沿江高铁宜昌至涪陵段岩溶发育区地质选线研究_杨举明.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202303028开放科学（资源服务）标识码（OSID）沿江高铁宜昌至涪陵段岩溶发育区地质选线研究杨举明，郑亚飞（中铁二院工程集团有限责任公司，成都610031）摘要：岩溶及岩溶水等不良地质是控制线路方案的主要工程地质问题。阐述沿江高铁宜昌至涪陵段主要工程地质问题及岩溶发育区对高速铁路工程的影响，并结合宜万铁路岩溶区经验教训，通过该项目岩溶发育区段地质选线案例，总结出山高壁陡的岩溶发育区高速铁路地质选线主要对策与措施。关键词：沿江高铁；宜昌至涪陵；岩溶；地质选线；减灾选线中图分类号：U21文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)03 0029 05 0 引言沿江高铁建设是落实“一带一路”倡议、长江经济带发展、新时代西部大开发、成渝地区双城经济圈等多重国家战略的重大支撑性项目1。宜昌至涪陵铁路是沿江高铁的重要组成部分，是国家中长期铁路网规划中“八纵八横”主通道之一。项目位于鄂西南山区和渝东平行岭谷区，山高壁陡，地形地质条件复杂，岩溶及岩溶水等不良地质极其发育，是控制线路方案的主要工程地质问题。如何在该地区选择合理的线路方案，从源头减灾选线，确保工程建设和运营安全，是需要研究的重难点问题。1 项目自然特征 1.1 地形地貌项目位于川东平行岭谷区和鄂西南山地区，行走于我国第二、第三级地形阶梯。湖北段位于云贵喀斯特高原之东北缘的鄂西南山地中、低山区，总体上呈自西向东的阶梯状倾斜的斜坡地貌，山体地势较高且顶部和缓起伏，斜坡陡峻，河流切割深度大，其间发育利川、恩施和建始 3 个规模较大的山间盆地，地面高程 500 1 800 m，相对高差一般200 800 m。重庆段位于云贵高原东北麓向四川盆地东缘过渡地带平行岭谷区，地形受地质构造控制，背斜成条状中低山，向斜成宽缓低山丘陵谷地，山脊与构造线一致，呈北东向展布，地面高程 130 1 700 m，相对高差 20 500 m 不等2。1.2 地质构造研究区位于扬子准地台，发育典型的北东向“侏罗山式”的隔挡、隔槽式褶皱，以齐岳山断裂为界，西侧的川东地区发育为隔挡式褶皱带，背斜紧密，向斜宽缓，东侧的鄂西地区发育为隔挡式褶皱带，由北向南呈喇叭状逐渐散开，向斜带狭窄紧密，背斜带开阔舒展，与褶皱带相伴的压扭性断裂不多，但规模较大，主要有仙女山断裂、新华断裂、建始断裂、恩施断裂、咸丰断裂和齐岳山断裂等，往往发育于褶皱轴部或近轴部，挤压强烈。地质构造纲要，见图 1。N断裂背斜向斜明月峡背斜 万县向斜 方斗山背斜 头场向斜 长阳背斜F1:华蓥山断裂 F2:遵义断裂 F3:岳山断裂 F4:石门断裂 F5:建始断裂 F6:恩施断裂 F7:中坦坪断裂 F8:咸丰断裂 F9:新华断裂 F10:仙女山断裂 F11:雾渡河断裂图1地质构造纲要 1.3 主要工程地质问题复杂地形地貌和地质构造条件决定了工程沿线不良地质问题种类繁多，对线路方案选择，最主要的控制性工程地质问题为岩溶及岩溶水，主要集中在方斗山和鄂西山区，可溶岩长度约 230.8 km，占线路总长 50.9%。湖北境内可溶岩占比达 69.58%，收稿日期：2023 04 11作者简介：杨举明（1982），男，甘肃武威人。高级工程师，硕士，主要从事铁道工程设计工作。E-mail：。杨举明，等：沿江高铁宜昌至涪陵段岩溶发育区地质选线研究 29 岩溶强烈发育，岩溶水丰富，暗河系统众多，建设过程中容易发生突水突泥，安全危害大，对隧顶环境影响较大，地表失水风险高，运营过程中可能发生水害，造成断道等事故，影响运营安全。2 山高壁陡的岩溶发育区地质选线原则及对策岩溶对铁路工程的影响和危害主要有四个方面：一是岩溶地面塌陷威胁建筑物安全；二是隐伏岩溶洞穴及其充填物对建筑物基础稳定性的影响；三是岩溶涌水突泥对地下工程造成危害，并袭夺地下水，造成岩溶泉点与暗河失水和地面岩溶塌陷地表等环境问题；四是岩溶洼地积水浸泡或淹没路基和其他地面工程。研究岩溶及岩溶水发育规律，选择岩溶发育相对弱的地带通过，是铁路工程岩溶地区选线的一般原则和出发点3-5。2.1 宜万铁路岩溶水灾害及经验教训项目与既有宜万铁路宜昌至凉雾段基本位于同一廊道，宜万铁路建设、运营阶段所反映出的勘察设计问题和经验教训对本项目有重大指导作用。宜万铁路建设过程中五爪观、野三关、大支坪、云雾山、马鹿箐隧道发生过重大事故，运营期间五爪观、野三关、大支坪、马鹿箐、云雾山隧道发生病害中断行车。宜万铁路隧道主要岩溶水灾害概况，见表 1。选线和工程设置存在突出问题。表1宜万铁路隧道主要岩溶水灾害概况隧道名称主要岩溶水灾害概况野三关隧道2007年8月5日，野三关隧道DK124+602溶腔前方发生崩塌，引发大型突水、突泥事故。事故发生时30分钟涌水量达15.1万m3，涌泥与块石5.35万m3。解决“602”溶腔，花了17个月时间大支坪隧道2006年9月，隧道线掌子面发生特大突水突泥，日涌水量高达36.3万m3，突泥量达1.4万m3，有540 m被全断面封死。全隧道共遇溶腔 82个，发生大规模突水突泥14次，曾1个月发生1.0万m3以上突水突泥4次马鹿箐隧道2006年1月21日，隧道线DK255+978溶腔（简称“978”溶腔）突发透水事故，峰值涌水量72万m3/小时，此后10个多月的抢险过程中，又连续发生“1.24”、“7.23”、“8.13”、“8.18”特大突水灾害。2008年4月11日泄水洞发生突水事故云雾山隧道2008年7月21日，DK245+645处掌子面超前钻孔发生突水、涌砂，水量约800 m3/小时，喷射距离20 m，实测水压0.8 MPa，单个钻孔涌砂达1350 m3。全隧大型岩溶12处，其中处理周期在3个月以上的岩溶6处 （1）线路高程低于暗河，且位于反坡施工工区（如野三关、马鹿箐、齐岳山隧道），代表性地质断面，见图 2。3号暗河1100 m3号暗河1100 m既有宜万铁路850 m既有宜万铁路850 m2015101350SWNE115095050横向距离/km碳酸盐岩推测岩溶水位线推测降落漏斗线海拔高程/m图2既有宜万铁路代表性地质断面（2）隧道长段位于岩溶水水平循环带或季节变动带，未设置泄水洞或未将所有的岩溶水全部引入泄水洞，造成运营阶段雨季地下水大量涌入正洞，或衬砌周边渗漏水严重。（3）岩溶水发育地段设置斜井工区（如野三关隧道）。2.2 本项目岩溶区地质选线原则及对策（1）严格遵循“先绕避、短通过、抬高程、傍河边、靠既隧、顺坡排、浅覆盖、防崩滑”二十四字选线原则，规避重大工程地质风险，其代表性示意，“先饶避”示意，见图 3；“傍河边”示意，见图 4；“靠既隧、抬高程”示意，见图 5。垂直循环带水平循环带深循环带隧道非可溶岩可溶岩图3“先饶避”示意 深循环带水平循环带河流隧道垂直循环带岩溶水弱发育溶岩水强发育图4“傍河边”示意 路基工程 30 Subgrade Engineering2023 年第 3 期（总第 228 期）垂直循环带水平循环带岩溶水弱发育岩溶水强发育深循环带拟建既有图5“靠既隧、抬高程”示意（2）合理选择辅助坑道，实现超前排放、顺坡施工，加强超前地质预报，动态进行风险评估、妥善制定岩溶水排堵方案，在确保施工、运营、环境安全的同时，合理控制工期和投资。3 典型案例 3.1 恩施至涪陵段线路走向方案本段位于鄂西及渝东山区，线路穿越齐岳山、方斗山，地形起伏、地质复杂，不良地质众多，环境敏感区分布广。结合区域路网、地形地质条件、经济据点分布、长江桥位及环境敏感区，规划选线研究了四个方案，见图 6。（1）经万州方案：线路自恩施南引出，出站后折向西北，经燕子坪、柳坝后跨长江引入在建郑万高铁万州北站，近期万州北至涪陵北段利用在建渝万高铁，远期新建双线，远期线路全长 302.4 km。（2）经忠县方案：线路自恩施南引出，沿G50 沪渝高速南侧向西行进引入利川站，而后继续向西穿齐岳山、方斗山后跨长江引入在建渝万高铁忠县站，近期忠县至涪陵北段利用在建渝万高铁，远期新建双线，远期线路全长 251.3 km。图6恩施至涪陵段线路走向方案示意（3）经石柱方案：线路自恩施南引出，沿G50 沪渝高速南侧向西行进引入利川站，经利川后穿齐岳山至石柱，穿方斗山至丰都，而后跨长江引入渝利铁路涪陵北站，线路全长 228.8 km。（4）经黔江方案：线路自恩施南引出，出站后折向西南，经宣恩、咸丰后至黔江，而后折向西北经彭水、武隆，引入渝利铁路涪陵北站，线路全长 290.5 km。（5）方案比选：四个方案线路长度、差值、运营时分、工程地质条件等，见表 2。表2各方案主要技术经济比较项目经石柱方案经忠县方案经万州方案经黔江方案线路长度/km228.8251.3302.4292.5差值/km0+22.5+73.6+63.7运营时分/min49536562沿线经济据点 恩施、利川、石柱、丰都、涪陵恩施、利川、忠县、丰都、涪陵恩施、万州、忠县、丰都、涪陵恩施、宣恩、咸丰、黔江、彭水、武隆、涪陵工程地质条件主要有方斗山和齐岳山两个岩溶隧道，且方案靠近高速公路和渝利铁路，可利用既有通道的岩溶漏斗，工程地质条件最好主要有方斗山和齐岳山两个岩溶隧道，工程地质条件一般在利川北侧有3个长大越岭岩溶隧道，岩溶水风险极高有7个长大岩溶隧道，岩溶水风险极高，而且乌江两岸深切峡谷重力不良地质发育 根据运量预测，万州至涪陵间若利用在建渝万高铁，远期能力不满足运输需求，经万州和经忠县方案远期重庆至万州（忠县）间需新建三四线。经万州方案、经黔江方案较经石柱方案运营长度分别长 73.6、63.7 km，绕行距离过长，不符合沿江高速铁路功能定位，且工程地质条件差。经忠县方案运营长度较经石柱方案长 22.5 km，跨长江处水面宽达 670 m，跨江条件差，长江桥工杨举明，等：沿江高铁宜昌至涪陵段岩溶发育区地质选线研究 31 程规模偏大；受长江桥位限制，穿越方斗山隧道远离既有隧道形成的降落漏斗，位于岩溶裂隙饱水带，水头高约 300 m，面临极大的岩溶水风险。经石柱方案线路最顺直，路网布局合理，符合沿江高铁功能定位。跨长江处水面宽度较窄，跨江条件好；穿越方斗山隧道邻近高速公路，可利用既有通道的降落漏斗，符合“靠既隧”选线原则，工程地质条件相对较好。综上，恩施至涪陵段线路走向方案推荐采用经石柱方案。3.2 新方斗山隧道越岭段地质选线方案方斗山自东北向西南绵延，岩溶发育，岩溶水顺构造线（方斗山脉）由北向南至龙河，高程 206255 m。结合线路走向、地形地质条件、高速公路、渝利铁路、工程对环境的影响等因素，研究沿高速公路方案、短隧绕行方案、长隧取直方案和沿渝利铁路方案，见图 7。新方斗山隧道地质断面，见图 8。N图7新方斗山隧道越岭段地质选线方案示意 短隧绕行方案794 m沿渝利铁路方案394.6 m既有渝利铁路290 m 河既有石渝 速公路554 m654.2 m长隧取直方案沿 速公路方案690.2 m1150SWNE950750海拔 程/m横向距离/km老宫坝水库冉家槽水库江山水库550350102030碳酸盐岩推测岩溶水位线推测降落漏斗线图8新方斗山隧道地质断面 根据既有渝利铁路勘察资料，短隧绕行方案和长隧取直方案附近地表分布 3 个较大型水库，老官坝水库总库容 52 万 m3、冉家槽水库 15 万 m3、江山水库 14 万 m3，隧道开挖易造成地表失水，影响2 个镇 7 个村近 2 万人的生产生活用水，环境风险及社会风险大。故舍弃短隧绕行方案和长隧取直方案，重点研究沿高速公路方案和沿渝利铁路方案。（1）沿高速公路方案：线路自方案比较起点引出，在石柱东设站后，向西北并行 G5021 石渝高速公路（2013 年 11 月建成通车），以 L-7.04 km隧道穿越方斗山，尔后折向西南跨龙河至方案比较终点丰都站。线路全长 56.395 km。（2）沿渝利铁路方案：线路自方案比较起点引出，向西上跨既有渝利铁路后设石柱站，向西南沿渝利铁路布线，以 L-6.4 km 隧道穿方斗山后至方案比较终点丰都站。线路全长 60.800 km。（3）方案比选：两方案主要工程数量及投资比较，见表 3。从线路长度及工程投资分析，沿高速公路方案较沿渝利铁路方案短 4.405 km，投资省 8.07 亿元。表3两方案主要工程数量及投资比较工程项目沿高速公路沿渝利铁路线路长度/km56.39560.800差值/km0+4.405桥梁座数-长度/(座-延米)16-8554.813-16027.4隧道座数-长度/(座-延米)13-36995.810-30654其中L6 km/(座-延米)1-70382-16494.1新方斗山隧道/m70386448桥隧总长-比例/(km-%)45.55-80.7747.67-78.41静态投资/亿元104.895112.966差额/亿元0+8.07 从工程地质条件分析，方斗山山脉构造为背斜，两翼为泥岩夹砂岩，核部为可溶岩。两方案主要地质条件差异在于新方斗山隧道，可利用既有高速公路或渝利铁路通道的降落漏斗，符合“靠既隧”、“抬高程”选线原则。具体工程地质条件对比，见表4。沿高速公路方案工程地质条件略优于沿渝利铁路方案。表4工程地质条件对比方案工程地质条件地质评价沿高速公路靠近G5021石渝高速公路，公路隧道设计进出口高程分别为612.77 m和492.24 m，施工过程中未揭示大的岩溶水，而且提前5个月贯通，该方案标高高于高速公路约60 m，穿可溶岩段落3.5 km。岩溶水风险小沿渝利铁路渝利铁路方斗山隧道最高标高300 m，隧道进口2.03 km处揭示暗河通道，最大流量12671 m3/h，其余地段岩溶不发育。该方案标高高于渝利铁路约150 m，穿可溶岩段落5.6 km。岩溶水风险较小 从石柱站位条件分析，沿高速公路方案在石柱县城城东组团设石柱东站，站位条件好，符合石柱县意见；沿渝利铁路方案骑跨龙河设站，站位条件差。综上所述，沿高速公路方案线路较短、投资省，穿越岩溶段落较短，可利用既有高速公路通道作为降落漏斗，工程风险低，且站位符合地方意见，路基工程 32 Subgrade Engineering2023 年第 3 期（总第 228 期）故推荐采用沿高速公路方案。4 结语岩溶发育区具有随机性、隐蔽性、复杂性，导致铁路勘察及选线难度大，需扎实做好地质选线工作，从源头上规避重大地质风险，避免或减轻岩溶不良地质危害影响，选择出安全可靠、经济合理的线路方案。通过宜昌至涪陵铁路规划选线实践，进一步归纳总结岩溶地区选线主要对策与措施。（1）岩溶地区选线宜优先考虑绕避或以大交角通过岩溶强烈发育地带、地表塌陷、土洞分布密集地带、可溶岩与非可溶岩的接触带及岩溶水富集区。（2）线路宜选择在非岩溶化地区或岩溶发育微弱、范围最窄、层数最少、顶板稳固、受岩溶水影响小的地带通过。（3）河谷地区线路宜选择在岩溶发育较弱的一岸并尽量靠近河谷通过，且线路高程应高于岩溶水排泄带。（4）可充分利用已建成和在建既有公路隧道、引水隧道等资料，并且线位尽量靠近既有隧道形成的降水漏斗内，减小隧道工程遭遇岩溶及涌突水（泥）的风险。（5）线路标高应尽量拔高，线路宜在垂直渗流带中，不宜在水平循环带中。（6）岩溶水发育的长隧道宜采用“人字”坡，应避免反坡排水施工。必须设单面坡时，应考虑泄水洞或平导贯通。（7）线路应避免与暗河并行，必须与暗河立体交叉时，尽量以大角度相交，并保证暗河安全顶、底板厚度。（8）峰林谷地、峰丛洼地及溶丘洼地区线路宜绕避垭口并高于岩溶水的最高洪水位，可能受岩溶水危害的地段，宜采用桥梁通过。参考文献(References)：1 杜建军.沿江高铁宜昌至涪陵段规划选线设计研究 J.高速铁路技术,2021,12（6）:65 69.DOI:10.12098/j.issn.1674-8247.2021.06.013.DU J J.Design study on planning-based railway location of Yichang-Fuling section of Shanghai-Chongqing-Chengdu high-speed railway J.High Speed Railway Technology,2021,12（6）:65 69.DOI:10.12098/j.issn.1674-8247.2021.06.013.2 中铁二院工程集团有限责任公司.新建宜昌至涪陵铁路勘察设计项目设计投标文件Z.成都:中铁二院工程集团有限责任公司,2020.China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd.Tender documents ofdesign package of survey and design for new Yichang Fuling railwayZ.Chengdu:China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd.,2020.3 郑天池,龙宗明.贵阳至南宁高速铁路避灾减灾选线设计 J.高速铁路技术,2018,9（增刊 1）:121 126.ZHENG T C,LONG Z M.Route selection design with disaster avoidance&decrease for Guiyang-Nanning high-speed railway J.High SpeedRailway Technology,2018,9（S1）:121 126.4 杨昌宇.岩溶地区隧道设计的几点思考及建议 J.现代隧道技术,2011,48（1）:90 93,116.DOI:10.3969/j.issn.1009-6582.2011.01.017.YANG C Y.Some opinions and suggestions on tunnel design in karstareas J.Modern Tunnelling Technology,2011,48（1）:90 93,116.DOI:10.3969/j.issn.1009-6582.2011.01.017.5 朱颖,姚令侃,魏永幸.复杂艰险山区铁路减灾选线理论与技术M.北京:科学出版社,2016.ZHU Y,YAO L K,WEI Y X.Theory and technology of railway locationwith disaster mitigation in challenging mountain areasM.Beijing:Science Press,2016.StudyonGeologicalRouteSelectionofKarstDevelopmentAreainYichangFulingSectionofShanghaiChongqingChengduHigh-speedRailwayYANG Juming，ZHENG Yafei（China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd.,Chengdu 610031,China）Abstract:Karst and karst water and other unfavorable geological conditions are the main engineering geologicalproblems to control the route plan.This paper describes the main engineering geological problems of theYichangFuling section of ShanghaiChongqingChengdu high-speed railway and the impact of the karstdevelopment area on the high-speed railway project.Combined with the experience and lessons of the karst areaof the YichangWanzhou railway,through the geological route selection case of the karst development area ofthe project,the main countermeasures for the geological route selection of the high-speed railway in the karstdevelopment area with high mountains and steep walls are summarized.Keywords:high-speed railway along the river；YichangFuling；karst；geological route selection；routeselection for disaster reduction杨举明，等：沿江高铁宜昌至涪陵段岩溶发育区地质选线研究 33