張唐鐵路燕山越嶺隧道地質選線研究

李 翔

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300251)

1 概述

張唐(張家口—唐山)鐵路宣化至赤城段穿越燕山山脈剝蝕中低山,地形起伏大,山坡陡峻。區域內有開采歷史悠久的龐家堡煤礦區及象山銅礦等采空區控制線路方案選擇,山間盆地第四系松散覆蓋層較厚，含水量豐富，影響工程的安全,如何在地質復雜地段進行越嶺隧道方案比選,是張唐鐵路地質勘察的工作重點。勘察[2]過程中采用遙感判釋、大面積地質調繪方法[1]初步查明采空區分布范圍,然后通過大量物探、鉆探工作[3]重點查明山間盆地內第四系覆蓋層厚度和地下水性質,經過對燕山隧道南北兩個越嶺方案(花里越嶺方案、龍關越嶺方案)地質條件的綜合分析評價,最終為越嶺方案的選擇提出合理的地質選線意見。

2 區域地質特征

2.1 地形地貌

燕山隧道地勢總體呈馬鞍形,海拔高程在902～1 585 m,東西部為中山區,海拔較高,在1 300～1 500 m,山勢挺拔綿延,呈北北東向展布,山高坡陡谷深,地形急劇起伏,隧道區西部最高主峰摩天嶺海拔1 685 m,東部最高主峰海拔1 300多m。中部低山區內分布有山間盆地且第四系覆蓋層較厚,田家窯盆地海拔高程在1 060～1 200 m。該盆地寬緩開闊,地勢總體趨勢由北西向東南傾斜,地形起伏相對較小。測區水系多為季節性河流,屬白河水系的紅河支流。

2.2 地層巖性

低緩山坡多堆積第四系上更新統坡洪積(Q3dl+pl)新黃土,厚5～20 m,具Ⅰ～Ⅲ級自重濕陷性,山間盆地內為上更新統坡洪積(Q3dl+pl)黏性土和碎石類土,厚180～220 m,區域西南多為較厚的侏羅系上統(J3)沉積巖,巖性以灰綠色砂巖、礫巖為主,夾有多層煤層。其他中低山區出露為長城系高于莊組(Chg)、大洪峪組(Chd)和團山子組(Cht),主要巖性有灰白色中層白云巖為主夾少量灰色薄層白云質灰巖、灰黃色長石石英砂巖、黃綠色、紫紅色砂巖、頁巖、礫巖等。區域中北部大量出露太古代(Ar)黑云閃長片麻巖和燕山期(r52)侵入花崗巖。

2.3 地質構造

本區域位于Ⅰ級構造單元中朝準地臺的Ⅱ級構造單元燕山臺褶帶北緣,以新太古代的變質基底為主,大面積分布的中生代陸相火山—沉積建造為主。區域內以北北東—北東向斷裂為主,是區域內主要的控制性構造。北西向及近東西向斷裂的發育次之。其中近東西向斷裂形成較早,多被其他方向斷裂切割或改造；北西向斷裂規模較小,主要是配套構造,但活動較新。

隧道區內小的北東向和北北東向斷裂最為發育,未發現有深大斷裂,隧道區內褶皺構造不發育,多表現為斷層附近的牽引褶皺,而且規模較小。

3 隧道區域主要地質問題

經過對隧道區域調查,該區域內地質問題除滑坡、崩塌、巖堆、泥石流等問題外,影響方案選擇的主要地質問題為采空區、洞身長大地段松散地層及豐富的第四系孔隙水[1]。

3.1 采空區

區域內礦產資源豐富,主要礦產帶有兩處,一是區域西部南方案隧道進口端的龐家堡礦區,另一處為區域北部北方案的龍關礦區。見圖1。

圖1 隧道越嶺地段方案示意

龐家堡礦區以龐家堡煤礦、鉆山鐵礦、象山銅礦、白廟鐵礦等為主,龐家堡煤礦是開采歷史上百年的老礦區,煤層為上侏羅紀陸相沉積,厚度4～5 m,埋深70～120 m,煤質較優,具有較高經濟價值的工業用煤,目前基本開采殆盡,地表形成較多的塌陷區,線路進行繞避從其北側3 km處通過,對工程無影響。鉆山鐵礦和白廟鐵礦等均屬于龐家堡鐵礦區的一部分,鐵礦屬熱接觸變質鐵礦,以赤鐵礦為主,部分改造成磁鐵礦,礦體賦存于長城系串嶺溝組砂頁巖地層中,礦體厚度1～3 m,大部分埋深120～200 m,礦體開采方式為硐采復合井方式開拓,線路繞避對工程無影響。象山銅礦早在宋朝時就有開采記錄,地質勘探工作始于1956年,礦石實際開采高程1 330～1 438 m,開采方式為地下平硐開采,開采最大深度高程為1 020 m,線路穿越礦區,經過調整坡度在采空區下面穿過,隧道在該處埋深高程937.33～942.89 m,而該處采空區最深高程在1 020 m,隧道在采空區下面77～92 m通過,采空區對工程沒有影響,但應防止將來加深越界開采,同時隧道通過該區域時應小進尺及加強支護襯砌,以防止隧道涌水、掉塊及塌方。

龍關礦區以龍關鐵礦、柏木井鐵礦、茨營子南溝鐵礦、黃田鐵礦等鐵礦為主,主要分布在北方案北側3～6 km處,礦體賦存在長城系串嶺溝組頁巖之底部,礦物主要是磁鐵礦,其次是赤鐵礦,脈石礦物為含鐵石英砂巖及頁巖,開采方式為地下平硐開采,深度幾十米至幾百米不等,距線路較遠對工程無影響。

3.2 長大地段松散地層

隧道南方案CK58+020～CK61+950經田家窯附近為山間盆地,盆地內沉積較厚的第四系全新統坡洪積(Q4dl+pl)碎石類土和黏性土,碎石土成分以花崗巖、石灰巖、砂巖為主,充填砂礫及砂質粉土,沉積厚度達140～160 m,因為沉積年代較近,地層較松散,給隧道開挖支護造成較大困難,也易產生隧道塌方最大地質災害。見圖2。

3.3 豐富的第四系孔隙水

隧道南方案經田家窯山間盆地地段以5‰的坡度上坡,隧道埋深180～120 m,而該段第四系孔隙水埋深在15～35 m,勘察期間該段按間距500 m左右布置9個勘探孔,勘探揭示洞身范圍地層為第四系全新統坡洪積(Q4dl+pl)碎石類土,經對其中5個勘探孔孔內抽水試驗,計算洞身地層滲透系數分別為0.31、0.098、0.168、0.169、2.188 m/d,涌水量估算計算模型均采用無界非完整式,參閱《鐵路工程地質手冊》[4]。

圖2 南方案越嶺隧道斷面示意

科斯嘉科夫公式

落合敏朗公式

古德曼公式

大島洋志公式

以及經驗公式:q=0.025 5+1.992 4kH、經驗公式：Q=BK(0.676-0.06K)等。

參數的選擇：滲透系數去掉最大值2.188 m/d后選擇其平均值0.186 m/d，靜止水位至隧道等價圓中心的距離取140 m，含水體厚度取180 m，洞身碎石土分布長度按3 500 m,計算結果見表1。

該段洞身正常涌水量取值60 000～70 000 m3/d、最大涌水量取值120 000～150 000 m3/d。

表1 涌水量計算

由于洞身涌水量較大,給隧道施工止水帶來較大困難,易產生洞身涌水地質災害,同時對洞身上部各村鎮的生產、生活用水造成較大隱患。

4 越嶺隧道地質選線原則

結合燕山越嶺地段的地形地質特點,工程地質選線[2]應按以下原則進行。

(1)隧道應盡量繞避采空區及塌陷影響區不良地質地段,平面位置無法繞避時,盡量調整線路坡度從采空區底部一定安全距離下通過。

(2)隧道洞身應盡量從堅硬完整巖層中通過,盡量避開軟土、膨脹土及松散砂類土、碎石土等易產生變形塌方地段。

(3)隧道的選擇以不破壞自然環境為原則,尤其是不破壞地下水資源環境,不影響洞頂居民的生產生活用水。

(4)隧道的選擇應考慮施工開挖的難易程度,以不留隱患、不發生大的安全事故為前提。

5 隧道方案比選

5.1 兩方案地質條件比選評價

經過初設階段深入的勘察,從各隧道方案工程地質水文地質條件綜合分析,各隧道方案優缺點如下。

南方案(花里越嶺方案)隧道進口位置受龐家堡煤礦、象山銅礦影響只能從兩礦采空區之間狹窄的安全位置通過,雖然避開采空區影響但使線路長度增加,隧道洞身巖性以灰巖、砂巖、礫巖、花崗巖為主,巖性較好但斷層發育。該方案主要控制因素是CK58+020～CK61+950田家窯山間盆地內沉積厚度較大分布段落長的松散地層,地下水發育,給隧道施工造成較大困難,可能對周圍水文環境影響較大并存在一定的安全隱患。

北方案(龍關越嶺方案)工程地質及水文地質條件較好,隧道洞身巖性以太古代黑云閃長片麻巖和燕山期花崗巖為主,龍關、三岔口一帶分布較多鐵礦,但均在線路北側分布,對線路無影響,該方案斷層構造較少,更不存在洞身松散地層影響,屬優選方案。

通過物探測試及鉆探工作綜合分析后隧道洞身圍巖分級比較見表2。

表2 兩方案圍巖分級比較

由以上綜合分析不難看出,從工程地質角度,龍關越嶺方案優于花里越嶺方案。

5.2 社會經濟效益評價

由圖1隧道越嶺地段方案示意圖可以看出,兩方案起訖點為趙川站(CK42+200)和赤城站(CK101+800),起訖點兩方案基本無差別,隧道進口處龐家堡煤礦有專用線連接至張家口,鉆山鐵礦、象山銅礦、白廟鐵礦等為已開采廢棄礦區,主要差別位于越嶺隧道出口端,其中花里越嶺方案隧道出口設花里站(CK71+900),經濟覆蓋據點主要有花里鎮、田家窯、陳家窯等,該據點礦產資源貧乏以農作物為主,龍關越嶺方案隧道出口設龍門站(CIK75+200),經濟覆蓋據點主要有龍關鎮和三岔口鎮,兩鎮人口達9.2萬,占赤城縣人口的1/3,龍關礦區分布在隧道出口附近北側,為當地主要經濟支柱,推薦龍關越嶺方案對帶動當地經濟有重要意義。

其次,兩方案造價進行比較,單獨從越嶺一座隧道比較龍關越嶺方案隧道長21.085 km,比花里越嶺方案隧道長2.525 km,造價高7500萬元,但從起訖點趙川至赤城進行比較,花里越嶺方案比龍關越嶺方案線路長5.73 km,隧道三座總長度39.79 km,比龍關越嶺方案隧道(兩座33.36 km)總長度長6.43 km,工程造價增加2.25億元,由此可見,在社會經濟效益上龍關越嶺方案優于花里越嶺方案。

6 結語

(1)張唐鐵路穿越燕山山脈隧道越嶺方案,經過詳細的工程地質、水文地質及經濟、環境和安全性比選,最終提出龍關越嶺方案為推薦方案。

(2)長大隧道越嶺方案的確定,必須貫徹地質選線原則,對地質條件非常復雜地區,應把區域工作做好,綜合考慮影響線路方案的各種地質因素,同時線路方案的選擇還應考慮帶動沿線經濟發展和施工的安全以及不破壞自然環境等因素,通過多方案比選,選定地質條件較好的越嶺位置,以提高工程的合理性、經濟性和安全性。

[1] 鐵道第三勘察設計院集團有限公司. 張家口至唐山鐵路燕山越嶺地段地質加深工作工程地質勘察報告[R].天津：2009.

[2] TB10027—2001,鐵路工程不良地質勘察規程[S].

[3] TB10012—2007,鐵路工程地質勘察規范[S].

[4] 鐵道部第一勘測設計院.鐵路工程地質手冊[M].北京：中國鐵道出版社,1999．