成达万高速铁路假角山岩溶区线路方案研究

陈 雷 花 超 徐文浩

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 概述

岩溶是水对可溶性岩石(碳酸盐岩、石膏、岩盐等)进行以化学溶蚀作用为主，流水的冲蚀、潜蚀和崩塌等机械作用为辅的地质作用，以及由这些作用所产生的现象的总称[1]。在我国西南部山区，岩溶分布较为广泛。因此，如何选择合理的线路方案通过岩溶区，是铁路建设者要重点研究的问题[2]。

针对岩溶地区高速铁路选线，已有许多学者进行了相关研究，王子江等[3]提出了岩溶区铁路选线多级模糊综合评价法，并给出了岩溶风险定性评估原则；朱颖[4]认为，山区铁路选线过程中，应重点关注岩溶区等不良地质的分布及发育情况；李光伟[5]通过有限元软件建立三维地层-结构模型，并对岩溶区抗震反应进行了计算。目前，对于山区高速铁路穿越岩溶区选线尚未形成统一、完整的设计理论。以成都至达州至万州铁路(简称：成达万铁路)穿越假角山岩溶区选线为例，对铁路岩溶区选线进行深入研究。

2 项目概况

成达万高速铁路位于四川省和重庆市境内，线路西起成都市，向东经四川省资阳市、遂宁市、南充市、达州市，终至重庆市万州区，新建正线长478.957 km(四川省境内长430.762 km，重庆市境内长48.195 km)。本线东与在建郑万高铁沟通，是国家中长期铁路网“八纵八横”高速铁路主通道之沿江通道的重要组成部分，也是成渝城市群城际铁路网的组成部分[6]。

选取达州至万州段穿越假角山岩溶区的线路方案为研究对象。假角山横亘于达州至万州两地之间，区域内岩溶非常发育，影响范围约100 km。假角山地区选线示意如图1所示。

图1 假角山地区选线示意

3 假角山地区工程地质及水文地质特征

3.1 工程地质特征

(1)地形地貌

受地质构造和地层岩性控制，假角山背斜地貌与外应力作用关系密切，多呈细长条状低山和中山。其中，假角山背斜沿轴向中部呈现“一山三岭夹二槽” 地貌，两侧呈现“一山二岭夹一槽” 地貌，地面高程在483～1 256 m之间，相对高差最大约773 m。自然坡度一般为20～35°，山脊及所夹沟谷近似呈北东走向，山脊线倾角较陡，线路以近NE65°方向斜穿山体[7]。山坡上植被发育，多为灌木、杂草及少量树木，局部有少量耕地(见图2、图3)。

图2 研究区地貌(单位：m)

图3 研究区地形

(2)地层岩性

假角山背斜为圈闭型背斜，隧道分别穿越侏罗系至三叠系的碎屑岩(砂岩、泥岩、页岩等)。其中，须家河、珍珠冲组为含煤地层(含瓦斯)；核部为三叠系巴东组、嘉陵江组地层(页岩、泥岩、灰岩、泥灰岩、角砾灰岩、白云质灰岩、夹石膏等)，各类灰岩均为可溶岩[8]。

3.2 水文地质特征

(1)可溶岩分布特征

假角山背斜两翼山脊为须家河坚硬砂岩，将背斜中部的巴东组、嘉陵江组可溶岩夹持在背斜核部，导致背斜核部沟槽发育(冲沟方向一般沿背斜轴向)。

(2)岩溶发育特征

假角山背斜岩溶具有“南弱北强、西弱东强”的特点，背斜核部见溶蚀洼地或溶蚀沟槽。从地貌条件上看，横向切沟主要受浅表岩溶的控制，表现形式为切割可溶岩和非可溶岩沟谷(以下称为切沟)。其中，北部切沟最发育，高程多为500～600 m；中部切沟相对发育，高程多为630～680 m；南部无有效切沟。岩溶平面特征如图4所示。

图5 假角山背斜可溶岩地下水径流模式示意

图4 研究区岩溶平面特征示意

(3)地下水类型

研究区域地下水类型主要有碎屑岩孔隙裂隙水、岩溶水。碎屑岩孔隙裂隙水主要分布于岩层裂隙及节理裂隙中，受大气降水和侧向补给，以裂隙下降泉的形式排泄。岩溶水主要赋存于侏罗系和三叠系泥灰岩、灰岩等可溶岩中，被非可溶岩所圈闭，形成相对封闭的岩溶水系统。可溶岩区地下水接受大气降水补给，以接触下降泉的形式集中排泄。

(4)含水岩组划分及富水性

结合区域水文地质、构造分析，侏罗系碎屑岩组除自流井组、须家河组中等富水外，其余为弱富水。自留井组顶部灰岩一般厚约15 m，呈条带状分布，出露面积较小，补给面积有限，隧道开挖时该层较短期涌水，然后干涸。巴东组和嘉陵江组灰岩、泥灰岩在背斜核部呈条带状分布，其赋存的岩溶水主要受背斜轴向裂隙侧向补给和大气降水补给，水量极丰富，可造成隧道长期涌水。

(5)地下水补、径、排及动态特征

背斜横向沟谷因切割形成梳状地貌。地表槽谷封闭性差，多为开口型槽谷，地下水多以泉点的方式排泄。从南往北，可溶岩分布宽度增大，岩溶水从南向北径流，泉点逐渐密集，大泉增多，沟底高程从670 m降至630 m，岩溶水动力循环增强。背斜两翼未见明显地下水排泄点，区域内岩溶水的径流模式见图5。

3.3 岩溶区选线原则

根据实际工程经验，结合本项目岩溶发育特征，该区域选线应遵循如下原则：

(1)线路应绕避或以大交角通过岩溶强烈发育地带、可溶岩与非可溶岩的接触带、岩溶水富集区及排泄带[9]。

(2)线路应以大交角与暗河交叉，并保证暗河安全顶、底板厚度[10]。

(3)线路应选择在非岩溶化或岩溶发育微弱且受岩溶水影响小的地带通过。

(4)在峰林谷地、峰丛洼地及溶丘洼地区域，线路宜绕避垭口并高于岩溶水的最高洪水位；可能受岩溶水危害的地段，宜采用桥梁通过。

(5)在河谷地区，线路宜选择在岩溶发育较弱的一岸通过，并应高于岩溶水排泄带，并绕避谷坡上岩溶负地形和无水溶洞群[11]。

(6)在越岭地区，线路宜选择在地下分水岭附近；线路高程宜在垂直渗流带中；处于水平径流带及深部缓流带中的隧道宜采用人字坡，平行导坑应设在地下水上游一侧[12]。

4 假角山地区线路方案比选

假角山背斜位于川东平行岭谷区，受背斜构造及岩性差异的影响，整体呈现为“四周砂泥岩封闭、核部可溶岩高压富水”的船形构造[13]，本次研究了经广福镇穿假角山方案、经八庙镇穿假角山方案和取直穿假角山方案，见图6。

图6 假角山地区线路方案示意

图7 经广福镇穿假角山方案假角山隧道纵断面示意

4.1 方案说明

(1)经广福镇穿假角山方案

线路于罗家坡村设开江南站后向南，先后上跨S202省道和S102省道，经广福镇西侧后穿越假角山，经复平乡后下穿达万铁路，沿渝万城际铁路引入万州北站。该方案绕避了嘉陵江组岩溶发育地段，线路长89.940 km，桥梁长24.824 km，隧道长52.173 km，见图7。

(2)经八庙镇穿假角山方案

线路于罗家坡村设开江南站，经甘棠、八庙镇后采用30‰纵坡抬高线路，使线路走行于可溶岩水平径流带之上，之后于假角山东翼下穿城门洞煤矿，折向北至沙坝村跨普里河，经岳溪镇北侧上跨省道S303，穿过铁峰山后引入渝万城际铁路万州北站。线路长74.424 km，桥梁长17.16 km，隧道长48.44 km，见图8。

(3)取直穿假角山方案

线路东行于黄泥沟村设开江南站，先后上跨省道S202和省道S102，穿越假角山后接经八庙镇穿假角山方案。线路长66.226 km，桥梁长14.347 km，隧道长45.072 km，见图9。

图8 经八庙镇穿假角山方案假角山隧道纵断面示意

图9 取直穿假角山方案假角山隧道纵断面示意

4.2 主要工程数量及投资比较

主要工程数量及投资比较见表1。

表1 主要工程数量及投资比较

4.3 方案优缺点对比分析

(1)地质条件分析

三方案均穿越川东平行岭谷区背斜富水区。其中，高压富水岩溶以嘉陵江组灰岩最发育，巴东组泥灰岩次之，须家河至遂宁组泥岩、砂岩地下水不发育[14]。取直穿假角山方案以较长段落正穿假角山背斜核部灰岩，风险极大；经广福镇穿假角山方案以较长段落穿假角山背斜核部巴东组灰岩、泥灰岩，风险程度为中等。经八庙镇穿假角山方案线路位于可溶岩垂直渗流带，水文地质条件相对较好。

三方案水文地质条件对比情况见表2。

(2)工程条件分析

工程条件优缺点分析见表3。

表2 假角山隧道工程水文地质条件对比

表3 比选方案工程条件对比

应采用瞬变电磁、激发极化等新技术运用于施工期超前地质预报，以准确判断工作面前方地下水赋存情况；岩溶发育段落宜设置平行导坑接横洞，同时保障施工期多作业面施工和运营期排水通畅；必要时采用注浆措施堵水[15]。

5 结论

综上分析，取直穿假角山方案以较长段落正穿假角山背斜核部灰岩，施工安全风险极大。经广福镇穿假角山方案以隧道工程通过灰岩、泥灰岩等可溶岩段的长度较小，且完全绕避了岩溶强烈发育的嘉陵组灰岩段落，但线路长度较经八庙镇穿假角山方案长15.52 km，工程投资高19.43亿元。经八庙镇穿假角山方案假角山隧道位于可溶岩垂直渗流带，水文地质条件相对较好。线路长度、工程投资适中且风险较小，故本次研究推荐经八庙镇穿假角山方案。