发鸠山隧道拗陷盆地地质特征及选线研究

2014-01-03曾宪明王延涛

铁道标准设计 2014年1期

曾宪明，王延涛

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

山西中南部铁路通道为国家重点工程建设项目，起自瓦塘站，经山西、河南、至山东日照港，对落实国家中部崛起发展战略，提高晋中南地区煤炭外运能力，保障国家能源安全供应具有重要意义。

发鸠山隧道为穿越沁河与漳河分水岭发鸠山黑虎岭的越岭隧道，地处沁水盆地核心区，横穿沾尚—武乡—阳城北北东向复式向斜构造，双线单洞，长14 573 m，最大埋深382 m。

沁水盆地为构造活动相对较弱的克拉通内断陷盆地，为残留型构造盆地，构造变形较弱，深部岩浆—热事件明显，燕山期以来(中、新生代)，华北板块受太平洋板块和印度与欧亚板块碰撞远程效应的影响而发生陆内造山，在沁水盆地内形成一系列既相互对立又相互协调的盆地—山脉或盆—岭构造单元。喜山期，沁水盆地整体抬升，差别不等性上升，在褶皱山系中形成小规模的拗陷盆地，亦称“山间拗陷”。

拗陷盆地为地槽发展到最后阶段，普遍回返隆起过程中。由于差别不等性上升，地槽转变成为褶皱山系中间所形成的内部陷落，盆地发育磨拉石建造、含盐建造。

新生代形成的拗陷盆地，磨拉石建造(分选性差、磨圆度低的快速粗大碎屑沉积，厚度巨大，无递变层理)发育，地层松散，工程地质条件差，水文地质条件复杂且独特，隧道穿越拗陷盆地时，线位、高程易长距离走行在第四系松散地层及地下水位以下，存在极大的施工安全风险和环境水文地质风险。拗陷盆地的成因及地质特征对隧道平面线位、高程的选择具有重要的理论与现实意义。

1 区域地质背景

沁水盆地为古生界基底上形成的构造盆地，东为太行山隆起，南为中条山隆起，西为吕梁山隆起，北为五台山隆起，总体为近南北向的大型复式向斜，地质构造相对简单，在盆地边缘发育一些较大规模的断裂，内部以次级褶皱为主(图1)。

图1 沁水盆地构造纲要

沁水盆地上元古代山西陆台形成，古生代广泛海侵，沉积前寒武系地层，加里东运动隆起，寒武系剥蚀，缺失上奥陶统、志留系、泥盆系、下石炭统地层，中生代末形成的构造盆地，沉积上石炭统，二叠系，三叠系地层，局部残存侏罗系地层，喜山运动隆起，形成继承性拗陷盆地及新生性拗陷盆地，新生界不整合覆盖于盆地之上，厚度50～200 m(图2)。盆地最深处奥陶系顶面深约2 500 m。

2 沾上-武乡-阳城复向斜演化特征

沁水盆地是以元古界、太古界为盆地基底的大型宽缓向斜构造，即沾尚—武乡—阳城复式向斜，在不同应力场下(图3)，经多次改造，叠加褶皱特征明显，地貌上表现为中低山、山间盆地。

燕山期，受NWW-SEE向挤压，褶皱抬升形成沾上—武乡—阳城宽缓向斜，形成沁水盆地基本格局。

喜山期，受NNE-SSW向挤压，对沾上—武乡—阳城宽缓向斜进行继承性发展、改造、叠加，形成叠加褶皱，沿向斜轴部形成一系列拗陷盆地。

图2 沁水盆地构造发展演化示意

图3 沁水盆地各时期构造应力场

喜山中晚期，受NE-SW向挤压，改造、叠加作用明显，在沁水盆地南部山顶(高程1 000 m左右)形成串状的拗陷盆地(图4)。

横水盆地为其中较大的拗陷盆地，控制山西中南部铁路通道的平面位置及高程选择。该盆地南与东峪盆地相邻，北与王村盆地相邻。

3 横水拗陷盆地地质特征

横水拗陷盆地位于沾尚—武乡—阳城北北东向复式向斜轴部，盆地形成于喜山期中晚期，位于2个叠加褶皱间的向斜构造盆地，盆地基底为三叠系二马营组(T1er)、和尚沟组(T1h)及刘家沟(T1l)组砂岩、泥岩互层地层，盆地内为第四系松散地层，覆盖在三叠系地层上，断层不发育。

根据勘探资料，盆地内第四系松散堆积层最厚100多m，磨拉石建造发育，二元结构特征明显，底部砾石发育，基岩埋深起伏变化如图5、图6所示，地下水埋深3～5 m，周边泉水发育。

图4 沁水盆地南部拗陷盆地

图5 横水盆地基岩埋深等值线图

盆地内大部分沟谷干涸或只有细流，地表水仅有横水河，泉水主要出露有圪节沟泉、岭底及北湾泉，其他为季节性泉水。含水地层主要为三叠系砂岩、第四系砂砾层，排泄方式主要沿泥岩顺坡排泄，形成多层悬挂泉，水量较小，一般小于10 m3/d，地下水类型为松散岩类孔隙水及碎屑岩基岩裂隙水。

综上，横水拗陷盆地地质特征如下所述。

(1)叠加褶皱盆地，位于沾尚—武乡—阳城北北东向复式向斜轴部，周边断层不发育。

(2)喜山期中晚期形成，第四系松散地层不整合堆积在三叠系地层上，磨拉石建造发育。

(3)盆地地下水发育，主要为第四系松散堆积孔隙水及三叠系砂岩基岩裂隙水。

4 横水拗陷盆地工程地质选线

线位穿越沁河与漳河分水岭——发鸠山黑虎岭，受高程控制，需以隧道形式穿越，其间发育横水山间盆地，盆地内居民聚集，饮用水主要依赖第四系松散堆积孔隙水，隧道走行在横水盆地第四系地层内、地下水位以下，环境水文地质风险及施工安全风险极高。

横水盆地无疑为控制线路方案的主要因素，鉴于横水盆地为拗陷盆地，盆地周边构造特别是断层构造不发育，研究了中穿横水盆地方案、北绕横水盆地方案、南绕横水盆地方案(图7)。

图6 横水盆地地质剖面

图7 发鸠山越岭隧道方案比选示意

(1)中穿方案:DK443+700～DK448+150走行在横水盆地内，地下水位较高。其中 DK443+700～DK445+400走行在土石分界内，水量较大，易塌方;DK445+400～DK448+150走行在第四系地层内，夹圆砾土，易塌方及涌水。隧道施工存在较大的安全风险(图8)。

图8 中穿方案地质剖面

隧道施工易引起地表泉井失水，对横水居民饮用水影响较大，存在较大的环境水文地质风险。

该方案工程地质条件较差，应予以绕避。

(2)北绕方案:向北绕避了横水盆地，隧道基本走行在基岩内，D1K448+300～D1K448+420走行在横水盆地内，洞顶上部16 m为第四系圆砾及粉质黏土，地下水较大，易塌方;D1K456+610～D1K456+345走行在第四系地层内，夹圆砾土，易塌方及涌水。隧道施工存在较大的安全隐患(图9)。