重慶至昆明高速鐵路減災選線研究

陳明浩 張廣澤 付開隆

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

復雜艱險山區尤其是西南山區鐵路修建，面臨“地形高差顯著”“地質復雜多變”“構造活動強烈”的環境挑戰，不僅要克服高山深谷等困難地形，還要防范各類地質災害，且須滿足工程安全、經濟、環保等的目標要求。選線是統領鐵路工程設計的總體性工作，如何在規劃設計階段，從源頭上做好減災選線十分重要[1]。

1 線路概況

重慶至昆明高速鐵路位于我國西南地區的重慶市、四川省、貴州省和云南省境內，線路自重慶樞紐重慶西站引出，經重慶江津和永川區、四川瀘州和宜賓市、貴州畢節市、云南昭通和曲靖市后，接入昆明樞紐昆明南站渝昆場。正線建筑長度698.963 km，其中橋隧總長570.154 km，占線路總長的81.6%[2]。

2 區域地質條件

線路呈北東～南西走向，從高程300～700 m的四川盆地爬升至高程 1 900～2 450 m的云貴高原，重慶至筠連段位于四川盆地，筠連至昭通段位于高原斜坡地帶中山峽谷區，昭通至昆明段位于云貴高原。

沿線出露地層時代較齊全，巖性種類繁多。以碎屑巖、碳酸鹽巖為主，局部分布巖漿巖，巖性以砂巖、泥頁巖、灰巖、白云巖、玄武巖為主，可溶巖約占線路長度的20%。

研究區地處印度板塊與歐亞板塊碰撞縫合帶附近揚子亞板塊。四川重慶段跨川東高褶帶和川中平緩低褶帶，構造形跡主要為華鎣山帚狀褶皺束。云南貴州段處于川滇經向構造體系東緣與滇東“多”字型構造體系的結合部位，以北東、南北向構造最為明顯。

全線跨越河流分屬長江流域長江和金沙江水系。因第四系松散巖類分布不均，第四系孔隙水主要分布于沿線盆地及河谷中。基巖裂隙水主要分為碎屑巖類裂隙水和巖漿巖類裂隙水，碎屑巖類裂隙水主要賦存于砂巖中，巖漿巖類裂隙水主要賦存于玄武巖、凝灰巖等巖漿巖中，含水量相對較豐富。巖溶水主要賦存于碳酸鹽巖的溶孔、溶隙和溶洞中，富水性受巖性、巖溶、地質構造、地貌控制，含水量豐富。

沿線不良地質主要有地震及活動斷裂、煤層采空區及瓦斯、巖溶、危巖落石及巖堆、滑坡、泥石流、高地應力、順層、淺層天然氣、深切河谷岸坡、斷層破碎帶、軟質巖風化剝落[3]。其中崩塌、滑坡、泥石流、高烈度地震及活動斷裂、巖溶及巖溶水、采空區及煤層瓦斯為控制線路方案的主要工程地質問題。

3 主要工程地質問題

(1)崩塌、滑坡、泥石流[4]

全線崩塌主要分布在關河、洛澤河、白水江、灑漁河、牛欄江兩岸的陡峭山谷，或為巨厚層砂巖、灰巖陡崖，或為差異風化的砂頁巖互層地段，線路附近分布崩塌22處。滑坡主要分布于砂泥巖地區，在玄武巖受構造影響強烈地區亦有分布，灰巖地區數量相對較少，全線對線路影響較大的滑坡有7處。泥石流主要分布在東川的小江流域，共有溝谷型泥石流溝47條，以暴雨型重力類粘性陣性流最為典型，易對鐵路工程造成沖擊危害、淤埋危害及溝道下切危害等。

(2)高烈度地震及活動斷裂

線路通過的全新世活動斷裂(Q4)為小江斷裂帶東支的尋甸盆地東緣-小新街盆地西緣斷裂和西支的楊林-陽宗海西緣斷裂，通過的晚更新世活動斷裂(Q3)為昭通-魯甸斷裂等[5]。

小江斷裂帶是構成川滇菱形塊體東邊界的川滇南北向斷裂帶，該斷裂帶北起巧家以北，南至建水、個舊一帶，全長超過400 km，自蒙姑向南，分為東西兩支，大體平行向南偏西延伸，東、西支間隔15 km左右。斷層性質以左旋走滑為主，晚更新世早期以來的水平滑動速率為6～7.5 mm/a，全新世早期以來水平滑動速率為4.7～7 mm/a，全新世中晚期以來水平滑動速率為3.8～7.5 mm/a，具備發生7級以上強震的構造條件。

昭通-魯甸斷裂起于鹽津東南，向西南經彝良、昭通、魯甸、會澤，止于巧家以南小江斷裂帶東側，長150 km，總體走向35°～45°，傾向北西。斷裂錯斷了晚第四紀地層，具有晚第四紀活動性。

(3)巖溶及巖溶水

沿線可溶巖主要分布于三疊系(T)、二疊系(P)和石炭系(C)的石灰巖和白云巖中，泥盆系(D)、寒武系(∈)和震旦系(Z)中亦有分布。沿線通過碳酸鹽巖地段長約137.5 km，占線路長度的19.7%，其中雷口坡組(T2l)、嘉陵江組(T1j)、茅口組(P1m)、棲霞組(P1q)、石炭系(C)、上泥盆統(D3)、曲靖組(D2q)為主要可溶巖地層，影響鐵路工程的溶洞、落水洞、溶蝕洼地、隱伏溶洞、暗河等巖溶形態眾多，對鐵路工程的影響和危害主要體現在三個方面。一是隱伏巖溶洞穴對建筑物基礎穩定性的影響；二是巖溶地面塌陷；三是巖溶涌水對地下工程造成危害。

(4)采空區及煤層瓦斯

全線通過多套煤系地層，主要為上第三系(N)、三疊系上統須家河組(T3x)、二疊系上統宣威組(P2x)、下統梁山組(P1l)、石炭系下統大塘階舊司段(C1dj)地層，另外泥盆系中統曲靖組(D2q)亦含煤線。沿線大中型礦產資源主要集中在川滇省界的鹽津、筠連片區，云南省大關、彝良、昭通片區，具有開采歷史悠久，采空區普遍分布，大型礦床較多，面積廣、規模大、開采深、礦區交叉重疊等特點。煤礦采空區易發生變形、開裂及塌陷，對鐵路工程危害極大，線路已進行了繞避，目前對鐵路工程可能有影響的煤礦采空區主要為新廠煤礦、富康路煤礦等[6]。

隧道通過須家河組(T3xj)、宣威組(P2x)、大塘階舊司段(C1dj)可采煤層的長大隧道工區多為高瓦斯工區，應加強超前地質預報和防瓦斯措施；通過其他含煤線，薄煤層，劣質煤的煤系地層隧道工區多為低瓦斯工區；通過夾炭質頁巖地層隧道工區多為微瓦斯工區。瓦斯對工程的主要危害是其可燃性和爆炸性，其次為其窒息性和毒性，直接威脅隧道施工和運營安全。

4 減災選線研究

4.1 大高差上高原面減災選線

高縣至昭通段位于云貴高原北部斜坡地帶，關河、洛澤河、灑漁河、白水江等河谷深切，山坡陡立，褶皺構造強烈，軟硬巖層相間呈條帶狀展布，地形地質條件復雜，結合煤礦采空區、可溶巖分布、滑坡、巖堆、危巖落石等不良地質，研究了5個線路走向方案[7]，方案走向示意如圖1所示，5個方案工程地質條件綜合對比如表1所示。

圖1 高縣至昭通段方案示意圖

表1 高縣至昭通段方案工程地質條件綜合對比表

控制線路走向方案比選的地質因素為河流峽谷區斜坡中、下部極為發育的不良地質，特別是危巖落石對高速鐵路全壽命周期的危害，經筠連鹽津(黃草)方案避開了河流峽谷區、煤礦采空區及巖溶富水區，采用高墩大跨橋梁、超長深埋隧道、長大坡度的“高位線位”快速爬升到高原面，避免了其他4個方案沿河谷爬升，受斜坡重力不良地質的嚴重影響，推薦線路順直的經筠連鹽津(黃草)方案。

4.2 活動斷裂帶減災選線

(1)會澤至尋甸段方案比選

測區主要經濟據點為昆明市的東川區，結合地形條件、小江活動斷裂、東川泥石流等控制因素研究了經東川和經田壩2個方案，如圖2所示。經東川方案大范圍通過小江活動斷裂東支的地震次生地質災害帶，山體多為規模巨大且穩定性極差的震裂巖體(群、帶)，溝谷斜坡穩定性極差，泥石流多發，分布巨型滑坡7處、高度危險以上泥石流溝12條，深大斷裂22條，平行小江活動斷裂長度約30 km。經田壩方案雖然未通過東川城區，但避開了小江活動斷裂的震裂巖體和地震次生地質災害帶，地質條件明顯改善，推薦經田壩方案。

圖2 會澤至尋甸段方案示意圖

(2)尋甸至嵩明段方案比選

控制線路方案的主要工程地質問題為小江活動斷裂及尋甸、小新街、嵩明、楊林拉分盆地內深厚軟土、松軟土層。結合尋甸和嵩明等經濟據點研究了4個線路方案，如圖3所示。經羊街、楊橋方案通過小江活動斷裂交叉部位，通過尋甸盆地和嵩明盆地深厚軟弱土層長度約26 km；經塘子、楊橋方案通過小江活動斷裂交叉部位，通過尋甸盆地和嵩明盆地深厚軟弱土層長度約23 km；經易隆、小街方案通過嵩明盆地深厚軟弱土層長度約17 km；經易隆、羅榮莊方案在楊林盆地較窄處通過深厚軟弱土層，主要以路基工程大角度通過小江活動斷裂。推薦經易隆、羅榮莊方案。

圖3 尋甸至嵩明段方案示意圖

4.3 巖溶區減災選線

(1)迤車至會澤段方案比選[8]

結合巖溶發育及分布情況，研究了沿高速公路和遠離高速公路2個方案，如圖4所示。沿高速公路方案以隧道工程通過可溶巖長度16.3 km，其中隧道洞身約4 km位于巖溶水水平徑流帶內；遠離高速公路方案以隧道工程通過可溶巖長度2.6 km，且隧道洞身位于巖溶水垂直滲流帶上。沿高速公路方案大范圍通過巖溶強烈發育區和巖溶水富積區，隧道涌水、突泥風險大，遠離高速公路方案大角度通過巖溶發育區，推薦遠離高速公路方案。

圖4 迤車至會澤段方案示意圖

(2)會澤至田壩段方案比選

結合沿線地形條件、可溶巖分布等控制因素研究了沿高速和取直2個方案，如圖5所示。取直方案以長度18 km的長大隧道通過可溶巖長度11.2 km；沿高速方案以明線工程通過可溶巖長度1.2 km。取直方案大范圍通過巖溶強烈發育區和巖溶水富積區，長大隧道輔助坑道條件差，易遭遇隧道涌水、突泥危害，沿高速公路方案位于可溶巖之上的玄武巖(P2β)蓋層內，巖溶及巖溶水風險低，推薦沿高速方案。

圖5 會澤至田壩段方案示意圖

(3)筠連至鹽津段方案比選

線路大角度通過鹽津長溝，分布5段可溶巖，對線路縱斷面在鹽津長溝是否透氣進行了長、短隧道2個方案的研究，如圖6所示。短隧道方案線路在鹽津長溝處透氣，設人字坡滿足順坡排水條件，采用橋梁工程跨越鹽津長溝，降低了巖溶隧道工程風險，推薦短隧道方案。

圖6 筠連至鹽津段方案示意圖

4.4 崩滑泥區減災選線

以小龍潭橋位方案比選為例。小龍潭河屬于洛澤河支流，河谷兩岸地形陡峻，灰巖等硬質巖形成懸崖峭壁，危巖落石極為嚴重，砂頁巖等軟質巖多為槽谷，坡腳發育巖堆，上游還分布有彝良縣筍葉聯營煤礦、野牛塘煤礦，主要研究了小龍潭上游橋位、中游橋位和下游橋位3個方案，如圖7所示。小龍潭上游橋位方案通過巨型滑坡和小煤窯采空區；中游橋位方案橋墩位于順層巖質邊坡，前緣河流下切臨空，極易發生順層滑動；下游橋位方案繞避了危巖落石集中分布地段，并下穿昭陽區新廠煤礦，推薦下游橋位方案。

圖7 小龍潭橋位方案示意圖

4.5 特殊巖土區減災選線

對線路方案及工程設置影響較大的軟土、松軟土主要分布于昭通斷陷盆地內，結合昭通市城市規劃、機場限高等控制因素研究了G85高速公路外側設站、老機場與G85高速公路間設站、靠城市側設站3個方案，如圖8所示。靠城市側設站方案通過深厚軟土、松軟土長度約15 km；老機場與G85高速公路間設站方案通過深厚軟土、松軟土長度約8.2 km；G85高速公路外側設站方案位于盆地邊緣，老窯采空區對昭通東站有一定影響，但完全繞避了軟土、松軟土的分布范圍。鑒于線路通過深厚軟土、松軟土時，沉降變形不宜控制，推薦G85高速公路外側設站方案。

圖8 昭通站位方案示意圖

5 減災選線原則

(1)大高差上高原面減災選線

提前離開地質條件復雜的河流峽谷，采用高墩大跨橋梁、長大隧道爬高，盡早上高原面，避免河谷重力不良地質體對鐵路工程的危害。

(2)活動斷裂帶減災選線

線路應繞避Q3/4活動斷裂帶及其次生災害發育區，難以繞避時，應避開斷層帶的端點、拐點、交叉點等部位，選擇斷層寬度較窄處或活動性相對較弱的位置或被動盤，以易于修復的簡易工程大角度通過。

(3)巖溶區減災選線

選擇巖溶及巖溶水發育相對較弱的位置通過，是鐵路工程巖溶地區減災選線的基本原則和出發點。線路應繞避巖溶強烈發育地帶，選擇在非可溶巖地層、巖溶相對不發育或發育微弱的地段大角度通過；越嶺巖溶隧道應選擇抬高線路標高，盡量從巖溶水垂直滲流帶內通過，并具備隧道順坡排水條件；傍山與河谷地段的巖溶隧道應盡量靠近河邊并高于巖溶水雨洪期排泄高程，選擇在巖溶安全帶通過。

(4)崩滑泥區減災選線

線路應繞避大(巨)型滑坡、錯落、崩塌、巖堆、危巖落石、溝河谷(順層)不穩定斜坡、泥石流等不良地質體集中或成群發育分布地段。繞避困難時可采用橋梁跨越或隧道下穿通過。

(5)采空區減災選線

鑒于高速鐵路無砟軌道對沉降變形控制要求嚴格，對于大面積地下開采的煤礦采空區，線路應進行繞避，并將鐵路工程設置在移動盆地外一定距離。

(6)特殊巖土區減災選線

在膨脹土(巖)、軟土等地區，在查清分布區域和特性的基礎上，確定繞避的可行性及無法繞避時的最佳線路方案。

6 結論

重慶至昆明高速鐵路跨四川盆地、云貴高原及高原斜坡過渡段，穿小江活動斷裂帶，地形地質條件極為復雜，崩塌、滑坡、泥石流、高烈度地震及活動斷裂、巖溶及巖溶水、采空區及煤層瓦斯構成了控制線路方案的主要工程地質問題。在現場地質勘察及相關地質專題研究工作的基礎上，提出了大高差上高原面、活動斷裂帶、巖溶區、崩滑泥區、采空區、特殊巖土區高速鐵路減災選線原則，合理確定了高縣至昭通、會澤至尋甸等8段線路方案，最大程度降低了小江活動斷裂帶、巖溶及巖溶水、東川泥石流等對鐵路工程的影響，地質選線效果顯著，對控制建設風險、降低工程投資、確保運營安全起到了重要作用。