由黔張常鐵路淺談巖溶地區(qū)地質(zhì)選線

王軍偉

(陜西鐵道工程勘察有限公司，陜西寶雞 721001)

1 工程概況

黔張常鐵路位于渝東南、鄂西南和湘西北三省交界地帶。線路西起重慶市黔江區(qū),東至湖南省常德市,途經(jīng)湖北省咸豐縣、來(lái)鳳縣、湖南省龍山縣、永順縣、桑植縣、張家界市、桃源縣等七縣市,線路全長(zhǎng)約334.3 km(見(jiàn)圖1)。鐵路走行沿線大部處于武陵山脈的中山、低山區(qū),通過(guò)阿蓬江、酉水、洗車河、猛洞河、澧水、沅江六大水系。區(qū)內(nèi)褶皺、斷層發(fā)育,部分地層礦產(chǎn)富集,碳酸鹽巖廣布,巖溶強(qiáng)烈發(fā)育,地勢(shì)陡峻,河谷深切。復(fù)雜的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件,造就了該區(qū)不良地質(zhì)問(wèn)題類型多、分布廣、規(guī)模大的特點(diǎn),如巖溶、滑坡、采空、崩塌、危巖落石等不良地質(zhì)現(xiàn)象極為發(fā)育,尤以巖溶、巖溶水問(wèn)題及滑坡最為突出。如果線路方案選擇不當(dāng),后期施工及運(yùn)營(yíng)中遭受突水突泥、邊坡失穩(wěn)、路基塌陷等災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)極高。

圖1 黔張常鐵路地理位置

2 工作方法簡(jiǎn)介

對(duì)于地形及工程地質(zhì)條件均如此復(fù)雜艱險(xiǎn)的山區(qū)鐵路,在已往的勘察經(jīng)驗(yàn)和工作方法的指導(dǎo)下,按照常規(guī)的勘察階段、勘察方法很難將該條鐵路沿線經(jīng)過(guò)的極其復(fù)雜的地質(zhì)問(wèn)題逐一查清。針對(duì)這一情況,在黔張常鐵路的初測(cè)及定測(cè)實(shí)踐工作中,在前期搜集、分析區(qū)域地質(zhì)資料及距線路較近礦區(qū)資料的前提下,通過(guò)航片對(duì)多種地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行遙感判釋解譯,再加上室內(nèi)對(duì)地形圖的研讀,重點(diǎn)通過(guò)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查訪問(wèn)、核實(shí),結(jié)合后期工程地質(zhì)鉆探、地球物理勘探等多種手段相結(jié)合的工作方法,進(jìn)行綜合分析、判斷、研究,為線路等其他專業(yè)提供一個(gè)地質(zhì)條件相對(duì)較好的選線走廊帶,從而優(yōu)化方案，減小工程風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)省投資。

3 工作開(kāi)展過(guò)程

3.1 前期資料收集分析工作

黔張常鐵路為連接渝東南、鄂西南和湘西北三省地區(qū)的首條鐵路,勘察及施工經(jīng)驗(yàn)都相當(dāng)匱乏。接到開(kāi)展黔張常鐵路勘察工作任務(wù)的通知進(jìn)駐工地后,首先跟當(dāng)?shù)卣?lián)系,向有關(guān)部門收集區(qū)域地質(zhì)、礦產(chǎn)、地質(zhì)災(zāi)害等與鐵路相關(guān)的各種資料,重點(diǎn)對(duì)區(qū)域礦產(chǎn)地質(zhì)、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)資料,沿線地市地災(zāi)規(guī)劃和評(píng)估、礦產(chǎn)規(guī)劃等方面的資料進(jìn)行了分析研究,把可能影響線路方案的滑坡、采空區(qū)邊界、礦區(qū)、自然保護(hù)區(qū)界線，以及斷層、褶皺等初步反應(yīng)在圖上,以便下階段開(kāi)展具體的調(diào)查研究工作。

湖南省張家界市桑植縣境內(nèi)的桑瑞鐵礦位于線路附近,初步判定其可能會(huì)對(duì)線路方案產(chǎn)生影響。將桑瑞鐵礦的礦區(qū)范圍界線標(biāo)注在平面圖上,得出CK157+180～CK158+200段為壓礦段落(見(jiàn)圖2)；圖3為將收集到的桑瑞鐵礦具體采空區(qū)及開(kāi)挖巷道范圍反映在縱斷面上,確定其采空高程與線路關(guān)系,得出采空區(qū)最低高程距線路洞頂有80 m的厚度。該厚度可滿足線路設(shè)計(jì)需要,但要求桑瑞鐵礦不得再向下挖掘,從而指導(dǎo)穩(wěn)定了線路方案。

圖2 桑瑞鐵礦采空區(qū)平面位置與線路關(guān)系

圖3 桑瑞鐵礦采空高程與線路關(guān)系

3.2 遙感圖像判釋解譯

黔張常鐵路巖溶段落占總長(zhǎng)的60%左右,溶蝕洼地、巖溶漏斗、落水洞、暗河等巖溶現(xiàn)象極其發(fā)育,往往對(duì)線路選線具有控制作用,而衛(wèi)片及航片從宏觀上對(duì)大多數(shù)巖溶現(xiàn)象解譯的較為清晰、可靠,因此遙感判釋工作顯得格外重要。該條線路采用了多種方法相結(jié)合的遙感圖像判釋解譯工作：

①選用美國(guó)陸地衛(wèi)星Landsat 5 TM數(shù)據(jù)、法國(guó)的SPOT 5 2.5 m彩色融合數(shù)據(jù)和大比例尺航片等3個(gè)片種,進(jìn)行工作區(qū)宏觀及微觀地貌、地質(zhì)構(gòu)造分析,區(qū)內(nèi)斷層、巖性判釋,特別是可溶巖帶動(dòng)判釋,不良地質(zhì)(漏斗、暗河出入口、巖溶湖、豎井、落水洞、巖堆、滑坡)的判釋,為地質(zhì)調(diào)查和綜合地質(zhì)選線服務(wù)。圖4為衛(wèi)片判釋出的CK90～CK100段的茨巖塘大型溶蝕洼地；圖5 為CK30附近一大型暗河進(jìn)出口的SPOT影像。

圖4 茨巖塘溶蝕洼地(衛(wèi)片)

圖5 SPOT影像暗河進(jìn)出口

②采用以遙感為基礎(chǔ)的3S一體化技術(shù)方法,即利用遙感技術(shù),結(jié)合地理信息系統(tǒng)技術(shù)和全球定位技術(shù)等高科技手段,采用地學(xué)相關(guān)分析的綜合系列方法,進(jìn)行地質(zhì)判釋和室內(nèi)核對(duì)工作。圖6為CK140～CK150段桑植縣利福塔鎮(zhèn)附近串珠狀漏斗的航片影像。

圖6 串珠狀巖溶漏斗(航片)

③充分發(fā)揮地理信息平臺(tái)的優(yōu)勢(shì),收集既有地質(zhì)、水文資料、礦區(qū)資料、不同尺度的航衛(wèi)片判釋成果，相互套合、疊加,互相驗(yàn)證。

黔張常鐵路專門成立了對(duì)衛(wèi)片、航片等遙感資料的解譯判釋小組,并組織地質(zhì)人員對(duì)解譯原理進(jìn)行學(xué)習(xí),同時(shí)在野外地質(zhì)調(diào)查過(guò)程中對(duì)解譯成果進(jìn)行驗(yàn)證和反饋。在工作中逐漸形成了室內(nèi)解譯對(duì)野外調(diào)查工作進(jìn)行指導(dǎo)，野外調(diào)查對(duì)解譯成果進(jìn)行驗(yàn)證、反饋的工作方法,突出了工作重點(diǎn)，明確了目的性,大大提高了工作效率,很好地指導(dǎo)了現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查和綜合地質(zhì)選線工作。

3.3 地形圖研讀

前期資料收集、分析工作及遙感判釋解譯工作基本完成,其成果反映在地形圖上之后,開(kāi)始對(duì)地形圖進(jìn)行分析。首先明確線路總體走向,對(duì)反映出來(lái)的斷層、滑坡、礦區(qū)界線、采空區(qū)范圍、巖溶現(xiàn)象等在線路附近對(duì)方案影響較大的因素進(jìn)行分析判斷,初步確定出地質(zhì)條件相對(duì)較好的走廊帶,以該走廊帶為今后調(diào)查工作的重點(diǎn)。其次,外業(yè)工作出工前,應(yīng)將所要調(diào)查區(qū)域的地形圖詳細(xì)研究,對(duì)搜集、判釋出來(lái)的資料及等高線反映出來(lái)的地形、地貌異常點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)調(diào)查核實(shí)：如反映滑坡的圈椅狀地貌,反映溶蝕漏斗、落水洞的負(fù)地形,反映構(gòu)造斷裂的斷層崖等。

圖7所示為線路經(jīng)過(guò)奧陶系下統(tǒng)南津關(guān)、分鄉(xiāng)組、紅花園組灰?guī)r夾頁(yè)巖地層中發(fā)育的落水洞在地形圖上的表示形態(tài)：由于線路經(jīng)過(guò)區(qū)域大部分山體坡度較陡,植被覆蓋良好,僅僅依靠地質(zhì)工作者大面積的野外調(diào)查，很難將整個(gè)地層中發(fā)育的巖溶形態(tài)全部調(diào)查清楚。借助對(duì)遙感資料的解譯、判釋,同時(shí)加上對(duì)地形圖的研讀,很容易辨別巖溶漏斗、落水洞等巖溶形態(tài),將其預(yù)先標(biāo)注在調(diào)查圖上,第二天的野外調(diào)查過(guò)程中只需有重點(diǎn)的對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證、調(diào)查,即可得到線路附近區(qū)域巖溶的發(fā)育程度、巖溶形態(tài)、規(guī)模及分布的詳細(xì)資料,從一定程度上降低了工作難度，提高了工作效率。

圖7 落水洞在地形圖中的形態(tài)

3.4 外業(yè)地質(zhì)調(diào)繪

資料的搜集、分析和遙感圖像的判釋解譯及地形圖的研讀所確定出來(lái)的地質(zhì)走廊帶,最終都要通過(guò)外業(yè)調(diào)繪工作對(duì)其進(jìn)行核實(shí)、細(xì)化,最終確定線路方案。沿線區(qū)域多植被覆蓋,暗河出入口、泉水點(diǎn)、落水洞、溶洞等較為隱蔽,調(diào)查人員僅依靠以前的那種調(diào)查方法很難在短時(shí)間內(nèi)將所要調(diào)查的東西調(diào)查清楚。訪問(wèn)當(dāng)?shù)鼐用癫坏梢院芸斓恼业竭@些巖溶現(xiàn)象出露點(diǎn),并且通過(guò)老鄉(xiāng)描述還可以對(duì)其規(guī)模，季節(jié)變化性及發(fā)育方向、規(guī)律等有所掌握,接下來(lái)只需要經(jīng)過(guò)核實(shí)確認(rèn),調(diào)查資料就完成了。另外,濫挖濫采礦藏形成的坑洞口及采空區(qū)、滑坡的初步調(diào)查等,通過(guò)訪問(wèn)當(dāng)?shù)鼐用竦姆椒ㄒ材苁盏绞掳牍Ρ兜男Ч?/p>

調(diào)查訪問(wèn)再加上地質(zhì)人員的測(cè)量、核實(shí)、分析工作,得到準(zhǔn)確、詳盡的外業(yè)資料,為線路等其他專業(yè)調(diào)整線路、確定方案提供初步的地質(zhì)依據(jù)。

3.5 多種手段相結(jié)合最終完成地質(zhì)選線

通過(guò)以上工作步驟及方法得到的大部分是地表和分析判斷形成的理論資料,對(duì)路基、橋梁基礎(chǔ)及隧道洞身地質(zhì)條件得出的結(jié)論只是推斷,尤其是對(duì)于隧道工點(diǎn),不能成為地質(zhì)選線、穩(wěn)定方案的強(qiáng)有力證據(jù)。只有同時(shí)通過(guò)物探、鉆探等勘探手段,得到進(jìn)一步的更詳細(xì)、更確鑿的資料,加上地質(zhì)綜合分析、判斷形成的資料,才能最終達(dá)到地質(zhì)選線、穩(wěn)定方案的目的。

圖8即為外業(yè)調(diào)查結(jié)合物探資料反映的CK140+362～CK145+965臥云界隧道地質(zhì)縱斷面示意。

圖8 臥云界隧道工程地質(zhì)縱斷面示意

①在搜集、分析區(qū)域資料的前提下,確定臥云界隧道隧址區(qū)內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造和地層巖性,現(xiàn)場(chǎng)對(duì)其核實(shí)、驗(yàn)證,并反映在縱斷面上。

②通過(guò)遙感圖像的解譯及對(duì)地形圖的研讀成果,有的放矢的調(diào)查隧址區(qū)內(nèi)巖溶的發(fā)育情況,得出落水洞、暗河等的具體出露位置及與線路的關(guān)系。

③在調(diào)查隧址區(qū)構(gòu)造、地層巖性、巖溶發(fā)育情況的同時(shí),訪問(wèn)當(dāng)?shù)鼐用?搜集礦藏、地災(zāi)資料,充分利用既有成果和當(dāng)?shù)鼐用駥?duì)暗河等的熟知程度,同時(shí)加以分析,得到詳細(xì)、準(zhǔn)確的調(diào)查資料,得到一個(gè)地質(zhì)條件相對(duì)較好的地質(zhì)走廊帶。

④通過(guò)物探、鉆探等勘探手段,對(duì)野外調(diào)查成果進(jìn)行驗(yàn)證,最終穩(wěn)定方案,為隧道設(shè)計(jì)與施工提供可靠、準(zhǔn)確的地質(zhì)資料。

最終通過(guò)圖8所示的地質(zhì)縱斷面將調(diào)查、勘探成果反應(yīng)出來(lái),為隧道及線路專業(yè)提供詳盡、科學(xué)的地質(zhì)資料。

4 選線原則

在以上工作方法的指導(dǎo)下,通過(guò)參與黔張常鐵路初測(cè)及定測(cè)階段的地質(zhì)勘查工作,得出以下結(jié)論：

①黔張常鐵路沿線地質(zhì)構(gòu)造控制著地層巖性及巖溶的發(fā)育,線路應(yīng)以大角度通過(guò)構(gòu)造線及斷裂帶。

②線路宜盡量短距離通過(guò)可溶巖區(qū),尤其是巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū),設(shè)法繞避處于強(qiáng)烈發(fā)育階段、具網(wǎng)狀洞穴、巨大空洞及暗河發(fā)育的巖溶地段。特別應(yīng)避免線路順可溶巖與非可溶巖接觸帶、有利于巖溶發(fā)育的褶皺軸和斷裂帶及其交匯處展布。這些地段一般巖溶與巖溶水十分發(fā)育,隧道涌水、突泥的可能性極大,危害性極強(qiáng),線路應(yīng)繞避或選擇最窄處大角度通過(guò)。巖溶區(qū)線路高程應(yīng)盡可能抬高,高程宜控制在垂直滲流帶中,減少在水平徑流帶及以下隧道長(zhǎng)度。

③巖溶區(qū)宜多做路基、橋梁,少做隧道,尤應(yīng)避免長(zhǎng)隧道。有條件應(yīng)盡量減少隧道長(zhǎng)度,特別是特長(zhǎng)隧道；遇有埡口時(shí),宜避開(kāi)埡口中心,選在地質(zhì)條件較好的一側(cè)通過(guò)；臨河傍山隧道線路盡量靠外側(cè)。

④線路應(yīng)盡量繞避暗河,如無(wú)法繞避,應(yīng)盡量以橋梁工程通過(guò)；若以隧道工程通過(guò)時(shí),線路應(yīng)行走于暗河上部一定高度,隧道縱斷面宜采用“人”字坡,以利于隧道施工、運(yùn)營(yíng)中排水。

⑤非巖溶區(qū)砂、泥巖地層因受構(gòu)造影響小褶皺發(fā)育,又由于巖石質(zhì)軟易于風(fēng)化破碎,加上南方濕熱多雨的氣候特征,加劇其風(fēng)化速度和節(jié)理裂隙發(fā)育程度,滑坡發(fā)育和斜坡失穩(wěn)現(xiàn)象較為普遍,也應(yīng)作為工作重點(diǎn)。

⑥對(duì)鐵路選線區(qū)域發(fā)育的礦藏采空區(qū),線路宜繞避通過(guò)。

[1]中鐵一院.黔張常鐵路巖溶區(qū)初測(cè)前加深地質(zhì)及深化線路方案研究報(bào)告[R].西安：中鐵一院，2010

[2]中鐵一院.黔張常鐵路一隊(duì)地質(zhì)第四篇[Z].西安：中鐵一院，2010

[3]中鐵一院.黔張常鐵路一隊(duì)遙測(cè)航片、衛(wèi)片[Z].西安：中鐵一院，2010

[4]陜勘公司.黔張常鐵路臥云界隧道物探成果圖[Z].寶雞：陜勘公司，2010

[5]桑植縣國(guó)土局.桑瑞鐵礦規(guī)劃礦界及開(kāi)采圖[Z].桑植：桑植縣國(guó)土局，2010

[6]TB 10012—2001 鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S]

[7]TB 10027—2001 鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程[S]

[8]鐵道第一勘察設(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