南呂梁山特長(zhǎng)鐵路隧道工程地質(zhì)選線關(guān)鍵問(wèn)題研究

袁真秀，李彥軍，秦正貴

(中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300133)

0 引言

鐵路工程地質(zhì)選線方面的研究目前主要集中在地形地貌、工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、區(qū)域斷裂帶以及不良地質(zhì)與特殊巖土對(duì)線路的影響程度等方面，鐵路工程技術(shù)人員對(duì)這幾方面均進(jìn)行了大量研究與實(shí)踐。如:李翔［1］在張?zhí)畦F路穿越燕山山脈時(shí)提出了燕山越嶺隧道地質(zhì)選線意見(jiàn);許再良等［2］對(duì)兗石、膠新鐵路跨沂沭斷裂帶工程地質(zhì)選線進(jìn)行了研究;張振東［3］在蘭青二線選線中提出了從地質(zhì)角度推薦下穿黃河右岸古滑坡群的青石關(guān)長(zhǎng)隧道方案;曹化平等［4］在鐵路巖溶隧道工程地質(zhì)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(zhì)選線中對(duì)汶川大地震近震源核心區(qū)開(kāi)展了鐵路選線研究;孫波等［6］對(duì)西安至南京鐵路經(jīng)過(guò)厚子鎮(zhèn)山前古洪積扇進(jìn)行了選線研究。隧道工程地質(zhì)選線關(guān)系到施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)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(qū)2個(gè)控制因素，查明這2個(gè)控制因素對(duì)隧道修建的環(huán)境與工程安全影響，是本線路越嶺選線的關(guān)鍵。與以往鐵路選線不同的是:本線路在平面上規(guī)避了以上2個(gè)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(zhǎng)度，降低了工程造價(jià)和避免了地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。

1 工程概況

晉豫魯鐵路通道是我國(guó)為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)建設(shè)，緩解能源運(yùn)輸“瓶頸”而建設(shè)的一條能源運(yùn)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(zhǎng)23 441m，右線長(zhǎng)23 464.7m，位于臨汾市境內(nèi)，穿越分水嶺呂梁山脈，從西部黃土粱峁地貌下坡進(jìn)入東部臨汾盆地(見(jiàn)圖1)。

測(cè)區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育中生界三疊系砂頁(yè)巖地層，古生界二疊系與石炭系砂頁(yè)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(guó)家規(guī)劃礦區(qū)和鄉(xiāng)寧煤炭國(guó)家規(guī)劃礦區(qū)通過(guò)，測(cè)區(qū)內(nèi)廣泛分布煤礦和采空區(qū)。

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(zhǎng)的地質(zhì)歷史中，該區(qū)形成了一個(gè)面積達(dá)2 250 km2的巖溶水泉域，學(xué)術(shù)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(duì)臨汾市的工農(nóng)業(yè)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(guò)(見(jiàn)圖2)。

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

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)在20世紀(jì)80年代末期完成了《山西龍子祠泉及郭莊巖溶泉水系統(tǒng)研究報(bào)告》，20世紀(jì)90年代山西煤田地質(zhì)144隊(duì)完成了泉域范圍內(nèi)《喬家灣勘探區(qū)詳查地質(zhì)報(bào)告》。這些參考資料均不能詳細(xì)提供隧道各比選方案的地質(zhì)條件，研究各隧址區(qū)的地質(zhì)條件與隧道的關(guān)系是選線勘察工作的關(guān)鍵。

2 工程地質(zhì)選線關(guān)鍵問(wèn)題

線路穿越呂梁山脈方案受2個(gè)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(yè)用水的主要供水水源之一，對(duì)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)起著舉足輕重的作用。泉水的主要來(lái)源為奧陶系灰?guī)r巖溶水，降水為巖溶水的唯一補(bǔ)給來(lái)源［7－8］。線路選線平面上應(yīng)嚴(yán)格繞避泉域重點(diǎn)保護(hù)區(qū)，豎向上應(yīng)位于奧灰?guī)r溶飽水帶水位以上，最大限度減少線路對(duì)龍子祠泉域水流量及水質(zhì)的影響。

2)霍西煤田及采空區(qū)控制。線路穿越山西重要煤田之一的霍西煤田，區(qū)內(nèi)開(kāi)采歷史悠久，可采煤有多層，大型采空區(qū)與私采小采空區(qū)很多。大量采空區(qū)的存在給隧道選線帶來(lái)一定困難，線路選線應(yīng)嚴(yán)格繞避采空區(qū)。

在工程地質(zhì)選線中，如何繞避采空區(qū)，優(yōu)化穿煤段，并確保工程建設(shè)不破壞龍子祠泉域水環(huán)境，是決定工程是否可行的關(guān)鍵問(wèn)題。

3 工程與水文地質(zhì)條件研究

3.1 地層巖性

隧址區(qū)內(nèi)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(tǒng)、志留系、泥盆系、石炭系下統(tǒng)以及中生界的侏羅系、白堊系、新生界下第三系中新統(tǒng)。煤系地層為二疊系與石炭系砂頁(yè)巖，隧道穿越區(qū)對(duì)龍子祠泉域水環(huán)境影響較大，主要為奧陶系中統(tǒng)可溶巖灰?guī)r和白云巖。

3.2 地質(zhì)構(gòu)造

測(cè)區(qū)西部受與線路大角度相交的五麓山經(jīng)向構(gòu)造帶控制，該構(gòu)造帶大致呈南北走向，南北長(zhǎng)約70 km，東西寬約15 km。紫荊山斷裂為其構(gòu)造形跡，巖層向西傾斜35～75°。測(cè)區(qū)東部受與線路大角度相交的龍門正弦狀構(gòu)造帶控制，該構(gòu)造帶大致呈南北走向，南北長(zhǎng)約58 km，東西寬10～20 km。發(fā)育多個(gè)次級(jí)褶皺的呂梁山復(fù)式向斜為其構(gòu)造形跡，巖層產(chǎn)狀平緩，傾角一般不超過(guò)10°。

3.3 煤層與采空區(qū)

測(cè)區(qū)煤系地層厚約236m，含煤13層，煤層總厚約9.66 m，含煤系數(shù)為8.4%，主要含煤地層是二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)和石炭系上統(tǒng)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(wěn)定可采煤層是 2，9，10，11#。

根據(jù)試驗(yàn)資料，1，2，10，11#煤吸氧量約 0.7 cm3/g，2，9，10，11#煤火焰長(zhǎng)度為 30 ～400 mm，最低巖粉用量大于50%。隧址區(qū)域煤層均具有煤塵爆炸性危險(xiǎn);1，2，10#煤自燃傾向性等級(jí)為Ⅱ級(jí)，屬自燃煤層;11#煤自燃傾向性等級(jí)為Ⅰ級(jí)，屬易自燃煤層。測(cè)區(qū)煤礦歷史上曾發(fā)生過(guò)瓦斯爆炸。

在測(cè)區(qū)西部，巖層傾角大，隧道不可避免地要正穿煤層。根據(jù)TB 10120—2002/J 160—2002《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》［9］獨(dú)頭坑道瓦斯涌出量計(jì)算方法，考慮瓦斯時(shí)間衰減系數(shù)和煤的透氣性系數(shù)等因素，可計(jì)算出隧道正穿煤層絕對(duì)瓦斯涌出量為1.06 m3/min。從計(jì)算結(jié)果可以看出，正洞正穿煤層段絕對(duì)瓦斯涌出量大于TB 10012—2007/J 124—2007《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》［10］標(biāo)準(zhǔn)(0.5 m3/min)，正洞穿煤段具煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。

在測(cè)區(qū)東部，巖層產(chǎn)狀平緩，煤層標(biāo)高一般為900～1 400m，小范圍煤層標(biāo)高變化不大。

按研究的越嶺方案，隧道主要受進(jìn)口段小窯破壞區(qū)和下穿煤層段采空區(qū)影響。對(duì)線路有影響的小窯破壞區(qū)主要位于興樂(lè)煤礦北部邊界位置。在下穿煤礦段，各煤礦開(kāi)采區(qū)標(biāo)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(zhǎng)條形展布，屬呂梁山脈南段東翼的一部分，地貌為構(gòu)造剝蝕低中山區(qū)，地面標(biāo)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(tǒng)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(jiàn)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(duì)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(jiàn)圖3)。

圖3 龍子祠泉成泉構(gòu)造圖Fig.3 Forming of Longzici spring

大氣降水為巖溶水的唯一補(bǔ)給來(lái)源，補(bǔ)給方式有2種:第1種是在碳酸鹽巖裸露區(qū)，降水能直接沿著巖溶裂隙下滲，補(bǔ)給效果好，是泉域重點(diǎn)保護(hù)區(qū);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(yè)巖地層，降水需首先下滲通過(guò)此套地層才能進(jìn)入巖溶水的垂直滲流帶，補(bǔ)給效果受到砂頁(yè)巖地層隔水效果的影響。

通過(guò)對(duì)泉域內(nèi)深井和泉的水位觀測(cè)，分析后繪制巖溶水飽和水位控制性等高線圖(見(jiàn)圖2)。

4 工程地質(zhì)選線

為繞避采空區(qū)，優(yōu)化穿煤段，并確保工程建設(shè)不破壞龍子祠泉域水環(huán)境，綜合研究各種地質(zhì)經(jīng)濟(jì)條件后，確定了17個(gè)比選方案。選線過(guò)程中對(duì)這17個(gè)方案進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)、技術(shù)及地質(zhì)方面比較，經(jīng)過(guò)大量的勘察和研究工作，直接排除了其中7個(gè)穿越采空區(qū)方案，對(duì)另外10個(gè)可選隧道方案進(jìn)行了詳細(xì)的比選(見(jiàn)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(zhì)專項(xiàng)勘察工作采用區(qū)域資料收集與研究、專家訪問(wèn)、物理探測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)調(diào)繪與深孔鉆探相結(jié)合的綜合勘察手段對(duì)10個(gè)方案進(jìn)行選優(yōu)。具體方法是:在充分研究區(qū)域地質(zhì)資料基礎(chǔ)上，廣泛調(diào)查、收集區(qū)域內(nèi)的水井資料，走訪當(dāng)?shù)孛旱V、水文地質(zhì)專家，通過(guò)地質(zhì)調(diào)繪與鉆探驗(yàn)證，初步確定隧道能夠從煤層與采空區(qū)以下、龍子祠泉域飽和水位以上的地層中通過(guò)。

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(guò)大，不利于萬(wàn)t列車通行;方案2，5，8與霍西煤田的采空區(qū)在標(biāo)高上有交叉，無(wú)法排除能夠規(guī)避的風(fēng)險(xiǎn);方案6和方案9能夠規(guī)避采空區(qū)，在巖溶飽和水位以上，但穿越煤系地層長(zhǎng)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(zhǎng)隧道方案3，4，7確定為可行性比選方案，同時(shí)確定在2個(gè)關(guān)鍵性因素中條件最優(yōu)的方案3為推薦方案。

5 關(guān)鍵問(wèn)題的解決

南呂梁山隧道在工程地質(zhì)選線中，通過(guò)綜合勘察的方法進(jìn)行線路勘察，特別是重點(diǎn)對(duì)龍子祠泉域、霍西煤田及采空區(qū)與隧道空間關(guān)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(guò)薄煤層位置;在呂梁山復(fù)式向斜段創(chuàng)造性地確定隧道線路在煤層及采空區(qū)以下65 m，飽水帶水位以上70 m的狹長(zhǎng)空間立體范圍穿越呂梁山脈，既躲避了采空區(qū)，又不會(huì)對(duì)龍子祠泉域水造成大的影響(見(jiàn)圖4)。

該隧道進(jìn)口設(shè)在蒲縣化樂(lè)鎮(zhèn)昕水河河谷東側(cè)山坡，標(biāo)高為1 057.48 m，隧道出口設(shè)在臨汾市堯都區(qū)岸溝西側(cè)坡腳，標(biāo)高為764.78 m，全隧為綜合坡度12.51‰的下坡。進(jìn)口段受五麓山經(jīng)向構(gòu)造帶控制，繞避了采空區(qū)，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(guò)。全隧大部分受呂梁山復(fù)式向斜控制，巖層產(chǎn)狀平緩，傾角一般小于10°，此段隧道下穿2個(gè)采空區(qū)，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(yè)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(nèi)，地下水不發(fā)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(qū)關(guān)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(jìn)行了1.5 a，經(jīng)歷了2個(gè)豐水期，1，2，5#斜井均已經(jīng)開(kāi)挖至井底正洞，4#斜井、進(jìn)口掌子面和出口掌子面進(jìn)尺均已超過(guò)1 km。施工實(shí)踐證明，地勘資料是準(zhǔn)確的，工程地質(zhì)選線是正確的，隧道在目標(biāo)地層中通過(guò)，繞避了采空區(qū)，優(yōu)化了穿煤段，采空區(qū)和煤層對(duì)隧道建設(shè)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(guò)，地下水不發(fā)育，工程建設(shè)對(duì)龍子祠泉域水環(huán)境影響甚微。

7 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)南呂梁山越嶺隧道方案研究，充分認(rèn)識(shí)到地質(zhì)條件對(duì)工程地質(zhì)選線的重要控制作用，只有明確線路水文與工程地質(zhì)條件，才能結(jié)合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、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(chǔ)上是可行的，但由于龍子祠泉域具有疊瓦狀補(bǔ)給特征，地下水飽和水位具有不確定性，同時(shí)測(cè)區(qū)歷史上私挖亂采小煤窯嚴(yán)重，年代久遠(yuǎn)，存在潛在采空區(qū)危險(xiǎn)，需要在施工中高度注意并采取相應(yīng)措施預(yù)防。在施工中應(yīng)繼續(xù)對(duì)本課題進(jìn)行研究驗(yàn)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(dǎo)地下水的合理開(kāi)發(fā)利用，保證臨汾的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活用水安全。

［1］ 李翔.張?zhí)畦F路燕山越嶺隧道地質(zhì)選線研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010(10):98－101.

［2］ 許再良，李翔.兗石、膠新鐵路跨沂沭斷裂帶工程地質(zhì)選線［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2005(S1):238 －241.(XU Zailiang，Ll Xiang.Engineering geology route selection crossing Yishu fault zone of Yanzhou-Shijiusuo，Jiaozhou-Xinyi railway［J］.Journal of Railway Engineering Society，2005(S1):238 －241.(in Chinese))

［3］ 張振東.蘭青二線青石關(guān)隧道方案地質(zhì)選線及研究［J］.科技交流，2008(2):11－17.

［4］ 曹化平，王科.鐵路巖溶隧道工程地質(zhì)選線研究［J］.高速鐵路技術(shù)，2011(1):35－40.(CAO Huaping，WANG Ke.Study on geological route selection for railway tunnel engineering in karst zone［J］.High Speed Railway Technology，2011(1):35 －40.(in Chinese))

［5］ 楊昌義，李光輝，杜宇本.汶川大地震災(zāi)區(qū)成蘭鐵路地質(zhì)選線與工程對(duì)策［J］.路基工程，2010(3):124－127.(YANG Changyi，LI Guanghui，DU Yuben.Geological route selection and engineering devices for Chengdu-Lanzhou railway in Wenchuan earthquake affected area［J］.Subgrade Engineering，2010(3):124 －127.(in Chinese))

［6］ 孫波，杜世回.西南鐵路厚子鎮(zhèn)地區(qū)工程地質(zhì)選線［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2000(1):93 － 96.(SUN Bo，DU Shihui.Engineering geological route selection of Xi’an-Nanjing railway in Houzhi town［J］.Journal of Railway Engineering Society，2000(1):93 －96.(in Chinese))

［7］ 王紅全，張志祥.龍子祠泉域巖溶水資源評(píng)價(jià)及保護(hù)研究［J］.山西水利，2010(8):22 －33.

［8］ 王紅全，張志祥，郭勤芳.龍子祠泉流量動(dòng)態(tài)特征及衰減成因研究［J］.科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2010(25):143－145.(WANG Hongquan，ZHANG Zhixiang，GUO Qinfang.Research on dynamic characteristics and attenuation causes of the flow rate of Longzici spring［J］.Sci-Tech Information Development＆ Economy，2010(25):143 －145.(in Chinese))

［9］ TB 10120—2002/J 160—2002 鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2003.

［10］ TB 10012—2007/J 124—2007 鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2007.