重慶至昆明高速鐵路減災(zāi)選線研究

陳明浩 張廣澤 付開隆

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)尤其是西南山區(qū)鐵路修建，面臨“地形高差顯著”“地質(zhì)復(fù)雜多變”“構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈”的環(huán)境挑戰(zhàn)，不僅要克服高山深谷等困難地形，還要防范各類地質(zhì)災(zāi)害，且須滿足工程安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等的目標(biāo)要求。選線是統(tǒng)領(lǐng)鐵路工程設(shè)計(jì)的總體性工作，如何在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，從源頭上做好減災(zāi)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(qū)的重慶市、四川省、貴州省和云南省境內(nèi)，線路自重慶樞紐重慶西站引出，經(jīng)重慶江津和永川區(qū)、四川瀘州和宜賓市、貴州畢節(jié)市、云南昭通和曲靖市后，接入昆明樞紐昆明南站渝昆場(chǎng)。正線建筑長(zhǎng)度698.963 km，其中橋隧總長(zhǎng)570.154 km，占線路總長(zhǎng)的81.6%[2]。

2 區(qū)域地質(zhì)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(qū)，昭通至昆明段位于云貴高原。

沿線出露地層時(shí)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?guī)r、白云巖、玄武巖為主，可溶巖約占線路長(zhǎng)度的20%。

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

全線跨越河流分屬長(zhǎng)江流域長(zhǎng)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?；鶐r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?guī)r等巖漿巖中，含水量相對(duì)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(zhì)構(gòu)造、地貌控制，含水量豐富。

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

3 主要工程地質(zhì)問題

(1)崩塌、滑坡、泥石流[4]

全線崩塌主要分布在關(guān)河、洛澤河、白水江、灑漁河、牛欄江兩岸的陡峭山谷，或?yàn)榫藓駥由皫r、灰?guī)r陡崖，或?yàn)椴町愶L(fēng)化的砂頁巖互層地段，線路附近分布崩塌22處?；轮饕植加谏澳鄮r地區(qū)，在玄武巖受構(gòu)造影響強(qiáng)烈地區(qū)亦有分布，灰?guī)r地區(qū)數(shù)量相對(duì)較少，全線對(duì)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(duì)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(dòng)斷裂

線路通過的全新世活動(dòng)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(dòng)斷裂(Q3)為昭通-魯?shù)閿嗔训萚5]。

小江斷裂帶是構(gòu)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(gè)舊一帶，全長(zhǎng)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(zhì)以左旋走滑為主，晚更新世早期以來的水平滑動(dòng)速率為6～7.5 mm/a，全新世早期以來水平滑動(dòng)速率為4.7～7 mm/a，全新世中晚期以來水平滑動(dòng)速率為3.8～7.5 mm/a，具備發(fā)生7級(jí)以上強(qiáng)震的構(gòu)造條件。

昭通-魯?shù)閿嗔哑鹩邴}津東南，向西南經(jīng)彝良、昭通、魯?shù)?、?huì)澤，止于巧家以南小江斷裂帶東側(cè)，長(zhǎng)150 km，總體走向35°～45°，傾向北西。斷裂錯(cuò)斷了晚第四紀(jì)地層，具有晚第四紀(jì)活動(dòng)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?guī)r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(zhǎng)約137.5 km，占線路長(zhǎng)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(tǒng)(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(tài)眾多，對(duì)鐵路工程的影響和危害主要體現(xiàn)在三個(gè)方面。一是隱伏巖溶洞穴對(duì)建筑物基礎(chǔ)穩(wěn)定性的影響；二是巖溶地面塌陷；三是巖溶涌水對(duì)地下工程造成危害。

(4)采空區(qū)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(tǒng)須家河組(T3x)、二疊系上統(tǒng)宣威組(P2x)、下統(tǒng)梁山組(P1l)、石炭系下統(tǒng)大塘階舊司段(C1dj)地層，另外泥盆系中統(tǒng)曲靖組(D2q)亦含煤線。沿線大中型礦產(chǎn)資源主要集中在川滇省界的鹽津、筠連片區(qū)，云南省大關(guān)、彝良、昭通片區(qū)，具有開采歷史悠久，采空區(qū)普遍分布，大型礦床較多，面積廣、規(guī)模大、開采深、礦區(qū)交叉重疊等特點(diǎn)。煤礦采空區(qū)易發(fā)生變形、開裂及塌陷，對(duì)鐵路工程危害極大，線路已進(jìn)行了繞避，目前對(duì)鐵路工程可能有影響的煤礦采空區(qū)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(zhǎng)大隧道工區(qū)多為高瓦斯工區(qū)，應(yīng)加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和防瓦斯措施；通過其他含煤線，薄煤層，劣質(zhì)煤的煤系地層隧道工區(qū)多為低瓦斯工區(qū)；通過夾炭質(zhì)頁巖地層隧道工區(qū)多為微瓦斯工區(qū)。瓦斯對(duì)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(yùn)營(yíng)安全。

4 減災(zāi)選線研究

4.1 大高差上高原面減災(zāi)選線

高縣至昭通段位于云貴高原北部斜坡地帶，關(guān)河、洛澤河、灑漁河、白水江等河谷深切，山坡陡立，褶皺構(gòu)造強(qiáng)烈，軟硬巖層相間呈條帶狀展布，地形地質(zhì)條件復(fù)雜，結(jié)合煤礦采空區(qū)、可溶巖分布、滑坡、巖堆、危巖落石等不良地質(zhì)，研究了5個(gè)線路走向方案[7]，方案走向示意如圖1所示，5個(gè)方案工程地質(zhì)條件綜合對(duì)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(zhì)條件綜合對(duì)比表

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

4.2 活動(dòng)斷裂帶減災(zāi)選線

(1)會(huì)澤至尋甸段方案比選

測(cè)區(qū)主要經(jīng)濟(jì)據(jù)點(diǎn)為昆明市的東川區(qū)，結(jié)合地形條件、小江活動(dòng)斷裂、東川泥石流等控制因素研究了經(jīng)東川和經(jīng)田壩2個(gè)方案，如圖2所示。經(jīng)東川方案大范圍通過小江活動(dòng)斷裂東支的地震次生地質(zhì)災(zāi)害帶，山體多為規(guī)模巨大且穩(wěn)定性極差的震裂巖體(群、帶)，溝谷斜坡穩(wěn)定性極差，泥石流多發(fā)，分布巨型滑坡7處、高度危險(xiǎn)以上泥石流溝12條，深大斷裂22條，平行小江活動(dòng)斷裂長(zhǎng)度約30 km。經(jīng)田壩方案雖然未通過東川城區(qū)，但避開了小江活動(dòng)斷裂的震裂巖體和地震次生地質(zhì)災(zāi)害帶，地質(zhì)條件明顯改善，推薦經(jīng)田壩方案。

圖2 會(huì)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(zhì)問題為小江活動(dòng)斷裂及尋甸、小新街、嵩明、楊林拉分盆地內(nèi)深厚軟土、松軟土層。結(jié)合尋甸和嵩明等經(jīng)濟(jì)據(jù)點(diǎn)研究了4個(gè)線路方案，如圖3所示。經(jīng)羊街、楊橋方案通過小江活動(dòng)斷裂交叉部位，通過尋甸盆地和嵩明盆地深厚軟弱土層長(zhǎng)度約26 km；經(jīng)塘子、楊橋方案通過小江活動(dòng)斷裂交叉部位，通過尋甸盆地和嵩明盆地深厚軟弱土層長(zhǎng)度約23 km；經(jīng)易隆、小街方案通過嵩明盆地深厚軟弱土層長(zhǎng)度約17 km；經(jīng)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(dòng)斷裂。推薦經(jīng)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(qū)減災(zāi)選線

(1)迤車至?xí)啥畏桨副冗x[8]

結(jié)合巖溶發(fā)育及分布情況，研究了沿高速公路和遠(yuǎn)離高速公路2個(gè)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(zhǎng)度16.3 km，其中隧道洞身約4 km位于巖溶水水平徑流帶內(nèi)；遠(yuǎn)離高速公路方案以隧道工程通過可溶巖長(zhǎng)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(qiáng)烈發(fā)育區(qū)和巖溶水富積區(qū)，隧道涌水、突泥風(fēng)險(xiǎn)大，遠(yuǎn)離高速公路方案大角度通過巖溶發(fā)育區(qū)，推薦遠(yuǎn)離高速公路方案。

圖4 迤車至?xí)啥畏桨甘疽鈭D

(2)會(huì)澤至田壩段方案比選

結(jié)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(gè)方案，如圖5所示。取直方案以長(zhǎng)度18 km的長(zhǎng)大隧道通過可溶巖長(zhǎng)度11.2 km；沿高速方案以明線工程通過可溶巖長(zhǎng)度1.2 km。取直方案大范圍通過巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)和巖溶水富積區(qū)，長(zhǎng)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(nèi)，巖溶及巖溶水風(fēng)險(xiǎn)低，推薦沿高速方案。

圖5 會(huì)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(zhǎng)溝，分布5段可溶巖，對(duì)線路縱斷面在鹽津長(zhǎng)溝是否透氣進(jìn)行了長(zhǎng)、短隧道2個(gè)方案的研究，如圖6所示。短隧道方案線路在鹽津長(zhǎng)溝處透氣，設(shè)人字坡滿足順坡排水條件，采用橋梁工程跨越鹽津長(zhǎng)溝，降低了巖溶隧道工程風(fēng)險(xiǎn)，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(qū)減災(zāi)選線

以小龍?zhí)稑蛭环桨副冗x為例。小龍?zhí)逗訉儆诼鍧珊又Я鳎庸葍砂兜匦味妇?，灰?guī)r等硬質(zhì)巖形成懸崖峭壁，危巖落石極為嚴(yán)重，砂頁巖等軟質(zhì)巖多為槽谷，坡腳發(fā)育巖堆，上游還分布有彝良縣筍葉聯(lián)營(yíng)煤礦、野牛塘煤礦，主要研究了小龍?zhí)渡嫌螛蛭?、中游橋位和下游橋?個(gè)方案，如圖7所示。小龍?zhí)渡嫌螛蛭环桨竿ㄟ^巨型滑坡和小煤窯采空區(qū)；中游橋位方案橋墩位于順層巖質(zhì)邊坡，前緣河流下切臨空，極易發(fā)生順層滑動(dòng)；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(qū)新廠煤礦，推薦下游橋位方案。

圖7 小龍?zhí)稑蛭环桨甘疽鈭D

4.5 特殊巖土區(qū)減災(zāi)選線

對(duì)線路方案及工程設(shè)置影響較大的軟土、松軟土主要分布于昭通斷陷盆地內(nèi)，結(jié)合昭通市城市規(guī)劃、機(jī)場(chǎng)限高等控制因素研究了G85高速公路外側(cè)設(shè)站、老機(jī)場(chǎng)與G85高速公路間設(shè)站、靠城市側(cè)設(shè)站3個(gè)方案，如圖8所示?？砍鞘袀?cè)設(shè)站方案通過深厚軟土、松軟土長(zhǎng)度約15 km；老機(jī)場(chǎng)與G85高速公路間設(shè)站方案通過深厚軟土、松軟土長(zhǎng)度約8.2 km；G85高速公路外側(cè)設(shè)站方案位于盆地邊緣，老窯采空區(qū)對(duì)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?xí)r，沉降變形不宜控制，推薦G85高速公路外側(cè)設(shè)站方案。

圖8 昭通站位方案示意圖

5 減災(zāi)選線原則

(1)大高差上高原面減災(zāi)選線

提前離開地質(zhì)條件復(fù)雜的河流峽谷，采用高墩大跨橋梁、長(zhǎng)大隧道爬高，盡早上高原面，避免河谷重力不良地質(zhì)體對(duì)鐵路工程的危害。

(2)活動(dòng)斷裂帶減災(zāi)選線

線路應(yīng)繞避Q3/4活動(dòng)斷裂帶及其次生災(zāi)害發(fā)育區(qū)，難以繞避時(shí)，應(yīng)避開斷層帶的端點(diǎn)、拐點(diǎn)、交叉點(diǎn)等部位，選擇斷層寬度較窄處或活動(dòng)性相對(duì)較弱的位置或被動(dòng)盤，以易于修復(fù)的簡(jiǎn)易工程大角度通過。

(3)巖溶區(qū)減災(zāi)選線

選擇巖溶及巖溶水發(fā)育相對(duì)較弱的位置通過，是鐵路工程巖溶地區(qū)減災(zāi)選線的基本原則和出發(fā)點(diǎn)。線路應(yīng)繞避巖溶強(qiáng)烈發(fā)育地帶，選擇在非可溶巖地層、巖溶相對(duì)不發(fā)育或發(fā)育微弱的地段大角度通過；越嶺巖溶隧道應(yīng)選擇抬高線路標(biāo)高，盡量從巖溶水垂直滲流帶內(nèi)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(yīng)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(qū)減災(zāi)選線

線路應(yīng)繞避大(巨)型滑坡、錯(cuò)落、崩塌、巖堆、危巖落石、溝河谷(順層)不穩(wěn)定斜坡、泥石流等不良地質(zhì)體集中或成群發(fā)育分布地段。繞避困難時(shí)可采用橋梁跨越或隧道下穿通過。

(5)采空區(qū)減災(zāi)選線

鑒于高速鐵路無砟軌道對(duì)沉降變形控制要求嚴(yán)格，對(duì)于大面積地下開采的煤礦采空區(qū)，線路應(yīng)進(jìn)行繞避，并將鐵路工程設(shè)置在移動(dòng)盆地外一定距離。

(6)特殊巖土區(qū)減災(zāi)選線

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

6 結(jié)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(dòng)斷裂帶，地形地質(zhì)條件極為復(fù)雜，崩塌、滑坡、泥石流、高烈度地震及活動(dòng)斷裂、巖溶及巖溶水、采空區(qū)及煤層瓦斯構(gòu)成了控制線路方案的主要工程地質(zhì)問題。在現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察及相關(guān)地質(zhì)專題研究工作的基礎(chǔ)上，提出了大高差上高原面、活動(dòng)斷裂帶、巖溶區(qū)、崩滑泥區(qū)、采空區(qū)、特殊巖土區(qū)高速鐵路減災(zāi)選線原則，合理確定了高縣至昭通、會(huì)澤至尋甸等8段線路方案，最大程度降低了小江活動(dòng)斷裂帶、巖溶及巖溶水、東川泥石流等對(duì)鐵路工程的影響，地質(zhì)選線效果顯著，對(duì)控制建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)、降低工程投資、確保運(yùn)營(yíng)安全起到了重要作用。