由黔張常鐵路淺談巖溶地區(qū)地質選線

王軍偉

(陜西鐵道工程勘察有限公司，陜西寶雞 721001)

1 工程概況

黔張常鐵路位于渝東南、鄂西南和湘西北三省交界地帶。線路西起重慶市黔江區(qū),東至湖南省常德市,途經湖北省咸豐縣、來鳳縣、湖南省龍山縣、永順縣、桑植縣、張家界市、桃源縣等七縣市,線路全長約334.3 km(見圖1)。鐵路走行沿線大部處于武陵山脈的中山、低山區(qū),通過阿蓬江、酉水、洗車河、猛洞河、澧水、沅江六大水系。區(qū)內褶皺、斷層發(fā)育,部分地層礦產富集,碳酸鹽巖廣布,巖溶強烈發(fā)育,地勢陡峻,河谷深切。復雜的地形地貌、地質構造、工程地質和水文地質條件,造就了該區(qū)不良地質問題類型多、分布廣、規(guī)模大的特點,如巖溶、滑坡、采空、崩塌、危巖落石等不良地質現(xiàn)象極為發(fā)育,尤以巖溶、巖溶水問題及滑坡最為突出。如果線路方案選擇不當,后期施工及運營中遭受突水突泥、邊坡失穩(wěn)、路基塌陷等災害的風險極高。

圖1 黔張常鐵路地理位置

2 工作方法簡介

對于地形及工程地質條件均如此復雜艱險的山區(qū)鐵路,在已往的勘察經驗和工作方法的指導下,按照常規(guī)的勘察階段、勘察方法很難將該條鐵路沿線經過的極其復雜的地質問題逐一查清。針對這一情況,在黔張常鐵路的初測及定測實踐工作中,在前期搜集、分析區(qū)域地質資料及距線路較近礦區(qū)資料的前提下,通過航片對多種地質現(xiàn)象進行遙感判釋解譯,再加上室內對地形圖的研讀,重點通過開展現(xiàn)場調查訪問、核實,結合后期工程地質鉆探、地球物理勘探等多種手段相結合的工作方法,進行綜合分析、判斷、研究,為線路等其他專業(yè)提供一個地質條件相對較好的選線走廊帶,從而優(yōu)化方案，減小工程風險，節(jié)省投資。

3 工作開展過程

3.1 前期資料收集分析工作

黔張常鐵路為連接渝東南、鄂西南和湘西北三省地區(qū)的首條鐵路,勘察及施工經驗都相當匱乏。接到開展黔張常鐵路勘察工作任務的通知進駐工地后,首先跟當地政府聯(lián)系,向有關部門收集區(qū)域地質、礦產、地質災害等與鐵路相關的各種資料,重點對區(qū)域礦產地質、工程地質、水文地質、環(huán)境地質資料,沿線地市地災規(guī)劃和評估、礦產規(guī)劃等方面的資料進行了分析研究,把可能影響線路方案的滑坡、采空區(qū)邊界、礦區(qū)、自然保護區(qū)界線，以及斷層、褶皺等初步反應在圖上,以便下階段開展具體的調查研究工作。

湖南省張家界市桑植縣境內的桑瑞鐵礦位于線路附近,初步判定其可能會對線路方案產生影響。將桑瑞鐵礦的礦區(qū)范圍界線標注在平面圖上,得出CK157+180～CK158+200段為壓礦段落(見圖2)；圖3為將收集到的桑瑞鐵礦具體采空區(qū)及開挖巷道范圍反映在縱斷面上,確定其采空高程與線路關系,得出采空區(qū)最低高程距線路洞頂有80 m的厚度。該厚度可滿足線路設計需要,但要求桑瑞鐵礦不得再向下挖掘,從而指導穩(wěn)定了線路方案。

圖2 桑瑞鐵礦采空區(qū)平面位置與線路關系

圖3 桑瑞鐵礦采空高程與線路關系

3.2 遙感圖像判釋解譯

黔張常鐵路巖溶段落占總長的60%左右,溶蝕洼地、巖溶漏斗、落水洞、暗河等巖溶現(xiàn)象極其發(fā)育,往往對線路選線具有控制作用,而衛(wèi)片及航片從宏觀上對大多數巖溶現(xiàn)象解譯的較為清晰、可靠,因此遙感判釋工作顯得格外重要。該條線路采用了多種方法相結合的遙感圖像判釋解譯工作：

①選用美國陸地衛(wèi)星Landsat 5 TM數據、法國的SPOT 5 2.5 m彩色融合數據和大比例尺航片等3個片種,進行工作區(qū)宏觀及微觀地貌、地質構造分析,區(qū)內斷層、巖性判釋,特別是可溶巖帶動判釋,不良地質(漏斗、暗河出入口、巖溶湖、豎井、落水洞、巖堆、滑坡)的判釋,為地質調查和綜合地質選線服務。圖4為衛(wèi)片判釋出的CK90～CK100段的茨巖塘大型溶蝕洼地；圖5 為CK30附近一大型暗河進出口的SPOT影像。

圖4 茨巖塘溶蝕洼地(衛(wèi)片)

圖5 SPOT影像暗河進出口

②采用以遙感為基礎的3S一體化技術方法,即利用遙感技術,結合地理信息系統(tǒng)技術和全球定位技術等高科技手段,采用地學相關分析的綜合系列方法,進行地質判釋和室內核對工作。圖6為CK140～CK150段桑植縣利福塔鎮(zhèn)附近串珠狀漏斗的航片影像。

圖6 串珠狀巖溶漏斗(航片)

③充分發(fā)揮地理信息平臺的優(yōu)勢,收集既有地質、水文資料、礦區(qū)資料、不同尺度的航衛(wèi)片判釋成果，相互套合、疊加,互相驗證。

黔張常鐵路專門成立了對衛(wèi)片、航片等遙感資料的解譯判釋小組,并組織地質人員對解譯原理進行學習,同時在野外地質調查過程中對解譯成果進行驗證和反饋。在工作中逐漸形成了室內解譯對野外調查工作進行指導，野外調查對解譯成果進行驗證、反饋的工作方法,突出了工作重點，明確了目的性,大大提高了工作效率,很好地指導了現(xiàn)場地質調查和綜合地質選線工作。

3.3 地形圖研讀

前期資料收集、分析工作及遙感判釋解譯工作基本完成,其成果反映在地形圖上之后,開始對地形圖進行分析。首先明確線路總體走向,對反映出來的斷層、滑坡、礦區(qū)界線、采空區(qū)范圍、巖溶現(xiàn)象等在線路附近對方案影響較大的因素進行分析判斷,初步確定出地質條件相對較好的走廊帶,以該走廊帶為今后調查工作的重點。其次,外業(yè)工作出工前,應將所要調查區(qū)域的地形圖詳細研究,對搜集、判釋出來的資料及等高線反映出來的地形、地貌異常點進行重點調查核實：如反映滑坡的圈椅狀地貌,反映溶蝕漏斗、落水洞的負地形,反映構造斷裂的斷層崖等。

圖7所示為線路經過奧陶系下統(tǒng)南津關、分鄉(xiāng)組、紅花園組灰?guī)r夾頁巖地層中發(fā)育的落水洞在地形圖上的表示形態(tài)：由于線路經過區(qū)域大部分山體坡度較陡,植被覆蓋良好,僅僅依靠地質工作者大面積的野外調查，很難將整個地層中發(fā)育的巖溶形態(tài)全部調查清楚。借助對遙感資料的解譯、判釋,同時加上對地形圖的研讀,很容易辨別巖溶漏斗、落水洞等巖溶形態(tài),將其預先標注在調查圖上,第二天的野外調查過程中只需有重點的對其進行驗證、調查,即可得到線路附近區(qū)域巖溶的發(fā)育程度、巖溶形態(tài)、規(guī)模及分布的詳細資料,從一定程度上降低了工作難度，提高了工作效率。

圖7 落水洞在地形圖中的形態(tài)

3.4 外業(yè)地質調繪

資料的搜集、分析和遙感圖像的判釋解譯及地形圖的研讀所確定出來的地質走廊帶,最終都要通過外業(yè)調繪工作對其進行核實、細化,最終確定線路方案。沿線區(qū)域多植被覆蓋,暗河出入口、泉水點、落水洞、溶洞等較為隱蔽,調查人員僅依靠以前的那種調查方法很難在短時間內將所要調查的東西調查清楚。訪問當地居民不但可以很快的找到這些巖溶現(xiàn)象出露點,并且通過老鄉(xiāng)描述還可以對其規(guī)模，季節(jié)變化性及發(fā)育方向、規(guī)律等有所掌握,接下來只需要經過核實確認,調查資料就完成了。另外,濫挖濫采礦藏形成的坑洞口及采空區(qū)、滑坡的初步調查等,通過訪問當地居民的方法也能收到事半功倍的效果。

調查訪問再加上地質人員的測量、核實、分析工作,得到準確、詳盡的外業(yè)資料,為線路等其他專業(yè)調整線路、確定方案提供初步的地質依據。

3.5 多種手段相結合最終完成地質選線

通過以上工作步驟及方法得到的大部分是地表和分析判斷形成的理論資料,對路基、橋梁基礎及隧道洞身地質條件得出的結論只是推斷,尤其是對于隧道工點,不能成為地質選線、穩(wěn)定方案的強有力證據。只有同時通過物探、鉆探等勘探手段,得到進一步的更詳細、更確鑿的資料,加上地質綜合分析、判斷形成的資料,才能最終達到地質選線、穩(wěn)定方案的目的。

圖8即為外業(yè)調查結合物探資料反映的CK140+362～CK145+965臥云界隧道地質縱斷面示意。

圖8 臥云界隧道工程地質縱斷面示意

①在搜集、分析區(qū)域資料的前提下,確定臥云界隧道隧址區(qū)內的地質構造和地層巖性,現(xiàn)場對其核實、驗證,并反映在縱斷面上。

②通過遙感圖像的解譯及對地形圖的研讀成果,有的放矢的調查隧址區(qū)內巖溶的發(fā)育情況,得出落水洞、暗河等的具體出露位置及與線路的關系。

③在調查隧址區(qū)構造、地層巖性、巖溶發(fā)育情況的同時,訪問當地居民,搜集礦藏、地災資料,充分利用既有成果和當地居民對暗河等的熟知程度,同時加以分析,得到詳細、準確的調查資料,得到一個地質條件相對較好的地質走廊帶。

④通過物探、鉆探等勘探手段,對野外調查成果進行驗證,最終穩(wěn)定方案,為隧道設計與施工提供可靠、準確的地質資料。

最終通過圖8所示的地質縱斷面將調查、勘探成果反應出來,為隧道及線路專業(yè)提供詳盡、科學的地質資料。

4 選線原則

在以上工作方法的指導下,通過參與黔張常鐵路初測及定測階段的地質勘查工作,得出以下結論：

①黔張常鐵路沿線地質構造控制著地層巖性及巖溶的發(fā)育,線路應以大角度通過構造線及斷裂帶。

②線路宜盡量短距離通過可溶巖區(qū),尤其是巖溶強烈發(fā)育區(qū),設法繞避處于強烈發(fā)育階段、具網狀洞穴、巨大空洞及暗河發(fā)育的巖溶地段。特別應避免線路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展布。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,線路應繞避或選擇最窄處大角度通過。巖溶區(qū)線路高程應盡可能抬高,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度。

③巖溶區(qū)宜多做路基、橋梁,少做隧道,尤應避免長隧道。有條件應盡量減少隧道長度,特別是特長隧道；遇有埡口時,宜避開埡口中心,選在地質條件較好的一側通過；臨河傍山隧道線路盡量靠外側。

④線路應盡量繞避暗河,如無法繞避,應盡量以橋梁工程通過；若以隧道工程通過時,線路應行走于暗河上部一定高度,隧道縱斷面宜采用“人”字坡,以利于隧道施工、運營中排水。

⑤非巖溶區(qū)砂、泥巖地層因受構造影響小褶皺發(fā)育,又由于巖石質軟易于風化破碎,加上南方濕熱多雨的氣候特征,加劇其風化速度和節(jié)理裂隙發(fā)育程度,滑坡發(fā)育和斜坡失穩(wěn)現(xiàn)象較為普遍,也應作為工作重點。

⑥對鐵路選線區(qū)域發(fā)育的礦藏采空區(qū),線路宜繞避通過。

[1]中鐵一院.黔張常鐵路巖溶區(qū)初測前加深地質及深化線路方案研究報告[R].西安：中鐵一院，2010

[2]中鐵一院.黔張常鐵路一隊地質第四篇[Z].西安：中鐵一院，2010

[3]中鐵一院.黔張常鐵路一隊遙測航片、衛(wèi)片[Z].西安：中鐵一院，2010

[4]陜勘公司.黔張常鐵路臥云界隧道物探成果圖[Z].寶雞：陜勘公司，2010

[5]桑植縣國土局.桑瑞鐵礦規(guī)劃礦界及開采圖[Z].桑植：桑植縣國土局，2010

[6]TB 10012—2001 鐵路工程地質勘察規(guī)范[S]

[7]TB 10027—2001 鐵路工程不良地質勘察規(guī)程[S]

[8]鐵道第一勘察設計院.鐵路工程地質手冊[M].北京:中國鐵道出版社,1999