南呂梁山特長鐵路隧道工程地質選線關鍵問題研究

袁真秀，李彥軍，秦正貴

(中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133)

0 引言

鐵路工程地質選線方面的研究目前主要集中在地形地貌、工程地質與水文地質條件、區域斷裂帶以及不良地質與特殊巖土對線路的影響程度等方面，鐵路工程技術人員對這幾方面均進行了大量研究與實踐。如:李翔［1］在張唐鐵路穿越燕山山脈時提出了燕山越嶺隧道地質選線意見;許再良等［2］對兗石、膠新鐵路跨沂沭斷裂帶工程地質選線進行了研究;張振東［3］在蘭青二線選線中提出了從地質角度推薦下穿黃河右岸古滑坡群的青石關長隧道方案;曹化平等［4］在鐵路巖溶隧道工程地質選線研究中提出了巖溶隧道選線原則;楊昌義等［5］在成蘭鐵路地質選線中對汶川大地震近震源核心區開展了鐵路選線研究;孫波等［6］對西安至南京鐵路經過厚子鎮山前古洪積扇進行了選線研究。隧道工程地質選線關系到施工過程中的風險管理，意義非常重大。

在晉豫魯鐵路通道穿越呂梁山脈越嶺選線中，存在龍子祠泉域、霍西煤田煤層與采空區2個控制因素，查明這2個控制因素對隧道修建的環境與工程安全影響，是本線路越嶺選線的關鍵。與以往鐵路選線不同的是:本線路在平面上規避了以上2個控制因素，以直線段形式穿越呂梁山脈，極大地縮短了線路展線長度，降低了工程造價和避免了地質災害發生。

1 工程概況

晉豫魯鐵路通道是我國為促進經濟建設，緩解能源運輸“瓶頸”而建設的一條能源運輸通道。南呂梁山隧道是晉豫魯鐵路通道全線控制性工程，是單線雙洞隧道，左線長23 441m，右線長23 464.7m，位于臨汾市境內，穿越分水嶺呂梁山脈，從西部黃土粱峁地貌下坡進入東部臨汾盆地(見圖1)。

測區內廣泛發育中生界三疊系砂頁巖地層，古生界二疊系與石炭系砂頁巖、煤系地層，奧陶系碳酸鹽巖地層，其中二疊系和石炭系煤系地層存在多層可采煤層。隧道不可避免地要從霍州煤炭國家規劃礦區和鄉寧煤炭國家規劃礦區通過，測區內廣泛分布煤礦和采空區。

圖1 隧道越嶺平面圖Fig.1 Plan of mountain-crossing tunnel

奧陶系碳酸鹽巖地層屬可溶巖，在漫長的地質歷史中，該區形成了一個面積達2 250 km2的巖溶水泉域，學術上稱為“龍子祠泉域”。該泉域泉水在臨汾市以西的土門至龍子祠一帶山前出露，對臨汾市的工農業用水均具有重要影響。南呂梁山隧道不可避免地要從泉域通過(見圖2)。

圖2 龍子祠泉域平面圖Fig.2 Plan of Longzici spring

中國地質大學在20世紀80年代末期完成了《山西龍子祠泉及郭莊巖溶泉水系統研究報告》，20世紀90年代山西煤田地質144隊完成了泉域范圍內《喬家灣勘探區詳查地質報告》。這些參考資料均不能詳細提供隧道各比選方案的地質條件，研究各隧址區的地質條件與隧道的關系是選線勘察工作的關鍵。

2 工程地質選線關鍵問題

線路穿越呂梁山脈方案受2個因素控制:

1)龍子祠泉域控制。龍子祠泉位于山西省臨汾市西南13 km的西山山前，為臨汾市城市和工業用水的主要供水水源之一，對當地的經濟起著舉足輕重的作用。泉水的主要來源為奧陶系灰巖巖溶水，降水為巖溶水的唯一補給來源［7－8］。線路選線平面上應嚴格繞避泉域重點保護區，豎向上應位于奧灰巖溶飽水帶水位以上，最大限度減少線路對龍子祠泉域水流量及水質的影響。

2)霍西煤田及采空區控制。線路穿越山西重要煤田之一的霍西煤田，區內開采歷史悠久，可采煤有多層，大型采空區與私采小采空區很多。大量采空區的存在給隧道選線帶來一定困難，線路選線應嚴格繞避采空區。

在工程地質選線中，如何繞避采空區，優化穿煤段，并確保工程建設不破壞龍子祠泉域水環境，是決定工程是否可行的關鍵問題。

3 工程與水文地質條件研究

3.1 地層巖性

隧址區內古生界、中生界及新生界均有出露，但缺失古生界奧陶系上統、志留系、泥盆系、石炭系下統以及中生界的侏羅系、白堊系、新生界下第三系中新統。煤系地層為二疊系與石炭系砂頁巖，隧道穿越區對龍子祠泉域水環境影響較大，主要為奧陶系中統可溶巖灰巖和白云巖。

3.2 地質構造

測區西部受與線路大角度相交的五麓山經向構造帶控制，該構造帶大致呈南北走向，南北長約70 km，東西寬約15 km。紫荊山斷裂為其構造形跡，巖層向西傾斜35～75°。測區東部受與線路大角度相交的龍門正弦狀構造帶控制，該構造帶大致呈南北走向，南北長約58 km，東西寬10～20 km。發育多個次級褶皺的呂梁山復式向斜為其構造形跡，巖層產狀平緩，傾角一般不超過10°。

3.3 煤層與采空區

測區煤系地層厚約236m，含煤13層，煤層總厚約9.66 m，含煤系數為8.4%，主要含煤地層是二疊系下統山西組(P1s)和石炭系上統太原組(C3t)。其中，山西組(P1s)含煤4 層，從上往下依次是 1，2，2下，3#;太原組(C3t)含煤9 層，從上往下依次是 4，5，6，7，7下，8，9，10，11#;穩定可采煤層是 2，9，10，11#。

根據試驗資料，1，2，10，11#煤吸氧量約 0.7 cm3/g，2，9，10，11#煤火焰長度為 30 ～400 mm，最低巖粉用量大于50%。隧址區域煤層均具有煤塵爆炸性危險;1，2，10#煤自燃傾向性等級為Ⅱ級，屬自燃煤層;11#煤自燃傾向性等級為Ⅰ級，屬易自燃煤層。測區煤礦歷史上曾發生過瓦斯爆炸。

在測區西部，巖層傾角大，隧道不可避免地要正穿煤層。根據TB 10120—2002/J 160—2002《鐵路瓦斯隧道技術規范》［9］獨頭坑道瓦斯涌出量計算方法，考慮瓦斯時間衰減系數和煤的透氣性系數等因素，可計算出隧道正穿煤層絕對瓦斯涌出量為1.06 m3/min。從計算結果可以看出，正洞正穿煤層段絕對瓦斯涌出量大于TB 10012—2007/J 124—2007《鐵路工程地質勘察規范》［10］標準(0.5 m3/min)，正洞穿煤段具煤與瓦斯突出危險性。

在測區東部，巖層產狀平緩，煤層標高一般為900～1 400m，小范圍煤層標高變化不大。

按研究的越嶺方案，隧道主要受進口段小窯破壞區和下穿煤層段采空區影響。對線路有影響的小窯破壞區主要位于興樂煤礦北部邊界位置。在下穿煤礦段，各煤礦開采區標高為1 030～1 320 m。

3.4 龍子祠泉域

龍子祠泉域呈北東－南西向長條形展布，屬呂梁山脈南段東翼的一部分，地貌為構造剝蝕低中山區，地面標高為1 000～1 950 m。泉水屬巖溶水，主要含水層為厚310～550 m的奧陶系中統碳酸鹽巖。由于泉域北、西、南3面仰起，整體向東傾斜，巖溶水從北、西、南3面向東面低洼地匯集(見圖2)，在呂梁山脈與臨汾盆地交界處受到大斷裂限制，并被相對隔水的第四系山前堆積物阻擋，最終在臨汾市西邊土門至龍子祠一帶溢出成泉(見圖3)。

圖3 龍子祠泉成泉構造圖Fig.3 Forming of Longzici spring

大氣降水為巖溶水的唯一補給來源，補給方式有2種:第1種是在碳酸鹽巖裸露區，降水能直接沿著巖溶裂隙下滲，補給效果好，是泉域重點保護區;第2種是在奧陶系碳酸鹽巖上面覆蓋著幾百m厚的石炭系二疊系砂頁巖地層，降水需首先下滲通過此套地層才能進入巖溶水的垂直滲流帶，補給效果受到砂頁巖地層隔水效果的影響。

通過對泉域內深井和泉的水位觀測，分析后繪制巖溶水飽和水位控制性等高線圖(見圖2)。

4 工程地質選線

為繞避采空區，優化穿煤段，并確保工程建設不破壞龍子祠泉域水環境，綜合研究各種地質經濟條件后，確定了17個比選方案。選線過程中對這17個方案進行了經濟、技術及地質方面比較，經過大量的勘察和研究工作，直接排除了其中7個穿越采空區方案，對另外10個可選隧道方案進行了詳細的比選(見表1)。

表1 南呂梁山隧道研究方案表Table 1 Options of South Lvliangshan tunnel

為確定方案的可行性，南呂梁山隧道地質專項勘察工作采用區域資料收集與研究、專家訪問、物理探測、現場水文地質調繪與深孔鉆探相結合的綜合勘察手段對10個方案進行選優。具體方法是:在充分研究區域地質資料基礎上，廣泛調查、收集區域內的水井資料，走訪當地煤礦、水文地質專家，通過地質調繪與鉆探驗證，初步確定隧道能夠從煤層與采空區以下、龍子祠泉域飽和水位以上的地層中通過。

按照這一原則，排除方案1和方案10，其線路繞行爬坡，縱坡過大，不利于萬t列車通行;方案2，5，8與霍西煤田的采空區在標高上有交叉，無法排除能夠規避的風險;方案6和方案9能夠規避采空區，在巖溶飽和水位以上，但穿越煤系地層長度大，存在較多不確定因素;最終把奧陶系巖溶水飽和水位以上，煤系地層以下的越嶺長隧道方案3，4，7確定為可行性比選方案，同時確定在2個關鍵性因素中條件最優的方案3為推薦方案。

5 關鍵問題的解決

南呂梁山隧道在工程地質選線中，通過綜合勘察的方法進行線路勘察，特別是重點對龍子祠泉域、霍西煤田及采空區與隧道空間關系的勘察，最終確定方案3為選線方案。該方案在穿越紫荊山斷裂帶以最短距離通過薄煤層位置;在呂梁山復式向斜段創造性地確定隧道線路在煤層及采空區以下65 m，飽水帶水位以上70 m的狹長空間立體范圍穿越呂梁山脈，既躲避了采空區，又不會對龍子祠泉域水造成大的影響(見圖4)。

該隧道進口設在蒲縣化樂鎮昕水河河谷東側山坡，標高為1 057.48 m，隧道出口設在臨汾市堯都區岸溝西側坡腳，標高為764.78 m，全隧為綜合坡度12.51‰的下坡。進口段受五麓山經向構造帶控制，繞避了采空區，但需正穿 2，8，9，11#等煤層，由于巖層走向與隧道大角度相交(傾角約35°)，穿煤段較短，較容易通過。全隧大部分受呂梁山復式向斜控制，巖層產狀平緩，傾角一般小于10°，此段隧道下穿2個采空區，但高出洞頂最小距離大于150 m，最下部煤層高出洞頂最小距離大于73 m，煤層與隧道之間多為砂頁巖地層，巖體較完整，具隔水隔氣性。隧道位于龍子祠泉域垂直滲流帶內，地下水不發育，泉域巖溶水飽和水位低于隧道洞底最小距離大于70.6 m。

圖4 隧道與巖溶飽和水位、煤層采空區關系圖Fig.4 Relationship among tunnel，saturated karst water level and coal goaf

6 施工效果

截至目前，施工進行了1.5 a，經歷了2個豐水期，1，2，5#斜井均已經開挖至井底正洞，4#斜井、進口掌子面和出口掌子面進尺均已超過1 km。施工實踐證明，地勘資料是準確的，工程地質選線是正確的，隧道在目標地層中通過，繞避了采空區，優化了穿煤段，采空區和煤層對隧道建設影響較小，隧道洞底高出巖溶水飽和水位，隧道在巖溶水垂直滲流帶中通過，地下水不發育，工程建設對龍子祠泉域水環境影響甚微。

7 結論與建議

通過對南呂梁山越嶺隧道方案研究，充分認識到地質條件對工程地質選線的重要控制作用，只有明確線路水文與工程地質條件，才能結合技術、經濟、工期等因素綜合選線。南呂梁山隧道方案在研究勘察資料等基礎上是可行的，但由于龍子祠泉域具有疊瓦狀補給特征，地下水飽和水位具有不確定性，同時測區歷史上私挖亂采小煤窯嚴重，年代久遠，存在潛在采空區危險，需要在施工中高度注意并采取相應措施預防。在施工中應繼續對本課題進行研究驗證，可以更好地確定巖溶飽和水位，確定巖溶飽和水位的歷史變化曲線，能更好地指導地下水的合理開發利用，保證臨汾的工農業生產生活用水安全。

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