巖溶地區復雜地質條件下鐵路線路方案比選

史曉濤

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安　710043)

Railway Scheme Comparison Karst region under Complicated Geological Conditions

SHI Xiaotao

巖溶地區復雜地質條件下鐵路線路方案比選

史曉濤

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，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，巖溶、滑坡等不良地質發育，且分布有礦場采空區，地形地質條件對線路布設有較大限制。介紹黔張常鐵路在武陵山區采用遙感、物探、鉆探等綜合勘察成果指導巖溶地區鐵路選線的研究方法，對水沙坪至晏家堡段的三個線路方案，從工程地質、工程設置、工程投資等方面進行分析比較，優選出繞避不良地質、工點設置合理、工程經濟性較優的方案，并對巖溶區復雜地質條件下鐵路選線思路進行總結。

關鍵詞黔張常鐵路地質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，連接渝東南、鄂西南、湘西北地區，是我國中長期鐵路規劃中補充和完善區域鐵路網、促進地方經濟發展、體現國家民族政策、促進民族團結的重要鐵路建設項目。黔張常鐵路線路全長337.6 km，鐵路走行沿線大部處于武陵山脈的中山、低山區，區內褶皺、斷層發育，部分地層礦產富集，碳酸鹽巖廣布，巖溶強烈發育，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，造就了該區不良地質問題類型多、分布廣、規模大的特點。

水沙坪至晏家保段長約18 km，穿越該段巖溶發育區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質量、工期和投資。目前，國內外巖溶地區鐵路結合地質、工程設置的綜合選線研究仍較少，有必要進行深入探討。

1自然條件

1.1　地形地貌

該段地形呈階梯狀分布，發育多級夷平面，巖性對地貌形態具明顯影響；碳酸鹽構成的山體寬厚雄奇，山頂起伏不大，巖溶地貌明顯，鄰近河谷溝谷地帶地形相對陡峻。

1.2　地震參數

根據國家質量技術監督局頒布的《中國地震動參數區劃圖》(GB18306—2001)，測區地震動峰值加速度值為<0.05g，地震動反應譜特征周期0.35 s。

2地質條件及方案比選的主要控制因素

2.1　地質條件

比較范圍位于中低山區，地層巖性主要為三疊系下統大冶群組中厚層灰巖，二疊系上統大隆組灰巖夾炭質頁巖、吳家坪組灰巖夾炭質頁巖，二疊系下統茅口組灰巖夾白云質灰巖，二疊系下統棲霞組灰巖，泥盆系中上統云臺觀組、水車坪組砂巖夾薄層灰巖，志留系上統紗帽群組粉砂質頁巖、中統羅惹坪組砂質頁巖夾砂巖、下統龍馬溪組粉砂質頁巖夾砂巖，奧陶系中上統牯牛潭組、臨湘組灰巖夾頁巖，下統大灣組中厚層狀瘤狀灰巖，南津關組、分鄉組、紅花園組灰巖。地質構造復雜，整體位于夏碧寨對稱背斜，斷裂構造較發育。

沿線奧陶系下統大灣組厚層狀瘤狀灰巖表層節理極其發育，順層面大部有滑動，在部分沖溝兩側陡坎下易坍塌而形成巖堆，沿線小型巖堆較發育。

巖溶主要集中在水沙坪至比溪、猛必鄉前后。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育。比較范圍共發現暗河3條，出口高程400～540 m之間，相當于區內的第5級夷平面，出口實測流量23.05～240 L/s。

在唐家寨村附近分布有多處小型鉛鋅礦礦洞，現已全部關停，礦洞延伸長度0.2～2.5 km，一般呈多層平垌開拓，對線路影響較大。

2.2　影響方案的主要因素

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

3線路方案研究

本段方案起點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南低北高，中間有西湖沖、細車河、茄佗河等河谷，細車河、茄佗河為深切“V”形，橋高較低；西湖沖溝深且開口較大，并且受21號暗河出口高程控制，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地層以可溶巖為主，工程設置以隧道工程為主。針對本段地形及各類不良地質分布，本次研究南側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)南側取直方案(方案Ⅰ)

線路比較起點為水砂坪南側劉家寨隧道，入口高程為665 m，下坡至隧道出口繞避巖堆，明線跨過21號暗河出水口，同時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、細車河、茄佗河后到達方案比較終點。比較段落內線路長度18.00 km，橋梁總長2.54 km，隧道總長13.94 km，橋隧比重91.6%,,工程投資約18.76億元。

(2)經細車村中方案(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口較大，橋高大。為優化西湖沖橋高，基本思路就是線路向北繞，走行于地形較高處。為避開北側巖堆，中方案劉家寨隧道出口跨龍永公路和21號暗河出水口，后線路折向東北，經張家寨、細車村、唐家寨至方案比較終點。比較段落內線路長度18.82 km，橋梁總長1.67 km，隧道總長15.01 km，橋隧比重94.1%，工程投資約19.11億元。

(3)經瓦廠坪北方案(方案Ⅲ)

方案Ⅱ西湖沖特大橋橋址開口較小，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。為了進一步縮短西湖沖橋長，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巖堆上，明線跨越21號暗河后折向東北，經過苦栗坡、瓦廠坪后折向東南至方案比較終點。比較段落內線路長度18.82 km，橋梁總長1.07 km，隧道總長16.19 km，橋隧比重95.6%，工程投資約19.24億元。

3.2　工程地質條件分析

各方案相距較近，通過的地層相當，且各方案均大角度通過夏碧寨對稱背斜。分別從各方案通過的巖溶段落情況，與采空區的關系等方面進行對比(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巖堆，并且于21號暗河出水口之外上跨通過，工程風險較小。北方案隧道出口位于巖堆內，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險。

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重，且不易繞避，北方案與中方案均由采空區通過。

南方案通過巖溶區長度最短、且對全部繞避大小巖堆，而北方案與中方案均與部分小型巖堆有相交。綜上，南方案工程地質條件較另兩方案好，而中方案次之，北方案最差。

3.3　工程設置及工程投資分析

各方案橋隧設置及工程投資見表2。

表2　工程設備及投資分析

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，橋梁開口大，高墩數量有所增加，但大于70 m高墩增加不多，分別增加約2個和4個。

中方案和北方案線路長度分別比南方案長823 m、816 m，且橋梁高度有所降低，但隧道卻要長1.1 km和2.2 km，且隧道淺埋段落增長，工程設置難度較大。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省3 477萬元和4 859萬元。

3.4　比選結果

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，工程投資較為節省，工程地質條件較好，且風險較小，故推薦南側取直方案。

4結論

巖溶地質選線的主要原則：優先采用路基形式通過巖溶地區，地下暗河、管道等宜采用低橋形式跨越，繞避處于強烈發育階段、具網狀洞穴、巨大空洞及暗河發育的巖溶地段；巖溶區宜多做路基、橋梁，少做隧道，尤應避免長隧道；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度；優先使用“人”字坡；以短隧道形式穿越“孤峰”；隧道應避開地質構造的交匯部位，避開地下水富集地段，以避免施工中發生涌水突泥等病害。

容易被忽視的是非可溶巖與可溶巖間經常間隔存在，線路應特別繞避順可溶巖與非可溶巖接觸帶、有利于巖溶發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。

參考文獻

[1]中鐵一院.新建鐵路黔江至張家界至常德線初步設計第五篇：線路篇[R].西安：中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2014

[2]中鐵一院.新建鐵路黔江至張家界至常德線初步設計第四篇：地質篇[R].西安：中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2014

[3]鐵道部第一勘察設計院.鐵路工程設計技術手冊：線路[M].北京：中國鐵道出版社，1994

[4]黃樹標.可溶巖地質問題及鐵路勘察設計原則淺議[J].鐵道標準設計，2008(5)：22-24

[5]孫永發.合武鐵路大別山地區工程地質選線[J].鐵道標準設計，2011(4)：19-21

[6]中華人民共和國鐵道部.TB10012—2007鐵路工程地質勘察規范[S].北京：中國鐵道出版社，2007

[7]中華人民共和國建設部.GB50021—2001巖土工程勘察規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2002

[8]常士驃，張蘇民.工程地質手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2006

[9]中華人民共和國鐵道部.TBl0027—2001鐵路工程不良地質勘察規范[S].北京：中國鐵道出版社，2001

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

中圖分類號：U212.32； P64

文獻標識碼：B

文章編號：1672-7479(2015)02-0065-03

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

收稿日期：2014-12-29