安康至重慶高速鐵路大巴山區(qū)工程地質(zhì)條件及選線研究

王 凱

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

1 概述

擬建安康至重慶高鐵全長約480 km，設(shè)計(jì)時(shí)速350 km。北起安康，穿越大巴山區(qū)，經(jīng)川東低山丘陵區(qū)到達(dá)重慶。目前該鐵路主要有經(jīng)達(dá)州(AK)、萬州(IAK)兩個(gè)主要方案，之前的研究成果主要集中在政治、經(jīng)濟(jì)、人口、運(yùn)量等方面，而沿線工程地質(zhì)條件研究和方案比選還比較欠缺，這應(yīng)該作為評(píng)價(jià)兩方案可行性的重要依據(jù)。

大巴山區(qū)地質(zhì)條件極為復(fù)雜，分布有震旦系～三疊系的多套沉積巖、變質(zhì)巖地層，偶有侵入巖體，地層巖性復(fù)雜多變，工程性質(zhì)差異較大。大巴山區(qū)受地質(zhì)構(gòu)造影響極為強(qiáng)烈，分布有龍門—大巴山斷裂等多條深大斷裂帶，以及多個(gè)復(fù)式褶皺帶。沿線降雨量大且集中，不良地質(zhì)和特殊巖土極為發(fā)育，尤其是大巴山區(qū)的巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，巖溶洼地、落水洞、溶洞、地下暗河等均有發(fā)育，對(duì)線路方案影響較大。

在廣泛收集區(qū)域地質(zhì)及既有公路和鐵路資料的基礎(chǔ)上，通過對(duì)沿線的地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖溶發(fā)育特征等不良地質(zhì)現(xiàn)象的研究，掌握了經(jīng)達(dá)州、萬州兩大方案的工程地質(zhì)條件，并進(jìn)一步分析主要的工程地質(zhì)問題[1]。

2 自然地理概況

2.1 地形地貌(圖1、圖2)

安康至四川宣漢(AK170)及安康至重慶開縣(IAK166)段。海拔500～2 580 m，相對(duì)高差300～1 600 m，屬中山～高中山區(qū)[2]。山脈和溝谷相間分布，與線路方向呈大角度相交，且山高谷深，山坡陡峻，河谷狹窄幽長，多V型狹谷和嶂谷。

圖1 大巴山區(qū)-城口縣境內(nèi)

圖2 大巴山區(qū)-溶洞

其中大巴山腹地，紫黃～城口南北兩側(cè)，神田梁、旗桿山、梆梆梁、九重巖、八臺(tái)山山脈，灰?guī)r分布廣泛，呈現(xiàn)出峰叢臺(tái)地地貌。該區(qū)域巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，從條帶狀和孤立零星的小型溶丘到巖溶洼地、干谷、漏斗、落水洞等均有發(fā)育。

2.2 氣候特征

大巴山區(qū)屬亞熱帶山地濕潤氣候區(qū)，山高谷深，高差大，具有山區(qū)立體氣候的特征[3]。四季分明，溫暖濕潤，夏無酷暑，冬無嚴(yán)寒，雨量充沛。降水集中在七、八月，多洪澇；秋季降溫快，多連陰雨天氣；冬季時(shí)間較長、氣溫低。年平均氣溫13.7 ℃。年最低氣溫-13.2 ℃，年最高氣溫39.3 ℃。平均無霜期213 d。年均降水量1 418.1 mm，降水趨勢(shì)由西南向東北漸少。

2.3 地震

根據(jù)GB18306—2015《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，沿線場(chǎng)地基本地震動(dòng)峰值加速度0.05g，為Ⅵ度區(qū)，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期0.35～0.40 s[4]。

3 工程地質(zhì)概況

3.1 地層巖性

大巴山斷裂帶以北為北大巴山褶皺系，主要出露震旦系綠泥片巖、凝灰?guī)r，夾頁巖、砂巖；寒武系灰?guī)r夾泥灰?guī)r，局部夾炭質(zhì)板巖、炭質(zhì)頁巖；奧陶系鈣質(zhì)板巖夾灰?guī)r，泥質(zhì)板巖夾砂質(zhì)板巖；志留系片巖夾千枚巖，炭質(zhì)板巖夾炭質(zhì)千枚巖，夾砂巖、炭質(zhì)頁巖。

大巴山斷裂帶以南為南大巴山褶皺系，廣泛分布三疊系中下統(tǒng)灰?guī)r夾泥灰?guī)r、白云巖、角礫巖(或石膏)。震旦系地層靠近大巴山斷裂帶分布，以凝灰?guī)r、頁巖夾薄層砂巖為主；寒武系～二疊系地層主要集中出露于褶皺核部，以灰?guī)r、白云巖、頁巖、砂巖為主，常見互層狀；侏羅系地層出露在“達(dá)州方案”的萬源—宣漢一帶，以泥巖夾砂巖為主。另外二疊系頁巖、三疊系上統(tǒng)頁巖、侏羅系下統(tǒng)泥巖夾砂巖，為含煤地層[5]。

3.2 地質(zhì)構(gòu)造

(1)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

線路通過兩個(gè)Ⅰ級(jí)構(gòu)造板塊：秦巴地槽(Ⅰ)和揚(yáng)子地臺(tái)(Ⅱ)，均隸屬于揚(yáng)子古陸。揚(yáng)子地臺(tái)(Ⅱ)在印支-燕山期向北移動(dòng)活躍，受米倉山、漢中地塊和神農(nóng)架地塊的阻擋，產(chǎn)生強(qiáng)烈的抬升和隆起，并在板塊結(jié)合處附近形成大巴山斷裂帶(F2)，斷裂帶兩側(cè)地層受強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，斷裂及褶曲構(gòu)造極為發(fā)育。大巴山斷裂以北為北大巴山褶皺系，隸屬于秦巴地槽(Ⅰ)，以南為揚(yáng)子地臺(tái)(Ⅱ)北緣的南大巴山褶皺系[6]。

(2)主要斷裂構(gòu)造

大巴山地區(qū)受地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響強(qiáng)烈，主要斷裂構(gòu)造見表1。

表1 沿線深大斷裂構(gòu)造

3.3 不良地質(zhì)及特殊巖土

沿線地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，地層巖性復(fù)雜，降雨量大且集中，不良地質(zhì)發(fā)育，介紹如下。

(1)滑坡、錯(cuò)落

大巴山區(qū)地形高陡，溝谷發(fā)育，個(gè)別岸坡覆蓋層較厚或巖體破碎，滑坡、錯(cuò)落發(fā)育。川東低山、丘陵區(qū)為侏羅系泥巖夾砂巖，巖體軟硬相間，易產(chǎn)生順層滑坡。長江兩岸受沖刷作用影響，滑坡較發(fā)育。

(2)危巖落石、崩塌

大巴山區(qū)地形高陡，地層巖性復(fù)雜，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，巖體受節(jié)理切割和差異性風(fēng)化影響，在卸荷作用下，危巖落石、崩塌現(xiàn)象較為突出。川東低山區(qū)的個(gè)別山脈，坡度較陡，也存在危巖落石、崩塌現(xiàn)象。

(3)巖堆

沿線溝谷與山嶺相間，地形切割劇烈，山高谷深陡崖多，陡崖下緩坡地帶多分布有巖堆。

(4)泥石流

大巴山區(qū)受構(gòu)造影響強(qiáng)烈地段，山高谷深，巖石風(fēng)化、剝蝕作用強(qiáng)烈，為泥石流的發(fā)育提供了地形條件和物源條件，加之大巴山區(qū)降雨豐富，易形成泥石流。

(5)巖溶

大巴山區(qū)，廣泛分布寒武系、二疊系、三疊系灰?guī)r，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，對(duì)線路的影響較大，是本線較為突出的地質(zhì)問題。

分布范圍：大巴山北坡巖溶主要發(fā)育于紫陽縣南部任河—嵐皋縣南部神田梁一帶，約20 km寬的寒武系石灰?guī)r中，處在北大巴山加里東褶皺帶復(fù)式向斜的一翼。南坡巖溶主要發(fā)育于旗桿山—青草坪、梆梆梁—九重巖、八臺(tái)山—百里峽—花巖子、九盤石—羅盤營—天池山一帶的二疊系、三疊系灰?guī)r中。在地形和氣候等自然條件下，受地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造的控制，巖溶地貌尤為發(fā)育。有溶丘、寬谷、成群出現(xiàn)大小不一的巖溶洼地，伴隨有部分深邃的落水洞、漏斗和溶洞[8]。其中北坡以神河源、神田梁，南坡以八臺(tái)山—百里峽附近最具代表性。

巖溶地貌特征：該區(qū)域巖溶，具中國南北方過渡特點(diǎn)。既有南方石灰?guī)r洞穴、峰林與大型溶蝕洼地喀斯特景觀，也有北方石灰?guī)r地區(qū)缺乏地表水、形成高山草甸、地下喀斯特作用強(qiáng)烈、有集中大泉出現(xiàn)的巖溶特征。

①溶丘(喀斯特丘陵)(圖3)

溶丘是在高溫多雨的濕熱氣候條件下，由峰叢等早期喀斯特地形經(jīng)后期溶蝕-剝蝕作用發(fā)展而成，呈渾圓丘陵，波浪狀起伏。如神田草甸溶丘，出露的地層是寒武系薄層灰?guī)r，雖然當(dāng)?shù)亟涤瓿渑?，但是地表干旱缺水，加之受山地寒冷氣候影響，形成草甸溶丘?/p>

圖3 神田溶丘草原

②石芽與溶溝(圖4)

在溶丘的坡面上發(fā)育有石芽與溶溝。形成于厚層灰?guī)r中，碳酸鈣含量高，溶蝕現(xiàn)象明顯。如神河源的“五子神龍”，溶蝕作用顯著。

圖4 神河源石芽

③溶蝕漏斗

一般直徑在2～6 m，坡面往往在降雨過程中易發(fā)生圓形塌陷。漏斗合并擴(kuò)大則形成數(shù)個(gè)溶蝕洼地。

④溶蝕洼地

溶蝕洼地在萬州方案嵐皋至城口段分布較多，形態(tài)受地質(zhì)構(gòu)造和巖層產(chǎn)狀控制。溶蝕洼地多由漏斗合并擴(kuò)大而成?？λ固睾幸约t水池、黑水池、腰子池和花池等發(fā)育較為典型。該區(qū)域最大的神河源溶蝕洼地，稱作“巴山湫池”，底部寬約150 m，長1 600 m，面積約24萬m2。大氣降水通過十幾條溪水匯聚成湖。湖水干涸時(shí)，湖底可見落水洞。在湫池東南2 km頭道河河谷寒武系灰?guī)r形成的陡坡上懸掛著一眼泉，其水量與湫池水位相關(guān)。湫池可視為這個(gè)河間地塊地下水的分水嶺，巖溶裂隙水向河流排泄。巴山湫池見圖5，湫池水文地質(zhì)剖面見圖6，神河源附近的溶蝕洼地統(tǒng)計(jì)見表2。

圖5 巴山湫池

圖6 湫池水文地質(zhì)剖面[9]

表2 神河源附近的溶蝕洼地統(tǒng)計(jì)

⑤落水洞

落水洞發(fā)育在直立的石灰?guī)r層面上，崩塌強(qiáng)烈，井壁陡直，成為豎井狀。多見于封閉洼地底部，與地下通道相連，可深達(dá)數(shù)百米[10]。

⑥溶洞

大巴山溶洞多分布于溝谷陡崖，洞穴成群分布，嶺北有蝙蝠洞、朝陽洞、蟒蛇洞、觀音洞、穿眼洞、石花洞等。嶺南有大巖洞、盤龍洞、雞王洞、觀音洞、紅軍洞等。溶洞多沿水平流動(dòng)帶發(fā)育，各裂隙伸延發(fā)展，形態(tài)十分曲折。在裂隙交匯的地段，常會(huì)形成空間巨大的洞腔，并與支洞構(gòu)成復(fù)雜的洞穴系統(tǒng)。

溶洞的發(fā)育特征：大巴山區(qū)溶洞多集中分布在440～700 m，700～1 200 m和1 200～1 890 m三個(gè)海拔高度范圍內(nèi)[11]，洞穴的發(fā)育延伸方向明顯受裂隙構(gòu)造的控制，有強(qiáng)烈的方向性。其中海拔440～700 m的洞穴分布數(shù)量最多，且與周邊有很好的地下水動(dòng)力通道，部分與暗河連接，水動(dòng)力條件好。海拔為700～1 200 m的洞穴，發(fā)育較多，洞穴沉積物發(fā)育較好，石鐘乳、石筍、石簾等發(fā)育，洞穴濕度較小。海拔為1 200～1 890 m的洞穴，為短小的溝狀洞穴，多分布在溶丘頂部，沿垂直裂隙發(fā)育，洞內(nèi)崩積物較多[12]。

線路在巖溶發(fā)育區(qū)多以隧道工程通過。線路宜繞避溶洞發(fā)育強(qiáng)烈區(qū)，尤其是地表有蓄水巖溶盆地、地下有大型溶洞、落水洞發(fā)育的區(qū)域，并走行在現(xiàn)代侵蝕基準(zhǔn)面、水平徑流帶高程以上。降低地下水、大型復(fù)雜溶洞對(duì)隧道工程的影響[13]。

(6)有害氣體

志留系炭質(zhì)板巖、炭質(zhì)千枚巖中，可能含有瓦斯等有害氣體。侏羅系～志留系地層還零星分布有天然氣、頁巖氣，對(duì)隧道工程有一定影響。

(7)高地應(yīng)力

大巴山區(qū)山高谷深，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，區(qū)域地應(yīng)力較高。隧道埋深較大，受高地應(yīng)力影響，以灰?guī)r為主的硬質(zhì)巖段，可能產(chǎn)生巖爆現(xiàn)象，以炭質(zhì)板巖、炭質(zhì)千枚巖為主的軟巖段，易發(fā)生軟巖變形問題。

4 水文地質(zhì)特征

4.1 地表水

大巴山區(qū)地表水系發(fā)達(dá)，河網(wǎng)密布。北部為漢江流域的任河水系，南部為嘉陵江流域的前河、東河水系。流域面積100 km2以上的河流13條，50～100 km2的6條。任河、前河、東河為3條主要河流。

4.2 地下水

地下水類型主要有第四系孔隙潛水、基巖裂隙水、構(gòu)造裂隙水、巖溶水[14]，簡述如下。

(1)第四系孔隙潛水

第四系孔隙潛水主要賦存于河流漫灘及階地、斜坡堆積層、古河道及古溝槽內(nèi)[15]。河流漫灘及階地的第四系孔隙潛水含水層主要為砂類土、碎石類土，地下水賦存條件較好，水量豐富，地下水位變化大。

(2)基巖裂隙水

廣泛分布于山區(qū)巖體的節(jié)理裂隙中，主要接受大氣降水補(bǔ)給，水量一般，個(gè)別地段水量豐富，水質(zhì)良好。

(3)構(gòu)造裂隙水

主要分布在斷層破碎帶與褶皺核部，主要受大氣降水補(bǔ)給，水量豐富，常以泉水形式排泄，部分為承壓水，含水層主要為斷層碎石帶及揉皺嚴(yán)重的破碎巖體。

(4)巖溶水

巖溶水主要賦存于灰?guī)r、白云巖等可溶巖中。地表落水洞、溶蝕洼地及溶蝕漏斗發(fā)育。地下多以泉水、暗河等形式出露，主要受大氣降水補(bǔ)給，水量十分豐富。

4.3 地下水侵蝕性評(píng)價(jià)

沿線大部分地段地下水水質(zhì)良好，對(duì)圬工無侵蝕性，個(gè)別通過侏羅系及三疊系含煤地層及石膏地層段，水質(zhì)較差，對(duì)混凝土具硫酸鹽侵蝕性。

5 主要工程地質(zhì)問題分析

根據(jù)沿線的工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件，結(jié)合線路工程設(shè)置情況，初步分析，線路施工中可能遇到的主要工程問題如下。

(1)圍巖失穩(wěn)

隧道通過斷層破碎帶、褶皺核部、節(jié)理密集帶、巖石軟硬相間、層間結(jié)合力差的地層時(shí)，易發(fā)生圍巖失穩(wěn)、掉塊、塌方等情況。

(2)巖爆

主要出現(xiàn)在灰?guī)r段落，灰?guī)r巖質(zhì)堅(jiān)硬，當(dāng)隧道埋深較大時(shí)，受高地應(yīng)力影響，掌子面開挖后，由于應(yīng)力集中，掌子面周圍巖體有發(fā)生巖爆的可能。

(3)軟巖變形

主要出現(xiàn)在板巖、千枚巖、片巖、頁巖段落，尤其是炭質(zhì)含量較高的地層，巖質(zhì)軟弱，在高地應(yīng)力作用下，易發(fā)生軟巖變形問題，造成初支或襯砌開裂變形。

(4)涌水突泥

隧道通過斷層破碎帶、褶皺核部、節(jié)理密集帶、巖溶發(fā)育段落時(shí)，可能發(fā)生涌水突泥。當(dāng)隧道工程位于地下水侵蝕基準(zhǔn)面或水平徑流帶以下時(shí)，有發(fā)生較大涌水的可能。

(5)溶洞

大巴山區(qū)巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，溶洞發(fā)育較多，形態(tài)各異、大小不一。線路通過巖溶發(fā)育區(qū)，施工中遇到溶洞的可能性較大，給橋梁、隧道、路基等工程造成較大影響。尤其遇到大型溶洞時(shí)，工程處理極為困難。

(6)有害氣體

線路以隧道形式通過侏羅系、三疊系、二疊系頁巖等含煤地層時(shí)，可能遇到瓦斯氣體，威脅施工人員安全。

6 主要線路方案工程地質(zhì)條件評(píng)價(jià)及比選

線路通過大巴山區(qū)，以長大隧道工程為主。兩方案的不良地質(zhì)現(xiàn)象主要為危巖落石、崩塌、滑坡、泥石流。當(dāng)隧道通過斷層破碎帶、巖性接觸帶時(shí)，易發(fā)生圍巖失穩(wěn)；通過可溶巖地段，有遇到溶洞、較大涌水的可能；通過高地應(yīng)力區(qū)，有發(fā)生巖爆、軟巖變形的可能[16]。因此，圍巖條件、巖溶發(fā)育特征、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育強(qiáng)烈程度、地應(yīng)力情況是影響兩方案地質(zhì)條件評(píng)價(jià)的主要因素。

(1)AK方案通過大巴山區(qū)，海拔320～1 720 m，相對(duì)高差130～760 m，山高谷深。地層巖性復(fù)雜，斷裂構(gòu)造發(fā)育。其中紫陽縣以北(AK10～AK64)，地層主要為寒武系板巖夾灰?guī)r，志留系千枚巖、片巖、板巖，多含炭質(zhì)夾層，地層多為軟質(zhì)巖，圍巖條件差。見圖7、圖8。

圖7 AK方案越嶺段方案線位

紫陽—萬源(AK64～AK116)，以寒武系、三疊系灰?guī)r、泥灰?guī)r等可溶巖地層為主，巖質(zhì)堅(jiān)硬，圍巖條件較好。該段巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，溶洞、暗河發(fā)育，地下水水平徑流帶高程在710～1 560 m。線路沿任河、后河河谷走行，可走行在水平徑流帶以上，降低施工時(shí)遇到地下暗河的可能性。

圖8 AK方案越嶺段各方案水文地質(zhì)橫斷面

萬源—宣漢段(AK116～AK170)，地層為侏羅系泥巖夾砂巖，以較軟巖為主，巖質(zhì)軟硬不均，層間結(jié)合力較差，圍巖條件較差。

(2)IAK方案通過大巴山區(qū)，海拔380～2 500 m，相對(duì)高差130～1 600 m，山高谷深，溝壑縱橫，多懸崖峭壁。地層巖性復(fù)雜，斷裂、褶皺構(gòu)造極發(fā)育。其中摩天嶺以北(IAK10～I(xiàn)AK66)，地層主要為寒武系板巖夾灰?guī)r，志留系千枚巖、片巖、板巖，多含炭質(zhì)夾層，地層多為軟質(zhì)巖，圍巖條件差[17]。見圖9～圖11。

圖9 IAK方案越嶺段方案線位

圖10 IAK方案越嶺段各方案水文地質(zhì)橫斷面

圖11 IAK方案雪寶山隧道水文地質(zhì)縱斷面

摩天嶺—開縣(IAK66～I(xiàn)AK166)，以寒武系、三疊系灰?guī)r、泥灰?guī)r等可溶巖地層為主，巖質(zhì)堅(jiān)硬，圍巖條件較好。該段巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，地表巖溶洼地、落水洞發(fā)育，隧道施工遇到大型溶洞、涌水、甚至地下暗河的可能性較大。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料、臨近工程地質(zhì)資料和水文地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，線路研究范圍內(nèi)，地下水水平徑流帶高程在800～1 500 m。在翻越九重山—雪寶山嶺脊時(shí)，既有通渝隧道和在建的城開高速公路隧道，以及本次研究的城口—開縣段高速鐵路，因地形條件限制，均無法繞避巖溶發(fā)育強(qiáng)烈區(qū)，且多走行在地下水水平徑流帶以下[18-19]，施工風(fēng)險(xiǎn)和施工難度極大。

根據(jù)方案研究區(qū)域臨近工程的巖土參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值，分別對(duì)兩個(gè)主要方案的隧道工程進(jìn)行了圍巖初步劃分，再結(jié)合巖溶發(fā)育特征、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況、高地應(yīng)力情況，對(duì)兩方案通過大巴山區(qū)的地質(zhì)條件進(jìn)行了分析，見表3、表4。

表3 大巴山區(qū)主要方案工程地質(zhì)條件比選因素

注：因線路研究范圍內(nèi)大巴山區(qū)缺乏既有公路、鐵路施工資料，根據(jù)秦巴山區(qū)臨近的鐵路、公路、引水隧道等工程施工經(jīng)驗(yàn)，線路埋深大于600 m時(shí)，局部高地應(yīng)力地段會(huì)出現(xiàn)較嚴(yán)重的巖爆、軟巖變形現(xiàn)象。

表4 大巴山區(qū)主要方案巖溶發(fā)育特征

7 結(jié)論

(1)本線通過大巴山區(qū)時(shí)，地層巖性復(fù)雜，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈。主要的不良地質(zhì)有危巖落石、崩塌、滑坡、巖溶、高地應(yīng)力、泥石流等。線路以隧道工程為主，主要的工程問題有圍巖失穩(wěn)、涌水突泥、巖爆、軟巖變形等，工程地質(zhì)條件復(fù)雜。

(2)沿線地表水系發(fā)達(dá)，均為長江水系。地下水有第四系孔隙水、基巖裂隙水、巖溶水。環(huán)境水水質(zhì)良好。

(3)沿線地震動(dòng)峰值加速度0.05g，地震烈度Ⅵ度。

(4)通過大巴山區(qū)時(shí)，經(jīng)萬州IAK方案：①圍巖條件稍好；②通過可溶巖段落較長，巖溶發(fā)育更強(qiáng)烈，且局部段落以隧道形式走行于水平徑流帶以下；③地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育更強(qiáng)烈，通過斷裂帶的數(shù)量和斷層破碎帶的長度較長；④隧道埋深>600 m的段落更長，受高地應(yīng)力影響更嚴(yán)重。因此，經(jīng)萬州IAK方案工程地質(zhì)條件更復(fù)雜，施工風(fēng)險(xiǎn)更大。推薦經(jīng)達(dá)州AK方案。