岩溶山区铁路工程地质选线分析<br/>——以宜万铁路野三关地区为例

岩溶山区铁路工程地质选线分析
——以宜万铁路野三关地区为例

2014-03-24李春红

资源环境与工程 2014年3期

李春红

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北武汉　430063)

0　引言

工程地质选线是铁路勘察设计中的一项重要工作。当一条铁路的走向和主要技术标准确定后,地质条件就成为设计线路位置和各种建筑物的决定性因素之一[1-3]。

随着国民经济的发展,铁路、公路等基础设施建设向复杂山区延伸。隧道在穿越岩溶地区时,可能遭遇岩溶洞穴、暗河或管道流,发生大规模突水突泥,并可能引起地面岩溶塌陷,地表水源枯竭,引发严重的环境地质问题。特别是隧道一旦与大型暗河管道串通,易造成重大人身安全事故,后果十分严重。在复杂岩溶地区铁路的建设和运营中,遭遇了多起突发性岩溶地质灾害,付出过惨重的代价,而且诱发了严重的环境地质问题[4-5]。因此,岩溶地区线路位置的选择应更加慎重。

宜万铁路是中国在地形、地质条件极为复杂的艰险山区修建的第一条高标准干线铁路,其地质条件之复杂集“西南山区铁路之大成”,建设条件之“艰、难、险”是目前中国山区铁路建设历史之最。其中,可溶岩占整个线路的70%,岩溶发育、突水突泥的风险程度、规模和工程处理难度为国内外罕见,工程极为艰巨,环境风险极大[4]。因此,为最大限度地降低岩溶地质灾害风险,铁路工程选线工作尤为重要。本文以野三关段为例,论述在复杂岩溶地区铁路工程地质选线的原则、要点,岩溶地质问题的分析及线路的综合比选。

1　岩溶区铁路选线的关键地质问题

1.1　野三关隧道概况

野三关隧道是宜万铁路中的关键工程之一,全长13 846 m,最大埋深600 m,穿越了石马坝背斜及二溪河向斜。背斜核部为志留系、泥盆系碎屑岩,两翼为二叠系、三叠系灰岩(图1)。其中,二叠系栖霞组、茅口组、吴家坪组、长兴组,三叠系大冶组灰岩地层长度为8 772 m,占整个隧道的63.4%；志留系、泥盆系等碎屑岩长度为5 074 m,占整个隧道的36.6%。隧道共穿越11条断层,发育有6条暗河及管道流。

1.2　岩溶区关键地质问题

岩溶地区控制线路的关键地质问题主要有:岩溶及岩溶水,大型不良地质体等。

1.2.1岩溶及岩溶水

在岩溶发育区,不仅地形地貌独特,而且发育有埋藏的或隐伏的复杂岩溶。岩溶形态各异,规模大小不一,在空间分布和发育程度上通常是极不均一的。由于岩溶水循环的分带性,使得岩溶具有垂直分带性的特点。而且,还发现有深埋岩溶。

野三关段区域地势北高南低,北部山区为区域分水岭,南部清江为区域相对排泄基准面。磨刀河、二溪河、苦桃溪、支井河是小区域的地下水排泄基准面,地下水总体流向自北向南(图1)。

志留系(S)及二叠系吴家坪组(P2w)与大冶组(T1d)底部的页岩构成隔水层,栖霞组、茅口组、长兴组、大冶组、嘉陵江组地层构成含水层。受碳酸盐岩层组、层间分布的隔水层的限隔,各含水层组成相对独立的溶隙—管道流系统。背斜各含水层中发育有6条主要管道流(表1)。其中,③号、④号暗河对隧道影响较大。隧道洞身以上水头高度约为200～300 m,预测隧道最大涌水量为429 064 m3/d,正常涌水量114 747 m3/d。地下水埋深自北向南变浅,岩溶发育强度、富水程度由弱渐强。

图1　野三关地区岩溶水文地质略图

表1野三关段区主要暗河管道流特征

Table 1Characteristics of conduit flow of main underground river in Yesanguan area

编号地层补给面积/km2流量/(L·s-1)泄出标高/m①T1d3．392001112②P1m0．60201120③P1q，P1m14．5724．9～3798．71050④T1d8．354400(最大)880⑤T1d5．050．68～6531810⑥T1d1．75较小815

岩溶及岩溶地下水对铁路工程的危害,主要表现为隧道突水突泥施工人员安全的影响，以及施工机具设备的破坏。

1.2.2大型不良地质体

宜万铁路野三关地区不良地质发育,以滑坡对选线影响最大。控制线路方案的重大不良地质有庙岭上滑坡、金龙坪滑坡、故县坪滑坡等,上述滑坡规模大,滑层深,且欠稳定。例如,庙岭上滑坡位于支井河左岸大冶组(T1d)中厚—薄层灰岩顺层斜坡地段,岩层倾角38°～56°,滑体厚、规模大(图2),控制线路方案的选择,选线时予以绕避。

图2　庙岭上滑坡剖面示意图

2　复杂岩溶区铁路选线的原则

2.1　铁路选线的一般原则

在上世纪六七十年代提出的“三十条”原则基础上,经过近50年来的铁路工程实践、经验积累,提出了“五条铁路地质选线原则”。概括起来为[1,4]:

(1) 河谷选线；

(2) 大高差上地形台阶和高原面的高位选线；

(3) 越分水岭选线；

(4) 超前开展大范围区域地质勘察,综合考虑越岭隧道和两端引线、活动性断裂带选线；

(5) 特殊岩土选线。

这五条地质选线原则体系了区域地质的观念和实施地质选线的技术路线。

2.2　岩溶区铁路选线原则

岩溶、岩溶水发育特征,反映了岩溶地区地貌、岩性、地质构造控制的叠合效应；大型不良地质体制约线路方案的可行性,甚至“一票否决”。因此,岩溶地区铁路选线就是要抓住关键地质问题,同时兼顾其它要素。岩溶区的地质选线原则概括如下:

(1) 线路尽量选择岩溶不发育、欠发育、相对弱发育的地层岩组区段,依次选择非可溶岩→不纯碳酸盐岩→间互型碳酸盐岩、纯碳酸盐岩中的有利部位等；构造稳定宽缓褶皱、构造简单、断裂欠发育的地块；不利于岩溶、岩溶水发育分水岭、补给区,鉴别选择径流区,避开排泄区,远离暗河。

(2) 尽量避开可溶岩和非可溶岩的接触带。可溶岩和非可溶岩的接触带有利于地下水的富集,岩溶水的化学、物理作用强烈。线路方案应避开这些地带,或大角度通过。

(3) 尽可能避开网状洞穴和巨大空洞区。在岩层产状平缓、质纯、层厚,断裂密集或交叉的地带,或地形切割剧烈,且地表与暗河有水力联系的地段,往往发育网状洞穴或巨大空洞。在岩溶水排泄区附近,是岩溶和岩溶水最发育的部位,应尽量避开。而选择在岩溶安全带或垂直渗流带内通过(图3)。

图3　岩溶安全带示意图

(4) 考虑选择在地下水分水岭地带通过。岩溶水为适应横向谷,做与构造线一致的纵向运动,而形成纵向岩溶水的地下分水岭,此分水岭与地表分水岭或褶皱轴垂直,这些地带岩溶和岩溶水相对不发育。

(5) 尽量往河流的上游靠。由于挽近期地壳上升、河流下切速度大于岩溶化速度,岩溶发育强度随河流逆源方向而减弱。同时,越往上游,则河床标高越高,河谷越狭窄,可大大减少桥高、桥长。

(6) 尽量绕避不良地质体。对于大型滑坡、顺层边坡,往往治理难度大,投资大,留有安全隐患,最好“一票否决”。

(7) 方案比选采取“两害相权,取其轻”原则。鉴于岩溶的复杂性、普遍性,线路难以躲避所有岩溶、岩溶水发育区和不良地质体,“差中选好”、“劣中择优”,通过综合比选确定线路方案。

3　野三关地区综合地质选线

野三关地区为岩溶水文地质、工程地质极复杂的越岭地段。为避免岩溶及岩溶突水问题，尽量绕避大型不良地质体。线路方案比选时研究了野三关北方案、野三关南方案、野三关取直方案,以及野三关北改善方案(A方案)、野三关南改善方案(B方案)和野三关大取直方案(C方案)等6个越岭方案(图4)。

图4　野三关地区综合选线方案示意图

野三关北、野三关取直、野三关南三个方案均不同程度地存在岩溶、岩溶水问题,以南方案问题最大,北方案问题相对较少；三个方案均通过大型庙岭上滑坡；野三关北方案中,隧道出口存在长约5 km自然顺层坡高达600 m的顺层地段,三个线路方案均存在关键地质问题,方案不可取。为此,研究了野三关北改善方案(A方案)、野三关南改善方案(B方案)和野三关大取直方案(C方案)。

(1) 方案A:线路位在最北端,接近长江、清江的分水岭,穿越碎屑岩所占比例最高,岩溶水文地质条件相对较好；特高桥相对短、高度矮。但是,线路经过支井河右岸长大顺层地段和故县坪滑坡群。

(2) 方案B:线路位于区域的最南端,所经强岩溶化地层(T1d、T1j)最多,且都在径流排泄区,岩溶、岩溶水发育强烈,岩溶水文地质条件复杂且跨支井河、野三河桥高达258 m。该方案岩溶、岩溶水文地质问题突出。

(3) 方案C:线路位于方案A、方案B之间,处在岩溶水的补给区、径流区的过渡段,分布地层主要为志留系S碎屑岩及二叠系P、三叠系大冶组T1d、嘉陵江组T1j可溶岩,工程地质及水文地质条件也介乎上两方案之间；线路最短且顺直,沿线躲避了大型不良地质体。

(4) 综合比选。①野三关大取直方案线路最短,投资最小,较野三关北改善方案短6.3 km,工程造价节省约2.6亿元。三个方案的主要工程及造价列于表2。