见弱膨胀岩。

这些膨胀岩呈现独特的类似于准平原的和缓垅丘地貌,并具有鲜为人知的强胀缩性、高碎裂性和低强度性。

干湿循环引起的反复湿胀干缩,使岩体强度急剧衰减,膨胀力剧增,导致路基边坡失稳。

岩体被各种结构面密集切割呈碎裂状,导致岩体强度降低,地下水畅通,结构面成为滑动面。

高含水量的碎裂岩体,无侧限抗压强度低至20～34
k Pa ,边坡高陡时会屈服而坍塌[3]。

对南昆铁路路基工程危害深重。

由于集膨胀岩与极软岩于一体,路基防护工程难以对三大特性同时生效,甚至顾此失彼。

在林逢试验工
点,初期针对用缩性采用土钉墙等全封闭措施保熵防干湿循环,反因封堵地下水和边坡过陡而导致坍滑(图2)。

经过挫折与反复,在重新认识该膨胀岩的三大特性并据之进行膨胀岩工程地质分类后,提出以“固脚、缓
坡”为原则的膨胀岩堑坡工程设计意见,对边坡高度、坡率、支护措施进行了总结[4]。

推荐抗滑桩、锚杆挡土墙支挡堑坡坡脚,其上坡面采用框架锚杆、浆砌片石骨架、干砌片石等非全封闭护坡。

路堤边坡采用分层铺设土工网格或石灰土夹层进行加固,基本成功。

基床加深换填渗水土厚度并铺土工材料隔水也行之有效。

该试验成果在南昆全线推广采用,减少了大量路基病害。

图2　南昆铁路林逢试验工点左侧土钉墙堑坡代表性断面
(a )原设计;(b )第一次变更设计;(c )竣工断面
2.3　七甸泥炭土路基及其加固
七甸丘间洼地之第四系厚达29m ,属近5万年来晚更新世晚期的沉积,主要由泥炭质土与泥炭(统称泥炭土)组成。

该泥炭土有机质含量高,天然容重仅9.4
～13.9kN /m 3,天然孔隙比可达10.92,天然含水量最高达573%,因而压缩性极强,强度低,次因结系数大[5]。

这种采软地基,面临稳定和沉降两方面问题,尤其是通车后过大的工后沉降近年来才引起重视。

经理论计算、有限元分析和离心模型试验,优选出振动沉管碎石桩(加超载预压)和粉体喷搅桩(以水泥、石灰、粉煤灰为粉料)这两种复合地基方案进行软基处理,提高地基强度和减小地基沉降。

加固路段长874m ,铺轨后进行沉降观测长达45个月,表明路堤稳定,沉降得到有效控制,工后沉降一般都小于30cm,处理获一次性成功[6]。

2.4　永丰工农业软土路基及其处理
永丰营车站位于低缓垅丘上,施工中填方下沉,下坡方向地面隆起、开裂,宽近100m 。

补充勘察发现,地表下软土深达40m 多,经14
C 、古地磁、孢粉与介形虫分析,为晚更新与全新世沉积。

这种形成于晚更新世、现已被抬升为倾斜丘坡的软土罕见报道。

对这种坡地软土,在加固软土体的同时,还必须在斜坡下方采服抗滑措施,以确保上方路堤的稳定。

本工点铁路被迫内移30m ,软土地基用粉体喷搅桩加固,原填方体保留于外侧作为反压护道,通车后路堤稳定。

3　山地地质灾害与防治
南昆铁路碎屑岩谷坡区山地地质灾害类型众多,有崩塌、滑坡、岩堆、危岩落石、断层破碎带、泥石流等,以滑坡、泥石流和断层破碎带分布普遍,危害严重。

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3.1　滑坡及其整治
大型滑坡主要分布在南盘江、块泽河碎屑岩深陡谷坡上,多为古滑坡。

铁路应予绕避,或在后缘以挖方、在前缘以填方通过。

但由于条件或认识的限制,亦有处置不当导致古滑坡复活的教训。

对体积2000×104m 3的小德江古滑坡,铁路在后缘挖方减载设站,施工中先作抗滑桩后开挖路堑,古滑坡稳定,是成功之例。

相反,对岔江、瓦窑等古滑坡,由于在其后缘弃方加载,导致古滑坡复活而改路基为桥跨过,是为教训[7]。

通车前耗巨资抢险整治的八渡站古滑坡,体积达420×104m 3,因车站剧烈的工程活动和近年较多降雨而复活(图3)。

整治工程的主体措施为支挡与排水。

在铁路上方设800kN 级预应力锚索132根6480m;在铁路下方设两排共113根锚索桩,桩长4642m,800、1600kN 级预应力锚索231根14215m ;开凿排水盲洞4条。

1998年上半年竣工后,现场测试表明位移锐减,滑坡恢复稳定。

[8]。

3.2　断层破碎带及其防治
南昆铁路地处各构造体系交汇部位,构造复杂,断
层密集。

全线通过宽5m 以上的断层上百条,尤其是
顺南宁、百色断陷盆地、乐里河唐兴-潞城断裂谷、宜良小江大断裂行进,通过断裂带长达250km ,主要地质问题有以下3方面:
(1)断裂带是软弱地基,桥梁基础等工程要加深、扩大。

(2)断裂带是软弱围岩,隧道施工中坍顶、涌水、变形严重。

(3)断裂带滑坡,尤其是工程滑坡众多,危及路基、洞口稳定。

例如与乐民所断裂带重合的相田2#
隧道,施工中坍顶而激发山体滑坡,被迫先作抗滑工程稳定滑坡。

顺乐里河断裂谷的路段,超过15m 高的路堑边坡发生坍方和滑坡百多处,整治困难时被迫改线,如K246段改为长550m 的特大桥。

对此,实施了施工抗滑工程,再自上而下分层开挖、逐层防护的预加固施工原则,适应机械化拉槽施工工艺,在量减少了工程滑坡。

图3　南昆铁路八车站滑坡工程剖面图
3.3　泥石流及其防治
南昆铁路泥石流分布于断裂带与陡峭谷坡区,对铁路工程和施工、运营造成威胁。

位于小江断裂带的罗善村至永丰营区间,就调查确认出一条旺盛的现代泥石流沟,4条中小型泥石流沟。

好在铁路于流通区通过,尚无大碍。

百色至威舍段1994年爆发泥石流,冲毁工舍,造成施工人员遇难[7]。

段家河泥石流对南昆铁路影响最大[9]。

该河流域共有4条泥石流沟,其中冷水沟1957年爆发中型稀性泥石流,沟口堆积4×104
m 3。

铁路原拟采用家竹箐短隧道方案,出沿后经冷水沟泥石流堆积扇而下。

后为求稳妥,增长隧道659m ,从冷水沟底穿过,于沟口下游出洞。

同时,由于上游采煤炼焦弃土弃碴和坡面水土流
失,流域年产泥沙6×104m 3。

而段家河为盲谷,末端落水洞排泄能力有限,下游经常滞洪淤积为害。

1958年开凿人工河道泄流于邻流域,但人工河道仍以每年2～9cm 速度淤涨,已成地上悬河,迫使铁路和桥梁增高加长,投资巨增。

研究规划了流域泥石流防治工程、
小煤窑弃碴拦挡工程、坡面水土流失防治工程和人工河槽改造工程,如予以实施,将根治流域泥石流与河道淤涨灾害[10]。

4　岩溶地质灾害及其防治
南昆铁路通过碳酸盐岩路段长达387.6km,占铁路全长的43.1%,岩溶是主要地质灾害之一。

主要危害为:基底下溶洞的处置;溶洞大厅、暗河的穿越;岩溶地面塌陷;岩溶地下水突涌。

在石林区、溶蚀盆地(平
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铁　道　工　程　学　报2001年3月　
原)和孤峰(峰林)区,灾害最为密集,对工程基础、路基稳定和隧道开凿有巨大影响。

4.1　岩溶地下洞穴的探测与预测
鉴于地下岩溶的隐伏性和岩溶灾害的突发性,对其勘探、预测是灾害防治的首要而关键的一环。

为此,改进和综合应用频率电磁法、地质雷达、电磁波C T法探测南昆铁路地下洞穴,经200km多长路段的钻探验证,洞穴异常的准判率达80%以上,勘探深度大于30m,径深比达1/10。

共探测隐伏岩溶3479处,提供了7个重大工程的地下岩溶资料,成为指导施工和处理岩溶地面塌陷的依据。

同期,依据岩溶发育的地貌、岩性、构造准则,对白石山隧道等8座刚开工的隧道,预测进一步施工中可能遭遇的溶洞的地段、形态和规模,用以指导施工。

隧道竣工后显示,预测正确率综合达到78.5%[11]。

4.2　岩溶地质灾害防治
为预防岩溶地质灾害,铁路选(定)线时应避重就轻。

总原则是:平面上绕避或正交溶蚀带,并尽早脱离可溶岩谷坡;纵面上摆脱水平溶蚀层,并高于暗河排泄带[12]。

路南石林区长30km的铁路选线是成功之例。

通过达400km2的大面积岩溶调查,推荐采用了东段少通过8km溶斗(湖)区的月湖北线和西段少通过1.3km溶蚀低山区的二排坡越岭方案,减少了岩溶隐患。

对于小的溶洞,施工中不难用填、盖、跨等工程加以处理,惟规模巨大者颇感棘后。

如白石山隧道开凿出一高20m余、长75m的大空洞,使该段隧道上下悬空,耗时一年上做护拱、下做桩基方才通过。

岩溶地下水的涌突对隧道施工威胁甚大,砂锅寨2#隧道因此而淹堵,花巨资增设数百米长排水洞方才疏。

岩溶地面塌陷是威胁铁路行车安全的重大隐患,南昆铁路施工期间已产生岩溶塌陷53处,其中充填溶洞造成24处,充填溶隙造成17处,溶蚀破碎带造成12处。

为确保行车安全,补充进行了全线地下岩溶复查,物探出“可能塌陷”点2817处,主要采用注浆加固进行处理。

注浆孔揭示出溶洞1210个,溶隙1160处,溶蚀破碎带1320处,从而消除了隐患。

5　瓦斯、地应力灾害与防治
南昆铁路在黄泥河段通过煤系地层8.1km,7座隧道遭遇瓦斯,以家竹箐隧道最严重。

通过软岩、破碎带的隧道受高地应力会产生大变形。

5.1　家竹箐隧道瓦斯防灾
家竹箐隧道长4990m,通过上二叠系煤系地层1 157m,揭煤26层。

瓦斯压力最大1.585M Pa,吨煤瓦斯含量最大20.17m3,居全国铁路隧道之冠。

5层煤有瓦斯突出危险,当地煤矿多次发生瓦斯爆炸。

为防爆防突,隧道施工中采用低爆力揭煤技术,分次排放瓦斯方法,高位平导通风方式,瓦斯综合检测手段和相应施工配套模式,安全施工无一死亡。

采用高气密性混凝土封闭隧道瓦斯,并建立了瓦斯监控中心与自动报警系统,以确保运营防灾。

5.2　高地应力隧道大变形的处治
家竹箐隧道埋深大,地应力高,围岩软弱,地应力灾害表现为隧道大变形,而非岩爆。

施工中隧道临时钢支持被压弯、压塌,隧道衬砌开裂变形,最大下沉达1.2m。

采用超长锚杆和钢钎维混凝土支护,并加厚衬砌,方遏止了大变形。

草庵隧道处于小江断裂带,又受高地应力,施工中坍方频繁,支护一再变形,日涌水量达2000t,三次更换加密钢格栅拱仍无济无事。

采用大管棚放射状超前预注浆,加固拱墙以处9m岩体,耗时11个月,隧道才得以安全贯通[7]。

6　高烈度地震灾害预防
南昆铁路昆明至石林段位于滇江地震带,八、九度地震区长84.5km。

位于高烈度路段的铁路工程,尤其是隧道、桥梁、房屋、支挡建筑,均按设防烈度进行结构设计,检算中增加地震力,以策安全。

同时,研究实施了隧道和房屋的抗震新结构,具有较大的技术经济价值。

6.1　九度地震区乐善村2#隧道抗震新结构[13]
乐善村2#隧道位于小江大断裂带,居九度地震区,为乐善村车站内的浅埋大跨隧道。

在改进动力法抗震检算的基础上,提出了薄壁柔性衬砌、曲墙式明洞、斜切伸出式洞口和洞身设抗震缝等新结构,采用了钢钎维混凝土等抗震材料,开创了“中壁分隔法”施工工法。

由于新结构减少了开挖和圬工,工程费用较常规设计降低10%～30%。

据此对地震区隧道设计规范提出了若干重大修改意见。

6.2　劲性钢筋混凝土房屋结构[13]
结合南昆铁路房屋抗震所研究提出的劲性钢筋混凝土结构,是以在钢骨周围配置钢筋并浇筑混凝土的埋入组合构件而形成的结构体系。

该结构兼有钢结构
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　第1期　蒋忠信:南昆铁路地质灾害与防治
的延性和钢筋混凝土的耐火、耐久性,承载能力高,整体刚度好,断面尺寸小,工程费用低,特别适用于高烈度地震区大跨度工业与民用建筑和高层建筑。

在位于九度地震区的宜良北站300人规模候车厅和15m跨度货物仓库试用,竣工后使用正常,为房屋抗震提供了新鲜经验。

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GEOLOGICAL HAZARDS AND CONTROL IN NANN ING-KUNMING RAIL-WAY
JA N G Zhong-xian
Seco nd Surv ey a nd Desig n Institute of M OR
Abstract:　Geo logical hazards in Nanning-Kunming railw ay hav e m any ty pes mo re tha n10,distribute in v ery lo ng sections mo re than600km,and bring about huge harms.In co nstructio n of the railway,the ex pansiv e rock and sw ell laterite,so ft soil and pea t soil,landslide and debris flo w,shattered fault zo ne,co nceal Ka rst,gassy seam,high g round stress and hig h ear thquake intensity along the railw ay w ere investiga ted,a nd the co rrespo nd-ing measures of engineering co ntrol had been draw n and im plemented.Therefo re,successful construction of Na nning-Kunming railw ay w as g ua ra nteed and the railw ay had been o pened to traffic.
Keywords:　Naning-Kunming railw ay;g eolo gical hazard;engineering co ntro l
上海市确定2001年重大建设项目
2001年上海市安排的重大工程项目共43大项,计87单项,其中39项为新列项目,全年计划投资487.8亿元。

新列入的工程项目包括:沪青平高速公路(28.5km)、上海铁路南站及配套、磁悬浮列车机场快线(30km)、地铁新龙华车站改建、地铁二号线西延伸(9.5km)、杨浦线一期(22.6km)、卢浦大桥、复兴东路越江隧道(2620 m)、大连路越江隧道(2430m)等。

2001年上海市重大工程项目多,投资规模大,是历年来最多的一年;交通环境等基础设施建设呈全面推进气势,4项越江工程同步建设,6条轨道交通同步实施;技术含量高、工期紧,磁悬浮列车和采用沈管法施工的吴淞隧道,都是国内首次采用的新技术;投资主体多元化,管理跨度大,2001年工程投资80%是非政府投资。

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