成達萬高速鐵路假角山巖溶區(qū)線路方案研究

陳 雷 花 超 徐文浩

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

巖溶是水對可溶性巖石(碳酸鹽巖、石膏、巖鹽等)進行以化學溶蝕作用為主，流水的沖蝕、潛蝕和崩塌等機械作用為輔的地質作用，以及由這些作用所產生的現(xiàn)象的總稱[1]。在我國西南部山區(qū)，巖溶分布較為廣泛。因此，如何選擇合理的線路方案通過巖溶區(qū)，是鐵路建設者要重點研究的問題[2]。

針對巖溶地區(qū)高速鐵路選線，已有許多學者進行了相關研究，王子江等[3]提出了巖溶區(qū)鐵路選線多級模糊綜合評價法，并給出了巖溶風險定性評估原則；朱穎[4]認為，山區(qū)鐵路選線過程中，應重點關注巖溶區(qū)等不良地質的分布及發(fā)育情況；李光偉[5]通過有限元軟件建立三維地層-結構模型，并對巖溶區(qū)抗震反應進行了計算。目前，對于山區(qū)高速鐵路穿越巖溶區(qū)選線尚未形成統(tǒng)一、完整的設計理論。以成都至達州至萬州鐵路(簡稱：成達萬鐵路)穿越假角山巖溶區(qū)選線為例，對鐵路巖溶區(qū)選線進行深入研究。

2 項目概況

成達萬高速鐵路位于四川省和重慶市境內，線路西起成都市，向東經四川省資陽市、遂寧市、南充市、達州市，終至重慶市萬州區(qū)，新建正線長478.957 km(四川省境內長430.762 km，重慶市境內長48.195 km)。本線東與在建鄭萬高鐵溝通，是國家中長期鐵路網“八縱八橫”高速鐵路主通道之沿江通道的重要組成部分，也是成渝城市群城際鐵路網的組成部分[6]。

選取達州至萬州段穿越假角山巖溶區(qū)的線路方案為研究對象。假角山橫亙于達州至萬州兩地之間，區(qū)域內巖溶非常發(fā)育，影響范圍約100 km。假角山地區(qū)選線示意如圖1所示。

圖1 假角山地區(qū)選線示意

3 假角山地區(qū)工程地質及水文地質特征

3.1 工程地質特征

(1)地形地貌

受地質構造和地層巖性控制，假角山背斜地貌與外應力作用關系密切，多呈細長條狀低山和中山。其中，假角山背斜沿軸向中部呈現(xiàn)“一山三嶺夾二槽” 地貌，兩側呈現(xiàn)“一山二嶺夾一槽” 地貌，地面高程在483～1 256 m之間，相對高差最大約773 m。自然坡度一般為20～35°，山脊及所夾溝谷近似呈北東走向，山脊線傾角較陡，線路以近NE65°方向斜穿山體[7]。山坡上植被發(fā)育，多為灌木、雜草及少量樹木，局部有少量耕地(見圖2、圖3)。

圖2 研究區(qū)地貌(單位：m)

圖3 研究區(qū)地形

(2)地層巖性

假角山背斜為圈閉型背斜，隧道分別穿越侏羅系至三疊系的碎屑巖(砂巖、泥巖、頁巖等)。其中，須家河、珍珠沖組為含煤地層(含瓦斯)；核部為三疊系巴東組、嘉陵江組地層(頁巖、泥巖、灰?guī)r、泥灰?guī)r、角礫灰?guī)r、白云質灰?guī)r、夾石膏等)，各類灰?guī)r均為可溶巖[8]。

3.2 水文地質特征

(1)可溶巖分布特征

假角山背斜兩翼山脊為須家河堅硬砂巖，將背斜中部的巴東組、嘉陵江組可溶巖夾持在背斜核部，導致背斜核部溝槽發(fā)育(沖溝方向一般沿背斜軸向)。

(2)巖溶發(fā)育特征

假角山背斜巖溶具有“南弱北強、西弱東強”的特點，背斜核部見溶蝕洼地或溶蝕溝槽。從地貌條件上看，橫向切溝主要受淺表巖溶的控制，表現(xiàn)形式為切割可溶巖和非可溶巖溝谷(以下稱為切溝)。其中，北部切溝最發(fā)育，高程多為500～600 m；中部切溝相對發(fā)育，高程多為630～680 m；南部無有效切溝。巖溶平面特征如圖4所示。

圖5 假角山背斜可溶巖地下水徑流模式示意

圖4 研究區(qū)巖溶平面特征示意

(3)地下水類型

研究區(qū)域地下水類型主要有碎屑巖孔隙裂隙水、巖溶水。碎屑巖孔隙裂隙水主要分布于巖層裂隙及節(jié)理裂隙中，受大氣降水和側向補給，以裂隙下降泉的形式排泄。巖溶水主要賦存于侏羅系和三疊系泥灰?guī)r、灰?guī)r等可溶巖中，被非可溶巖所圈閉，形成相對封閉的巖溶水系統(tǒng)?？扇軒r區(qū)地下水接受大氣降水補給，以接觸下降泉的形式集中排泄。

(4)含水巖組劃分及富水性

結合區(qū)域水文地質、構造分析，侏羅系碎屑巖組除自流井組、須家河組中等富水外，其余為弱富水。自留井組頂部灰?guī)r一般厚約15 m，呈條帶狀分布，出露面積較小，補給面積有限，隧道開挖時該層較短期涌水，然后干涸。巴東組和嘉陵江組灰?guī)r、泥灰?guī)r在背斜核部呈條帶狀分布，其賦存的巖溶水主要受背斜軸向裂隙側向補給和大氣降水補給，水量極豐富，可造成隧道長期涌水。

(5)地下水補、徑、排及動態(tài)特征

背斜橫向溝谷因切割形成梳狀地貌。地表槽谷封閉性差，多為開口型槽谷，地下水多以泉點的方式排泄。從南往北，可溶巖分布寬度增大，巖溶水從南向北徑流，泉點逐漸密集，大泉增多，溝底高程從670 m降至630 m，巖溶水動力循環(huán)增強。背斜兩翼未見明顯地下水排泄點，區(qū)域內巖溶水的徑流模式見圖5。

3.3 巖溶區(qū)選線原則

根據(jù)實際工程經驗，結合本項目巖溶發(fā)育特征，該區(qū)域選線應遵循如下原則：

(1)線路應繞避或以大交角通過巖溶強烈發(fā)育地帶、可溶巖與非可溶巖的接觸帶、巖溶水富集區(qū)及排泄帶[9]。

(2)線路應以大交角與暗河交叉，并保證暗河安全頂、底板厚度[10]。

(3)線路應選擇在非巖溶化或巖溶發(fā)育微弱且受巖溶水影響小的地帶通過。

(4)在峰林谷地、峰叢洼地及溶丘洼地區(qū)域，線路宜繞避埡口并高于巖溶水的最高洪水位；可能受巖溶水危害的地段，宜采用橋梁通過。

(5)在河谷地區(qū)，線路宜選擇在巖溶發(fā)育較弱的一岸通過，并應高于巖溶水排泄帶，并繞避谷坡上巖溶負地形和無水溶洞群[11]。

(6)在越嶺地區(qū)，線路宜選擇在地下分水嶺附近；線路高程宜在垂直滲流帶中；處于水平徑流帶及深部緩流帶中的隧道宜采用人字坡，平行導坑應設在地下水上游一側[12]。

4 假角山地區(qū)線路方案比選

假角山背斜位于川東平行嶺谷區(qū)，受背斜構造及巖性差異的影響，整體呈現(xiàn)為“四周砂泥巖封閉、核部可溶巖高壓富水”的船形構造[13]，本次研究了經廣福鎮(zhèn)穿假角山方案、經八廟鎮(zhèn)穿假角山方案和取直穿假角山方案，見圖6。

圖6 假角山地區(qū)線路方案示意

圖7 經廣福鎮(zhèn)穿假角山方案假角山隧道縱斷面示意

4.1 方案說明

(1)經廣福鎮(zhèn)穿假角山方案

線路于羅家坡村設開江南站后向南，先后上跨S202省道和S102省道，經廣福鎮(zhèn)西側后穿越假角山，經復平鄉(xiāng)后下穿達萬鐵路，沿渝萬城際鐵路引入萬州北站。該方案繞避了嘉陵江組巖溶發(fā)育地段，線路長89.940 km，橋梁長24.824 km，隧道長52.173 km，見圖7。

(2)經八廟鎮(zhèn)穿假角山方案

線路于羅家坡村設開江南站，經甘棠、八廟鎮(zhèn)后采用30‰縱坡抬高線路，使線路走行于可溶巖水平徑流帶之上，之后于假角山東翼下穿城門洞煤礦，折向北至沙壩村跨普里河，經岳溪鎮(zhèn)北側上跨省道S303，穿過鐵峰山后引入渝萬城際鐵路萬州北站。線路長74.424 km，橋梁長17.16 km，隧道長48.44 km，見圖8。

(3)取直穿假角山方案

線路東行于黃泥溝村設開江南站，先后上跨省道S202和省道S102，穿越假角山后接經八廟鎮(zhèn)穿假角山方案。線路長66.226 km，橋梁長14.347 km，隧道長45.072 km，見圖9。

圖8 經八廟鎮(zhèn)穿假角山方案假角山隧道縱斷面示意

圖9 取直穿假角山方案假角山隧道縱斷面示意

4.2 主要工程數(shù)量及投資比較

主要工程數(shù)量及投資比較見表1。

表1 主要工程數(shù)量及投資比較

4.3 方案優(yōu)缺點對比分析

(1)地質條件分析

三方案均穿越川東平行嶺谷區(qū)背斜富水區(qū)。其中，高壓富水巖溶以嘉陵江組灰?guī)r最發(fā)育，巴東組泥灰?guī)r次之，須家河至遂寧組泥巖、砂巖地下水不發(fā)育[14]。取直穿假角山方案以較長段落正穿假角山背斜核部灰?guī)r，風險極大；經廣福鎮(zhèn)穿假角山方案以較長段落穿假角山背斜核部巴東組灰?guī)r、泥灰?guī)r，風險程度為中等。經八廟鎮(zhèn)穿假角山方案線路位于可溶巖垂直滲流帶，水文地質條件相對較好。

三方案水文地質條件對比情況見表2。

(2)工程條件分析

工程條件優(yōu)缺點分析見表3。

表2 假角山隧道工程水文地質條件對比

表3 比選方案工程條件對比

應采用瞬變電磁、激發(fā)極化等新技術運用于施工期超前地質預報，以準確判斷工作面前方地下水賦存情況；巖溶發(fā)育段落宜設置平行導坑接橫洞，同時保障施工期多作業(yè)面施工和運營期排水通暢；必要時采用注漿措施堵水[15]。

5 結論

綜上分析，取直穿假角山方案以較長段落正穿假角山背斜核部灰?guī)r，施工安全風險極大。經廣福鎮(zhèn)穿假角山方案以隧道工程通過灰?guī)r、泥灰?guī)r等可溶巖段的長度較小，且完全繞避了巖溶強烈發(fā)育的嘉陵組灰?guī)r段落，但線路長度較經八廟鎮(zhèn)穿假角山方案長15.52 km，工程投資高19.43億元。經八廟鎮(zhèn)穿假角山方案假角山隧道位于可溶巖垂直滲流帶，水文地質條件相對較好。線路長度、工程投資適中且風險較小，故本次研究推薦經八廟鎮(zhèn)穿假角山方案。