興山東深埋隧道地質選線方案研究

摘要 宜興鐵路興山東深埋隧道作為宜興鐵路重點控制性工程，是艱險復雜山區(qū)可溶巖夾碎屑巖地層深埋隧道的典型代表，其方案選擇主要受到巖性組合、地質構造、巖溶及巖溶水、高地應力、軟巖大變形五個地質控制因素影響，因此有必要從工程地質條件角度研究，為宜興鐵路選線工作提供理論支撐。文章綜合不同平面和不同縱坡立體空間，從可溶巖與炭質頁巖兩大主要控制因素考慮，初步選定了穿越興山地區(qū)線路方案，總結了可溶巖夾碎屑巖地層“繞避發(fā)育區(qū)、少穿可溶巖、繞避極軟巖、少穿軟巖區(qū)”的地質選線原則，指導了鐵路選線工作。

關鍵詞 艱險復雜山區(qū)；可溶巖夾碎屑巖；深埋隧道；選線

中圖分類號 U212.32 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）06-0051-03

0 引言

宜興鐵路位于湖北省鄂西地區(qū)，巖溶與巖溶水不良工程地質問題突出。對巖溶地區(qū)隧道工程選線及工程設計國內外學者一直致力于從理論和實踐方面進行研究。李雯[1]等在2104年依托黔張常鐵路提出了巖溶地區(qū)鐵路選線“線路盡量繞避巖溶區(qū)或以最短距離穿越、對巖溶危害要避重就輕、以安全高度跨越巖溶區(qū)”三大基本原則。畢煥軍[2]在2020年針對黔張常鐵路全面系統(tǒng)查明區(qū)域內巖溶和巖溶水的發(fā)育特征及分布規(guī)律，確定重點工程設置的位置和高程。王子江[3]等揭示了復雜巖溶區(qū)控制高速鐵路選線的巖溶致災因子及災害風險類型。張羽軍[4]等通過巖溶發(fā)育情況及巖溶水的量化研究，為成貴鐵路線路方案選擇和工程治理可行性提供了依據(jù)。陳長生[5]等以滇中引水工程香爐山隧洞比選為依托，確定了盡可能穿越巖溶區(qū)距離短、遠離巖溶大泉排泄區(qū)、高程上從巖溶發(fā)育相對微弱帶通過、地下分水嶺邵位穿越等巖溶區(qū)選線思路。姐保峰[6]則研究了線路方案的定量化評價方法，并對計算機輔助決策系統(tǒng)進行探索性研究，以期提高巖溶區(qū)選線決策的科學性和合理性。作為宜興鐵路的控制性工程，興山東隧道方案的合理選定將直接決定宜興鐵路的線位走向。該文采用綜合不同平面和不同縱坡立體空間的分析方法，對宜興鐵路選線工作進行了研究。

1 興山東隧道地質概況

1.1 地形地貌

興山東隧道位于湖北省西部鄂西山區(qū)，屬于深切割中低山至低中山峽谷地貌，山脈走向總體呈近北東向展布。山頂高程多在1 200～1 600 m，區(qū)域內峰巒連綿，河谷狹窄，岸坡陡峭，地形切割強烈，地形條件較差，峰頂最大高程為仙女山1 642.5 m，河谷侵蝕基準高程為寒溪河221.2 m，相對高差1 400 m左右。興山東隧道沿線地表巖溶發(fā)育，可分為二級臺地（剝夷面），為侵蝕基準所割裂控制。第一級剝夷面主要位于仙女山山脊段，地面標高為1 400～1 800 m。第二級剝夷面位于林家山、黃糧鎮(zhèn)等地，地面標高為900～1 150 m。兩級夷平面之間、夷平面與溪谷間多以陡崖和陡坡相接。

1.2 地層巖性

興山東隧道位于揚子地層區(qū)黃陵背斜和姚家溝復式向斜連接處，地表第四系全新統(tǒng)殘坡積層以片狀、帶狀間斷分布于緩坡、臺面地帶，分布極不穩(wěn)定。沿線出露地層主要為震旦系～三疊系淺海相陸源碎屑和碳酸鹽巖交互地層，主要為灰?guī)r、白云巖、白云質灰?guī)r、灰泥巖、石英砂巖，石英巖、細砂巖、含炭質頁巖、粉砂質頁巖、冰磧礫巖等。興山東隧道穿越可溶巖和碎屑巖交互地層區(qū)，隧道埋深大，方案主要受志留系砂質頁巖、炭質頁巖、奧陶系和寒武系碳酸鹽巖巖性影響。

1.3 地質構造

1.3.1 斷層構造

興山東隧道地質構造發(fā)育，以斷裂構造為主，褶皺一般發(fā)育，主要斷裂有近東西向、南北向和北西向斷裂，以界牌埡斷裂為代表的近東西向斷裂最發(fā)育。界牌埡斷層沿近東西向展布，延伸長度24 km，斷層傾向南側，傾角在60°以上。西段萬家灣一帶寒武覃家廟組白云巖受到強烈擠壓，巖石破碎，角礫細小，多為滾圓狀定向排列。中段界牌埡一帶地層水平斷距大，以剪切扭動為主，巖層擠壓破碎不甚發(fā)育。東段吳家坡一帶擠壓破碎寬達20 m，有糜棱巖帶、角礫巖帶及破碎巖帶組成。興山東隧道斷層構造位置巖體破碎，裂隙發(fā)育，容易成為地表水下滲入隧道洞身的通道。

1.3.2 節(jié)理裂隙

興山東隧道地區(qū)發(fā)育三組裂隙，一是受地層巖性控制的層面裂隙，總體傾向北西，走向該組裂隙延伸性好，但張開性差；二是縱張裂隙，總體沿地層走向呈北東向展布，走向40～60°，傾角陡一般gt;60°，其張開性和延伸性都較好；三是橫張裂隙，總體垂直地層走向呈北西向展布，走向310～330°左右，傾角陡一般gt;50°，其張開性和延伸性都中等。縱張裂隙和橫張裂隙呈“X”型展布，基本控制了該區(qū)巖溶暗河和溝谷的展布方向，其展布方向與兩組節(jié)理裂隙走向基本一致。興山東隧道地表水多為溪流水，且下伏基巖節(jié)理裂隙發(fā)育，地表水體及基巖裂隙水易長期沿裂隙下滲進入隧道，地下水較發(fā)育，影響巖體穩(wěn)定，易發(fā)生掉塊及小型坍塌。

1.4 地應力

興山東隧道區(qū)域實測地應力最大水平主應力方向為N71°W，最大水平主應力方向與興山東隧道軸線方向（約NNW335°）的夾角36°。興山東隧道洞身最大埋深約1 230 m，碎屑巖段粉砂巖、頁巖的天然密度約26.3～27.3 kN/m3，弱風化粉砂巖、頁巖的飽和抗壓強度Rc為10～20 MPa。采用工程巖體分級標準判別法判定，興山東隧道有產(chǎn)生Ⅰ、Ⅱ級軟巖變形的可能，仙女山地段有產(chǎn)生Ⅲ級軟巖變形的可能。

2 方案研究

2.1 地質選線原則

（1）興山東隧道穿越可溶巖和碎屑巖交互地層區(qū)，寒武系、奧陶系地層巖溶發(fā)育，巖性相對較純，線位方案盡量饒避發(fā)育區(qū)，少穿巖溶區(qū)，盡可能從碎屑巖條帶穿過。

（2）興山東隧道埋深大，最大埋深可以達到1 230 m，隧道洞身易存在高地應力和軟巖變形問題，線位方案盡量饒避極軟巖，少穿軟巖區(qū)，盡可能減少變形問題。

2.2 方案選線研究

2.2.1 方案選擇

興山東隧道穿越興山巖溶和碎屑巖互層區(qū)域。為了減少穿越巖溶區(qū)，同時減少軟巖大變形問題，該次隧道地質選線從平面和縱斷面空間立體角度進行了研究。在滿足少穿巖溶區(qū)，減少涌水突泥風險的條件下，平面位置根據(jù)志留系碎屑巖條帶厚度邊界可以分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個方案，其中Ⅰ為碎屑巖條帶左邊界方案，Ⅱ為碎屑巖條帶中間方案，Ⅲ為碎屑巖條帶左邊界方案。在滿足盡量少穿越炭質頁巖、減少軟巖大變形風險的條件下，縱斷面根據(jù)可溶巖與碎屑巖地層分界線高度可以分為6‰、20‰和30‰三個方案，其中6‰為線位于志留系和奧陶系分界線方案、20‰為線位于中間位置方案，30‰為穿越碎屑巖最長方案。通過排列組合，重點對該不同組合下9個方案的碎屑巖、炭質頁巖、碳酸鹽巖、巖溶水發(fā)育段的長度和比例進行了分析和比較。

2.2.2 方案研究

結合區(qū)域地質資料，通過現(xiàn)場實地調繪，核實和確認了興山東隧道區(qū)域斷層構造、可溶巖與碎屑巖巖層分界線，測量了各地層巖層產(chǎn)狀。沿著線位方向，從隧道進口至出口選取了垂直線位走向，重點為穿越碎屑巖條帶段起終點位置內典型代表性7個橫斷面，繪制興山東隧道橫斷面圖，對隧道洞身位置地層進行分析，其中圓點代表隧道洞身，陰影區(qū)域為碎屑巖，實體區(qū)域為炭質頁巖，其余為可溶巖。

興山東隧道A-A’地質橫斷面位于隧道進口起始位置，不同方案平縱斷面重合，線位均穿越寒武系三游洞組（∈3sn）純碳酸鹽巖。

興山東隧道B-B′地質橫斷面不同方案平面位置重合，不同縱坡方案縱斷面開始分離，線位均穿越志留系新灘組（S1x）泥質粉砂巖碎屑巖區(qū)。

興山東隧道C-C′地質橫斷面（如圖1所示）不同方案平面位置分離，30‰縱坡方案隧道洞身巖性開始穿越志留系羅惹坪組（S2lr）粉砂質頁巖，6‰縱坡方案和20‰縱坡方案隧道洞身距離較近，均穿越志留系新灘組（S1x）泥質粉砂巖碎屑巖區(qū)。

興山東隧道D-D′地質橫斷面不同方案平面、縱斷面位置均分離，不同方案隧道洞身巖性仍穿越志留系碎屑巖區(qū)。

興山東隧道E-E′地質橫斷面（如圖2所示）不同方案出現(xiàn)明顯區(qū)別，30‰縱坡方案隧道洞身巖性穿越志留系碎屑巖區(qū)，20‰縱坡方案隧道洞身開始進入志留系龍馬溪組（S1ln）含炭質頁巖，6‰縱坡方案主要位于奧陶系南津關—紅花園組（O1n+h）純灰?guī)r區(qū)。

興山東隧道F-F′地質橫斷面不同方案均進入奧陶系地層，30‰、20‰縱坡方案隧道洞身巖性主要穿越奧陶系大灣組—廟坡組（O1d-O2m）灰?guī)r夾頁巖區(qū)，6‰縱坡方案主要位于奧陶系南津關—紅花園組（O1n+h）純灰?guī)r區(qū)。

興山東隧道G-G′地質橫斷面位于隧道出口結束位置，不同方案平縱斷面重合，線位均穿越寒武系覃家廟組（∈2qn）可溶巖區(qū)域。

根據(jù)興山東隧道地質橫斷面圖，不同平面位置9個方案穿越各地層的情況如表1所示。

興山東隧道穿越炭質頁巖及純碳酸鹽巖地段長度，均為控制方案的主要因素。通過對興山東隧道不同縱坡和平面位置方案研究，可以看出：

（1）20‰縱坡左。邊界方案、30‰縱坡左邊界方案和中間方案三個方案隧道洞身穿越的碳酸鹽巖長度最短，有利于減少巖溶和巖溶水問題，減少隧道施工風險。

（2）20‰縱坡左邊界方案和30‰三個縱坡方案隧道穿越純碳酸鹽巖長度最短，最大可能性繞避了巖溶強發(fā)育區(qū)，減少了突涌水發(fā)生的可能性。

（3）6‰縱坡右邊界方案、20‰縱坡左邊界方案和30‰縱坡右邊界方案三個方案隧道洞身穿越的炭質頁巖長度最短，有利于減少軟巖大變形問題，同時炭質頁巖有可能存在瓦斯等有害氣體，能夠減少有害氣體帶來的施工風險。

根據(jù)對9個方案的綜合分析，從地質選線角度該次推薦采用20‰縱坡左邊界方案。

3 結語

宜興鐵路興山東深埋隧道穿越湖北鄂西地區(qū)，是艱險復雜山區(qū)可溶巖夾碎屑巖地層深埋隧道的典型代表。通過對興山東隧道6‰、20‰和30‰三個不同縱坡和碎屑巖條帶左邊界、中間和右邊界三個不同平面共計9個方案，從立體空間角度對興山東隧道穿越的可溶巖和炭質頁巖長度進行統(tǒng)計分析，從地質角度考慮選取了穿越巖溶區(qū)尤其是純碳酸鹽巖長度和炭質頁巖長度相對較短的20‰縱坡左邊界方案。興山東隧道方案的工程地質選線研究總結了線位穿越可溶巖夾碎屑巖地層應盡量“繞避發(fā)育區(qū)、少穿可溶巖、繞避極軟巖、少穿軟巖區(qū)”，其理論對同類型山區(qū)鐵路，尤其是穿越可溶巖夾碎屑巖地層鐵路，具有重要的理論意義和借鑒意義。

參考文獻

[1]李雯， 寧欣然， 尹紫紅. 以黔張常鐵路為例談巖溶區(qū)鐵路選線原則[J]. 山西建筑， 2014（3）： 155-156.

[2]畢煥軍. 黔張常鐵路巖溶區(qū)水文地質選線研究[J]. 鐵道工程學報， 2018（2）： 11-14.

[3]王子江， 蔣良文， 王茂， 等. 復雜巖溶區(qū)高速鐵路減災選線理論研究[J]. 鐵道工程學報， 2018（4）： 11-15.

[4]張羽軍， 陳建發(fā)， 岳志勤. 成貴鐵路巖溶特征及線路選線[J]. 鐵道工程學報， 2020（4）： 38-42.

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[6]姐保峰. 巖溶區(qū)鐵路綜合選線及輔助決策技術研究[J]. 鐵道標準設計， 2022（5）： 38-43.