張?zhí)畦F路燕山越嶺隧道地質(zhì)選線(xiàn)研究

李 翔

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300251)

1 概述

張?zhí)?張家口—唐山)鐵路宣化至赤城段穿越燕山山脈剝蝕中低山,地形起伏大,山坡陡峻。區(qū)域內(nèi)有開(kāi)采歷史悠久的龐家堡煤礦區(qū)及象山銅礦等采空區(qū)控制線(xiàn)路方案選擇,山間盆地第四系松散覆蓋層較厚，含水量豐富，影響工程的安全,如何在地質(zhì)復(fù)雜地段進(jìn)行越嶺隧道方案比選,是張?zhí)畦F路地質(zhì)勘察的工作重點(diǎn)?？辈靃2]過(guò)程中采用遙感判釋、大面積地質(zhì)調(diào)繪方法[1]初步查明采空區(qū)分布范圍,然后通過(guò)大量物探、鉆探工作[3]重點(diǎn)查明山間盆地內(nèi)第四系覆蓋層厚度和地下水性質(zhì),經(jīng)過(guò)對(duì)燕山隧道南北兩個(gè)越嶺方案(花里越嶺方案、龍關(guān)越嶺方案)地質(zhì)條件的綜合分析評(píng)價(jià),最終為越嶺方案的選擇提出合理的地質(zhì)選線(xiàn)意見(jiàn)。

2 區(qū)域地質(zhì)特征

2.1 地形地貌

燕山隧道地勢(shì)總體呈馬鞍形,海拔高程在902～1 585 m,東西部為中山區(qū),海拔較高,在1 300～1 500 m,山勢(shì)挺拔綿延,呈北北東向展布,山高坡陡谷深,地形急劇起伏,隧道區(qū)西部最高主峰摩天嶺海拔1 685 m,東部最高主峰海拔1 300多m。中部低山區(qū)內(nèi)分布有山間盆地且第四系覆蓋層較厚,田家窯盆地海拔高程在1 060～1 200 m。該盆地寬緩開(kāi)闊,地勢(shì)總體趨勢(shì)由北西向東南傾斜,地形起伏相對(duì)較小。測(cè)區(qū)水系多為季節(jié)性河流,屬白河水系的紅河支流。

2.2 地層巖性

低緩山坡多堆積第四系上更新統(tǒng)坡洪積(Q3dl+pl)新黃土,厚5～20 m,具Ⅰ～Ⅲ級(jí)自重濕陷性,山間盆地內(nèi)為上更新統(tǒng)坡洪積(Q3dl+pl)黏性土和碎石類(lèi)土,厚180～220 m,區(qū)域西南多為較厚的侏羅系上統(tǒng)(J3)沉積巖,巖性以灰綠色砂巖、礫巖為主,夾有多層煤層。其他中低山區(qū)出露為長(zhǎng)城系高于莊組(Chg)、大洪峪組(Chd)和團(tuán)山子組(Cht),主要巖性有灰白色中層白云巖為主夾少量灰色薄層白云質(zhì)灰?guī)r、灰黃色長(zhǎng)石石英砂巖、黃綠色、紫紅色砂巖、頁(yè)巖、礫巖等。區(qū)域中北部大量出露太古代(Ar)黑云閃長(zhǎng)片麻巖和燕山期(r52)侵入花崗巖。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

本區(qū)域位于Ⅰ級(jí)構(gòu)造單元中朝準(zhǔn)地臺(tái)的Ⅱ級(jí)構(gòu)造單元燕山臺(tái)褶帶北緣,以新太古代的變質(zhì)基底為主,大面積分布的中生代陸相火山—沉積建造為主。區(qū)域內(nèi)以北北東—北東向斷裂為主,是區(qū)域內(nèi)主要的控制性構(gòu)造。北西向及近東西向斷裂的發(fā)育次之。其中近東西向斷裂形成較早,多被其他方向斷裂切割或改造；北西向斷裂規(guī)模較小,主要是配套構(gòu)造,但活動(dòng)較新。

隧道區(qū)內(nèi)小的北東向和北北東向斷裂最為發(fā)育,未發(fā)現(xiàn)有深大斷裂,隧道區(qū)內(nèi)褶皺構(gòu)造不發(fā)育,多表現(xiàn)為斷層附近的牽引褶皺,而且規(guī)模較小。

3 隧道區(qū)域主要地質(zhì)問(wèn)題

經(jīng)過(guò)對(duì)隧道區(qū)域調(diào)查,該區(qū)域內(nèi)地質(zhì)問(wèn)題除滑坡、崩塌、巖堆、泥石流等問(wèn)題外,影響方案選擇的主要地質(zhì)問(wèn)題為采空區(qū)、洞身長(zhǎng)大地段松散地層及豐富的第四系孔隙水[1]。

3.1 采空區(qū)

區(qū)域內(nèi)礦產(chǎn)資源豐富,主要礦產(chǎn)帶有兩處,一是區(qū)域西部南方案隧道進(jìn)口端的龐家堡礦區(qū),另一處為區(qū)域北部北方案的龍關(guān)礦區(qū)。見(jiàn)圖1。

圖1 隧道越嶺地段方案示意

龐家堡礦區(qū)以龐家堡煤礦、鉆山鐵礦、象山銅礦、白廟鐵礦等為主,龐家堡煤礦是開(kāi)采歷史上百年的老礦區(qū),煤層為上侏羅紀(jì)陸相沉積,厚度4～5 m,埋深70～120 m,煤質(zhì)較優(yōu),具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的工業(yè)用煤,目前基本開(kāi)采殆盡,地表形成較多的塌陷區(qū),線(xiàn)路進(jìn)行繞避從其北側(cè)3 km處通過(guò),對(duì)工程無(wú)影響。鉆山鐵礦和白廟鐵礦等均屬于龐家堡鐵礦區(qū)的一部分,鐵礦屬熱接觸變質(zhì)鐵礦,以赤鐵礦為主,部分改造成磁鐵礦,礦體賦存于長(zhǎng)城系串嶺溝組砂頁(yè)巖地層中,礦體厚度1～3 m,大部分埋深120～200 m,礦體開(kāi)采方式為硐采復(fù)合井方式開(kāi)拓,線(xiàn)路繞避對(duì)工程無(wú)影響。象山銅礦早在宋朝時(shí)就有開(kāi)采記錄,地質(zhì)勘探工作始于1956年,礦石實(shí)際開(kāi)采高程1 330～1 438 m,開(kāi)采方式為地下平硐開(kāi)采,開(kāi)采最大深度高程為1 020 m,線(xiàn)路穿越礦區(qū),經(jīng)過(guò)調(diào)整坡度在采空區(qū)下面穿過(guò),隧道在該處埋深高程937.33～942.89 m,而該處采空區(qū)最深高程在1 020 m,隧道在采空區(qū)下面77～92 m通過(guò),采空區(qū)對(duì)工程沒(méi)有影響,但應(yīng)防止將來(lái)加深越界開(kāi)采,同時(shí)隧道通過(guò)該區(qū)域時(shí)應(yīng)小進(jìn)尺及加強(qiáng)支護(hù)襯砌,以防止隧道涌水、掉塊及塌方。

龍關(guān)礦區(qū)以龍關(guān)鐵礦、柏木井鐵礦、茨營(yíng)子南溝鐵礦、黃田鐵礦等鐵礦為主,主要分布在北方案北側(cè)3～6 km處,礦體賦存在長(zhǎng)城系串嶺溝組頁(yè)巖之底部,礦物主要是磁鐵礦,其次是赤鐵礦,脈石礦物為含鐵石英砂巖及頁(yè)巖,開(kāi)采方式為地下平硐開(kāi)采,深度幾十米至幾百米不等,距線(xiàn)路較遠(yuǎn)對(duì)工程無(wú)影響。

3.2 長(zhǎng)大地段松散地層

隧道南方案CK58+020～CK61+950經(jīng)田家窯附近為山間盆地,盆地內(nèi)沉積較厚的第四系全新統(tǒng)坡洪積(Q4dl+pl)碎石類(lèi)土和黏性土,碎石土成分以花崗巖、石灰?guī)r、砂巖為主,充填砂礫及砂質(zhì)粉土,沉積厚度達(dá)140～160 m,因?yàn)槌练e年代較近,地層較松散,給隧道開(kāi)挖支護(hù)造成較大困難,也易產(chǎn)生隧道塌方最大地質(zhì)災(zāi)害。見(jiàn)圖2。

3.3 豐富的第四系孔隙水

隧道南方案經(jīng)田家窯山間盆地地段以5‰的坡度上坡,隧道埋深180～120 m,而該段第四系孔隙水埋深在15～35 m,勘察期間該段按間距500 m左右布置9個(gè)勘探孔,勘探揭示洞身范圍地層為第四系全新統(tǒng)坡洪積(Q4dl+pl)碎石類(lèi)土,經(jīng)對(duì)其中5個(gè)勘探孔孔內(nèi)抽水試驗(yàn),計(jì)算洞身地層滲透系數(shù)分別為0.31、0.098、0.168、0.169、2.188 m/d,涌水量估算計(jì)算模型均采用無(wú)界非完整式,參閱《鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)》[4]。

圖2 南方案越嶺隧道斷面示意

科斯嘉科夫公式

落合敏朗公式

古德曼公式

大島洋志公式

以及經(jīng)驗(yàn)公式:q=0.025 5+1.992 4kH、經(jīng)驗(yàn)公式：Q=BK(0.676-0.06K)等。

參數(shù)的選擇：滲透系數(shù)去掉最大值2.188 m/d后選擇其平均值0.186 m/d，靜止水位至隧道等價(jià)圓中心的距離取140 m，含水體厚度取180 m，洞身碎石土分布長(zhǎng)度按3 500 m,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

該段洞身正常涌水量取值60 000～70 000 m3/d、最大涌水量取值120 000～150 000 m3/d。

表1 涌水量計(jì)算

由于洞身涌水量較大,給隧道施工止水帶來(lái)較大困難,易產(chǎn)生洞身涌水地質(zhì)災(zāi)害,同時(shí)對(duì)洞身上部各村鎮(zhèn)的生產(chǎn)、生活用水造成較大隱患。

4 越嶺隧道地質(zhì)選線(xiàn)原則

結(jié)合燕山越嶺地段的地形地質(zhì)特點(diǎn),工程地質(zhì)選線(xiàn)[2]應(yīng)按以下原則進(jìn)行。

(1)隧道應(yīng)盡量繞避采空區(qū)及塌陷影響區(qū)不良地質(zhì)地段,平面位置無(wú)法繞避時(shí),盡量調(diào)整線(xiàn)路坡度從采空區(qū)底部一定安全距離下通過(guò)。

(2)隧道洞身應(yīng)盡量從堅(jiān)硬完整巖層中通過(guò),盡量避開(kāi)軟土、膨脹土及松散砂類(lèi)土、碎石土等易產(chǎn)生變形塌方地段。

(3)隧道的選擇以不破壞自然環(huán)境為原則,尤其是不破壞地下水資源環(huán)境,不影響洞頂居民的生產(chǎn)生活用水。

(4)隧道的選擇應(yīng)考慮施工開(kāi)挖的難易程度,以不留隱患、不發(fā)生大的安全事故為前提。

5 隧道方案比選

5.1 兩方案地質(zhì)條件比選評(píng)價(jià)

經(jīng)過(guò)初設(shè)階段深入的勘察,從各隧道方案工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件綜合分析,各隧道方案優(yōu)缺點(diǎn)如下。

南方案(花里越嶺方案)隧道進(jìn)口位置受龐家堡煤礦、象山銅礦影響只能從兩礦采空區(qū)之間狹窄的安全位置通過(guò),雖然避開(kāi)采空區(qū)影響但使線(xiàn)路長(zhǎng)度增加,隧道洞身巖性以灰?guī)r、砂巖、礫巖、花崗巖為主,巖性較好但斷層發(fā)育。該方案主要控制因素是CK58+020～CK61+950田家窯山間盆地內(nèi)沉積厚度較大分布段落長(zhǎng)的松散地層,地下水發(fā)育,給隧道施工造成較大困難,可能對(duì)周?chē)沫h(huán)境影響較大并存在一定的安全隱患。

北方案(龍關(guān)越嶺方案)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件較好,隧道洞身巖性以太古代黑云閃長(zhǎng)片麻巖和燕山期花崗巖為主,龍關(guān)、三岔口一帶分布較多鐵礦,但均在線(xiàn)路北側(cè)分布,對(duì)線(xiàn)路無(wú)影響,該方案斷層構(gòu)造較少,更不存在洞身松散地層影響,屬優(yōu)選方案。

通過(guò)物探測(cè)試及鉆探工作綜合分析后隧道洞身圍巖分級(jí)比較見(jiàn)表2。

表2 兩方案圍巖分級(jí)比較

由以上綜合分析不難看出,從工程地質(zhì)角度,龍關(guān)越嶺方案優(yōu)于花里越嶺方案。

5.2 社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)

由圖1隧道越嶺地段方案示意圖可以看出,兩方案起訖點(diǎn)為趙川站(CK42+200)和赤城站(CK101+800),起訖點(diǎn)兩方案基本無(wú)差別,隧道進(jìn)口處龐家堡煤礦有專(zhuān)用線(xiàn)連接至張家口,鉆山鐵礦、象山銅礦、白廟鐵礦等為已開(kāi)采廢棄礦區(qū),主要差別位于越嶺隧道出口端,其中花里越嶺方案隧道出口設(shè)花里站(CK71+900),經(jīng)濟(jì)覆蓋據(jù)點(diǎn)主要有花里鎮(zhèn)、田家窯、陳家窯等,該據(jù)點(diǎn)礦產(chǎn)資源貧乏以農(nóng)作物為主,龍關(guān)越嶺方案隧道出口設(shè)龍門(mén)站(CIK75+200),經(jīng)濟(jì)覆蓋據(jù)點(diǎn)主要有龍關(guān)鎮(zhèn)和三岔口鎮(zhèn),兩鎮(zhèn)人口達(dá)9.2萬(wàn),占赤城縣人口的1/3,龍關(guān)礦區(qū)分布在隧道出口附近北側(cè),為當(dāng)?shù)刂饕?jīng)濟(jì)支柱,推薦龍關(guān)越嶺方案對(duì)帶動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)有重要意義。

其次,兩方案造價(jià)進(jìn)行比較,單獨(dú)從越嶺一座隧道比較龍關(guān)越嶺方案隧道長(zhǎng)21.085 km,比花里越嶺方案隧道長(zhǎng)2.525 km,造價(jià)高7500萬(wàn)元,但從起訖點(diǎn)趙川至赤城進(jìn)行比較,花里越嶺方案比龍關(guān)越嶺方案線(xiàn)路長(zhǎng)5.73 km,隧道三座總長(zhǎng)度39.79 km,比龍關(guān)越嶺方案隧道(兩座33.36 km)總長(zhǎng)度長(zhǎng)6.43 km,工程造價(jià)增加2.25億元,由此可見(jiàn),在社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益上龍關(guān)越嶺方案優(yōu)于花里越嶺方案。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)張?zhí)畦F路穿越燕山山脈隧道越嶺方案,經(jīng)過(guò)詳細(xì)的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和安全性比選,最終提出龍關(guān)越嶺方案為推薦方案。

(2)長(zhǎng)大隧道越嶺方案的確定,必須貫徹地質(zhì)選線(xiàn)原則,對(duì)地質(zhì)條件非常復(fù)雜地區(qū),應(yīng)把區(qū)域工作做好,綜合考慮影響線(xiàn)路方案的各種地質(zhì)因素,同時(shí)線(xiàn)路方案的選擇還應(yīng)考慮帶動(dòng)沿線(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和施工的安全以及不破壞自然環(huán)境等因素,通過(guò)多方案比選,選定地質(zhì)條件較好的越嶺位置,以提高工程的合理性、經(jīng)濟(jì)性和安全性。

[1] 鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司. 張家口至唐山鐵路燕山越嶺地段地質(zhì)加深工作工程地質(zhì)勘察報(bào)告[R].天津：2009.

[2] TB10027—2001,鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程[S].

[3] TB10012—2007,鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].

[4] 鐵道部第一勘測(cè)設(shè)計(jì)院.鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社,1999．