巖溶山區鐵路工程地質選線分析
——以宜萬鐵路野三關地區為例

李春紅

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,湖北 武漢　430063)

0　引言

工程地質選線是鐵路勘察設計中的一項重要工作。當一條鐵路的走向和主要技術標準確定后,地質條件就成為設計線路位置和各種建筑物的決定性因素之一[1-3]。

隨著國民經濟的發展,鐵路、公路等基礎設施建設向復雜山區延伸。隧道在穿越巖溶地區時,可能遭遇巖溶洞穴、暗河或管道流,發生大規模突水突泥,并可能引起地面巖溶塌陷,地表水源枯竭,引發嚴重的環境地質問題。特別是隧道一旦與大型暗河管道串通,易造成重大人身安全事故,后果十分嚴重。在復雜巖溶地區鐵路的建設和運營中,遭遇了多起突發性巖溶地質災害,付出過慘重的代價,而且誘發了嚴重的環境地質問題[4-5]。因此,巖溶地區線路位置的選擇應更加慎重。

宜萬鐵路是中國在地形、地質條件極為復雜的艱險山區修建的第一條高標準干線鐵路,其地質條件之復雜集“西南山區鐵路之大成”,建設條件之“艱、難、險”是目前中國山區鐵路建設歷史之最。其中,可溶巖占整個線路的70%,巖溶發育、突水突泥的風險程度、規模和工程處理難度為國內外罕見,工程極為艱巨,環境風險極大[4]。因此,為最大限度地降低巖溶地質災害風險,鐵路工程選線工作尤為重要。本文以野三關段為例,論述在復雜巖溶地區鐵路工程地質選線的原則、要點,巖溶地質問題的分析及線路的綜合比選。

1　巖溶區鐵路選線的關鍵地質問題

1.1　野三關隧道概況

野三關隧道是宜萬鐵路中的關鍵工程之一,全長13 846 m,最大埋深600 m,穿越了石馬壩背斜及二溪河向斜。背斜核部為志留系、泥盆系碎屑巖,兩翼為二疊系、三疊系灰巖(圖1)。其中,二疊系棲霞組、茅口組、吳家坪組、長興組,三疊系大冶組灰巖地層長度為8 772 m,占整個隧道的63.4%；志留系、泥盆系等碎屑巖長度為5 074 m,占整個隧道的36.6%。隧道共穿越11條斷層,發育有6條暗河及管道流。

1.2　巖溶區關鍵地質問題

巖溶地區控制線路的關鍵地質問題主要有:巖溶及巖溶水,大型不良地質體等。

1.2.1巖溶及巖溶水

在巖溶發育區,不僅地形地貌獨特,而且發育有埋藏的或隱伏的復雜巖溶。巖溶形態各異,規模大小不一,在空間分布和發育程度上通常是極不均一的。由于巖溶水循環的分帶性,使得巖溶具有垂直分帶性的特點。而且,還發現有深埋巖溶。

野三關段區域地勢北高南低,北部山區為區域分水嶺,南部清江為區域相對排泄基準面。磨刀河、二溪河、苦桃溪、支井河是小區域的地下水排泄基準面,地下水總體流向自北向南(圖1)。

志留系(S)及二疊系吳家坪組(P2w)與大冶組(T1d)底部的頁巖構成隔水層,棲霞組、茅口組、長興組、大冶組、嘉陵江組地層構成含水層。受碳酸鹽巖層組、層間分布的隔水層的限隔,各含水層組成相對獨立的溶隙—管道流系統。背斜各含水層中發育有6條主要管道流(表1)。其中,③號、④號暗河對隧道影響較大。隧道洞身以上水頭高度約為200～300 m,預測隧道最大涌水量為429 064 m3/d,正常涌水量114 747 m3/d。地下水埋深自北向南變淺,巖溶發育強度、富水程度由弱漸強。

圖1　野三關地區巖溶水文地質略圖

表1野三關段區主要暗河管道流特征

Table 1Characteristics of conduit flow of main underground river in Yesanguan area

編號地層補給面積/km2流量/(L·s-1)泄出標高/m①T1d3．392001112②P1m0．60201120③P1q，P1m14．5724．9～3798．71050④T1d8．354400(最大)880⑤T1d5．050．68～6531810⑥T1d1．75較小815

巖溶及巖溶地下水對鐵路工程的危害,主要表現為隧道突水突泥施工人員安全的影響，以及施工機具設備的破壞。

1.2.2大型不良地質體

宜萬鐵路野三關地區不良地質發育,以滑坡對選線影響最大?？刂凭€路方案的重大不良地質有廟嶺上滑坡、金龍坪滑坡、故縣坪滑坡等,上述滑坡規模大,滑層深,且欠穩定。例如,廟嶺上滑坡位于支井河左岸大冶組(T1d)中厚—薄層灰巖順層斜坡地段,巖層傾角38°～56°,滑體厚、規模大(圖2),控制線路方案的選擇,選線時予以繞避。

圖2　廟嶺上滑坡剖面示意圖

2　復雜巖溶區鐵路選線的原則

2.1　鐵路選線的一般原則

在上世紀六七十年代提出的“三十條”原則基礎上,經過近50年來的鐵路工程實踐、經驗積累,提出了“五條鐵路地質選線原則”。概括起來為[1,4]:

(1) 河谷選線；

(2) 大高差上地形臺階和高原面的高位選線；

(3) 越分水嶺選線；

(4) 超前開展大范圍區域地質勘察,綜合考慮越嶺隧道和兩端引線、活動性斷裂帶選線；

(5) 特殊巖土選線。

這五條地質選線原則體系了區域地質的觀念和實施地質選線的技術路線。

2.2　巖溶區鐵路選線原則

巖溶、巖溶水發育特征,反映了巖溶地區地貌、巖性、地質構造控制的疊合效應；大型不良地質體制約線路方案的可行性,甚至“一票否決”。因此,巖溶地區鐵路選線就是要抓住關鍵地質問題,同時兼顧其它要素。巖溶區的地質選線原則概括如下:

(1) 線路盡量選擇巖溶不發育、欠發育、相對弱發育的地層巖組區段,依次選擇非可溶巖→不純碳酸鹽巖→間互型碳酸鹽巖、純碳酸鹽巖中的有利部位等；構造穩定寬緩褶皺、構造簡單、斷裂欠發育的地塊；不利于巖溶、巖溶水發育分水嶺、補給區,鑒別選擇徑流區,避開排泄區,遠離暗河。

(2) 盡量避開可溶巖和非可溶巖的接觸帶。可溶巖和非可溶巖的接觸帶有利于地下水的富集,巖溶水的化學、物理作用強烈。線路方案應避開這些地帶,或大角度通過。

(3) 盡可能避開網狀洞穴和巨大空洞區。在巖層產狀平緩、質純、層厚,斷裂密集或交叉的地帶,或地形切割劇烈,且地表與暗河有水力聯系的地段,往往發育網狀洞穴或巨大空洞。在巖溶水排泄區附近,是巖溶和巖溶水最發育的部位,應盡量避開。而選擇在巖溶安全帶或垂直滲流帶內通過(圖3)。

圖3　巖溶安全帶示意圖

(4) 考慮選擇在地下水分水嶺地帶通過。巖溶水為適應橫向谷,做與構造線一致的縱向運動,而形成縱向巖溶水的地下分水嶺,此分水嶺與地表分水嶺或褶皺軸垂直,這些地帶巖溶和巖溶水相對不發育。

(5) 盡量往河流的上游靠。由于挽近期地殼上升、河流下切速度大于巖溶化速度,巖溶發育強度隨河流逆源方向而減弱。同時,越往上游,則河床標高越高,河谷越狹窄,可大大減少橋高、橋長。

(6) 盡量繞避不良地質體。對于大型滑坡、順層邊坡,往往治理難度大,投資大,留有安全隱患,最好“一票否決”。

(7) 方案比選采取“兩害相權,取其輕”原則。鑒于巖溶的復雜性、普遍性,線路難以躲避所有巖溶、巖溶水發育區和不良地質體,“差中選好”、“劣中擇優”,通過綜合比選確定線路方案。

3　野三關地區綜合地質選線

野三關地區為巖溶水文地質、工程地質極復雜的越嶺地段。為避免巖溶及巖溶突水問題，盡量繞避大型不良地質體。線路方案比選時研究了野三關北方案、野三關南方案、野三關取直方案,以及野三關北改善方案(A方案)、野三關南改善方案(B方案)和野三關大取直方案(C方案)等6個越嶺方案(圖4)。

圖4　野三關地區綜合選線方案示意圖

野三關北、野三關取直、野三關南三個方案均不同程度地存在巖溶、巖溶水問題,以南方案問題最大,北方案問題相對較少；三個方案均通過大型廟嶺上滑坡；野三關北方案中,隧道出口存在長約5 km自然順層坡高達600 m的順層地段,三個線路方案均存在關鍵地質問題,方案不可取。為此,研究了野三關北改善方案(A方案)、野三關南改善方案(B方案)和野三關大取直方案(C方案)。

(1) 方案A:線路位在最北端,接近長江、清江的分水嶺,穿越碎屑巖所占比例最高,巖溶水文地質條件相對較好；特高橋相對短、高度矮。但是,線路經過支井河右岸長大順層地段和故縣坪滑坡群。

(2) 方案B:線路位于區域的最南端,所經強巖溶化地層(T1d、T1j)最多,且都在徑流排泄區,巖溶、巖溶水發育強烈,巖溶水文地質條件復雜且跨支井河、野三河橋高達258 m。該方案巖溶、巖溶水文地質問題突出。

(3) 方案C:線路位于方案A、方案B之間,處在巖溶水的補給區、徑流區的過渡段,分布地層主要為志留系S碎屑巖及二疊系P、三疊系大冶組T1d、嘉陵江組T1j可溶巖,工程地質及水文地質條件也介乎上兩方案之間；線路最短且順直,沿線躲避了大型不良地質體。

(4) 綜合比選。①野三關大取直方案線路最短,投資最小,較野三關北改善方案短6.3 km,工程造價節省約2.6億元。三個方案的主要工程及造價列于表2。

表2　野三關段線路方案及主要工程與造價

② 野三關南改善方案線路位在南端巖溶水文地質極復雜的野三河北岸排泄區,巖溶水文地質條件最差,地質風險大，橋渡工程技術艱難,線路長、造價高。予以放棄。

③ 野三關北改善方案最大缺陷在于5 km順層地段未能完全擺脫其危害；故縣坪不良地質體群整治難度大。予以放棄。

④ 野三關大取直方案的野三關隧道相較較長,但整個線路最短、造價最省,避開了大型不良地質體。推薦方案。

4　結語

在復雜巖溶地區選線時,應把握線路的關鍵地質問題。在較大區域內,研究分析巖溶、巖溶水、不良地質體的發育、分布等的差異性,進而差中選好、劣中擇優,繞避大型不良地質體,選出地質條件相對較好線路方案。對降低施工、運營風險,減少投資具有重要意義。

參考文獻：

[1]易思蓉.鐵路選線設計[M].成都：西南交通大學出版社,2009.

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