發鳩山隧道拗陷盆地地質特征及選線研究

曾憲明，王延濤

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

山西中南部鐵路通道為國家重點工程建設項目，起自瓦塘站，經山西、河南、至山東日照港，對落實國家中部崛起發展戰略，提高晉中南地區煤炭外運能力，保障國家能源安全供應具有重要意義。

發鳩山隧道為穿越沁河與漳河分水嶺發鳩山黑虎嶺的越嶺隧道，地處沁水盆地核心區，橫穿沾尚—武鄉—陽城北北東向復式向斜構造，雙線單洞，長14 573 m，最大埋深382 m。

沁水盆地為構造活動相對較弱的克拉通內斷陷盆地，為殘留型構造盆地，構造變形較弱，深部巖漿—熱事件明顯，燕山期以來(中、新生代)，華北板塊受太平洋板塊和印度與歐亞板塊碰撞遠程效應的影響而發生陸內造山，在沁水盆地內形成一系列既相互對立又相互協調的盆地—山脈或盆—嶺構造單元。喜山期，沁水盆地整體抬升，差別不等性上升，在褶皺山系中形成小規模的拗陷盆地，亦稱“山間拗陷”。

拗陷盆地為地槽發展到最后階段，普遍回返隆起過程中。由于差別不等性上升，地槽轉變成為褶皺山系中間所形成的內部陷落，盆地發育磨拉石建造、含鹽建造。

新生代形成的拗陷盆地，磨拉石建造(分選性差、磨圓度低的快速粗大碎屑沉積，厚度巨大，無遞變層理)發育，地層松散，工程地質條件差，水文地質條件復雜且獨特，隧道穿越拗陷盆地時，線位、高程易長距離走行在第四系松散地層及地下水位以下，存在極大的施工安全風險和環境水文地質風險。拗陷盆地的成因及地質特征對隧道平面線位、高程的選擇具有重要的理論與現實意義。

1 區域地質背景

沁水盆地為古生界基底上形成的構造盆地，東為太行山隆起，南為中條山隆起，西為呂梁山隆起，北為五臺山隆起，總體為近南北向的大型復式向斜，地質構造相對簡單，在盆地邊緣發育一些較大規模的斷裂，內部以次級褶皺為主(圖1)。

圖1 沁水盆地構造綱要

沁水盆地上元古代山西陸臺形成，古生代廣泛海侵，沉積前寒武系地層，加里東運動隆起，寒武系剝蝕，缺失上奧陶統、志留系、泥盆系、下石炭統地層，中生代末形成的構造盆地，沉積上石炭統，二疊系，三疊系地層，局部殘存侏羅系地層，喜山運動隆起，形成繼承性拗陷盆地及新生性拗陷盆地，新生界不整合覆蓋于盆地之上，厚度50～200 m(圖2)。盆地最深處奧陶系頂面深約2 500 m。

2 沾上-武鄉-陽城復向斜演化特征

沁水盆地是以元古界、太古界為盆地基底的大型寬緩向斜構造，即沾尚—武鄉—陽城復式向斜，在不同應力場下(圖3)，經多次改造，疊加褶皺特征明顯，地貌上表現為中低山、山間盆地。

燕山期，受NWW-SEE向擠壓，褶皺抬升形成沾上—武鄉—陽城寬緩向斜，形成沁水盆地基本格局。

喜山期，受NNE-SSW向擠壓，對沾上—武鄉—陽城寬緩向斜進行繼承性發展、改造、疊加，形成疊加褶皺，沿向斜軸部形成一系列拗陷盆地。

圖2 沁水盆地構造發展演化示意

圖3 沁水盆地各時期構造應力場

喜山中晚期，受NE-SW向擠壓，改造、疊加作用明顯，在沁水盆地南部山頂(高程1 000 m左右)形成串狀的拗陷盆地(圖4)。

橫水盆地為其中較大的拗陷盆地，控制山西中南部鐵路通道的平面位置及高程選擇。該盆地南與東峪盆地相鄰，北與王村盆地相鄰。

3 橫水拗陷盆地地質特征

橫水拗陷盆地位于沾尚—武鄉—陽城北北東向復式向斜軸部，盆地形成于喜山期中晚期，位于2個疊加褶皺間的向斜構造盆地，盆地基底為三疊系二馬營組(T1er)、和尚溝組(T1h)及劉家溝(T1l)組砂巖、泥巖互層地層，盆地內為第四系松散地層，覆蓋在三疊系地層上，斷層不發育。

根據勘探資料，盆地內第四系松散堆積層最厚100多m，磨拉石建造發育，二元結構特征明顯，底部礫石發育，基巖埋深起伏變化如圖5、圖6所示，地下水埋深3～5 m，周邊泉水發育。

圖4 沁水盆地南部拗陷盆地

圖5 橫水盆地基巖埋深等值線圖

盆地內大部分溝谷干涸或只有細流，地表水僅有橫水河，泉水主要出露有圪節溝泉、嶺底及北灣泉，其他為季節性泉水。含水地層主要為三疊系砂巖、第四系砂礫層，排泄方式主要沿泥巖順坡排泄，形成多層懸掛泉，水量較小，一般小于10 m3/d，地下水類型為松散巖類孔隙水及碎屑巖基巖裂隙水。

綜上，橫水拗陷盆地地質特征如下所述。

(1)疊加褶皺盆地，位于沾尚—武鄉—陽城北北東向復式向斜軸部，周邊斷層不發育。

(2)喜山期中晚期形成，第四系松散地層不整合堆積在三疊系地層上，磨拉石建造發育。

(3)盆地地下水發育，主要為第四系松散堆積孔隙水及三疊系砂巖基巖裂隙水。

4 橫水拗陷盆地工程地質選線

線位穿越沁河與漳河分水嶺——發鳩山黑虎嶺，受高程控制，需以隧道形式穿越，其間發育橫水山間盆地，盆地內居民聚集，飲用水主要依賴第四系松散堆積孔隙水，隧道走行在橫水盆地第四系地層內、地下水位以下，環境水文地質風險及施工安全風險極高。

橫水盆地無疑為控制線路方案的主要因素，鑒于橫水盆地為拗陷盆地，盆地周邊構造特別是斷層構造不發育，研究了中穿橫水盆地方案、北繞橫水盆地方案、南繞橫水盆地方案(圖7)。

圖6 橫水盆地地質剖面

圖7 發鳩山越嶺隧道方案比選示意

(1)中穿方案:DK443+700～DK448+150走行在橫水盆地內，地下水位較高。其中 DK443+700～DK445+400走行在土石分界內，水量較大，易塌方;DK445+400～DK448+150走行在第四系地層內，夾圓礫土，易塌方及涌水。隧道施工存在較大的安全風險(圖8)。

圖8 中穿方案地質剖面

隧道施工易引起地表泉井失水，對橫水居民飲用水影響較大，存在較大的環境水文地質風險。

該方案工程地質條件較差，應予以繞避。

(2)北繞方案:向北繞避了橫水盆地，隧道基本走行在基巖內，D1K448+300～D1K448+420走行在橫水盆地內，洞頂上部16 m為第四系圓礫及粉質黏土，地下水較大，易塌方;D1K456+610～D1K456+345走行在第四系地層內，夾圓礫土，易塌方及涌水。隧道施工存在較大的安全隱患(圖9)。

圖9 北繞方案地質剖面

隧道施工存在引起地表水及松散巖類孔隙水、圪節溝泉水、水井失水的風險，存在較大的環境水文地質風險。

北繞方案地質條件明顯改善，施工安全風險和環境水文地質風險大大改善，工程風險較小。

(3)南繞方案:向南繞避了橫水盆地，隧道基本走行在基巖內，完全繞避橫水盆地，D2K455+750～D2K456+310走行在沖溝成因的第四系地層內，夾圓礫土，存在塌方及涌水的風險。隧道施工存在一定的安全隱患(圖10)。

南繞方案完全繞避橫水盆地，隧道洞身走行在三疊系砂巖、泥巖基巖地層內，為碎屑巖基巖裂隙水;地表泉水分布較少，泉水出露點與洞身間分布多層隔水泥巖，加之橫水南側居民分布較少，隧道施工排水，對地表井泉影響甚微，基本不影響當地居民的生活及生產用水。

南繞方案地質條件得到本質上的改善，施工安全風險和環境水文地質風險很小。

從工程地質、環境地質及工程風險等方面綜合分析，南繞方案繞避了橫水盆地，洞身位于基巖中，水文地質條件較好，施工排水不會引起環境水文地質問題，總體地質條件好、施工風險小，該方案最優。

綜上，線路穿越拗陷盆地，不宜從盆地中央橫穿通過，鑒于盆地周邊構造特別是斷層構造不發育，可選擇沿盆地邊緣繞行通過。

5 結論和建議

(1)沁水盆地為克拉通內斷陷盆地，構造活動相對較弱，總體為一大型復式向斜。

(2)沾尚—武鄉—陽城復式向斜，在不同應力場下，經多次改造，疊加褶皺特征明顯，南部山頂(高程1 000 m左右)形成串狀的拗陷盆地。

(3)橫水拗陷盆地為疊加褶皺向斜構造盆地，位于沾尚—武鄉—陽城北北東向復式向斜軸部，斷層不發育;形成于喜山期中晚期，第四系松散地層不整合堆積在三疊系地層上，磨拉石建造發育;盆地地下水發育，主要為第四系松散堆積孔隙水及三疊系砂巖基巖裂隙水。

(4)線路穿越拗陷盆地，不宜從盆地中央通過，鑒于盆地周邊構造特別是斷層構造不發育，可選擇沿盆地邊緣繞行通過。

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