巖溶地區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件下鐵路線路方案比選

史曉濤

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安　710043)

Railway Scheme Comparison Karst region under Complicated Geological Conditions

SHI Xiaotao

巖溶地區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件下鐵路線路方案比選

史曉濤

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安710043)

Railway Scheme Comparison Karst region under Complicated Geological Conditions

SHI Xiaotao

摘要黔張常鐵路多穿行于中低山和丘陵地區(qū)，巖溶、滑坡等不良地質(zhì)發(fā)育，且分布有礦場(chǎng)采空區(qū)，地形地質(zhì)條件對(duì)線路布設(shè)有較大限制。介紹黔張常鐵路在武陵山區(qū)采用遙感、物探、鉆探等綜合勘察成果指導(dǎo)巖溶地區(qū)鐵路選線的研究方法，對(duì)水沙坪至晏家堡段的三個(gè)線路方案，從工程地質(zhì)、工程設(shè)置、工程投資等方面進(jìn)行分析比較，優(yōu)選出繞避不良地質(zhì)、工點(diǎn)設(shè)置合理、工程經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)的方案，并對(duì)巖溶區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件下鐵路選線思路進(jìn)行總結(jié)。

關(guān)鍵詞黔張常鐵路地質(zhì)選線可溶巖非可溶巖方案比選

新建黔(江)張(家界)常(德)鐵路走行于武陵山區(qū)，連接渝東南、鄂西南、湘西北地區(qū)，是我國(guó)中長(zhǎng)期鐵路規(guī)劃中補(bǔ)充和完善區(qū)域鐵路網(wǎng)、促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展、體現(xiàn)國(guó)家民族政策、促進(jìn)民族團(tuán)結(jié)的重要鐵路建設(shè)項(xiàng)目。黔張常鐵路線路全長(zhǎng)337.6 km，鐵路走行沿線大部處于武陵山脈的中山、低山區(qū)，區(qū)內(nèi)褶皺、斷層發(fā)育，部分地層礦產(chǎn)富集，碳酸鹽巖廣布，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，地勢(shì)陡峻，河谷深切。復(fù)雜的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，造就了該區(qū)不良地質(zhì)問(wèn)題類型多、分布廣、規(guī)模大的特點(diǎn)。

水沙坪至晏家保段長(zhǎng)約18 km，穿越該段巖溶發(fā)育區(qū)的方案是全線的主要控制方案，方案的最終選擇將直接影響該段線路的建設(shè)質(zhì)量、工期和投資。目前，國(guó)內(nèi)外巖溶地區(qū)鐵路結(jié)合地質(zhì)、工程設(shè)置的綜合選線研究仍較少，有必要進(jìn)行深入探討。

1自然條件

1.1　地形地貌

該段地形呈階梯狀分布，發(fā)育多級(jí)夷平面，巖性對(duì)地貌形態(tài)具明顯影響；碳酸鹽構(gòu)成的山體寬厚雄奇，山頂起伏不大，巖溶地貌明顯，鄰近河谷溝谷地帶地形相對(duì)陡峻。

1.2　地震參數(shù)

根據(jù)國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局頒布的《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2001)，測(cè)區(qū)地震動(dòng)峰值加速度值為<0.05g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期0.35 s。

2地質(zhì)條件及方案比選的主要控制因素

2.1　地質(zhì)條件

比較范圍位于中低山區(qū)，地層巖性主要為三疊系下統(tǒng)大冶群組中厚層灰?guī)r，二疊系上統(tǒng)大隆組灰?guī)r夾炭質(zhì)頁(yè)巖、吳家坪組灰?guī)r夾炭質(zhì)頁(yè)巖，二疊系下統(tǒng)茅口組灰?guī)r夾白云質(zhì)灰?guī)r，二疊系下統(tǒng)棲霞組灰?guī)r，泥盆系中上統(tǒng)云臺(tái)觀組、水車坪組砂巖夾薄層灰?guī)r，志留系上統(tǒng)紗帽群組粉砂質(zhì)頁(yè)巖、中統(tǒng)羅惹坪組砂質(zhì)頁(yè)巖夾砂巖、下統(tǒng)龍馬溪組粉砂質(zhì)頁(yè)巖夾砂巖，奧陶系中上統(tǒng)牯牛潭組、臨湘組灰?guī)r夾頁(yè)巖，下統(tǒng)大灣組中厚層狀瘤狀灰?guī)r，南津關(guān)組、分鄉(xiāng)組、紅花園組灰?guī)r。地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，整體位于夏碧寨對(duì)稱背斜，斷裂構(gòu)造較發(fā)育。

沿線奧陶系下統(tǒng)大灣組厚層狀瘤狀灰?guī)r表層節(jié)理極其發(fā)育，順層面大部有滑動(dòng)，在部分沖溝兩側(cè)陡坎下易坍塌而形成巖堆，沿線小型巖堆較發(fā)育。

巖溶主要集中在水沙坪至比溪、猛必鄉(xiāng)前后。巖溶地貌主要為大型巖溶洼地、落水洞、漏斗、溶洞、暗河及大泉。在水沙坪巖溶洼地周圍、猛必向斜核部附近，巖溶暗河及大泉十分發(fā)育。比較范圍共發(fā)現(xiàn)暗河3條，出口高程400～540 m之間，相當(dāng)于區(qū)內(nèi)的第5級(jí)夷平面，出口實(shí)測(cè)流量23.05～240 L/s。

在唐家寨村附近分布有多處小型鉛鋅礦礦洞，現(xiàn)已全部關(guān)停，礦洞延伸長(zhǎng)度0.2～2.5 km，一般呈多層平垌開(kāi)拓，對(duì)線路影響較大。

2.2　影響方案的主要因素

本段影響方案的主要工程地質(zhì)問(wèn)題是巖堆、巖溶及唐家寨的采空區(qū)，已建成的龍永公路對(duì)本段方案也有一定影響。

3線路方案研究

本段方案起點(diǎn)水砂坪為山間大型溶濁洼地，地面高程約為653～660 m，向東以隧道形式穿越，出口位于非可溶巖，并跨越21號(hào)暗河出口和新建龍永公路。跨越龍永公路至晏家堡段地形趨勢(shì)南低北高，中間有西湖沖、細(xì)車河、茄佗河等河谷，細(xì)車河、茄佗河為深切“V”形，橋高較低；西湖沖溝深且開(kāi)口較大，并且受21號(hào)暗河出口高程控制，跨西湖沖的橋梁平均橋高較高，單位投資較高，白果村至晏家堡段線路所經(jīng)地層以可溶巖為主，工程設(shè)置以隧道工程為主。針對(duì)本段地形及各類不良地質(zhì)分布，本次研究南側(cè)取直方案及北繞以降低橋高的中方案和北方案(如圖1所示)。

圖1　水沙坪至晏家堡段方案比選示意

3.1　線路方案

(1)南側(cè)取直方案(方案Ⅰ)

線路比較起點(diǎn)為水砂坪南側(cè)劉家寨隧道，入口高程為665 m，下坡至隧道出口繞避巖堆，明線跨過(guò)21號(hào)暗河出水口，同時(shí)滿足凈空要求上跨龍永公路后足坡下行，折向東，橋隧相連，先后跨越西湖沖、堯城村，跨越深切溝谷、細(xì)車河、茄佗河后到達(dá)方案比較終點(diǎn)。比較段落內(nèi)線路長(zhǎng)度18.00 km，橋梁總長(zhǎng)2.54 km，隧道總長(zhǎng)13.94 km，橋隧比重91.6%,,工程投資約18.76億元。

(2)經(jīng)細(xì)車村中方案(方案Ⅱ)

方案Ⅰ受龍永公路控制，出口高程較高，引起后面西湖沖特大橋開(kāi)口較大，橋高大。為優(yōu)化西湖沖橋高，基本思路就是線路向北繞，走行于地形較高處。為避開(kāi)北側(cè)巖堆，中方案劉家寨隧道出口跨龍永公路和21號(hào)暗河出水口，后線路折向東北，經(jīng)張家寨、細(xì)車村、唐家寨至方案比較終點(diǎn)。比較段落內(nèi)線路長(zhǎng)度18.82 km，橋梁總長(zhǎng)1.67 km，隧道總長(zhǎng)15.01 km，橋隧比重94.1%，工程投資約19.11億元。

(3)經(jīng)瓦廠坪北方案(方案Ⅲ)

方案Ⅱ西湖沖特大橋橋址開(kāi)口較小，但由于溝心較平緩，高程變化不大，所以未能有效降低西湖沖橋高。為了進(jìn)一步縮短西湖沖橋長(zhǎng)，降低橋高，研究了北方案。本方案劉家寨隧道出口位于由龍永公路外側(cè)巖堆上，明線跨越21號(hào)暗河后折向東北，經(jīng)過(guò)苦栗坡、瓦廠坪后折向東南至方案比較終點(diǎn)。比較段落內(nèi)線路長(zhǎng)度18.82 km，橋梁總長(zhǎng)1.07 km，隧道總長(zhǎng)16.19 km，橋隧比重95.6%，工程投資約19.24億元。

3.2　工程地質(zhì)條件分析

各方案相距較近，通過(guò)的地層相當(dāng)，且各方案均大角度通過(guò)夏碧寨對(duì)稱背斜。分別從各方案通過(guò)的巖溶段落情況，與采空區(qū)的關(guān)系等方面進(jìn)行對(duì)比(如表1)。

表1　各方案綜合比選

中方案與南方案隧道出口繞開(kāi)巖堆，并且于21號(hào)暗河出水口之外上跨通過(guò)，工程風(fēng)險(xiǎn)較小。北方案隧道出口位于巖堆內(nèi)，清理工程大，后以明線跨暗河，但地下暗河位置有不確定性，這兩處具有一定的工程風(fēng)險(xiǎn)。

唐家寨村附近分布有多處小型鉛鋅礦礦洞，與北、中方案線路干繞比較嚴(yán)重，且不易繞避，北方案與中方案均由采空區(qū)通過(guò)。

南方案通過(guò)巖溶區(qū)長(zhǎng)度最短、且對(duì)全部繞避大小巖堆，而北方案與中方案均與部分小型巖堆有相交。綜上，南方案工程地質(zhì)條件較另兩方案好，而中方案次之，北方案最差。

3.3　工程設(shè)置及工程投資分析

各方案橋隧設(shè)置及工程投資見(jiàn)表2。

表2　工程設(shè)備及投資分析

南、中、北三方案西湖沖橋高分別為88 m、85 m、30 m，且越往南地形越低，橋梁開(kāi)口大，高墩數(shù)量有所增加，但大于70 m高墩增加不多，分別增加約2個(gè)和4個(gè)。

中方案和北方案線路長(zhǎng)度分別比南方案長(zhǎng)823 m、816 m，且橋梁高度有所降低，但隧道卻要長(zhǎng)1.1 km和2.2 km，且隧道淺埋段落增長(zhǎng)，工程設(shè)置難度較大。南方案橋隧比重較中方案和北方案低，工程投資分別比中方案和南方案節(jié)省3 477萬(wàn)元和4 859萬(wàn)元。

3.4　比選結(jié)果

雖然南方案西湖沖橋高略高，但由于其線路順直，橋隧比重低，工程投資較為節(jié)省，工程地質(zhì)條件較好，且風(fēng)險(xiǎn)較小，故推薦南側(cè)取直方案。

4結(jié)論

巖溶地質(zhì)選線的主要原則：優(yōu)先采用路基形式通過(guò)巖溶地區(qū)，地下暗河、管道等宜采用低橋形式跨越，繞避處于強(qiáng)烈發(fā)育階段、具網(wǎng)狀洞穴、巨大空洞及暗河發(fā)育的巖溶地段；巖溶區(qū)宜多做路基、橋梁，少做隧道，尤應(yīng)避免長(zhǎng)隧道；隧道高程宜控制在垂直滲流帶中，減少在水平徑流帶及以下隧道長(zhǎng)度；優(yōu)先使用“人”字坡；以短隧道形式穿越“孤峰”；隧道應(yīng)避開(kāi)地質(zhì)構(gòu)造的交匯部位，避開(kāi)地下水富集地段，以避免施工中發(fā)生涌水突泥等病害。

容易被忽視的是非可溶巖與可溶巖間經(jīng)常間隔存在，線路應(yīng)特別繞避順可溶巖與非可溶巖接觸帶、有利于巖溶發(fā)育的褶皺軸和斷裂帶及其交匯處，這些地段一般巖溶與巖溶水十分發(fā)育，隧道涌水、突泥的可能性極大，危害性極強(qiáng)，線路應(yīng)繞避或選擇最窄處大角度通過(guò)。

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中圖分類號(hào)：U212.32； P64

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-7479(2015)02-0065-03

作者簡(jiǎn)介：史曉濤(1983—)，男，2008年畢業(yè)于北京交通大學(xué)鐵道工程專業(yè)，碩士，工程師。

收稿日期：2014-12-29