（地质工程专业论文）西安至成都高速铁路大巴山区段线路方案优选研究.pdf

摘要 高速铁路作为现代社会的一种新的运输方式，具有极为明显的优势。铁路选线 设计是铁路建设项目中最重要及关键的设计工作之一，直接关系到整个工程项目的 产品质量和工程造价。而选择合适的优化算法，成为优化设计非常重要的一环。 传统的优化方法对函数的性能要求较高，在一定的程度上会影响优化结果的精 确性，在某些情况下会导致理论与实际不相符。因此，必须进一步寻找更合适的算 法，来实现优化设计的目的。 本文从地质因素角度出发，在等精度条件下，对影响铁路线路的各种地质因素 进行分析评价，用层次分析法来确定各个影响因子的权重，用集对分析方法计算可 变模糊集，用以选择出最佳路线，并在以下几个方面取得了成果： 1 、对层次分析法与集对分析法的原理及步骤进行了阐述与分析，为线路优选设 计提供理论支撑。 2 、以西安至成都高速铁路大巴山区段六条铁路方案为研究对象，通过对研究区 工程地质条件资料的收集、野外实地调查、室内数据分析，提出了适用研究区影响 线路方案的六种评价因子。 3 、采用一至九标度法，得到研究区影响线路方案的评价因子判断矩阵，运用层 次分析法对各评价因子权值进行了计算，得到各评价因子的权重值。 4 、运用集对模糊分析评价方法，对各个线路进行优劣评价，最终得到选线优化 设计的最佳方案。 关键词：线路优化设计，层次分析法，集对分析法，大巴山区高速铁路 a b s t r a c t h i g h - s p e e dr a i la san e wt r a n s p o r tm o d ei nt h em o d e ms o c i e t y , h a sav e r yd i s t i n c t a d v a n t a g e r a i la l i g n m e n td e s i g ni st h em o s ti m p o r t a n ta n do n eo ft h ek e yd e s i g nw o r ko f t h er a i l w a yc o n s t r u c t i o np r o j e c t ，a n di ti sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h ep r o d u c tq u a l i t ya n dc o s t o ft h ep r o j e c tt h es e l e c t i o no fa p p r o p r i a t eo p t i m i z a t i o n a l g o r i t h mf o ro p t i m a ld e s i g n b e c o m e sa v e r yi m p o r t a n tp a r to ft h er a i ll i n e sa l i g n m e n td e s i g n t r a d i t i o n a lo p t i m i z a t i o nm e t h o d sr e q u i r ea h i g h e rp e r f o r m a n c eo ft h ef u n c t i o n ，w h i c h c a u s e sac e r t a i ne x t e n te f f e c to nt h ea c c u r a c yo ft h er e s u l t s ，a n di ns o m ec a s e sl e a d st o d i s c r e p a n c yb e t w e e nt h e o r ya n dp r a c t i c e t h e r e f o r e ，t oa c h i e v et h ep u r p o s eo fo p t i m a l d e s i g n ，af u r t h e rr e s e a r c hf o rm o r es u i t a b l ea l g o r i t h mi sr e q u i r e d f r o mt h ep e r s p e c t i v eo fg e o l o g i cf a c t o r s ，t h ea n a l y s i sa n de v a l u a t i o no ng e o l o g i c a l f a c t o r sw h i c ha f f e c tt h er a i ll i n e si sm a d eb yt h es a m ea c c u r a c yf o rc h o o s i n gt h eb e s t r o u t e ，a h p ( a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ) i su s e dt od e t e r m i n et h ew e i g h t so ft h ev a r i o u s i n f l u e n c i n gf a c t o r s ，a n ds p a ( s e tp a i ra n a l y s i s ) i su s e di nv a r i a b l ef u z z ys e t sc a l c u l a t i o n i tg a i n st h ef o l l o w i n gr e s u l t s ： f i r s t ，t h ep r i n c i p l e sa n ds t e p so ft h ea h pa n ds p aa r ed e s c r i b e da n da n a l y z e d ，i no r d e r t op r o v i d et h e o r e t i c a ls u p p o r tf o rt h er a i ll i n e sa l i g n m e n t d e s i g n s e c o n d ，b yt a k i n gt h es i xs c h e m e si nd a b am o u n t a i n so ft h eh i g h s p e e dr a i lp r o g r a m w h i c ha r ef r o mx i a nt o c h e n g d uf o rt h er e s e a r c ho b j e c t s ，t h r o u g ht h es t u d yd a t a c o l l e c t i o no ft h ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，f i e l di n v e s t i g a t i o n ，t h ei n d o o rd a t a a n a l y s i s ，s i xe v a l u a t i o nf a c t o r sw h i c hh a v et h ei m p a c to nt h ep r o g r a mo ft h es t u d ya r e a c o m eu p t h e n ，t h r o u g han i n e - s c a l em e t h o d ，i to b t a i n st h em a t r i xo ft h ee v a l u a t i o nf a c t o r s0 n t h er a i lp r o g r a m i ti sc a l c u l a t e db ya h p , t oo b t a i nt h ew e i g h t so fe v a l u a t i o nf a c t o r s f i n a l l y , s p ai su s e df o rt h ep r o sa n dc o n se v a l u a t i o no fe a c hl i n e ，t oc h o o s et h eb e s t a l i g n m e n to fo p t i m a ld e s i g n k e y w o r d s ：r a i ll i n e so p t i m a ld e s i g n ，a p h ，s p a ，d a b am o u n t a i n sh i g h s p e e dr a i l 长安大学硕士学位论文 1 1 选题意义 第一章绪论 自十六大以来，党中央、国务院关于加快发展铁路的重要部署，取得了重大成就， 高速铁路发展成就尤为突出。目前，我国投入运营的高速铁路已达到6 5 5 2 营业公里。 其中，新建时速2 5 0 k m 至3 5 0 k m 的高速铁路有3 6 7 6 营业公里；既有线提速达到时速 2 0 0 k m 至2 5 0 k m 的高速铁路有2 8 7 6 营业公里。我国高速铁路运营里程居世界第一位。 正在建设之中的高速铁路有l 万多公里。 高速铁路作为现代社会的一种新的运输方式，具有极为明显的优势，有利于我国工 业化和城镇化的发展，有利于推动区域和城乡协调发展，有利于资源节约型和环境友好 型社会建设，有利于促进产业结构升级，有利于释放我国铁路的货运能力，必定对我国 经济社会又好又快发展提供重要的支撑和保障。 到2 0 1 2 年，我国铁路营业里程将达到1 1 万公里以上，其中新建高速铁路将达到1 3 万公里。邻近省会城市将形成1 小时至2 小时交通圈、省会与周边城市形成半小时至1 小时交通圈。再经过几年努力，到2 0 2 0 年，我国铁路营业里程将达到1 2 万公里以上。 我国铁路快速客运网将达到5 万公里以上，连接所有省会城市和5 0 万人口以上城市， 覆盖全国9 0 以上人口，“人便其行、货畅其流”的目标将成为现实。 铁路选线设计是铁路建设项目中最重要最关键的设计工作之一，直接关系到整个工 程项目的产品质量和工程造价。在铁路线路设计中，线形设计是一个涉及多个专业的综 合性规划设计工作。线路设计师在选线设计工作中必须充分利用他们的知识，对地形、 地质、水文等自然环境条件进行分析比对，以求设计出理想路线i l 】。 拟建的西安至成都高速铁路是从西安出发，穿越秦岭经汉中、翻越米仓山进入四川 境内，经广元至江油与绵成乐客专相接直抵成都，大大缩短了西安到成都的直线距离。 该线路跨越秦岭山脉和大巴山脉，穿越大巴山区段铁路总长2 7 0 6 5 k m ，其中9 7 左右 为隧道，研究区隧道洞身地表起伏较大，地表自然坡度3 0 - 8 0 0 ，地形陡峻，山高谷深， 给铁路线路布设带来很大难度，而且研究区位于扬子准地台之大巴山元台拗褶断带，褶 皱构造极其发育；沿线地质构造形迹极为复杂，断裂构造较为发育。拟定线路受多种地 质因素影响，方案比选难度较大，如何在多种因素影响下的各拟定线路中决策最佳线路 是大巴山区段铁路建设必须面对的关键问题，因此对拟定铁路方案进行优化设计，选择 第一章绪论 合适的优化算法，在六条拟定方案中决策最佳方案，具有非常重大的工程实践意义。研 究成果不仅可以直接服务于工程建设，而且对我国铁路选线研究也会起到推动作用。 基于上述认识，作者选择“西安至成都高速铁路大巴山区段地质选线研究”作为硕士 论文的主攻方向，本文根据当地调查资料，分析当地指总体地质条件及地质构造，从地 质因素角度出发，在等精度条件下，应用层次分析法与集对分析法相结合的综合模糊评 判模式对影响跌路线路的各种地质因素进行分析评价，试图通过对典型线路方案的剖 析，既解决研究对象的工程实际问题，又在铁路选线研究的基础理论和方法方面取得一 些进展。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外铁路选线研究现状 自五十年代以来，道路与铁路领域的专家学者们就开始探索基于数字地形信息的计 算机辅助线路设计的理论和方法，以提高设计质量和设计速度，现代数学方法、计算机 技术和空间数据收集手段的发展，为利用计算机进行路线方案综合优化提供了技术上的 可能，但真正意义上的计算机自动定线技术是在数字地面模型上定出符合各项工程技术 要求的具有三维特征的线形。由于需要考虑的因素繁杂、算法不成熟，鲜有成果出现， 目前的必须选择合适的优化算法，这是优化设计非常重要的一步。技术研究集中于铁路 平面优化，但是要真正实现利用计算机自动完成平面优化设计，还必须选择合适的优化 算法，这是优化设计非常重要的一步1 2 1 。 自1 9 7 9 年起，交通部和铁道部组织有关设计单位和科研院所先后对铁( 公) 路的纵断 面优化技术、数字地面模型、平面及空间线形优化技术等进行了研究，取得了一批实用 的研究成果，较为突出的是铁道部第三勘测设计院及长沙铁道学院联合铁道部专业设计 院开发完成的“铁路线路纵断面优化设计系统”，及其在此基础上由长沙铁道学院联合铁 道部第三、勘测第二设计院开发完成的“铁路线路平纵面整体优化设计系统”，这两项成 果经工程实践检验，证明优化效果是令人满意的，并已在国内众多的铁路勘测设计部门 应用，产生了显著的经济效益和社会效益，分别荣获了8 6 年和9 3 年铁道部科技进步二 等奖，其中“铁路线路纵断面优化设计系统”还荣获了“第三届全国优秀工程设计计算机 软件”银奖。 1 9 9 5 年焦李成提出将遗传算法用在优化算法中。2 0 0 0 年易思蓉、邓域才将知识库 技术、交互式图形技术、优化方法和数据库技术相结合，开发了一个铁路新线设计智能 2 长安大学硕七学位论文 c a d 原型系统( p i r l c a d ) 。2 0 0 0 年慕永峰，朱昌勇，李建踟采用离散高程点建立三角 网d t m ，能够在多方面应用，如生成等高线、建立地面模型、计算土方量，而在线路 设计中要以土方的变形函数为目标函数，采用d t m 有利于设计过程的数字化。2 0 0 1 年 李远富、薛波、易思蓉如介绍了基于多目标模糊综合优选模型的铁路线路设计方案综合 优选决策系统软件的研制与开发过程，给出了其应用算例，较好地解决了传统方法在各 方案定量与定性指标出现交叉时难于评优的问题。2 0 0 2 年易思蓉将产生线路初始平面的 过程分为两个连续的子过程：首先根据航空折线寻求一条链式折线线路，然后对链式折 线线路平面进行圆顺处理，生成直线一曲线直线型线路平面；再进行线路平面初步优 化设计后，即可得出线路初始平面方案。2 0 0 4 年陈秀玲将遗传算法应用到铁路纵断面优 化设计中，经计算机编程进行实例计算，证明了遗传算法在纵断面优化设计中的可行性。 2 0 0 4 年易思蓉在分析领域知识特点的基础上，提出面向对象类规则知识表达模式，并将 此方法用于表达铁路选线设计领域知识，实例证明，类规则知识表达模式，将产生式规 则知识表达法与面向对象技术相结合，在知识表达方面能有效灵活地表达铁路选线领域 的决策类知识【3 6 j 。 1 2 2 多属性决策研究现状 对于多属性决策问题的研究最早开始于1 9 5 7 年，当时c h u r c h m a n ，a c k o f f , a m o f f 首次正式利用简单加权法处理了“选择企业投资方针”的多属性决策问题【6 】。但对多属性 决策的研究并没有引起人们的重视。进入二十世纪六十年代后，随着决策科学的发展和 实际需要，对多属性决策的研究逐渐得到人们的关注，成为决策科学的研究热点。二十 世纪八十年代初，h w a n g 和y o o n 在m u l t i p l ea t t r i b u t ed e c i s i o nm a k i n g _ m e t h o da n d a p p l i c a t i o n1 6 q b 系统地回顾了前人关于多属性决策的大量研究成果。那时，关于多属性 决策问题的研究已经有了一些成熟的方法。例如，当方案的数目太多时用于筛选方案的 优选法、分离法和连接法，用于确定权重的最小平方法和特征向量法，用于方案排序的 最常用的简单加性加权法和层次分析法，按属性权重大小进行方案排序的字典序法，基 于理想点的t o p s i s 法和l i n m a p 法，此外还有基于估计相对位黄的方案排队法、线性 分配法、e l e c t r e 法等等1 7 1 。 二十世纪八十年代后，许多学者研究了求解多属性问题的交互式算法。九十年代， s i n g l yy a n g 和s e n 对不确定多属性问题进行研究。徐泽水编著了不确定多属性决策方 法及应用i s j ，在这本书中，作者介绍了不确定性多属性决策的方法及其应用。c h e n 和 第一章绪论 h w a n g 共同完成了模糊多属性决策方面的专著f u z z ym u l t i p l ea t t r i b u t ed e c i s i o n m a k i n g - m e t h o da n da p p l i c a t i o n 【9 1 ，把模糊数学应用于决策理论，对模糊多属性决策问 题进行了系统的研究。1 9 8 2 年，波兰数学家p a w l a k 提出了基于粗糙集的概念，s l o w i n s k i ， g r e c o ，m a t a r z z o 将粗糙集理论引入决策中，提出了基于粗糙集的决策方法。张文修，仇 国芳等编著了粗糙集决策方面的专著基于粗糙集的不确定决策。该书详细介绍了国 内外关于基于粗糙集决策的最新理论成果，它以粗糙集理论为基础，结合概念格和包含 度理论与方法，给出了不确定性决策规则的获取的方法1 1 0 l 。我国学者对多属性决策问题 的研究主要始于二十世纪八十年代初期，到目前为止，已提出十多种多属性决策方法。 另外，我国学者也开始用模糊数学研究多属性决策方法【1 1 】。 1 3 研究内容及技术路线 本文根据当前国内外在铁路选线领域及多属性决策领域的研究现状，在对西安至成 都高速铁路大巴山区段各条拟定线路方案地质条件进行调查和分析的基础上，考虑研究 区铁路路线主要以隧道为主，各线路隧道长度都占各线路长度百分之九十七以上，选出 影响线路较大的六个因子即：线路隧道长度、隧道三级以上围岩百分比、隧道穿越断层 数、隧道穿越褶皱数、隧道穿越的软硬相间的岩性接触带数、隧道弱贫水区百分比。建 立线路优劣评价模型；运用层次分析法确定各评价因子权重；结合集对分析法评判各个 线路的优劣等级，最后，根据评判结果，进行对比分析，选出最优线路。本文具体技术 路线见图1 1 。 4 长安大学硕士学位论文 图1 1 研究区地质选线评价技术路线图 5 第二章研究区概况 2 1 地理位置 第二章研究区概况 研究区地处陕西省西南部汉中市，位居陕、川交界的秦岭大巴山区，地理坐标：东 经11 6 0 3 2 3 0 东经11 6 0 4 7 0 0 ，北纬3 2 0 5 5 , 0 0 , - j 1 - , 纬3 2 0 5 9 0 0 一。西汉高速连接至 此，各峪道均有公路相通，交通便捷( 图2 1 ) 。 2 2 气象水文 ：i芏芏了 图2 1 研究区交通位置图 2 2 1 气象 研究区为亚热带湿润性季风气候，特点是温和湿润，四季分明，雨量充沛。春季气 温波动较大，常出现干旱及寒潮，夏季炎热，降雨集中，秋初多连阴雨，冬季寒冷，干 燥少雨。年平均气温1 6 0 c ，极端最高气温3 6 3 0 c ，极端最低气温6 8 0 c ，年平均降水量 1 0 5 5 5 m m ，年平均蒸发量9 2 6 7 m m ，土壤最大冻结深度8 c m ，研究区气象资料如下表 所示( 表2 1 ) ( 表2 2 ) 。 6 长安大学硕士学位论文 表2 1 研究区主要气象资料一览表 站台名称及建站时间汉中国家基本气象站 地理位置及海拔高度8 3 6 1 m 数值及统计年限 数值 统计年限及出现 平均气压( h p a ) 9 2 0 819 6 6 2 0 0 7 气温年平均1 2 919 5 7 2 0 0 7 ( ) 极端最高 3 7 42 0 0 2 7 15 最低 1 1 61 9 9 1 1 2 2 8 最热月平均 2 3 6 7 月 最冷月平均 1 5 1 月 年平均 1 1 0 3 619 5 7 2 0 0 7 降水量年最大 2 0 2 2 91 9 8 1 ( m m ) 年最小 6 2 3 4】9 9 7 月最大 6 7 2 31 9 8 1 8 日最大 1 8 4 62 0 0 3 7 1 5 一次最大及延续时间2 l 天 l9 9 2 9 7 19 9 2 9 风平均风速及主导风向 1 2 m ss wl9 5 7 2 0 0 7 各季平均风速春 1 6 m sl9 5 7 2 0 0 7 ( m s ) 及主导风 夏1 3m s l9 5 7 2 0 0 7 向 秋0 9 m sl9 5 7 2 0 0 7 冬 1 1m s19 5 7 2 0 0 7 年平均大风日数( 8 级) 319 5 7 2 0 0 7 最大风速及其定时 2 0 9 m sl9 5 7 2 0 0 7 风向 瞬时 2 1 3m s2 0 0 5 4 3 0 雪冻最大积雪深度 2 4 c m19 8 9 0 2 2 2 ( c m )最大冻土深度( c m ) 8 c m1 9 9 1 1 2 2 9 其它平均雾天日数 2 4 419 5 7 2 0 0 7 平均雷天日数 2 6 。519 5 7 2 0 0 7 - 十壤最大冻结深度( e r a ) 采用值 8c m 附注： 2 0 0 7 、2 0 0 8 年度1 1 2 月每月降雨量数值单列附表 7 第二章研究区概况 表2 2 研究区2 0 0 7 年、2 0 0 8 年度1 1 2 月每月降雨量 站台名称及建站时间汉中国家基本气象站 时间 2 0 0 7 年 2 0 0 8 年 1 月1 7 53 2 9 2 月 1 1 8 2 2 7 3 月4 0 94 3 0 4 月 3 8 0 5 4 1 5 月 1 0 4 15 1 3 6 月 1 3 2 7 1 4 4 1 7 月 1 8 5 51 0 5 2 8 月8 4 81 1 3 8 9 月 2 4 1 9 2 8 7 8 1 0 月 1 5 2 89 3 5 1 1 月 1 3 6 0 6 1 2 月 2 1 36 5 2 2 2 水文 研究区内地表径流主要形成于山区，主要受大气降水及基岩裂隙水补给，各大型 冲沟内均有常年流水，其中潮河、大水沟、干沟、坪溪河、李家岔沟，孙家沟，养家河 内水量较大，遇有雨季，水量有明显增大，小型冲沟均为季节性流水，沟内流水为山中 居民生活及灌溉用水。对研究区河沟进行了调查测流，结果见表2 3 。 区内各峪道河流由于均处于山区上游，多数为季节性河流，旱季流量很小，甚至干 枯，雨季水量变化很大，暴雨洪水来势汹涌，水退也很快。 8 长安大学硕上学位论文 表2 3 研究区研究区主要河流一览表 流量流域面积地下水径流模 河谷名称 ( m 3 d )( k m 2 ) 数( m 3 d ) k m 2 ) 西沟 5 3 3 1 74 1 11 2 9 7 2 5 蒋家沟 1 4 6 5 7 82 8 6 5 1 2 5 l 大湾沟 2 9 9 8 9 41 5 0 31 9 9 5 3 干沟 2 4 6 4 61 8 61 3 2 5 1 大水沟 6 1 6 94 3 81 4 0 8 4 李家岔沟1 0 6 9 1 8 45 8 0 9 8 孙家沟 1 7 7 0 6 42 7 26 5 0 9 7 养家河 3 7 8 9 0 61 9 0 2 65 9 8 5 2 2 3 地形地貌 大巴山为长江水系汉江与嘉陵江的分水岭，大巴山山脉近东西走向，地势高峻陡峭， 地面高程6 0 0 2 0 0 0 m ，局部地面高程在2 0 0 0 m 以上，研究区线路主要行走于大巴山低 中山之中。工点区域为大巴山低中山区，平均海拔1 0 8 0 m ，最高海拔为1 3 6 9 m 。研究区 隧道洞身地表起伏较大，地表自然坡度3 0 - - - 8 0 0 ，总体地形北高南低，地形陡峻，山高 谷深，山脊一般狭长平缓，起伏较小，局部有陡峭孤峰，山上植被茂盛，自然坡度一般 大于4 5 0 ，沟壑交织，沟谷多呈狭窄的v 型。 2 4 地层岩性 研究区主要为一套沉积岩体，岩性主要为页岩、砂岩、砾岩、灰岩等，多成条带状 分布，局部成片状分布。现将各时代地层由新至老简述如下： l 、第四系( q 4 ) 广泛分布于河谷、台地、山间盆地及山前缓坡地带，成因主要为冲积、洪积、崩积、 坡积，岩性一般以膨胀土、黏性土、砂类土、碎石类土为主；局部残留有中上更新统高 阶地卵石土，一般厚2 5 m 。在高陡山坡坡脚崩塌堆积物遍布，堆积物成分杂乱，多见 巨型块石。 1 ) 膨胀土( q 4 蚰9 ) ：分布于隧道洞身表层，厚o - - 6 m ，黄褐色，土质不均，局部含 9 第二章研究区概况 少量小砾石，尚紧密，硬塑为主，i i 级普通土，a o = 1 5 0 k p a 。 2 ) 粗圆角砾土( q 4 p 1 6 ) ：厚5 - - - 1 5 m ，浅灰色，角砾成分以页岩、砂岩为主，棱状 次棱状，分选性较好，粒径级配：q 大于2 0 0 m r n 占5 ，q , 6 0 - - 2 0 0 m m 占1 5 ，9 2 0 6 0 m m 占5 0 ，q , 2 - - - 2 0 m m 占1 5 ，余为黏性土充填，中密为主，潮湿饱和，i i i 级硬土， a o = 5 5 0 k p a 。 3 ) 卵石土( q 4 8 1 7 ) ：厚2 - 一3 m ，黄褐色，卵石成分以页岩为主，圆棱状浑圆状， 分选性较好，粒径级配：9 大于2 0 0 m m 占1 0 ，q , 6 0 - - - 2 0 0 m m 占4 5 ，q , 2 0 - 6 0 m m 占 2 5 ，( p 2 - - 2 0 m m 占1 0 ，余为砂及土质充填，中密为主，潮湿饱和，i 级硬土， , 了o = 6 0 0 k p a 。 4 ) 块石土( q 4 p 1 8 ) ：主要分布于1 拌横洞出口冲沟沟床，层厚l 5 m ，青灰色为主， 成份以砂岩、页岩、灰岩和砾岩为主，潮湿饱和，松散稍密，级软石，o o = 5 0 0 k p a 。 2 、志留系( s 1 ) 分布于新集至省界段，岩性以灰绿色、深绿色、紫色页岩、砂质页岩，间夹透镜状 生物灰岩、薄层砂岩。该套地层工程性质较差。 1 ) 页岩( s 1 s h ) ：灰绿黄绿色，泥钙质胶结，结构均一，泥状结构，层状构造， 岩质软，性脆，节理发育，风化层层厚2 - - 5 m ，局部风化强烈成碎末状，全风化强风 化，i 级硬土，o o = 2 5 0 k p a ，v 级围岩；弱风化，级软石，a o = 5 0 0 k p a ，i v 级围岩为主。 3 、奥陶系中上统( 0 2 + 3 ) 分布于新集至省界段，岩性以灰黄色、浅灰色砂岩夹砾岩为主，局部夹浅红色、灰 黄色页岩条带，夹紫红色、浅灰色龟裂灰岩条带。该套地层中青灰色灰岩工程性质较好， 紫红色灰岩及页岩工程性质较差。 1 ) 灰岩( 0 2 + 3 l s ) ：浅灰色，隐晶质结构，厚层状构造，岩石表面滴盐酸冒气泡， 主要矿物为方解石，岩质硬，性脆，节理发育，风化层层厚0 5 - l m ，强风化，级软 石，a o = 6 5 0 k p a ，i v 级围岩；弱风化，v 级次坚石，a o = 1 5 0 0 k p a ，i i i 级围岩为主。 4 、奥陶系下统( 0 1 ) 1 ) 砂岩夹砾岩( 0 1 8 8 坞) ：青灰色，粗细颗粒砂质结构，中厚层状构造，主要矿物 为石英、长石，岩质硬，性脆，节理发育，风化层层厚1 2 m ，强风化，级软石， a o = 5 5 0 k p a ，i v 级围岩；弱风化，级软石，a o = 8 0 0 - - - 1 0 0 0 k p a ，i i i 级围岩为主。 1 0 长安大学硕士学位论文 2 5 断裂、褶皱构造 2 5 1 断裂构造及其特征 区内以北东东向断裂最发育，次为北北西向( 稀少) 。断层性质以逆断层为多，正 断层较少。所有北东东向断层多具延长甚远的特征，与该单元总的构造方向一致。现将 两种不同方向断层分别叙述如下： ( a ) 北东东向断层组 本组断层分布在南部古生代及三叠系地层分布区，其特征是断层性质多为逆断层及 少许正断层，断层面倾角由南而北由西向东有由缓变陡的现象，形成时代均属白垩系末 南部地区褶皱隆起时期( 燕山运动) 的产物，主要包括如下几个断层： ( 1 ) 蒲家院一宋寺街南逆断层 为此次中部方案所涉及的断层，该断层切割震旦系、寒武系、奥陶系、志留系、二 叠系地层，全长5 0 k m ，在志留系地层中破碎带明显，宽度达1 0 3 0 m ，带内物质以碎裂 岩、断层角砾为主，断层泥少见，经物探验证仅在阜川养家河附近断层带宽度达l o o m ， 而在较硬的岩石中仅是不同时代、地层、直接接触，且多为老地层伏在新地层上面，该 断层在玉尼洞附近见破碎带明显，断面倾向北，倾角8 0 0 左右，而在西部宋寺街东南见 倾向北，倾角5 0 0 左右，断层线近东西延长，在西部宋寺街西4 k m 处交入元墩北一双河 寺逆断层中，在东部梁山一带被第四系地层所覆盖。 该断层在张家河上段，见有一条北西西向支断层，长仅7 k m ，切割震旦、寒武、奥 陶及志留系地层。 ( 2 ) 舒家土融一华山逆断层 为此次中南部方案所涉及的断层，近东西延长，切割震旦系、寒武系、奥陶系及志留 系地层，全长约6 0 k m ，破碎带明显，宽度达l o - - 4 0 m ，带内物质以碎裂岩、断层角砾为主， 断层泥少见，经物探验证在漆树坝隧道黄家岭附近断层带宽度达4 0 m ，在宁强白林驿见震 旦系直接伏于志留系上，断面倾向北，倾角3 5 0 ，断层两盘均有牵引褶皱形成，影响范围 达数百米，但均为小错动及挤压作用形成的次生褶皱，在志留系地层中，这种次生褶皱有 倒转现象，倒转轴面倾斜与大断层面倾斜一致，断层在东部华山一带倾角较陡。 另外，该断层在张家沟口南部，有两条支断层，长1 0 余公里，分别在不同地点与 蒲家院一宋寺街逆断层会合。 ( 3 ) 将军石正断层 第二章研究区概况 为此次宁强南侧线路方案部分涉及，近东西向，长仅1 0 余公里，分别在东西两端 消失于褶皱中，切割志留系与二叠系地层，主要依据是上二叠系与志留系直接接触，产 状相对，断层面倾向北，倾角8 0 0 ，为一北降南升的正断层。 ( 4 ) 华山一水田坪逆断层 为本次南部方案部分涉及，北东东一南西西向延长，切割震旦、寒武、奥陶系地层， 断层带破碎达1 0 余米，带内物质以碎裂岩、断层角砾为主，断层泥少见，部分地方仅 见老地层直接覆于新地层之上，经物探验证在南侧比较方案槐树岭隧道元地沟蒋家湾 一带断层带宽度约4 0 9 0 m ，东延与华山舒家坝断层合二为一，西延消失在钢厂一 黄坝驿背斜中，断层面倾向北西3 5 0 0 ，倾角7 0 0 - - 1 0 0 。 ( 5 ) 碗厂沟北侧正断层 为本次中部方案所涉及，切割二叠、志留系地层，并为两个褶皱不同时代的接触部 位，n 5 0 0 e ，断层面倾向南，倾角6 0 0 8 0 0 ，断层带破碎达1 0 3 0 m ，带内物质以碎裂岩、 断层角砾为主，断层泥少见，经物探验证在槐树岭隧道两河口一带断层带宽度约 2 0 8 0 m ，西延消失在梁山一宋寺街向斜中，东延消失在第四系地层中，在志留系地层 中物性反应不甚清楚。 ( b ) 北北西向断层 ( 1 ) 西沟正断层：出露于牢固关附近，切割震旦、寒武、奥陶、志留系地层，并 切割北北东断层，在曹家坝附近，破碎带宽达7 0m ，带内物质以碎裂岩、断层角砾为主， 断层泥少见，断层面倾向东，倾角近直立。经物探验证在牢固关隧道牢固关一四坪里一 线断层带宽度达4 0 , - - 6 0 m 。 ( 2 ) 大坝里隐伏逆断层：出露于梁山镇大坝里一后湾里一带，切割震旦、寒武、 奥陶、志留系等地层，并切割北北东断层，地表调查中未有明显表现，经物探验证在大 坝里后湾里一线，因第四系地层覆盖层较厚，物性反应不明显。 2 5 2 褶皱构造及其特征 本区为扬子准地台之大巴山元台拗褶断带，三级构造单元为镇一宁元台拗褶断束， 其范围在勉县一阳平关断层线以南大部分地区，为本次研究的重点范围。本区褶皱构造 极其发育，系由向西倾伏的复式背斜、向斜组成。其轴部在钢厂一黄坝驿之间，由震旦 系、寒武系、奥陶系、志留系等地层组成，主要特征是正常开阔同时伴有紧密的褶皱为 主，且封闭现象明显，部分呈短轴状，沿褶皱的封闭边缘，又有更次一级的褶皱形成， 1 2 长安大学硕士学位论文 因而在褶皱的封闭处，多构成花边状，一般由南向北被断层切割的现象逐步加剧，因而， 北部的褶皱大部处于肢离体散的状态。且这些地层随背斜、向斜的倾伏逐层在不同地点 封闭，总的倾伏角由东向西变陡，在7 0 , - 2 0 0 左右。 复式背斜中主要的次一级褶皱构造有数十个，现将与线路有关的褶皱构造分述如下： ( 1 ) 钢厂黄坝驿倾伏背斜 轴部与大背斜的轴部一致，在钢厂一黄坝驿间成北东东一南西西向，向西倾伏，倾 伏角7 0 , - , 1 0 0 ( 由东向西变大) ，由震旦，寒武，奥陶，志留，二叠系等地层组成，背 斜南翼为小李家坝龙头山向斜的部分北翼( 即从李家坝石马山一带) 的产状一致， 倾角略大，为1 0 0 - 4 0 0 ，北翼产状倾向北一北西3 5 5 0 ，倾角2 0 0 4 0 0 。 褶皱翼部次一级褶皱发育，随背斜的倾伏，震旦系、寒武系及奥陶系地层分别在元 坝，黄坝驿一带，逐层封闭，且在寒武、震旦系地层封闭地带常伴有次一级褶皱，且由 东到西，褶皱由开阔变为狭长。 ( 2 ) 宁强将军石向斜 向斜轴在宁强与将军石之间，轴部由三叠系泥质灰岩及猪肝色页岩组成，封闭在将 军石一带。南翼为铜厂黄坝鞍倾伏背斜之北翼，北翼被断层破坏，仅见志留系及部分 奥陶系地层，产状倾向东，倾角2 0 0 - - 2 5 0 不一，褶皱西延在宁强西部大包子一带被断层 破坏，东延会入背斜主轴，其中次一级褶皱发育，成波状起伏。 ( 3 ) 黑潭沟南侧一舒家坝一带被破坏的背斜 背斜轴成北东8 0 0 或近于东西延长，两翼均被断层切割破坏，保存不全，仅北翼在 黑潭沟一带保存较好，但西延至舒家坝该背斜被其南北侧断层会合而全部破坏，不复再 现。组成轴部地层为震旦系矽质灰岩，两翼保存较好地段，依次由寒武系至志留系地层 均可见及。但大部地段均已不清。同时该背斜内比较小的褶皱较发育，致使背斜被复杂 化，岩石产状，北翼倾向北一北西3 5 0 0 ，倾角2 0 0 , - - ，5 0 0 ，南翼倾向南一南东1 7 0 0 ，倾 角15 0 - - - - 3 5 0 。 ( 4 ) 梁山宋寺街复向斜 成北东东一南西西向，向斜在胡家坝以西被断层破坏剧烈，在梁山一带较完整，出 露地层由震旦系三叠系均见，并以三叠系组成轴部，且在梁山蒲家院一带轴部三叠系 及二叠系地层逐层封闭，形成花边状，西延为志留系地层代替。向斜北翼被断层破坏， 出露不全，南翼部分地方仍被破坏，但部分地方( 如胡家坝以南) 较完整，依次为奥陶， 寒武及震旦系组成。产状北翼向南，倾角2 0 0 - , 6 0 0 ，南翼向北，倾角2 0 0 - - - - 6 0 0 。 1 3 第二章研究区概况 该褶皱中再次一级褶皱发育，有梨树坝向斜、煎池沟脑漆树坝背斜、梁山一胡家 坝向斜，各次一级褶皱亦均被断层破坏，保存不全。该褶皱由其变化看，有由东向西又 开阔到紧密复杂的现象。 2 6 不良地质 研究区砂砾岩、灰岩等多表现为陡峻地形，山势高陡，页岩多为缓坡地形，地貌特 征明显，受褶皱、断裂构造的影响，不良地质较为发育，主要表现为滑坡、错落、危岩、 落石、崩塌、岩堆、泥石流、岩溶、基岩顺层、地震区等。现简述如下： ( 1 ) 滑坡、错落 主要分布于玉带河、养家河、朱家河等大型沟谷及其支沟两岸，多为堆积层滑坡为 主，多以大、中型滑坡为主，局部为巨型滑坡。多数目前呈稳定状态。其中在朱家河两 岸的调查中，发现两处滑坡目前处于活动状态，如图3 4 所示。本次线路方案均已绕避。 图3 4 ( a )滑坡体一图3 4 ( b )滑坡体二 图3 4 朱家河滑坡全貌 ( 2 ) 危岩、落石、崩塌 主要分布于高陡的灰岩、砂岩、砾岩山坡上，由于节理裂隙发育，在卸荷节理的作 用下，在硬质岩( 灰岩) 、较硬岩( 砂、砾岩) 高陡边坡上形成危岩，在雨水、风力等 物理条件及人为开采等作用下，在沟谷内形成落石或错落体。 ( 3 ) 岩溶 主要分布于灰岩地层中。从本次地面调查情况来看，主要表现为溶痕、溶隙、小型 溶洞等。在养家河、四平沟旁侧可见淘蚀溶洞，直径约2 m 。在d l 西线路进口左侧约8 0 0 m 处的黑风洞，有直径约1 2 m 的溶洞，长度大于2 0 0 m ，目前溶洞内无水，距离各拟定 线路较远，对方案选取影响不大。 1 4 鬻 长安大学硕士学位论文 ( 4 ) 基岩顺层 区内主要为一套沉积岩，且褶皱构造极为发育，沿沟谷两岸的裸露岩层，多存在顺 层问题，对路基挖方、桥梁工程、隧道进出口工程的稳定性极为不利，因此，将此条单 独列出。 2 7 水文地质条件 研究区地下水的形成、分布受地形地貌、岩性、构造、植被、降水量等多种因素控 制和影响。特别是在构造、岩溶作用下，岩溶发育带、断层碎裂带、软硬相间的岩性接 触带、节理密集带等，为地下水贮存和运移创造了良好的地质条件。地下水赋存类型主 要有碳酸盐岩岩溶裂隙水和碎屑岩类裂隙孔隙水。 研究区主要地层岩性有奥陶系下统砂岩、砾岩；志留系页岩及呈条带状分布的奥陶 系中上统灰岩等。赋存碳酸盐岩岩溶裂隙水和碎屑岩类裂隙孔隙水。受各地的地层岩性、 地质构造和地形等条件差异的影响，地下水的富水性很不均衡。一般在岩溶发育的石灰 岩及裂隙、层理发育的砂砾岩地区，入渗储存条件较好，地下水较丰富；而页岩分布区， 由于岩体裂隙不发育或被挤密充填，贮水空间非常有限，透水和储存条件较差，地下水 贫乏。据0 9 年l 、2 月份地表测流计算，地下水径流模数变化在4 7 2 4 - 1 2 9 7 2 5 m 3 d k m 2 之间。 区内地下水的补给来源主要是大气降水，次为地表水。地下水的径流状态主要受地 形地势的控制，一般由分水岭向河谷方向运移，即沿山坡向就近沟谷排泄，基本上与地 表水流方向一致，径流排泄是该区地下水的主要排泄方式。由于地势起伏较大，水力坡 度大，地下水的径流较短，水交替循环迅速，溶滤作用强烈而矿化作用微弱，致使本区 地下水化学类型单一，主要为h c o 广a 及h c 0 3 s 0 4 n a + k c a 型水，矿化度小于0 3 9 l ，p h 值约为7 - - - 8 3 ，呈弱碱性。 受长期构造变形、溶蚀作用、风化作用等影响，岩石构造破碎强烈，裂隙构造发育， 为地下水的形成和赋存创造了不同的结构构造条件，构成了不同的地下水类型及分布 区。根据岩性特征、介质中地下水的富水性及构造发育程度，将研究地区地下水划分为： i 区( 强富水区) 、i i 区( 中等富水区) 、i i i ( 弱富水区) 、i v 区( 贫水区) 等四个类型， 分述如下： ( 1 ) i 区( 强富水区，地下水径流模数大于5 0 0 0 m 3 d k m 2 ) 碳酸盐岩岩溶裂隙水受构造控制明显，在岩溶及构造发育部位，多形成局部强富水 第二章研究区概况 地段。灰岩与其它软硬相间的岩性接触带( 形成阻水型的富水构造) 、灰岩区断层带及 其影响带和褶皱核部等部位地下水富集，形成强富水区。 ( 2 ) i i 区( 中等富水区，地下水径流模数：1 0 0 0 - - 一5 0 0 0 m 3 d k m 2 ) 含水层岩性为二叠系、志留系、奥陶系、震旦系灰岩，属碳酸盐岩岩溶裂隙水。地 下水主要补给源为大气降水，次为地表水。因岩溶裂隙发育不均衡，富水性差异较大， 泉流量一般变化在1 0 - - i o o l s 。 ( 3 ) i i i 区( 弱富水区，地下水径流模数：1 0 0 , 一1 0 0 0 m 3 d k m 2 ) 含水层岩性为砂岩、砾岩等，属碎屑岩类裂隙孔隙水。地下水主要补给源为大气降 水，仅在局部河谷地段才有地表水的补给。但在构造发育及地表河流发育部位，形成局 部的中等富水地带。因含水层组为砂( 砾) 、页岩( 隔水层) 互层，且是多层结构，故 侵蚀基准面以上以无压层间水为主，以下为承压水。 ( 4 ) i v 区( 贫水区，地下水径流模数小于1 0 0 m 3 d k m 2 ) 页岩连片分布区。由于岩体裂隙不发育或被挤密充填，贮水空间非常有限，一般解 读为隔水岩层。但在构造发育及地表河流发育的部位，可形成局部的弱富水地带。 大巴山区的地下水在页岩地段主要为贫水区，砂砾岩地段主要为弱富水区，灰岩地 段主要为中等富水区。在页岩及砂砾岩地区的断层带、软硬相间的岩性接触带及褶皱核 部等构造部位主要为中等富水区，在灰岩地段的断层带、软硬相间的岩性接触带及褶皱 核部等构造部位主要为强富水区。 2 8 地震动峰值加速度分区及动反应谱特征周期参数分区 该区处于龙门山地震带影响之内，根据1 ：4 0 0 万中国地震动反应谱特征周期区 划图g b l 8 3 0 6 2 0 0 1 ( b ) 及g b1 8 3 0 6 - - 2 0 0 1 中国地震动参数区划图国家标准第1 号 修改单，本段地震动峰值加速度为0 1 0 9 ，相当于地震基本烈度，地震动反应谱特征 周期0 4 0 s 。 2 9 本章小结 研究区主要为一套沉积岩体，岩性主要为页岩、砂岩、砾岩、灰岩等，多成条带状 分布，局部成片状分布。区内以北东东向断裂最发育，次为北北西向( 稀少) 。断层性 质以逆断层为多，正断层较少。所有北东东向断层多具延长甚远的特征，与该单元总的 构造方向一致。