成達(dá)萬(wàn)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(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

摘 要：成都至達(dá)州至萬(wàn)州高速鐵路穿越假角山背斜巖溶富水地段，易引發(fā)突水突泥、地表塌陷及地表水源枯竭等工程地質(zhì)及環(huán)境問題。為確定該段的線路方案，通過巖溶專題分析、實(shí)地鉆孔試驗(yàn)，深入研究假角山地區(qū)可溶巖發(fā)育特征及地下水動(dòng)態(tài)特征。結(jié)合該段線路走向、地形和地質(zhì)條件、巖溶水分布特征，提出了三組比選方案，綜合評(píng)價(jià)各方案的線路長(zhǎng)度、工程條件、施工風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境影響及工程投資等因素。研究表明，經(jīng)八廟鎮(zhèn)穿假角山方案線路長(zhǎng)度、工程投資適中，采用30‰坡度展線使線路走行于可溶巖水平徑流帶之上，大大降低了工程風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)環(huán)境影響小，予以推薦。

關(guān)鍵詞：成都至達(dá)州至萬(wàn)州高速鐵路；巖溶；鐵路選線；技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選

1 概述

巖溶是水對(duì)可溶性巖石(碳酸鹽巖、石膏、巖鹽等)進(jìn)行以化學(xué)溶蝕作用為主，流水的沖蝕、潛蝕和崩塌等機(jī)械作用為輔的地質(zhì)作用，以及由這些作用所產(chǎn)生的現(xiàn)象的總稱[1]。在我國(guó)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(shè)者要重點(diǎn)研究的問題[2]。

針對(duì)巖溶地區(qū)高速鐵路選線，已有許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，王子江等[3]提出了巖溶區(qū)鐵路選線多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)法，并給出了巖溶風(fēng)險(xiǎn)定性評(píng)估原則；朱穎[4]認(rèn)為，山區(qū)鐵路選線過程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注巖溶區(qū)等不良地質(zhì)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(jié)構(gòu)模型，并對(duì)巖溶區(qū)抗震反應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算。目前，對(duì)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(shè)計(jì)理論。以成都至達(dá)州至萬(wàn)州鐵路(簡(jiǎn)稱：成達(dá)萬(wàn)鐵路)穿越假角山巖溶區(qū)選線為例，對(duì)鐵路巖溶區(qū)選線進(jìn)行深入研究。

2 項(xiàng)目概況

成達(dá)萬(wàn)高速鐵路位于四川省和重慶市境內(nèi)，線路西起成都市，向東經(jīng)四川省資陽(yáng)市、遂寧市、南充市、達(dá)州市，終至重慶市萬(wàn)州區(qū)，新建正線長(zhǎng)478.957 km(四川省境內(nèi)長(zhǎng)430.762 km，重慶市境內(nèi)長(zhǎng)48.195 km)。本線東與在建鄭萬(wàn)高鐵溝通，是國(guó)家中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)“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(wǎng)的組成部分[6]。

選取達(dá)州至萬(wàn)州段穿越假角山巖溶區(qū)的線路方案為研究對(duì)象。假角山橫亙于達(dá)州至萬(wàn)州兩地之間，區(qū)域內(nèi)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(zhì)及水文地質(zhì)特征

3.1 工程地質(zhì)特征

(1)地形地貌

受地質(zhì)構(gòu)造和地層巖性控制，假角山背斜地貌與外應(yīng)力作用關(guān)系密切，多呈細(xì)長(zhǎng)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(cè)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(duì)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

當(dāng)前，水資源管理方面的法律制度體系已初步形成。主要包括：法律層面的《中華人民共和國(guó)水法》（以下簡(jiǎn)稱《水法》）；法規(guī)層面的《取水許可和水資源費(fèi)征收管理?xiàng)l例》、《河北省實(shí)施 〈水法〉辦法》；規(guī)章層面的《建設(shè)項(xiàng)目水資源論證管理辦法》、《取水許可管理辦法》、《河北省取水許可制度管理辦法》、《河北省水資源費(fèi)征收使用管理辦法》和《河北省全社會(huì)節(jié)約用水若干規(guī)定》，這些制度為規(guī)范地下水開采行為，緩解地下水超采起到了一定作用。

3.2 水文地質(zhì)特征

(1)可溶巖分布特征

假角山背斜兩翼山脊為須家河堅(jiān)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(dǎo)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(qiáng)、西弱東強(qiáng)”的特點(diǎn)，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(duì)發(fā)育，高程多為630～680 m；南部無(wú)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(cè)向補(bǔ)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(duì)封閉的巖溶水系統(tǒng)?？扇軒r區(qū)地下水接受大氣降水補(bǔ)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(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)、構(gòu)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(bǔ)給面積有限，隧道開挖時(shí)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(cè)向補(bǔ)給和大氣降水補(bǔ)給，水量極豐富，可造成隧道長(zhǎng)期涌水。

(5)地下水補(bǔ)、徑、排及動(dòng)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(diǎn)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(diǎn)逐漸密集，大泉增多，溝底高程從670 m降至630 m，巖溶水動(dòng)力循環(huán)增強(qiáng)。背斜兩翼未見明顯地下水排泄點(diǎn)，區(qū)域內(nèi)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(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本項(xiàng)目巖溶發(fā)育特征，該區(qū)域選線應(yīng)遵循如下原則：

(1)線路應(yīng)繞避或以大交角通過巖溶強(qiáng)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(yīng)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(yīng)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。

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(yè)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(yè)巖、泥巖、灰?guī)r、泥灰?guī)r、角礫灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、夾石膏等)，各類灰?guī)r均為可溶巖[8]。

(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(dǎo)坑應(yīng)設(shè)在地下水上游一側(cè)[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(gòu)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(gòu)造[13]，本次研究了經(jīng)廣福鎮(zhèn)穿假角山方案、經(jīng)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(jīng)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(jīng)廣福鎮(zhèn)穿假角山方案

線路于羅家坡村設(shè)開江南站后向南，先后上跨S202省道和S102省道，經(jīng)廣福鎮(zhèn)西側(cè)后穿越假角山，經(jīng)復(fù)平鄉(xiāng)后下穿達(dá)萬(wàn)鐵路，沿渝萬(wàn)城際鐵路引入萬(wàn)州北站。該方案繞避了嘉陵江組巖溶發(fā)育地段，線路長(zhǎng)89.940 km，橋梁長(zhǎng)24.824 km，隧道長(zhǎng)52.173 km，見圖7。

(2)經(jīng)八廟鎮(zhèn)穿假角山方案

線路于羅家坡村設(shè)開江南站，經(jīng)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(jīng)岳溪鎮(zhèn)北側(cè)上跨省道S303，穿過鐵峰山后引入渝萬(wàn)城際鐵路萬(wàn)州北站。線路長(zhǎng)74.424 km，橋梁長(zhǎng)17.16 km，隧道長(zhǎng)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(shè)開江南站，先后上跨省道S202和省道S102，穿越假角山后接經(jīng)八廟鎮(zhèn)穿假角山方案。線路長(zhǎng)66.226 km，橋梁長(zhǎng)14.347 km，隧道長(zhǎng)45.072 km，見圖9。

圖8 經(jīng)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(diǎn)對(duì)比分析

(1)地質(zhì)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(zhǎng)段落正穿假角山背斜核部灰?guī)r，風(fēng)險(xiǎn)極大；經(jīng)廣福鎮(zhèn)穿假角山方案以較長(zhǎng)段落穿假角山背斜核部巴東組灰?guī)r、泥灰?guī)r，風(fēng)險(xiǎn)程度為中等。經(jīng)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(zhì)條件相對(duì)較好。

三方案水文地質(zhì)條件對(duì)比情況見表2。

(2)工程條件分析

工程條件優(yōu)缺點(diǎn)分析見表3。

表2 假角山隧道工程水文地質(zhì)條件對(duì)比

表3 比選方案工程條件對(duì)比

應(yīng)采用瞬變電磁、激發(fā)極化等新技術(shù)運(yùn)用于施工期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，以準(zhǔn)確判斷工作面前方地下水賦存情況；巖溶發(fā)育段落宜設(shè)置平行導(dǎo)坑接橫洞，同時(shí)保障施工期多作業(yè)面施工和運(yùn)營(yíng)期排水通暢；必要時(shí)采用注漿措施堵水[15]。

5 結(jié)論

綜上分析，取直穿假角山方案以較長(zhǎng)段落正穿假角山背斜核部灰?guī)r，施工安全風(fēng)險(xiǎn)極大。經(jīng)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(zhǎng)度較小，且完全繞避了巖溶強(qiáng)烈發(fā)育的嘉陵組灰?guī)r段落，但線路長(zhǎng)度較經(jīng)八廟鎮(zhèn)穿假角山方案長(zhǎng)15.52 km，工程投資高19.43億元。經(jīng)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(zhì)條件相對(duì)較好。線路長(zhǎng)度、工程投資適中且風(fēng)險(xiǎn)較小，故本次研究推薦經(jīng)八廟鎮(zhèn)穿假角山方案。

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Study on the Route Scheme of Chengdu-Dazhou-Wanzhou High-speed Railway in Jiajiao Mountain Karst Area

Chen Lei Hua Chao Xu Wenhao

(China Railway Engineering Design and Consulting Group Co., Ltd., Beijing 100055, China)

Abstract： Chengdu-Dazhou-Wanzhou High-speed Railway crosses the karst water-rich section of the Jiajiao mountain anticline, easy to cause engineering geological and environmental problems such as water and mud inrush, surface subsidence and surface water depletion. In order to determine the route scheme of this section, the distribution and development characteristics of the karst and groundwater dynamic characteristics in this area are studied in depth through the karst thematic analysis and field drilling test. Combined with the route alignment, topographical and geological conditions and karst water distribution characteristics of the section, three optional schemes are proposed. Based on the comprehensive evaluation of the line length, project conditions, construction risks, environmental impact and project investment, the line crossing Bamiao town is recommended, with a moderate length of 74.42 km and a moderate project investment of 13.319 billion yuan, and the 30‰ gradient line is adopted to raise the elevation to cross the karst water-rich area of the Jiajiao mountain, which makes the line run above the karst horizontal runoff zone, greatly reducing the project risk and environmental impact.

Key words： Chengdu-Dazhou-Wanzhou High-speed Railway; Karst; Railway route selection; Technical and economic comparison

中圖分類號(hào)： U212.32

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.19630/j.cnki.tdkc.201911220001

開放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識(shí)碼(OSID)：

收稿日期：2019-11-22

第一作者簡(jiǎn)介：陳 雷(1988—)，男，2010年畢業(yè)于中南大學(xué)土木工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，工程師。

文章編號(hào)：1672-7479(2020)02-0076-06