鄭萬(wàn)鐵路巴東至香爐坪隧道群巖溶地質(zhì)選線(xiàn)方案研究

劉 科， 酈亞軍， 王青川， 劉雄偉， 尚寒春

(1. 中鐵二院成都勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 四川 成都 610031;2. 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川 成都 610031)

0 引言

不良地質(zhì)問(wèn)題一直是控制高速鐵路隧道選線(xiàn)的關(guān)鍵因素，尤其是在巖溶發(fā)育地區(qū)，選線(xiàn)直接關(guān)系到整個(gè)工程的成敗。既有鐵路工程案例表明，線(xiàn)路穿越富水巖溶區(qū)極易造成涌水突泥等重大安全事故，并造成重大經(jīng)濟(jì)損失，因此，選線(xiàn)時(shí)必須謹(jǐn)慎處理。有學(xué)者從理論及實(shí)踐等方面對(duì)巖溶地區(qū)地質(zhì)選線(xiàn)及工程設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究： 楊昌宇[1]提出巖溶地區(qū)隧道工程選線(xiàn)應(yīng)盡量避開(kāi)巖溶水徑流帶及深部緩流帶的建議；王子江等[2]提出復(fù)雜巖溶區(qū)高速鐵路減災(zāi)選線(xiàn)基本定義、致災(zāi)因子及災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)型、指導(dǎo)方針與原則、定量綜合比選方法與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、理論實(shí)踐工作思路；畢強(qiáng)等[3]、徐正宣等[4]基于渝利鐵路所穿越的齊耀山區(qū)復(fù)雜巖溶地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行南北線(xiàn)方案比選研究，并針對(duì)方斗山隧道進(jìn)行水文地質(zhì)條件及危險(xiǎn)性研究；李金城[5]、畢煥軍[6]對(duì)黔張常鐵路巖溶及巖溶水分布特征與發(fā)育規(guī)律進(jìn)行了研究，確定了水文地質(zhì)線(xiàn)路選線(xiàn)原則，并分析了沿線(xiàn)武陵山越嶺隧道群南、中、北三線(xiàn)方案，最終比選出最佳線(xiàn)路方案；葉紅平等[7]、汪鋒華等[8]、羅林等[9]、桂金祥等[10]、張羽軍等[11]、高崇華等[12]分析了成貴鐵路巖溶特征，確定了選線(xiàn)原則，并針對(duì)地下水水平循環(huán)帶及大型暗河體系采用繞避、跨越、繞跨結(jié)合的方案進(jìn)行了比選研究；王杜江[13]依托藏東南怒江峽谷區(qū)某隧道工程，提出高原環(huán)境隧道選線(xiàn)及工程設(shè)置建議；陳雷等[14]研究了成達(dá)萬(wàn)高鐵假角山背斜巖溶富水地段地質(zhì)特征，并確定了該段線(xiàn)路的走向。

已發(fā)布的Q/CR 9251—2020《鐵路巖溶隧道勘察設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]提出了“遵循先繞避、短通過(guò)、抬高程、傍河流、靠既隧、順坡排、淺覆蓋、防崩塌”的總體選線(xiàn)原則，但針對(duì)千變?nèi)f化的復(fù)雜巖溶地質(zhì)環(huán)境，同時(shí)又受制于其他非地質(zhì)控制因素，上述原則往往不具備實(shí)施條件。因此，本文根據(jù)大巴山東南余脈巖溶不良地質(zhì)狀況，詳細(xì)闡述鄭萬(wàn)鐵路湖北段巴東至香爐坪隧道群勘察設(shè)計(jì)線(xiàn)路走向比選過(guò)程，最終在三峽庫(kù)區(qū)影響范圍內(nèi)的長(zhǎng)江北岸巖溶強(qiáng)烈發(fā)育地區(qū)選出了施工風(fēng)險(xiǎn)較低、工程投資較少的線(xiàn)路方案，施工開(kāi)挖揭示表明選線(xiàn)是成功的，可為山區(qū)鐵路工程選線(xiàn)工作提供參考。

1 工程概況

鄭萬(wàn)鐵路位于豫、鄂、渝3省境內(nèi)，全長(zhǎng)818 km，設(shè)計(jì)行車(chē)速度為350 km/h，是國(guó)家“八縱八橫”高鐵網(wǎng)中沿江通道、呼南通道的重要組成部分，與成達(dá)萬(wàn)高鐵、渝萬(wàn)高鐵等相連，形成連接西南川渝地區(qū)與華北、華東、華中地區(qū)的主要客運(yùn)高速通道。

巴東至香爐坪隧道群(D1K585+082～D8K613+550)位于鄭萬(wàn)鐵路湖北段興山站與巴東站區(qū)間，地質(zhì)條件復(fù)雜，山高谷深，溝壑縱橫，不良地質(zhì)極為發(fā)育，溶洞暗河等巖溶形態(tài)強(qiáng)烈發(fā)育，選線(xiàn)工作難度極大。

1.1 地形地貌

巴東至香爐坪隧道群位于湖北省宜昌市興山縣高橋鄉(xiāng)與恩施州巴東縣溪丘灣鄉(xiāng)交界境內(nèi)，屬神農(nóng)架南部、秭歸盆地北部結(jié)合帶的構(gòu)造剝蝕侵蝕中低山地貌區(qū)，地勢(shì)起伏較大，地形最高標(biāo)高約1 306 m，最低點(diǎn)為隧道出口沖溝底(標(biāo)高約240 m)，相對(duì)最大高差約1 066 m，自然坡度20°～60°，局部較陡。隧址區(qū)坡面覆土層較薄，局部較厚，基巖部分裸露，灌木、喬木植被茂密較發(fā)育，耕地和居民點(diǎn)主要分布在隧道出口。

1.2 地層巖性

沿線(xiàn)上覆第四系全新統(tǒng)以坡崩積層(Q4dl+col)碎石土、滑坡堆積層(Q4del)碎石土和坡殘積(Q4dl+el)粉質(zhì)黏土為主。下覆基巖主要為侏羅系至三疊系地層(J-T)。其中，三疊系中統(tǒng)巴東組三段(T2b3)泥質(zhì)灰?guī)r、巴東組一段(T2b1)泥質(zhì)灰?guī)r夾鹽溶角礫巖、下統(tǒng)嘉陵江組(T1j)灰?guī)r夾鹽溶角礫巖、大冶組(T1d)灰?guī)r為可溶巖地層。其余侏羅系中統(tǒng)下沙溪廟組(J2xs)砂巖、泥巖互層夾頁(yè)巖，中下統(tǒng)聶家山組(J1-2n)粉砂巖夾泥巖，下統(tǒng)珍珠沖組(J1z)粉砂巖夾泥巖夾頁(yè)巖、頁(yè)巖夾薄煤層；三疊系上統(tǒng)須家河組(T3xj)砂巖夾頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖夾煤，中統(tǒng)巴東組四段(T2b4)泥巖夾砂巖、泥灰?guī)r，中統(tǒng)巴東組二段(T2b2)泥巖夾砂巖、局部夾含銅砂巖等為非可溶巖地層。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造與地震動(dòng)參數(shù)

隧道群位于上揚(yáng)子陸塊褶皺帶內(nèi)，揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)一級(jí)構(gòu)造單元北緣，且位于神農(nóng)架穹窿構(gòu)造和秭歸向斜的結(jié)合部位，線(xiàn)路通過(guò)區(qū)域構(gòu)造較發(fā)育，經(jīng)過(guò)姜家坡正斷層、龔家橋區(qū)域大斷層，強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使隧道群區(qū)段選線(xiàn)工作難度極大。區(qū)域構(gòu)造綱要圖如圖1所示。

圖1 區(qū)域構(gòu)造綱要圖

根據(jù)GB 18306—2001《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》及《新建鄭州至萬(wàn)州鐵路工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》可知，沿線(xiàn)地震動(dòng)峰值加速度為0.05g(Ⅵ度地震區(qū))，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。

1.4 水文地質(zhì)特征

1.4.1 地表水

隧道群范圍內(nèi)地表水系為長(zhǎng)江水系，隧道群東部屬香溪河水系，中部為橫穿秭歸向斜的涼臺(tái)河水系，西部為神農(nóng)溪水系。區(qū)域水系圖見(jiàn)圖2。

圖2 區(qū)域水系圖

1.4.2 地下水

巴東至香爐坪隧道群區(qū)域內(nèi)地下水主要為松散巖類(lèi)孔隙水、基巖裂隙水和巖溶水。其中，巖溶水主要賦存于三疊系大冶組(T1d)灰?guī)r夾泥灰?guī)r石、嘉陵江組(T1j)中厚層灰?guī)r夾生物角礫灰?guī)r、巴東組一、三段(T2b1、T2b3)中厚層泥灰?guī)r。地下水埋深總體受地形、地層巖性、構(gòu)造及巖溶發(fā)育程度影響，不存在統(tǒng)一的地下水埋深。大冶組(T1d)，嘉陵江組一、二段(T1j1、T1j2)巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，地下水埋藏深度超過(guò)100 m，地表泉點(diǎn)流量小于1 L/s；而在溝谷深切處，地下水常形成集中排泄點(diǎn)，溶洞、暗河發(fā)育，暗河流量在500～2 000 L/s，地下水徑流模數(shù)大于20 L/(s·km2)。

1.5 主要不良地質(zhì)問(wèn)題

隧道群沿線(xiàn)分布著巖溶、滑坡、巖堆、有害氣體、順層偏壓等不良地質(zhì)以及石膏、膨脹土等特殊巖土，尤以巖溶、滑坡、巖堆為甚。區(qū)域內(nèi)碳酸鹽類(lèi)巖石廣泛分布，三疊系中統(tǒng)巴東組一段(T2b1)、巴東組三段(T2b3)、巴東組四段(T2b4)，三疊系下統(tǒng)嘉陵江組(T1j)、大冶組(T1d)為可溶巖地層，主要分布于秭歸向斜北翼、青龍寺斷層、龔家橋斷層和大坪斷層附近。地層巖溶發(fā)育程度由強(qiáng)到弱依次為T(mén)1j—T1d—T2b1—T2b3—T2b4?？扇軒r平面分布、巖溶發(fā)育程度及水文地質(zhì)圖見(jiàn)圖3。

圖3 可溶巖平面分布、巖溶發(fā)育程度及水文地質(zhì)圖

隧道群沿線(xiàn)地形陡峻，地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，發(fā)育堆積層滑坡和破碎巖體滑坡，同時(shí)分布較廣泛的易滑地層巴東組二、四段(T2b2、T2b4)，滑坡規(guī)模較大，且在溝內(nèi)兩側(cè)多以滑坡群形式分布。危巖落石主要分布在香爐坪隧道出口，為孤立式、切塊式危巖體，總方量不大，失穩(wěn)模式為順坡滑移、拉裂式，會(huì)對(duì)隧道洞口產(chǎn)生影響。香爐坪隧道進(jìn)口端及巴東隧道中部均經(jīng)過(guò)侏羅系下統(tǒng)珍珠沖組(J1z)和三疊系上統(tǒng)須家河組(T3xj)含煤地層，屬低瓦斯隧道段。隧道走行于秭歸向斜北西翼，巖層走向與線(xiàn)路夾角呈2°～30°，傾向線(xiàn)路左側(cè)，隧道洞身右側(cè)順層偏壓，洞口右側(cè)邊坡順層。

綜上所述，巖溶不良地質(zhì)是控制線(xiàn)路具體走向的主要因素，所以，勘察設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了多方案比選。

2 初步設(shè)計(jì)階段線(xiàn)路方案

2.1 線(xiàn)路方案構(gòu)成

初步設(shè)計(jì)選線(xiàn)時(shí)考慮到該段復(fù)雜地形、地質(zhì)條件，為繞避大型滑坡或堆積體，降低巖溶發(fā)育地段的涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)，確保隧道運(yùn)營(yíng)安全，針對(duì)巴東至香爐坪隧道群研究了6種線(xiàn)路方案，如表1和圖4所示。

表1 香爐坪隧道前后線(xiàn)路方案

2.2 線(xiàn)路比選

對(duì)上述6種方案的建筑長(zhǎng)度、隧道數(shù)量、隧道長(zhǎng)度、橋梁數(shù)量、橋梁長(zhǎng)度、隧線(xiàn)比、橋隧比、主要不良地質(zhì)、靜態(tài)估算總投資、主要風(fēng)險(xiǎn)、主要優(yōu)缺點(diǎn)等進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)表2。由表2可知： D3K線(xiàn)路方案工程投資較高，從經(jīng)濟(jì)角度不推薦該方案；而D6K線(xiàn)路方案盡管隧道長(zhǎng)度較長(zhǎng)，但穿越可溶巖地層僅1.8 km，且?guī)r溶弱—中等發(fā)育，可避免大型巖溶涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)繞避了大規(guī)?；?、巖堆、危巖落石等不良地質(zhì)，僅在香爐坪隧道出口有高差在50 m內(nèi)、規(guī)模相對(duì)較小的危巖落石，相對(duì)較易處理。綜合考慮各種因素后，本階段推薦采用D6K香爐坪南側(cè)隧道線(xiàn)路方案。

3 施工圖階段線(xiàn)路優(yōu)化

隨著巴東隧道施工圖階段勘察精度的逐步提升，原初步設(shè)計(jì)D6K線(xiàn)位上逐步增加的深孔鉆探顯示，于線(xiàn)路D1K609+927附近揭示出大型地下暗河系統(tǒng)，該暗河位于隧道之上，與原初步設(shè)計(jì)推測(cè)地層存在較大差異。為避免施工期間發(fā)生大規(guī)模的突泥突水事故，決定對(duì)該段線(xiàn)路進(jìn)行改移。

3.1 改移原因分析

3.1.1 地層巖性差異

從隧道地質(zhì)調(diào)查及區(qū)測(cè)資料分析，除部分為巴東組三段(T2b3)蓋層外，其余出露地層均為非可溶巖層，屬于埋藏型巖溶，可溶巖發(fā)育范圍主要根據(jù)上覆非可溶巖厚度推測(cè)。由于上覆非可溶巖厚度與前期推測(cè)有較大出入，從而引起可溶巖分布范圍變化，主要原因是地層厚度變化與斷層抬升。

3.1.1.1 地層厚度變化

深孔鉆探揭示巴東隧道范圍內(nèi)地層厚度變化較大： 區(qū)測(cè)資料顯示巴東組二段(T2b2)地層厚410 m，深孔鉆探揭示地層厚200～277 m，厚度變薄且不穩(wěn)定；區(qū)測(cè)資料顯示巴東組四段(T2b4)地層厚254 m，深孔鉆探揭示地層厚300～390 m，厚度增大且有變化。由于巴東組二段(T2b2)地層變薄，使下伏可溶性基巖相對(duì)位置抬升至隧道洞身段，導(dǎo)致初步設(shè)計(jì)鑒修階段推測(cè)地層與實(shí)際存在較大差異。

3.1.1.2 龔家橋斷層抬升地層

位于洞身范圍內(nèi)的龔家橋斷層為正斷層，其下盤(pán)地層為主動(dòng)盤(pán)，通過(guò)逆沖使老地層(T2b2)抬升并被長(zhǎng)期剝蝕，與未進(jìn)行深孔鉆探前龔家橋斷層下盤(pán)地層抬升高度推測(cè)有較大誤差。

原初步設(shè)計(jì)階段推測(cè)全隧為非可溶巖，經(jīng)深孔鉆探揭示可溶巖段總長(zhǎng)4 820 m，巖溶分布段落為： 隧道中部D1K605+830～D1K607+500(長(zhǎng)1 670 m)段位于巴東組三段(T2b3)泥質(zhì)灰?guī)r地層，巖溶弱發(fā)育；D1K609+170～D1K611+340(長(zhǎng)2 170 m)段位于嘉陵江組(T1j3+4)灰?guī)r地層，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育；D1K611+340～D1K612+320(長(zhǎng)980 m)段位于巴東組一段(T2b1)，巖溶中等發(fā)育。

3.1.2 暗河

巴東隧道D6K線(xiàn)路方案DZ-BDSD-09(位于D1K609+927左17 m處)深孔鉆探結(jié)果顯示： 孔深208.5～245 m處(標(biāo)高454.51～491.01 m，高36.5 m)為空洞，鉆探掉鉆；孔深245～290 m處(標(biāo)高409.51～454.51 m，高45 m)為充填溶洞，充填灰黃、淺灰色碎石土、黏性土，較為密實(shí)。該深孔鉆探揭示空洞后能聽(tīng)見(jiàn)水聲并伴有冷風(fēng)冒出，下套管進(jìn)入充填物后水聲及冷風(fēng)消失，由此可判定空洞內(nèi)水位標(biāo)高在底部454.51 m處，據(jù)此可推測(cè)底部為暗河。同時(shí)，為了進(jìn)一步推測(cè)驗(yàn)證鉆孔揭示的地下暗河，對(duì)深孔鉆探附近地表的峽水溝南岸巖溶泉點(diǎn)及暗河出露情況進(jìn)行補(bǔ)充水文地質(zhì)調(diào)查，結(jié)果如表3和圖5—7所示。

表3 峽水溝南岸巖溶泉點(diǎn)及暗河特征

圖5 SH-BD-01暗河出口

圖6 SH-BD-02巖溶泉點(diǎn)

圖7 SH-BD-03巖溶泉點(diǎn)

結(jié)合補(bǔ)充水文地質(zhì)調(diào)查，繪制鉆孔揭示暗河與泉點(diǎn)位置關(guān)系圖，如圖8所示。DZ-BDSD-09鉆孔所揭示的暗河發(fā)育方向沿走向受巖層產(chǎn)狀和鄭家溝斷層控制，可判定暗河在SH-BD-01出水口處出露，原因有：

1)SH-BD-02巖溶泉點(diǎn)與DZ-BDSD-09鉆探揭示的暗河水位標(biāo)高差為224 m，水平距離為3 300 m，計(jì)算水力坡度為6.8%，水力坡度遠(yuǎn)小于巖層傾角，若SH-BD-02巖溶泉點(diǎn)為暗河出口，則暗河無(wú)法沿傾向發(fā)育，需切割多層嘉陵江組地層；而SH-BD-02巖溶泉點(diǎn)流量較小，水力坡度較小，其動(dòng)力無(wú)法切割地層。

2)SH-BD-01暗河出口與DZ-BDSD-09鉆探揭示的暗河水位標(biāo)高差為292 m，水平距離為6 485 m，計(jì)算水力坡度為4.5%，與暗河水力坡度值3%～7%基本一致，且暗河出口流量大，較符合DZ-BDSD-09鉆孔揭示情況。

3)本區(qū)域暗河絕大部分沿走向發(fā)育，如魚(yú)腥洞、燕子洞、噴水洞、小龍洞等，且切割地層溝槽峽谷出露的泉點(diǎn)暗河遠(yuǎn)多于順地層走向的溝槽，說(shuō)明本區(qū)域地下水流方向與走向一致。

圖8 DZ-BDSD-09深孔鉆探揭示暗河與泉點(diǎn)位置關(guān)系圖

綜上所述，原初步設(shè)計(jì)階段線(xiàn)路方案巴東隧道段穿越嘉陵江組灰?guī)r地層，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，鉆孔揭示隧道之上發(fā)育有巨型含水地下暗河系統(tǒng)，且隧道較長(zhǎng)段落位于溶洞充填物內(nèi)，若按該線(xiàn)路方案施工，將存在極高安全風(fēng)險(xiǎn)，突泥突水的可能性極大，工程處理難度極大，極可能造成巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失。因此，必須對(duì)此大型不良地質(zhì)體進(jìn)行改移繞避。

3.2 改移線(xiàn)路方案構(gòu)成

本段改移線(xiàn)路兩端走向已固定，兩端標(biāo)高分別確定為686.2 m和259.6 m。一方面，本段線(xiàn)路縱坡已經(jīng)按照極限坡度30‰進(jìn)行設(shè)計(jì)；另一方面，巴東隧道出口距巴東車(chē)站僅1.5 km，且巴東隧道進(jìn)口與香爐坪隧道出口受隧道群長(zhǎng)度控制必須在兩隧道洞口間的溝谷露頭等因素影響，導(dǎo)致改移線(xiàn)路在豎向空間位置上無(wú)法調(diào)整，僅能從平面方向上進(jìn)行移動(dòng)控制。因此，本次改移僅對(duì)巴東隧道D1K600+308～DK616+100段線(xiàn)路方案進(jìn)行深化研究，補(bǔ)充了5種方案與原D6K線(xiàn)路方案的比較，如表4和圖9所示。

表4 巴東隧道改移線(xiàn)路對(duì)比方案

圖9 巴東隧道改移線(xiàn)路對(duì)比方案圖

3.3 改移方案比選分析

圖10示出了巴東隧道深孔DZ-BDSD-09附近典型地質(zhì)控制橫斷面示意圖(含各比選方案)。結(jié)合圖10可知，線(xiàn)路往北向，隧道洞身地層巖性依次為強(qiáng)烈發(fā)育的嘉陵江組可溶巖地層—弱至中等發(fā)育巴東組一段可溶巖地層—非可溶巖地層。由于南側(cè)D10K、D11K線(xiàn)路方案穿越段落較長(zhǎng)且強(qiáng)烈發(fā)育的嘉陵江組可溶巖地層，位于龔家橋斷層強(qiáng)烈影響范圍，施工風(fēng)險(xiǎn)極高，因此不推薦采用D10K、D11K線(xiàn)路方案。

圖10 巴東隧道比選方案地質(zhì)控制橫斷面示意圖

D7K線(xiàn)路方案橋址不良地質(zhì)分布如圖11所示。可以看出，D7K線(xiàn)路方案在跨越紅沙溝時(shí)兩岸及上游均發(fā)育多處規(guī)模巨大的滑坡、巖堆不良地質(zhì)。橋梁通過(guò)深厚巖堆時(shí)防護(hù)工程巨大，且橋墩變形難以控制；同時(shí)，由于紅沙溝上游發(fā)育多處堆積體及滑坡，次生災(zāi)害對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)影響極大。綜上，受大型不良地質(zhì)體影響的線(xiàn)路方案，其可實(shí)施性及施工和運(yùn)營(yíng)的安全性均不高，因此，不推薦采用D7K線(xiàn)路方案。

D9K線(xiàn)路方案橋址不良地質(zhì)分布如圖12所示。可以看出，D9K線(xiàn)路方案在跨越嚴(yán)家河時(shí)，嚴(yán)家河橋址右岸約500 m范圍內(nèi)緩坡發(fā)育巨型滑坡及多處中小型滑坡堆積體，同時(shí)下穿多處深厚巖堆體，巖堆體厚度達(dá)10～40 m，滑坡及巖堆體對(duì)橋梁及隧道工程影響極大。因此，不推薦采用D9K線(xiàn)路方案。

圖11 D7K線(xiàn)路方案橋址不良地質(zhì)分布

根據(jù)前文所述，D10K、D11K、D7K、D9K線(xiàn)路方案均不推薦采用，故僅對(duì)D6K、D8K線(xiàn)路方案從沿線(xiàn)地質(zhì)條件、輔助坑道模式、施工風(fēng)險(xiǎn)及工程投資等方面作詳細(xì)比較。

圖12 D9K線(xiàn)路方案橋址不良地質(zhì)分布

3.3.1 D6K、D8K線(xiàn)路方案地質(zhì)條件對(duì)比

結(jié)合施工圖設(shè)計(jì)階段對(duì)原D6K線(xiàn)路方案的詳細(xì)勘察資料，將初步設(shè)計(jì)階段與施工圖補(bǔ)勘階段的巴東隧道D6K線(xiàn)路方案和施工圖改移的D8K線(xiàn)路方案就沿線(xiàn)巖溶發(fā)育程度、面臨的主要工程地質(zhì)問(wèn)題以及圍巖級(jí)別等方面進(jìn)行對(duì)比分析，如表5所示。由表5可知： D8K線(xiàn)路方案巖溶發(fā)育程度為微弱發(fā)育，且長(zhǎng)度僅為590 m，相比D6K線(xiàn)路方案減少了4 230 m；巖溶強(qiáng)烈發(fā)育的可溶巖段落減少2 170 m，減幅超過(guò)50%，但Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)圍巖段落長(zhǎng)度增加超過(guò)2 km。

表5 D6K、D8K線(xiàn)路方案地質(zhì)條件對(duì)比

3.3.2 D6K、D8K線(xiàn)路方案輔助坑道對(duì)比

輔助坑道布置的設(shè)計(jì)應(yīng)同時(shí)滿(mǎn)足施工工期、施工排水、運(yùn)營(yíng)排水及施工通風(fēng)等因素，同時(shí)，還應(yīng)考慮巖溶不良地質(zhì)處理，且兼顧防災(zāi)救援設(shè)置。D6K、D8K線(xiàn)路方案輔助坑道設(shè)置對(duì)比見(jiàn)表6。由表6可知，D6K線(xiàn)路方案初步設(shè)計(jì)和施工圖補(bǔ)勘分別采取了“4平導(dǎo)+1橫洞”和“3平導(dǎo)+2橫洞”的模式，D8K線(xiàn)路方案施工圖改移采取了“2平導(dǎo)+3橫洞”的模式，均能滿(mǎn)足全線(xiàn)工程的土建工期要求。然而，D8K線(xiàn)路方案輔助坑道總長(zhǎng)減少近6 km，在輔助坑道工程盡可能少的情況下依然能保證隧道施工工期在預(yù)定工期范圍內(nèi)，且投資大幅減少，說(shuō)明改移的D8K線(xiàn)路方案明顯更優(yōu)。

表6 D6K、D8K線(xiàn)路方案輔助坑道設(shè)置對(duì)比

3.3.3 D6K、D8K線(xiàn)路方案施工風(fēng)險(xiǎn)對(duì)比

根據(jù)隧道穿越地質(zhì)情況，并結(jié)合輔助坑道設(shè)置，對(duì)D6K、D8K線(xiàn)路方案全隧塌方、突水突泥風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行全面分析和比較，如表7所示。

表7 D6K、D8K線(xiàn)路方案施工風(fēng)險(xiǎn)對(duì)比

由表7可知： D6K、D8K線(xiàn)路方案隧道軟弱圍巖施工塌方風(fēng)險(xiǎn)均接近30%，差異甚微；但D6K線(xiàn)路方案施工圖補(bǔ)勘受暗河影響，突水突泥風(fēng)險(xiǎn)高達(dá)18%，且極高風(fēng)險(xiǎn)段落占比大，說(shuō)明改移的D8K線(xiàn)路方案明顯更優(yōu)。

3.3.4 D6K、D8K線(xiàn)路方案工程投資對(duì)比

對(duì)比D6K線(xiàn)路方案初步設(shè)計(jì)及施工圖補(bǔ)勘與D8K線(xiàn)路方案施工圖改移的整體工程投資： D8K線(xiàn)路方案較D6K線(xiàn)路方案縮短174 m，但橋隧方案調(diào)整使得工程投資略增加630.44萬(wàn)元；由于線(xiàn)路改移引起隧道正洞減少315 m，且洞身圍巖級(jí)別優(yōu)化設(shè)計(jì)，共減少投資約1 017萬(wàn)元；進(jìn)一步優(yōu)化減少輔助坑道長(zhǎng)度,減少投資約3 404萬(wàn)元。因此，從節(jié)約工程投資的角度而言，改移后的D8K線(xiàn)路方案明顯更優(yōu)。

3.4 改移方案比選結(jié)論

綜合地質(zhì)條件、輔助坑道、施工風(fēng)險(xiǎn)及工程投資等方面，施工圖階段改移后的巴東隧道D8K線(xiàn)路方案(即巴東隧道線(xiàn)路取直方案)通過(guò)可溶巖段落按順坡組織施工工期短，繞避了大型不良地質(zhì)，遇大型巖溶的概率低，工程地質(zhì)條件較好，施工風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低，且可控。因此，巴東隧道施工圖階段線(xiàn)路取直采用D8K線(xiàn)路方案。

4 施工揭示情況

巴東隧道自2016年底開(kāi)工，全隧由進(jìn)口、1#橫洞、2#橫洞及3#橫洞4個(gè)工區(qū)組織施工。隧道進(jìn)口、1#橫洞工區(qū)主要揭示(粉)砂巖(夾泥巖)，巖質(zhì)較硬，巖層單斜，中厚層狀，圍巖穩(wěn)性定較好，地下水弱發(fā)育，采用機(jī)械化大斷面法施工；2#橫洞和3#橫洞工區(qū)主要揭示泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r，紫紅色泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，巖質(zhì)軟，易軟化、崩解，受地質(zhì)構(gòu)造作用影響，圍巖整體較破碎，部分段落地下水較發(fā)育，主要采用傳統(tǒng)的臺(tái)階法施工。巴東隧道揭示地層情況見(jiàn)圖13。

(a) 1#橫洞工區(qū)掌子面

(b) 3#橫洞工區(qū)掌子面

香爐坪隧道自2016年底開(kāi)工，全隧由進(jìn)口、1#斜井、2#斜井及出口4個(gè)工區(qū)組織施工。全隧主要揭示砂巖、粉砂巖，部分夾泥質(zhì)砂巖互層，中厚層至厚層狀，鈣、泥質(zhì)膠結(jié)，巖層層理單斜，地下水極少出露；僅在進(jìn)口端少量揭示薄—中厚層狀灰黑色炭質(zhì)頁(yè)巖夾煤層，巖質(zhì)極軟，遇水軟化崩解；全隧圍巖整體性較好，采用全斷面法施工。香爐坪隧道揭示地層情況見(jiàn)圖14。

(a) 進(jìn)口工區(qū)掌子面

(b) 1#斜井工區(qū)掌子面

上述各工區(qū)施工情況表明，經(jīng)過(guò)施工圖階段線(xiàn)路改移后的D8K方案開(kāi)挖揭示地層與設(shè)計(jì)推測(cè)較符合，巴東隧道僅在極少段落揭示巖溶微弱發(fā)育的泥灰?guī)r，但均未揭示巖溶不良現(xiàn)象。由此，證明巴東至香爐坪隧道群D8K線(xiàn)路方案成功繞避了巨型含水地下溶洞暗河，避免了突泥突水事故。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

通過(guò)對(duì)鄭萬(wàn)鐵路巴東至香爐坪隧道群設(shè)計(jì)階段進(jìn)行大量線(xiàn)路方案比選研究，結(jié)合施工揭示情況，得出以下結(jié)論。

1)龔家橋斷層附近深孔及周邊泉點(diǎn)、地下河出口水文地質(zhì)調(diào)查結(jié)果表明，巴東隧道原線(xiàn)路方案會(huì)穿越大型富水溶洞暗河，是線(xiàn)路改移的主要原因。綜合比較工程地質(zhì)、施工風(fēng)險(xiǎn)及工程投資等因素，巴東隧道D8K線(xiàn)路方案相對(duì)最優(yōu)。

2)通過(guò)施工揭示，全隧主要穿越砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖等非可溶巖地層，成功避開(kāi)了溶洞暗河發(fā)育區(qū)，規(guī)避了涌水突泥施工風(fēng)險(xiǎn)，表明巴東至香爐坪隧道群基于巖溶不良地質(zhì)的選線(xiàn)技術(shù)是成功的。

3)重視地勘工作，并提升勘察精度，加強(qiáng)巖溶地表水環(huán)境、地下水環(huán)境與暗河體系的系統(tǒng)性水文地質(zhì)調(diào)查分析，加強(qiáng)長(zhǎng)距離深孔鉆探對(duì)地層的揭示驗(yàn)證，是巖溶山區(qū)鐵路選線(xiàn)須遵循的重要原則。巖溶地質(zhì)選線(xiàn)應(yīng)盡可能繞避巖溶極強(qiáng)發(fā)育區(qū)，尤其針對(duì)大型巖溶不良地質(zhì)體，應(yīng)盡可能抬升線(xiàn)路標(biāo)高，從源頭上規(guī)避施工及運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。

5.2 建議

隧道選線(xiàn)時(shí)不能僅考慮巖溶不良地質(zhì)，其他超長(zhǎng)段落含水砂質(zhì)泥巖等軟弱圍巖地層盡管無(wú)突泥突水施工風(fēng)險(xiǎn)，但塌方風(fēng)險(xiǎn)較高，且對(duì)工程投資及工期影響較大，建議長(zhǎng)大隧道選線(xiàn)時(shí)應(yīng)綜合權(quán)衡各種不良地質(zhì)對(duì)隧道施工及運(yùn)營(yíng)的影響。