濟萊高鐵濟南段主要地質問題及地質選線

吳 洋 于成龍

(1.中鐵二院北方勘察設計有限責任公司，山東 濟南 250012； 2.山東高速工程檢測有限公司，山東 濟南 250002)

1 概述

濟南至萊蕪高速鐵路位于山東省中部，線路西起濟南市濟南東客站，向東經章丘區，而后向南經雪野、萊蕪區，終于鋼城區鋼城東站。新建鐵路正線全長115 km。屬雙線高速鐵路，設計行車速度350 km/h，最小曲線半徑7 000 m，最大坡度20‰。濟南東—章丘段為本線主要的山嶺段落。

2 地質環境條件

2.1 地形、地貌特征

濟萊鐵路依次經過山前傾斜平原區、魯中低山丘陵隆起區、泰萊凹陷東側剝蝕區。地勢中間高兩頭低，北部平坦開闊，中部山區溝谷縱橫、地勢起伏，南部萊蕪境內低山剝蝕、水土流失形成溝壑地貌。

2.2 地層巖性

濟南東—章丘段經過地層主要以奧陶系、寒武系灰巖、頁巖為主。

2.3 地質構造

在大地構造上，工程場區位于華北斷塊之魯西地塊內的魯中隆起區。地殼表層屬典型的地臺式結構，結晶基底由太古代下部的泰山群變質巖組成。基底之上古生代沉積蓋層發育，主要由寒武系、奧陶系、石炭系地層組成。

3 地質災害類型及特征

本段線路走行于傾斜平原與低山丘陵區，不良地質災害普遍，同時具有其地域特點。濟南礦產資源豐富，煤炭、鐵等開采具有悠久歷史，采空區廣布；濟南為著名泉城，沿線巖溶泉水資源豐富，鐵路建設對泉水生態有一定影響。在對線路進一步優化比選后，仍存在較大影響的地質災害問題如下。

3.1 采空區

本段為濟東主要的煤、黏土礦礦產資源開發區，地下開采礦產資源開發歷史悠久，長期的礦產資源開采，形成了數量眾多的采空區，存在著嚴重的安全和環境隱患。

濟東煤田含煤地層為二疊系、石炭系的太原組和山西組，同時存伴生黏土礦。太原組、山西組巖性主要由泥質巖、粉砂巖、細砂巖和石灰巖及煤層組成，總厚度約為230 m，可采煤4層～8 層，可采煤層總厚度3.5 m～5.5 m，一般開采深度50 m～800 m，局部煤層出露。采煤方法早期為殘柱式采煤法，現一般為走向長壁或短臂式采煤法，爆破落煤，全部垮落法管理頂板，村下壓煤一般留設保護煤柱或者采用條帶法開采。區內主要煤礦有埠村煤礦、東徐馬煤礦、李福煤礦等大小100余個煤礦企業，開采時間主要從1970年—2006年，2016年區內最后一個大礦——埠村煤礦進行了閉坑停采，至此沿線煤礦基本全部關停。總體看，區內煤層層數多，但厚度小、變化大，不穩定。濟東煤田開采區與線路方案示意圖見圖1。

區內分別研究了CK推薦方案(方案一)，沿飛躍大道—大東繞方案(方案二)，飛躍大道—專用線方案(方案三)，飛躍大道—明埠路方案(方案四)四個方案。

其中除CK方案外，其余三方案在通過西棗園煤礦、武家山鐵礦區，向東經歷城煤礦、東徐馬煤礦后，大東繞方案(方案二)折向南，避開了章丘西部主要煤礦采空區，于曹范村接入推薦方案；其余兩方案繼續向東，經民泰、李福煤礦后，煤礦專用線方案(方案三)折向南經埠村煤礦主采空區，后引入推薦方案；明埠路方案(方案四)繼續向東經瑯溝煤礦拐向南經鑫岳六號煤礦、埠村煤礦、埠村1號煤礦后接入推薦方案。

通過采空區段主要存在廢棄礦井、地面沉降、塌陷、地裂縫等問題，現場調查及收集資料，沿線采空及塌陷段落見表1。

表1 線路通過采空區一覽表 km

綜合上述，僅從穿越采空區范圍考慮，沿飛躍大道—大東繞、飛躍大道—專用線、飛躍大道—明埠路三個方案通過采空區段落總長均大于10 km，通過或鄰近采空塌陷區長度0.455 km～1.132 km，通過區采煤2層～6層，采深50 m～800 m不等，工程治理難度大，工程地質條件差。CK推薦方案繞避了所有采空區，距最近章靈丘鐵礦，位于移動盆地邊界線以外，對工程影響小，工程地質條件相對較好。

3.2 巖溶

本段沿線地形地質條件復雜，構造運動以緩慢上升為主。魯中隆起地質構造總體上是一個以新太古代泰山巖群為基底，以古生代地層為主體的北傾單斜構造。單斜構造單元中發育多組斷裂構造，將其分割成相對獨立的單斜斷塊。可溶巖地層出露齊全，從寒武系、奧陶系均有分布。巖性多以灰巖、白云巖、碎屑巖類為主，地表巖溶形態多發育為溶洞、巖溶洼地、溶蝕槽谷、巖溶泉等，局部地表植被較為茂盛，巖溶水富存豐富，泉群較為發育。沿線巖溶中等發育為主。

3.2.1巖溶發育程度

本段出露的可溶巖地層主要以古生界奧陶系、寒武系為主，線路沿線廣布。從地層看馬家溝組八陡段(O2mbd)和北庵莊段(O1mb)、五陽山段(O1mw)主要巖性為灰巖、豹斑灰巖、泥晶灰巖，奧陶系下統三山子組(O1js)主要巖性為厚層白云巖，寒武系中統張夏組(2jz)主要以鮞粒灰巖為主；以上地層可溶巖純度較高，巖溶發育程度高。奧陶系(O)、寒武系中統張夏組灰巖(2jz)屬中等巖溶發育區，面巖溶率2%～3%，局部強烈發育區，面巖溶率大于5%以上；寒武系其他組地層為巖溶弱發育區，面巖溶率1%～2%。

3.2.2巖溶發育形態

沿線地表巖溶以禿山、干谷、溶溝、溶槽為主，地下巖溶以溶洞、巖溶泉為特征。山區土壤植被稀少，缺少雨水的經常性溶蝕作用，因此山區地表僅在順層緩坡局部地帶發育有片狀石芽、溶溝等巖溶景觀。在灰巖陡坡的不同高程殘留部分古代巖溶遺存的干溶洞。

濟南被譽為“泉城”，泉水是濟南的象征。推薦線路主要穿越郭店單斜即白泉泉域，比選線路局部穿越明水單斜即明水泉域。區域內的主要泉群有白泉泉群、玉河泉泉群、百脈泉泉群。

3.2.3選線原則

區內水文地質條件復雜，溶洞、巖溶干谷等巖溶形態及巖溶泉、斷層泉等發育，線路通過時，施工易引起危害及造成環境工程地質問題，應避免穿越地表漏斗、溶蝕洼地發育區。

影響巖溶地區線路選擇的因素很多，必須多方面進行分析，在滿足它們特定要求的基礎上，擬定所有可能的線路方案，進行技術經濟比較，權衡利弊后決定取舍。就地質條件而言，在碳酸鹽巖地區雖然有巖溶危害，但一經查清并妥善處理，對線路的安全還是有保障的。而非碳酸鹽巖地區也有不少工程地質問題，如軟質巖隧道圍巖強度低、穩定性差，易發生圍巖變形且容易遺留病害。同時本段沿線采空區分布廣泛，穩定性差，采空區對線路安全的影響大于一般的巖溶發育地區。線路通過巖溶地區，巖溶越發育，洞穴及巖溶水的危害越大，克服障礙越困難，工程處理費用越高，越宜要求避重就輕。因此綜合選線原則的確定對于本段的線路方案選擇至關重要。

濟南東客站—章丘段線路方案主要分為推薦方案(沿京滬高速方案)、沿世紀大道方案、沿石濟客專線方案，如圖2所示。

重大線路方案巖溶地質條件比較表見表2。

經比選推薦方案(沿京滬高速方案)、沿世紀大道方案通過可溶巖地區較長，可溶巖隧道較多、存在巖溶塌陷、影響泉水等巖溶水文地質問題；沿石濟客專方案可溶巖隧道較短，巖溶水文地質問題相對較輕。從巖溶水文地質條件分析，沿石濟客專線方案相對較好。

但由于受采空區等因素的影響控制，經過綜合論證對比，本段推薦方案確定仍采用沿高速公路方案。因此推薦方案的線路優化就更為重要。

表2 重大線路方案巖溶地質條件比較表

本段推薦線路由于通過范圍內的巖溶區較長，隧道較多。因此盡量選擇泉群分布區的外側傍山通過，盡量降低隧道的長度，并抬升線路標高，從而降低對經過泉群的影響。

以隧道通過巖溶中等發育可溶巖地區，同時避免穿越巖溶水水平循環帶及深部滯流帶、避開暗河及大型泉點，選擇在垂直滲流帶中短距離通過。

3.2.4推薦意見

通過上述比較，沿京滬高速方案，完全繞避了采空區，大大降低了地質災害的風險。此外，通過對線路的建議優化，本段隧道均為傍山隧道，均位于垂直滲流帶中，并降低了隧道的長度，同時獲得了濟南泉水保護辦部門的認可。

4 結語

濟萊高鐵位于齊魯腹地，沿線地形地質條件復雜，生態環保要求嚴苛。沿線采空區、巖溶(水)問題較為突出。在充分總結汲取二院山區鐵路綜合選線技術經驗的基礎上，按照地區生態保護要求，加強了對泉水的保護，線路方案的選擇在結合采空區影響基礎上，結合較為適宜的定線原則，選取了巖溶地質條件相對較長但整體風險相對較小的方案。經線路方案優化比選，推薦的線路方案完全繞避了大型的采空區，同時短隧道、抬標高、快通過泉點發育區，降低了對泉群的影響，地質選線效果顯著。