發(fā)鳩山隧道拗陷盆地地質特征及選線研究

曾憲明，王延濤

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

山西中南部鐵路通道為國家重點工程建設項目，起自瓦塘站，經山西、河南、至山東日照港，對落實國家中部崛起發(fā)展戰(zhàn)略，提高晉中南地區(qū)煤炭外運能力，保障國家能源安全供應具有重要意義。

發(fā)鳩山隧道為穿越沁河與漳河分水嶺發(fā)鳩山黑虎嶺的越嶺隧道，地處沁水盆地核心區(qū)，橫穿沾尚—武鄉(xiāng)—陽城北北東向復式向斜構造，雙線單洞，長14 573 m，最大埋深382 m。

沁水盆地為構造活動相對較弱的克拉通內斷陷盆地，為殘留型構造盆地，構造變形較弱，深部巖漿—熱事件明顯，燕山期以來(中、新生代)，華北板塊受太平洋板塊和印度與歐亞板塊碰撞遠程效應的影響而發(fā)生陸內造山，在沁水盆地內形成一系列既相互對立又相互協(xié)調的盆地—山脈或盆—嶺構造單元。喜山期，沁水盆地整體抬升，差別不等性上升，在褶皺山系中形成小規(guī)模的拗陷盆地，亦稱“山間拗陷”。

拗陷盆地為地槽發(fā)展到最后階段，普遍回返隆起過程中。由于差別不等性上升，地槽轉變成為褶皺山系中間所形成的內部陷落，盆地發(fā)育磨拉石建造、含鹽建造。

新生代形成的拗陷盆地，磨拉石建造(分選性差、磨圓度低的快速粗大碎屑沉積，厚度巨大，無遞變層理)發(fā)育，地層松散，工程地質條件差，水文地質條件復雜且獨特，隧道穿越拗陷盆地時，線位、高程易長距離走行在第四系松散地層及地下水位以下，存在極大的施工安全風險和環(huán)境水文地質風險。拗陷盆地的成因及地質特征對隧道平面線位、高程的選擇具有重要的理論與現(xiàn)實意義。

1 區(qū)域地質背景

沁水盆地為古生界基底上形成的構造盆地，東為太行山隆起，南為中條山隆起，西為呂梁山隆起，北為五臺山隆起，總體為近南北向的大型復式向斜，地質構造相對簡單，在盆地邊緣發(fā)育一些較大規(guī)模的斷裂，內部以次級褶皺為主(圖1)。

圖1 沁水盆地構造綱要

沁水盆地上元古代山西陸臺形成，古生代廣泛海侵，沉積前寒武系地層，加里東運動隆起，寒武系剝蝕，缺失上奧陶統(tǒng)、志留系、泥盆系、下石炭統(tǒng)地層，中生代末形成的構造盆地，沉積上石炭統(tǒng)，二疊系，三疊系地層，局部殘存侏羅系地層，喜山運動隆起，形成繼承性拗陷盆地及新生性拗陷盆地，新生界不整合覆蓋于盆地之上，厚度50～200 m(圖2)。盆地最深處奧陶系頂面深約2 500 m。

2 沾上-武鄉(xiāng)-陽城復向斜演化特征

沁水盆地是以元古界、太古界為盆地基底的大型寬緩向斜構造，即沾尚—武鄉(xiāng)—陽城復式向斜，在不同應力場下(圖3)，經多次改造，疊加褶皺特征明顯，地貌上表現(xiàn)為中低山、山間盆地。

燕山期，受NWW-SEE向擠壓，褶皺抬升形成沾上—武鄉(xiāng)—陽城寬緩向斜，形成沁水盆地基本格局。

喜山期，受NNE-SSW向擠壓，對沾上—武鄉(xiāng)—陽城寬緩向斜進行繼承性發(fā)展、改造、疊加，形成疊加褶皺，沿向斜軸部形成一系列拗陷盆地。

圖2 沁水盆地構造發(fā)展演化示意

圖3 沁水盆地各時期構造應力場

喜山中晚期，受NE-SW向擠壓，改造、疊加作用明顯，在沁水盆地南部山頂(高程1 000 m左右)形成串狀的拗陷盆地(圖4)。

橫水盆地為其中較大的拗陷盆地，控制山西中南部鐵路通道的平面位置及高程選擇。該盆地南與東峪盆地相鄰，北與王村盆地相鄰。

3 橫水拗陷盆地地質特征

橫水拗陷盆地位于沾尚—武鄉(xiāng)—陽城北北東向復式向斜軸部，盆地形成于喜山期中晚期，位于2個疊加褶皺間的向斜構造盆地，盆地基底為三疊系二馬營組(T1er)、和尚溝組(T1h)及劉家溝(T1l)組砂巖、泥巖互層地層，盆地內為第四系松散地層，覆蓋在三疊系地層上，斷層不發(fā)育。

根據勘探資料，盆地內第四系松散堆積層最厚100多m，磨拉石建造發(fā)育，二元結構特征明顯，底部礫石發(fā)育，基巖埋深起伏變化如圖5、圖6所示，地下水埋深3～5 m，周邊泉水發(fā)育。

圖4 沁水盆地南部拗陷盆地

圖5 橫水盆地基巖埋深等值線圖

盆地內大部分溝谷干涸或只有細流，地表水僅有橫水河，泉水主要出露有圪節(jié)溝泉、嶺底及北灣泉，其他為季節(jié)性泉水。含水地層主要為三疊系砂巖、第四系砂礫層，排泄方式主要沿泥巖順坡排泄，形成多層懸掛泉，水量較小，一般小于10 m3/d，地下水類型為松散巖類孔隙水及碎屑巖基巖裂隙水。

綜上，橫水拗陷盆地地質特征如下所述。

(1)疊加褶皺盆地，位于沾尚—武鄉(xiāng)—陽城北北東向復式向斜軸部，周邊斷層不發(fā)育。

(2)喜山期中晚期形成，第四系松散地層不整合堆積在三疊系地層上，磨拉石建造發(fā)育。

(3)盆地地下水發(fā)育，主要為第四系松散堆積孔隙水及三疊系砂巖基巖裂隙水。

4 橫水拗陷盆地工程地質選線

線位穿越沁河與漳河分水嶺——發(fā)鳩山黑虎嶺，受高程控制，需以隧道形式穿越，其間發(fā)育橫水山間盆地，盆地內居民聚集，飲用水主要依賴第四系松散堆積孔隙水，隧道走行在橫水盆地第四系地層內、地下水位以下，環(huán)境水文地質風險及施工安全風險極高。

橫水盆地無疑為控制線路方案的主要因素，鑒于橫水盆地為拗陷盆地，盆地周邊構造特別是斷層構造不發(fā)育，研究了中穿橫水盆地方案、北繞橫水盆地方案、南繞橫水盆地方案(圖7)。

圖6 橫水盆地地質剖面

圖7 發(fā)鳩山越嶺隧道方案比選示意

(1)中穿方案:DK443+700～DK448+150走行在橫水盆地內，地下水位較高。其中 DK443+700～DK445+400走行在土石分界內，水量較大，易塌方;DK445+400～DK448+150走行在第四系地層內，夾圓礫土，易塌方及涌水。隧道施工存在較大的安全風險(圖8)。

圖8 中穿方案地質剖面

隧道施工易引起地表泉井失水，對橫水居民飲用水影響較大，存在較大的環(huán)境水文地質風險。

該方案工程地質條件較差，應予以繞避。

(2)北繞方案:向北繞避了橫水盆地，隧道基本走行在基巖內，D1K448+300～D1K448+420走行在橫水盆地內，洞頂上部16 m為第四系圓礫及粉質黏土，地下水較大，易塌方;D1K456+610～D1K456+345走行在第四系地層內，夾圓礫土，易塌方及涌水。隧道施工存在較大的安全隱患(圖9)。

圖9 北繞方案地質剖面

隧道施工存在引起地表水及松散巖類孔隙水、圪節(jié)溝泉水、水井失水的風險，存在較大的環(huán)境水文地質風險。

北繞方案地質條件明顯改善，施工安全風險和環(huán)境水文地質風險大大改善，工程風險較小。

(3)南繞方案:向南繞避了橫水盆地，隧道基本走行在基巖內，完全繞避橫水盆地，D2K455+750～D2K456+310走行在沖溝成因的第四系地層內，夾圓礫土，存在塌方及涌水的風險。隧道施工存在一定的安全隱患(圖10)。

南繞方案完全繞避橫水盆地，隧道洞身走行在三疊系砂巖、泥巖基巖地層內，為碎屑巖基巖裂隙水;地表泉水分布較少，泉水出露點與洞身間分布多層隔水泥巖，加之橫水南側居民分布較少，隧道施工排水，對地表井泉影響甚微，基本不影響當地居民的生活及生產用水。

南繞方案地質條件得到本質上的改善，施工安全風險和環(huán)境水文地質風險很小。

從工程地質、環(huán)境地質及工程風險等方面綜合分析，南繞方案繞避了橫水盆地，洞身位于基巖中，水文地質條件較好，施工排水不會引起環(huán)境水文地質問題，總體地質條件好、施工風險小，該方案最優(yōu)。

綜上，線路穿越拗陷盆地，不宜從盆地中央橫穿通過，鑒于盆地周邊構造特別是斷層構造不發(fā)育，可選擇沿盆地邊緣繞行通過。

5 結論和建議

(1)沁水盆地為克拉通內斷陷盆地，構造活動相對較弱，總體為一大型復式向斜。

(2)沾尚—武鄉(xiāng)—陽城復式向斜，在不同應力場下，經多次改造，疊加褶皺特征明顯，南部山頂(高程1 000 m左右)形成串狀的拗陷盆地。

(3)橫水拗陷盆地為疊加褶皺向斜構造盆地，位于沾尚—武鄉(xiāng)—陽城北北東向復式向斜軸部，斷層不發(fā)育;形成于喜山期中晚期，第四系松散地層不整合堆積在三疊系地層上，磨拉石建造發(fā)育;盆地地下水發(fā)育，主要為第四系松散堆積孔隙水及三疊系砂巖基巖裂隙水。

(4)線路穿越拗陷盆地，不宜從盆地中央通過，鑒于盆地周邊構造特別是斷層構造不發(fā)育，可選擇沿盆地邊緣繞行通過。

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