岩溶地区工程地质选线方案研究

梁 栋

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

新建黔(江)张(家界)常(德)铁路是我国中长期铁路规划中补充和完善区域铁路网，促进地方经济发展，体现国家民族政策，促进民族团结的重要铁路建设项目。黔张常铁路走行于武陵山区，连接了渝东南、鄂西南、湘西北地区，是重庆黔江至湖南常德的重要运输通道。线路全长380 km，其中土落坪洼地至龙凤西段长约21 km。穿越该段岩溶发育区的方案是全线的主要控制方案，方案的最终选择将直接影响全线的建设质量、工期和投资。目前，国内外岩溶地区铁路结合地质、工程设置的综合选线比选研究仍较少，有必要进行深入探讨和研究。

1 自然条件

1.1 地形地貌

本段沿线属低中山区地貌，山峦重叠，峭壁林立，群山起伏，沟谷深幽，植被极为发育。段内武陵山区大堡梁岭顶高程1 200 m，起点土落坪高程800 m，终点龙凤西高程500 m。高差达300 m。区域内国道、省道蜿蜒曲折，交通极为不便。

1.2 地震参数

根据《中国地震动参数区划图》(GB18306—2001)，测区地震动峰值加速度值为0.05g，地震动反应谱特征周期0.35 s。

2 该段工程地质概况及控制因素

2.1 地质概况

本段沿线所经山体大多由可溶岩构成，宽厚雄奇，总体走向呈北北东向和北东向，山脉与河谷相间分布。线路在土落坪至革勒车段范围内地质构造复杂，寒武系，奥陶系，二叠系，三叠系中的灰岩、白云岩、泥灰岩等碳酸盐类可溶岩大面积出露，岩溶强烈发育。岩溶区大型岩溶洼地、落水洞、漏斗、溶洞、暗河及大泉发育。本段线路位于来凤向斜西北翼，断裂构造较为发育。线路在革勒车至龙凤西段为志留系下统龙马溪群组页岩夹砂岩，中统罗惹坪组页岩，区内滑坡、错落发育。

2.2 控制因素

本区段控制线路走向的主要因素有岩溶、断裂构造、滑坡、水库等。

3 线路方案研究

本段内地形起伏变化剧烈，革勒车乡所在地地势低洼，地面高程与周边山地高差百米以上，属典型的武陵山脉中山区地貌，土落坪与龙凤西高差较大。为满足龙凤西的设站条件，线路需从土落坪引出后足坡而下，这使得铁路布线与暗河的交叉不可避免，查明线路与暗河交叉处的地下暗河高程以及与线路高程的相对关系，对确定线路走向和桥隧工程设置非常重要。

结合区域地质资料，通过遥感解析以及前期的大面积地质调查测绘、工程物探和钻探，查明本段分布有2条大的暗河、6条断裂，同时查明了各暗河的高程。在对该区域地形地貌、地质情况有较深认识的情况下，结合革勒车桥位等主要控制点，研究了3个线路方案并进行比选，如图1所示。

图1 岩溶发育段地质选线方案示意

3.1 线路方案

方案Ⅰ:金光水库北侧隧道方案

线路自土落坪以4.03 km长隧道穿大堡梁后于金光水库北侧(上游)足坡而下，在革勒车乡北侧设桥，跨过岔河后以桥隧引线至比较终点龙凤西。该方案线路长度21.49 km，桥隧总长19.34 km，线路通过可溶岩长度10.3 km，岩溶隧道4座，长8.6 km。

方案Ⅱ:金光水库南侧低高程横洞方案

该方案由土落坪以较低高程、3.86 km长隧道穿大堡梁后，以桥的形式于金光水库下游1 km处通过，然后以桥跨越革勒车乡，到达方案比较终点。线路长度21.5 km，桥隧总长19.54 km，岩溶隧道4座，长8.3 km。

方案Ⅲ:金光水库南侧高高程反坡平导方案

该方案由土落坪以较高高程、3.75 km长隧道穿大堡梁后，在金光水库下游以桥跨越革勒车乡，到达方案比较终点。线路长度21.3 km，桥隧总长19.54 km，岩溶隧道4座，长7.38 km。

3.2 工程地质条件分析

控制点之一的大堡梁隧道位于来凤向斜西翼，产状 N55°W/60°～70°S，轴向 N30°E，轴面倾向 NW。断裂构造较为发育，通过地层为寒武系上统灰岩、灰岩夹白云岩，奥陶系下统灰岩。入口位于土落坪洼地边缘，洼地地表高程为800 m左右，各方案本座隧道均位于可溶岩中。线路在54 km附近与1号暗河相交，暗河在此处高程约为800 m，岩层产状N60°E∠7°SE。1号暗河主要由暗河周围地表径流汇集补给，线路北侧山体有封闭洼地，地表径流汇集部分流入暗河，是暗河的主要补给源。线路南侧山体为单面坡，无封闭洼地，地表径流直接汇入下游河中，对暗河无补给，各方案线路高程均在暗河之下。与暗河相交处，方案Ⅰ隧道顶距暗河底45 m，方案Ⅱ隧道顶距暗河底40 m，方案Ⅲ隧道顶距暗河底30 m。方案Ⅰ隧道位于垂直渗流带中长度为700 m，方案Ⅱ隧道位于垂直渗流带中长度为1 060 m，方案Ⅲ隧道位于垂直渗流带中长度为1 240 m。由于方案Ⅲ在隧道内高程较高，该方案隧道位于垂直渗流带的长度略长于方案Ⅱ。

方案Ⅱ以桥过林家坪张性兼扭性断裂F3，方案Ⅰ和方案Ⅲ均以隧道过该断层。通过该断层的工程设置方案Ⅱ优于方案Ⅰ和方案Ⅲ。

各方案与2号暗河相交时都以桥跨越。此暗河对线路影响不大。

方案Ⅰ的2号隧道行走于金光水库北侧，隧道埋深120 m，洞身设计高程低于常年蓄水位。本段岩溶、落水洞、漏斗发育，水库漏水严重，经过多次水泥灌浆治理，才勉强蓄水。水库蓄水通过岩层裂隙或溶洞与地下联通，工程存在较大风险。

方案Ⅱ与方案Ⅲ的2号隧道山体上无封闭洼地，地表径流流入岔河，虽在可溶岩地层，但岩溶不发育，无岩溶水影响。方案Ⅱ与方案Ⅲ的2号隧道工程地质特性明显优于方案Ⅰ。

3.3 工程设置及工程投资分析

(1)隧道施工条件分析

方案Ⅰ大堡梁隧道施工组织采用进口+进口平导两个工区设计。在隧道出口右侧25 m设置一座平导。担负正洞施工中的超前地质预报、逃生通道、异常处理通道等。施工工期为45个月。

方案Ⅱ在大堡梁隧道中部设置1 320 m的横洞辅助施工，增加施工工作面。通过合理的施工组织以及超前地质预报等措施，确保施工安全及施工工期。施工工期为33个月。

方案Ⅲ从大堡梁隧道进口左侧设1 000 m的反坡平导两工作面施工，满足工期要求。施工工期为35个月。

三个方案大堡梁隧道的地质情况基本相当，虽与暗河交叉处线路高程均位于推测暗河高程之下。但方案Ⅱ较方案Ⅰ、方案Ⅲ辅助坑道条件好，施工工期最短。

(2)桥梁设置分析

各方案革勒车桥位工程情况见表1。

表1 革勒车桥位工程设置比较

从表1分析可知，革勒车桥方案Ⅰ高墩数量较少，桥高低;方案Ⅱ桥最短，高墩段落长度短;方案Ⅲ桥高大，高墩多，工程巨大。

(3)工程投资分析

各方案岩溶隧道长度相当，岩溶治理费用相差不大。但革勒车桥位整体较高，在保证工程可行，各方案均采用最优化的桥跨布置形式的情况下，高墩大跨仍造成各方案造价差别较大。综合比较段落各工点设置情况，方案Ⅰ造价较方案Ⅱ低2 300万。方案Ⅲ较方案Ⅱ高5 000万。

3.4 比选结果

通过以上比选分析，在探明暗河与线路的相对位置关系后。方案Ⅱ以明线过断层，革勒车桥位最优。方案Ⅲ虽以线路高高程获得了在岩溶隧道中略长的垂直渗流带，隧道条件有所改善，但工程代价太大。方案Ⅰ在穿越2号隧道时存在明显的工程风险，予以舍弃。因此选择工点设置合理、工程可行、造价适中的方案Ⅱ作为推荐方案。

4 研究结论

通过对三种具体方案优劣的详细对比研究，得到了关于穿越岩溶地区工程地质选线方案设计时的一些指导性结论:

(1)在山区选线勘测中，特别是岩溶地区，工程地质对线路位置的确定、方案的取舍起着决定性的作用，必须重视工程地质选线这一环节，才能避免或减少选线失误。

(2)岩溶地区地质选线应处理好局部与整体的关系。岩溶发育地段，一般线路以绕避为主，或选择在岩溶发育较弱的地区通过为宜。但有时受重大工程或控制性工程位置的技术要求限制，致使路基、桥涵、隧道等工程完全避开岩溶是不可能的。穿越岩溶区有时从局部看可能是不理想的或不经济的，但从整段线路总体来看，则可能是经济合理的。故岩溶区地质选线，必须通过综台勘探手段查明岩溶分布范围、发育特征、发展趋势，研究可行的整治措施。然后进行多方案多措施比选，确定工程可行、经济合理的线路方案。

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