张唐铁路燕山越岭隧道地质选线研究

2010-01-22李翔

铁道标准设计 2010年10期

李翔

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300251)

1 概述

张唐(张家口—唐山)铁路宣化至赤城段穿越燕山山脉剥蚀中低山,地形起伏大,山坡陡峻。区域内有开采历史悠久的庞家堡煤矿区及象山铜矿等采空区控制线路方案选择,山间盆地第四系松散覆盖层较厚，含水量丰富，影响工程的安全,如何在地质复杂地段进行越岭隧道方案比选,是张唐铁路地质勘察的工作重点。勘察[2]过程中采用遥感判释、大面积地质调绘方法[1]初步查明采空区分布范围,然后通过大量物探、钻探工作[3]重点查明山间盆地内第四系覆盖层厚度和地下水性质,经过对燕山隧道南北两个越岭方案(花里越岭方案、龙关越岭方案)地质条件的综合分析评价,最终为越岭方案的选择提出合理的地质选线意见。

2 区域地质特征

2.1 地形地貌

燕山隧道地势总体呈马鞍形,海拔高程在902～1 585 m,东西部为中山区,海拔较高,在1 300～1 500 m,山势挺拔绵延,呈北北东向展布,山高坡陡谷深,地形急剧起伏,隧道区西部最高主峰摩天岭海拔1 685 m,东部最高主峰海拔1 300多m。中部低山区内分布有山间盆地且第四系覆盖层较厚,田家窑盆地海拔高程在1 060～1 200 m。该盆地宽缓开阔,地势总体趋势由北西向东南倾斜,地形起伏相对较小。测区水系多为季节性河流,属白河水系的红河支流。

2.2 地层岩性

低缓山坡多堆积第四系上更新统坡洪积(Q3dl+pl)新黄土,厚5～20 m,具Ⅰ～Ⅲ级自重湿陷性,山间盆地内为上更新统坡洪积(Q3dl+pl)黏性土和碎石类土,厚180～220 m,区域西南多为较厚的侏罗系上统(J3)沉积岩,岩性以灰绿色砂岩、砾岩为主,夹有多层煤层。其他中低山区出露为长城系高于庄组(Chg)、大洪峪组(Chd)和团山子组(Cht),主要岩性有灰白色中层白云岩为主夹少量灰色薄层白云质灰岩、灰黄色长石石英砂岩、黄绿色、紫红色砂岩、页岩、砾岩等。区域中北部大量出露太古代(Ar)黑云闪长片麻岩和燕山期(r52)侵入花岗岩。

2.3 地质构造

本区域位于Ⅰ级构造单元中朝准地台的Ⅱ级构造单元燕山台褶带北缘,以新太古代的变质基底为主,大面积分布的中生代陆相火山—沉积建造为主。区域内以北北东—北东向断裂为主,是区域内主要的控制性构造。北西向及近东西向断裂的发育次之。其中近东西向断裂形成较早,多被其他方向断裂切割或改造；北西向断裂规模较小,主要是配套构造,但活动较新。

隧道区内小的北东向和北北东向断裂最为发育,未发现有深大断裂,隧道区内褶皱构造不发育,多表现为断层附近的牵引褶皱,而且规模较小。

3 隧道区域主要地质问题

经过对隧道区域调查,该区域内地质问题除滑坡、崩塌、岩堆、泥石流等问题外,影响方案选择的主要地质问题为采空区、洞身长大地段松散地层及丰富的第四系孔隙水[1]。

3.1 采空区

区域内矿产资源丰富,主要矿产带有两处,一是区域西部南方案隧道进口端的庞家堡矿区,另一处为区域北部北方案的龙关矿区。见图1。

图1 隧道越岭地段方案示意

庞家堡矿区以庞家堡煤矿、钻山铁矿、象山铜矿、白庙铁矿等为主,庞家堡煤矿是开采历史上百年的老矿区,煤层为上侏罗纪陆相沉积,厚度4～5 m,埋深70～120 m,煤质较优,具有较高经济价值的工业用煤,目前基本开采殆尽,地表形成较多的塌陷区,线路进行绕避从其北侧3 km处通过,对工程无影响。钻山铁矿和白庙铁矿等均属于庞家堡铁矿区的一部分,铁矿属热接触变质铁矿,以赤铁矿为主,部分改造成磁铁矿,矿体赋存于长城系串岭沟组砂页岩地层中,矿体厚度1～3 m,大部分埋深120～200 m,矿体开采方式为硐采复合井方式开拓,线路绕避对工程无影响。象山铜矿早在宋朝时就有开采记录,地质勘探工作始于1956年,矿石实际开采高程1 330～1 438 m,开采方式为地下平硐开采,开采最大深度高程为1 020 m,线路穿越矿区,经过调整坡度在采空区下面穿过,隧道在该处埋深高程937.33～942.89 m,而该处采空区最深高程在1 020 m,隧道在采空区下面77～92 m通过,采空区对工程没有影响,但应防止将来加深越界开采,同时隧道通过该区域时应小进尺及加强支护衬砌,以防止隧道涌水、掉块及塌方。

龙关矿区以龙关铁矿、柏木井铁矿、茨营子南沟铁矿、黄田铁矿等铁矿为主,主要分布在北方案北侧3～6 km处,矿体赋存在长城系串岭沟组页岩之底部,矿物主要是磁铁矿,其次是赤铁矿,脉石矿物为含铁石英砂岩及页岩,开采方式为地下平硐开采,深度几十米至几百米不等,距线路较远对工程无影响。

3.2 长大地段松散地层

隧道南方案CK58+020～CK61+950经田家窑附近为山间盆地,盆地内沉积较厚的第四系全新统坡洪积(Q4dl+pl)碎石类土和黏性土,碎石土成分以花岗岩、石灰岩、砂岩为主,充填砂砾及砂质粉土,沉积厚度达140～160 m,因为沉积年代较近,地层较松散,给隧道开挖支护造成较大困难,也易产生隧道塌方最大地质灾害。见图2。

3.3 丰富的第四系孔隙水

隧道南方案经田家窑山间盆地地段以5‰的坡度上坡,隧道埋深180～120 m,而该段第四系孔隙水埋深在15～35 m,勘察期间该段按间距500 m左右布置9个勘探孔,勘探揭示洞身范围地层为第四系全新统坡洪积(Q4dl+pl)碎石类土,经对其中5个勘探孔孔内抽水试验,计算洞身地层渗透系数分别为0.31、0.098、0.168、0.169、2.188 m/d,涌水量估算计算模型均采用无界非完整式,参阅《铁路工程地质手册》[4]。

图2 南方案越岭隧道断面示意

科斯嘉科夫公式

落合敏朗公式

古德曼公式

大岛洋志公式

以及经验公式:q=0.025 5+1.992 4kH、经验公式：Q=BK(0.676-0.06K)等。

参数的选择：渗透系数去掉最大值2.188 m/d后选择其平均值0.186 m/d，静止水位至隧道等价圆中心的距离取140 m，含水体厚度取180 m，洞身碎石土分布长度按3 500 m,计算结果见表1。

该段洞身正常涌水量取值60 000～70 000 m3/d、最大涌水量取值120 000～150 000 m3/d。

表1 涌水量计算

由于洞身涌水量较大,给隧道施工止水带来较大困难,易产生洞身涌水地质灾害,同时对洞身上部各村镇的生产、生活用水造成较大隐患。

4 越岭隧道地质选线原则

结合燕山越岭地段的地形地质特点,工程地质选线[2]应按以下原则进行。

(1)隧道应尽量绕避采空区及塌陷影响区不良地质地段,平面位置无法绕避时,尽量调整线路坡度从采空区底部一定安全距离下通过。

(2)隧道洞身应尽量从坚硬完整岩层中通过,尽量避开软土、膨胀土及松散砂类土、碎石土等易产生变形塌方地段。

(3)隧道的选择以不破坏自然环境为原则,尤其是不破坏地下水资源环境,不影响洞顶居民的生产生活用水。

(4)隧道的选择应考虑施工开挖的难易程度,以不留隐患、不发生大的安全事故为前提。

5 隧道方案比选

5.1 两方案地质条件比选评价

经过初设阶段深入的勘察,从各隧道方案工程地质水文地质条件综合分析,各隧道方案优缺点如下。

南方案(花里越岭方案)隧道进口位置受庞家堡煤矿、象山铜矿影响只能从两矿采空区之间狭窄的安全位置通过,虽然避开采空区影响但使线路长度增加,隧道洞身岩性以灰岩、砂岩、砾岩、花岗岩为主,岩性较好但断层发育。该方案主要控制因素是CK58+020～CK61+950田家窑山间盆地内沉积厚度较大分布段落长的松散地层,地下水发育,给隧道施工造成较大困难,可能对周围水文环境影响较大并存在一定的安全隐患。

北方案(龙关越岭方案)工程地质及水文地质条件较好,隧道洞身岩性以太古代黑云闪长片麻岩和燕山期花岗岩为主,龙关、三岔口一带分布较多铁矿,但均在线路北侧分布,对线路无影响,该方案断层构造较少,更不存在洞身松散地层影响,属优选方案。

通过物探测试及钻探工作综合分析后隧道洞身围岩分级比较见表2。

表2 两方案围岩分级比较

由以上综合分析不难看出,从工程地质角度,龙关越岭方案优于花里越岭方案。

5.2 社会经济效益评价

由图1隧道越岭地段方案示意图可以看出,两方案起讫点为赵川站(CK42+200)和赤城站(CK101+800),起讫点两方案基本无差别,隧道进口处庞家堡煤矿有专用线连接至张家口,钻山铁矿、象山铜矿、白庙铁矿等为已开采废弃矿区,主要差别位于越岭隧道出口端,其中花里越岭方案隧道出口设花里站(CK71+900),经济覆盖据点主要有花里镇、田家窑、陈家窑等,该据点矿产资源贫乏以农作物为主,龙关越岭方案隧道出口设龙门站(CIK75+200),经济覆盖据点主要有龙关镇和三岔口镇,两镇人口达9.2万,占赤城县人口的1/3,龙关矿区分布在隧道出口附近北侧,为当地主要经济支柱,推荐龙关越岭方案对带动当地经济有重要意义。

其次,两方案造价进行比较,单独从越岭一座隧道比较龙关越岭方案隧道长21.085 km,比花里越岭方案隧道长2.525 km,造价高7500万元,但从起讫点赵川至赤城进行比较,花里越岭方案比龙关越岭方案线路长5.73 km,隧道三座总长度39.79 km,比龙关越岭方案隧道(两座33.36 km)总长度长6.43 km,工程造价增加2.25亿元,由此可见,在社会经济效益上龙关越岭方案优于花里越岭方案。