岩溶地区复杂地质条件下铁路线路方案比选

2015-03-16史晓涛

铁道勘察 2015年2期

关键词：暗河工程地质岩溶

史晓涛

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安　710043)

Railway Scheme Comparison Karst region under Complicated Geological Conditions

SHI Xiaotao

岩溶地区复杂地质条件下铁路线路方案比选

史晓涛

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安710043)

Railway Scheme Comparison Karst region under Complicated Geological Conditions

SHI Xiaotao

摘要黔张常铁路多穿行于中低山和丘陵地区，岩溶、滑坡等不良地质发育，且分布有矿场采空区，地形地质条件对线路布设有较大限制。介绍黔张常铁路在武陵山区采用遥感、物探、钻探等综合勘察成果指导岩溶地区铁路选线的研究方法，对水沙坪至晏家堡段的三个线路方案，从工程地质、工程设置、工程投资等方面进行分析比较，优选出绕避不良地质、工点设置合理、工程经济性较优的方案，并对岩溶区复杂地质条件下铁路选线思路进行总结。

关键词黔张常铁路地质选线可溶岩非可溶岩方案比选

新建黔(江)张(家界)常(德)铁路走行于武陵山区，连接渝东南、鄂西南、湘西北地区，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。黔张常铁路线路全长337.6 km，铁路走行沿线大部处于武陵山脉的中山、低山区，区内褶皱、断层发育，部分地层矿产富集，碳酸盐岩广布，岩溶强烈发育，地势陡峻，河谷深切。复杂的地形地貌、地质构造、工程地质和水文地质条件，造就了该区不良地质问题类型多、分布广、规模大的特点。

水沙坪至晏家保段长约18 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该段线路的建设质量、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研究仍较少，有必要进行深入探讨。

1自然条件

1.1　地形地貌

该段地形呈阶梯状分布，发育多级夷平面，岩性对地貌形态具明显影响；碳酸盐构成的山体宽厚雄奇，山顶起伏不大，岩溶地貌明显，邻近河谷沟谷地带地形相对陡峻。

1.2　地震参数

根据国家质量技术监督局颁布的《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地质条件及方案比选的主要控制因素

2.1　地质条件

比较范围位于中低山区，地层岩性主要为三叠系下统大冶群组中厚层灰岩，二叠系上统大隆组灰岩夹炭质页岩、吴家坪组灰岩夹炭质页岩，二叠系下统茅口组灰岩夹白云质灰岩，二叠系下统栖霞组灰岩，泥盆系中上统云台观组、水车坪组砂岩夹薄层灰岩，志留系上统纱帽群组粉砂质页岩、中统罗惹坪组砂质页岩夹砂岩、下统龙马溪组粉砂质页岩夹砂岩，奥陶系中上统牯牛潭组、临湘组灰岩夹页岩，下统大湾组中厚层状瘤状灰岩，南津关组、分乡组、红花园组灰岩。地质构造复杂，整体位于夏碧寨对称背斜，断裂构造较发育。

沿线奥陶系下统大湾组厚层状瘤状灰岩表层节理极其发育，顺层面大部有滑动，在部分冲沟两侧陡坎下易坍塌而形成岩堆，沿线小型岩堆较发育。

岩溶主要集中在水沙坪至比溪、猛必乡前后。岩溶地貌主要为大型岩溶洼地、落水洞、漏斗、溶洞、暗河及大泉。在水沙坪岩溶洼地周围、猛必向斜核部附近，岩溶暗河及大泉十分发育。比较范围共发现暗河3条，出口高程400～540 m之间，相当于区内的第5级夷平面，出口实测流量23.05～240 L/s。

在唐家寨村附近分布有多处小型铅锌矿矿洞，现已全部关停，矿洞延伸长度0.2～2.5 km，一般呈多层平垌开拓，对线路影响较大。

2.2　影响方案的主要因素

本段影响方案的主要工程地质问题是岩堆、岩溶及唐家寨的采空区，已建成的龙永公路对本段方案也有一定影响。

3线路方案研究

本段方案起点水砂坪为山间大型溶浊洼地，地面高程约为653～660 m，向东以隧道形式穿越，出口位于非可溶岩，并跨越21号暗河出口和新建龙永公路。跨越龙永公路至晏家堡段地形趋势南低北高，中间有西湖冲、细车河、茄佗河等河谷，细车河、茄佗河为深切“V”形，桥高较低；西湖冲沟深且开口较大，并且受21号暗河出口高程控制，跨西湖冲的桥梁平均桥高较高，单位投资较高，白果村至晏家堡段线路所经地层以可溶岩为主，工程设置以隧道工程为主。针对本段地形及各类不良地质分布，本次研究南侧取直方案及北绕以降低桥高的中方案和北方案(如图1所示)。

图1　水沙坪至晏家堡段方案比选示意

3.1　线路方案

(1)南侧取直方案(方案Ⅰ)

线路比较起点为水砂坪南侧刘家寨隧道，入口高程为665 m，下坡至隧道出口绕避岩堆，明线跨过21号暗河出水口，同时满足净空要求上跨龙永公路后足坡下行，折向东，桥隧相连，先后跨越西湖冲、尧城村，跨越深切沟谷、细车河、茄佗河后到达方案比较终点。比较段落内线路长度18.00 km，桥梁总长2.54 km，隧道总长13.94 km，桥隧比重91.6%,,工程投资约18.76亿元。

(2)经细车村中方案(方案Ⅱ)

方案Ⅰ受龙永公路控制，出口高程较高，引起后面西湖冲特大桥开口较大，桥高大。为优化西湖冲桥高，基本思路就是线路向北绕，走行于地形较高处。为避开北侧岩堆，中方案刘家寨隧道出口跨龙永公路和21号暗河出水口，后线路折向东北，经张家寨、细车村、唐家寨至方案比较终点。比较段落内线路长度18.82 km，桥梁总长1.67 km，隧道总长15.01 km，桥隧比重94.1%，工程投资约19.11亿元。

(3)经瓦厂坪北方案(方案Ⅲ)

方案Ⅱ西湖冲特大桥桥址开口较小，但由于沟心较平缓，高程变化不大，所以未能有效降低西湖冲桥高。为了进一步缩短西湖冲桥长，降低桥高，研究了北方案。本方案刘家寨隧道出口位于由龙永公路外侧岩堆上，明线跨越21号暗河后折向东北，经过苦栗坡、瓦厂坪后折向东南至方案比较终点。比较段落内线路长度18.82 km，桥梁总长1.07 km，隧道总长16.19 km，桥隧比重95.6%，工程投资约19.24亿元。

3.2　工程地质条件分析

各方案相距较近，通过的地层相当，且各方案均大角度通过夏碧寨对称背斜。分别从各方案通过的岩溶段落情况，与采空区的关系等方面进行对比(如表1)。

表1　各方案综合比选

中方案与南方案隧道出口绕开岩堆，并且于21号暗河出水口之外上跨通过，工程风险较小。北方案隧道出口位于岩堆内，清理工程大，后以明线跨暗河，但地下暗河位置有不确定性，这两处具有一定的工程风险。

唐家寨村附近分布有多处小型铅锌矿矿洞，与北、中方案线路干绕比较严重，且不易绕避，北方案与中方案均由采空区通过。

南方案通过岩溶区长度最短、且对全部绕避大小岩堆，而北方案与中方案均与部分小型岩堆有相交。综上，南方案工程地质条件较另两方案好，而中方案次之，北方案最差。

3.3　工程设置及工程投资分析

各方案桥隧设置及工程投资见表2。

表2　工程设备及投资分析

南、中、北三方案西湖冲桥高分别为88 m、85 m、30 m，且越往南地形越低，桥梁开口大，高墩数量有所增加，但大于70 m高墩增加不多，分别增加约2个和4个。

中方案和北方案线路长度分别比南方案长823 m、816 m，且桥梁高度有所降低，但隧道却要长1.1 km和2.2 km，且隧道浅埋段落增长，工程设置难度较大。南方案桥隧比重较中方案和北方案低，工程投资分别比中方案和南方案节省3 477万元和4 859万元。

3.4　比选结果

虽然南方案西湖冲桥高略高，但由于其线路顺直，桥隧比重低，工程投资较为节省，工程地质条件较好，且风险较小，故推荐南侧取直方案。

4结论

岩溶地质选线的主要原则：优先采用路基形式通过岩溶地区，地下暗河、管道等宜采用低桥形式跨越，绕避处于强烈发育阶段、具网状洞穴、巨大空洞及暗河发育的岩溶地段；岩溶区宜多做路基、桥梁，少做隧道，尤应避免长隧道；隧道高程宜控制在垂直渗流带中，减少在水平径流带及以下隧道长度；优先使用“人”字坡；以短隧道形式穿越“孤峰”；隧道应避开地质构造的交汇部位，避开地下水富集地段，以避免施工中发生涌水突泥等病害。

容易被忽视的是非可溶岩与可溶岩间经常间隔存在，线路应特别绕避顺可溶岩与非可溶岩接触带、有利于岩溶发育的褶皱轴和断裂带及其交汇处，这些地段一般岩溶与岩溶水十分发育，隧道涌水、突泥的可能性极大，危害性极强，线路应绕避或选择最窄处大角度通过。

参考文献

[1]中铁一院.新建铁路黔江至张家界至常德线初步设计第五篇：线路篇[R].西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2014

[2]中铁一院.新建铁路黔江至张家界至常德线初步设计第四篇：地质篇[R].西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2014

[3]铁道部第一勘察设计院.铁路工程设计技术手册：线路[M].北京：中国铁道出版社，1994

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[10]铁道部第一勘察设计院.铁路工程地质手册[M].北京：中国铁道出版社，1999