袁真秀，李彥軍，秦正貴

(中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司，天津 300133)

0 引言

鐵路工程地質(zhì)選線方面的研究目前主要集中在地形地貌、工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、區(qū)域斷裂帶以及不良地質(zhì)與特殊巖土對線路的影響程度等方面，鐵路工程技術(shù)人員對這幾方面均進(jìn)行了大量研究與實踐。如:李翔［1］在張?zhí)畦F路穿越燕山山脈時提出了燕山越嶺隧道地質(zhì)選線意見;許再良等［2］對兗石、膠新鐵路跨沂沭斷裂帶工程地質(zhì)選線進(jìn)行了研究;張振東［3］在蘭青二線選線中提出了從地質(zhì)角度推薦下穿黃河右岸古滑坡群的青石關(guān)長隧道方案;曹化平等［4］在鐵路巖溶隧道工程地質(zhì)選線研究中提出了巖溶隧道選線原則;楊昌義等［5］在成蘭鐵路地質(zhì)選線中對汶川大地震近震源核心區(qū)開展了鐵路選線研究;孫波等［6］對西安至南京鐵路經(jīng)過厚子鎮(zhèn)山前古洪積扇進(jìn)行了選線研究。隧道工程地質(zhì)選線關(guān)系到施工過程中的風(fēng)險管理，意義非常重大。

在晉豫魯鐵路通道穿越呂梁山脈越嶺選線中，存在龍子祠泉域、霍西煤田煤層與采空區(qū)2個控制因素，查明這2個控制因素對隧道修建的環(huán)境與工程安全影響，是本線路越嶺選線的關(guān)鍵。與以往鐵路選線不同的是:本線路在平面上規(guī)避了以上2個控制因素，以直線段形式穿越呂梁山脈，極大地縮短了線路展線長度，降低了工程造價和避免了地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。

1 工程概況

晉豫魯鐵路通道是我國為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)建設(shè)，緩解能源運(yùn)輸“瓶頸”而建設(shè)的一條能源運(yùn)輸通道。南呂梁山隧道是晉豫魯鐵路通道全線控制性工程，是單線雙洞隧道，左線長23 441m，右線長23 464.7m，位于臨汾市境內(nèi)，穿越分水嶺呂梁山脈，從西部黃土粱峁地貌下坡進(jìn)入東部臨汾盆地(見圖1)。

測區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育中生界三疊系砂頁巖地層，古生界二疊系與石炭系砂頁巖、煤系地層，奧陶系碳酸鹽巖地層，其中二疊系和石炭系煤系地層存在多層可采煤層。隧道不可避免地要從霍州煤炭國家規(guī)劃礦區(qū)和鄉(xiāng)寧煤炭國家規(guī)劃礦區(qū)通過，測區(qū)內(nèi)廣泛分布煤礦和采空區(qū)。

圖1 隧道越嶺平面圖Fig.1 Plan of mountain-crossing tunnel

奧陶系碳酸鹽巖地層屬可溶巖，在漫長的地質(zhì)歷史中，該區(qū)形成了一個面積達(dá)2 250 km2的巖溶水泉域，學(xué)術(shù)上稱為“龍子祠泉域”。該泉域泉水在臨汾市以西的土門至龍子祠一帶山前出露，對臨汾市的工農(nóng)業(yè)用水均具有重要影響。南呂梁山隧道不可避免地要從泉域通過(見圖2)。

圖2 龍子祠泉域平面圖Fig.2 Plan of Longzici spring

中國地質(zhì)大學(xué)在20世紀(jì)80年代末期完成了《山西龍子祠泉及郭莊巖溶泉水系統(tǒng)研究報告》，20世紀(jì)90年代山西煤田地質(zhì)144隊完成了泉域范圍內(nèi)《喬家灣勘探區(qū)詳查地質(zhì)報告》。這些參考資料均不能詳細(xì)提供隧道各比選方案的地質(zhì)條件，研究各隧址區(qū)的地質(zhì)條件與隧道的關(guān)系是選線勘察工作的關(guān)鍵。

2 工程地質(zhì)選線關(guān)鍵問題

線路穿越呂梁山脈方案受2個因素控制:

1)龍子祠泉域控制。龍子祠泉位于山西省臨汾市西南13 km的西山山前，為臨汾市城市和工業(yè)用水的主要供水水源之一，對當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)起著舉足輕重的作用。泉水的主要來源為奧陶系灰?guī)r巖溶水，降水為巖溶水的唯一補(bǔ)給來源［7－8］。線路選線平面上應(yīng)嚴(yán)格繞避泉域重點保護(hù)區(qū)，豎向上應(yīng)位于奧灰?guī)r溶飽水帶水位以上，最大限度減少線路對龍子祠泉域水流量及水質(zhì)的影響。

2)霍西煤田及采空區(qū)控制。線路穿越山西重要煤田之一的霍西煤田，區(qū)內(nèi)開采歷史悠久，可采煤有多層，大型采空區(qū)與私采小采空區(qū)很多。大量采空區(qū)的存在給隧道選線帶來一定困難，線路選線應(yīng)嚴(yán)格繞避采空區(qū)。

在工程地質(zhì)選線中，如何繞避采空區(qū)，優(yōu)化穿煤段，并確保工程建設(shè)不破壞龍子祠泉域水環(huán)境，是決定工程是否可行的關(guān)鍵問題。

3 工程與水文地質(zhì)條件研究

3.1 地層巖性

隧址區(qū)內(nèi)古生界、中生界及新生界均有出露，但缺失古生界奧陶系上統(tǒng)、志留系、泥盆系、石炭系下統(tǒng)以及中生界的侏羅系、白堊系、新生界下第三系中新統(tǒng)。煤系地層為二疊系與石炭系砂頁巖，隧道穿越區(qū)對龍子祠泉域水環(huán)境影響較大，主要為奧陶系中統(tǒng)可溶巖灰?guī)r和白云巖。

3.2 地質(zhì)構(gòu)造

測區(qū)西部受與線路大角度相交的五麓山經(jīng)向構(gòu)造帶控制，該構(gòu)造帶大致呈南北走向，南北長約70 km，東西寬約15 km。紫荊山斷裂為其構(gòu)造形跡，巖層向西傾斜35～75°。測區(qū)東部受與線路大角度相交的龍門正弦狀構(gòu)造帶控制，該構(gòu)造帶大致呈南北走向，南北長約58 km，東西寬10～20 km。發(fā)育多個次級褶皺的呂梁山復(fù)式向斜為其構(gòu)造形跡，巖層產(chǎn)狀平緩，傾角一般不超過10°。

3.3 煤層與采空區(qū)

測區(qū)煤系地層厚約236m，含煤13層，煤層總厚約9.66 m，含煤系數(shù)為8.4%，主要含煤地層是二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)和石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)。其中，山西組(P1s)含煤4 層，從上往下依次是 1，2，2下，3#;太原組(C3t)含煤9 層，從上往下依次是 4，5，6，7，7下，8，9，10，11#;穩(wěn)定可采煤層是 2，9，10，11#。

根據(jù)試驗資料，1，2，10，11#煤吸氧量約 0.7 cm3/g，2，9，10，11#煤火焰長度為 30 ～400 mm，最低巖粉用量大于50%。隧址區(qū)域煤層均具有煤塵爆炸性危險;1，2，10#煤自燃傾向性等級為Ⅱ級，屬自燃煤層;11#煤自燃傾向性等級為Ⅰ級，屬易自燃煤層。測區(qū)煤礦歷史上曾發(fā)生過瓦斯爆炸。

在測區(qū)西部，巖層傾角大，隧道不可避免地要正穿煤層。根據(jù)TB 10120—2002/J 160—2002《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》［9］獨頭坑道瓦斯涌出量計算方法，考慮瓦斯時間衰減系數(shù)和煤的透氣性系數(shù)等因素，可計算出隧道正穿煤層絕對瓦斯涌出量為1.06 m3/min。從計算結(jié)果可以看出，正洞正穿煤層段絕對瓦斯涌出量大于TB 10012—2007/J 124—2007《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》［10］標(biāo)準(zhǔn)(0.5 m3/min)，正洞穿煤段具煤與瓦斯突出危險性。

在測區(qū)東部，巖層產(chǎn)狀平緩，煤層標(biāo)高一般為900～1 400m，小范圍煤層標(biāo)高變化不大。

按研究的越嶺方案，隧道主要受進(jìn)口段小窯破壞區(qū)和下穿煤層段采空區(qū)影響。對線路有影響的小窯破壞區(qū)主要位于興樂煤礦北部邊界位置。在下穿煤礦段，各煤礦開采區(qū)標(biāo)高為1 030～1 320 m。

3.4 龍子祠泉域

龍子祠泉域呈北東－南西向長條形展布，屬呂梁山脈南段東翼的一部分，地貌為構(gòu)造剝蝕低中山區(qū)，地面標(biāo)高為1 000～1 950 m。泉水屬巖溶水，主要含水層為厚310～550 m的奧陶系中統(tǒng)碳酸鹽巖。由于泉域北、西、南3面仰起，整體向東傾斜，巖溶水從北、西、南3面向東面低洼地匯集(見圖2)，在呂梁山脈與臨汾盆地交界處受到大斷裂限制，并被相對隔水的第四系山前堆積物阻擋，最終在臨汾市西邊土門至龍子祠一帶溢出成泉(見圖3)。

圖3 龍子祠泉成泉構(gòu)造圖Fig.3 Forming of Longzici spring

大氣降水為巖溶水的唯一補(bǔ)給來源，補(bǔ)給方式有2種:第1種是在碳酸鹽巖裸露區(qū)，降水能直接沿著巖溶裂隙下滲，補(bǔ)給效果好，是泉域重點保護(hù)區(qū);第2種是在奧陶系碳酸鹽巖上面覆蓋著幾百m厚的石炭系二疊系砂頁巖地層，降水需首先下滲通過此套地層才能進(jìn)入巖溶水的垂直滲流帶，補(bǔ)給效果受到砂頁巖地層隔水效果的影響。

通過對泉域內(nèi)深井和泉的水位觀測，分析后繪制巖溶水飽和水位控制性等高線圖(見圖2)。

4 工程地質(zhì)選線

為繞避采空區(qū)，優(yōu)化穿煤段，并確保工程建設(shè)不破壞龍子祠泉域水環(huán)境，綜合研究各種地質(zhì)經(jīng)濟(jì)條件后，確定了17個比選方案。選線過程中對這17個方案進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)、技術(shù)及地質(zhì)方面比較，經(jīng)過大量的勘察和研究工作，直接排除了其中7個穿越采空區(qū)方案，對另外10個可選隧道方案進(jìn)行了詳細(xì)的比選(見表1)。

表1 南呂梁山隧道研究方案表Table 1 Options of South Lvliangshan tunnel

為確定方案的可行性，南呂梁山隧道地質(zhì)專項勘察工作采用區(qū)域資料收集與研究、專家訪問、物理探測、現(xiàn)場水文地質(zhì)調(diào)繪與深孔鉆探相結(jié)合的綜合勘察手段對10個方案進(jìn)行選優(yōu)。具體方法是:在充分研究區(qū)域地質(zhì)資料基礎(chǔ)上，廣泛調(diào)查、收集區(qū)域內(nèi)的水井資料，走訪當(dāng)?shù)孛旱V、水文地質(zhì)專家，通過地質(zhì)調(diào)繪與鉆探驗證，初步確定隧道能夠從煤層與采空區(qū)以下、龍子祠泉域飽和水位以上的地層中通過。

按照這一原則，排除方案1和方案10，其線路繞行爬坡，縱坡過大，不利于萬t列車通行;方案2，5，8與霍西煤田的采空區(qū)在標(biāo)高上有交叉，無法排除能夠規(guī)避的風(fēng)險;方案6和方案9能夠規(guī)避采空區(qū)，在巖溶飽和水位以上，但穿越煤系地層長度大，存在較多不確定因素;最終把奧陶系巖溶水飽和水位以上，煤系地層以下的越嶺長隧道方案3，4，7確定為可行性比選方案，同時確定在2個關(guān)鍵性因素中條件最優(yōu)的方案3為推薦方案。

5 關(guān)鍵問題的解決

南呂梁山隧道在工程地質(zhì)選線中，通過綜合勘察的方法進(jìn)行線路勘察，特別是重點對龍子祠泉域、霍西煤田及采空區(qū)與隧道空間關(guān)系的勘察，最終確定方案3為選線方案。該方案在穿越紫荊山斷裂帶以最短距離通過薄煤層位置;在呂梁山復(fù)式向斜段創(chuàng)造性地確定隧道線路在煤層及采空區(qū)以下65 m，飽水帶水位以上70 m的狹長空間立體范圍穿越呂梁山脈，既躲避了采空區(qū)，又不會對龍子祠泉域水造成大的影響(見圖4)。

該隧道進(jìn)口設(shè)在蒲縣化樂鎮(zhèn)昕水河河谷東側(cè)山坡，標(biāo)高為1 057.48 m，隧道出口設(shè)在臨汾市堯都區(qū)岸溝西側(cè)坡腳，標(biāo)高為764.78 m，全隧為綜合坡度12.51‰的下坡。進(jìn)口段受五麓山經(jīng)向構(gòu)造帶控制，繞避了采空區(qū)，但需正穿 2，8，9，11#等煤層，由于巖層走向與隧道大角度相交(傾角約35°)，穿煤段較短，較容易通過。全隧大部分受呂梁山復(fù)式向斜控制，巖層產(chǎn)狀平緩，傾角一般小于10°，此段隧道下穿2個采空區(qū)，但高出洞頂最小距離大于150 m，最下部煤層高出洞頂最小距離大于73 m，煤層與隧道之間多為砂頁巖地層，巖體較完整，具隔水隔氣性。隧道位于龍子祠泉域垂直滲流帶內(nèi)，地下水不發(fā)育，泉域巖溶水飽和水位低于隧道洞底最小距離大于70.6 m。

圖4 隧道與巖溶飽和水位、煤層采空區(qū)關(guān)系圖Fig.4 Relationship among tunnel，saturated karst water level and coal goaf

6 施工效果

截至目前，施工進(jìn)行了1.5 a，經(jīng)歷了2個豐水期，1，2，5#斜井均已經(jīng)開挖至井底正洞，4#斜井、進(jìn)口掌子面和出口掌子面進(jìn)尺均已超過1 km。施工實踐證明，地勘資料是準(zhǔn)確的，工程地質(zhì)選線是正確的，隧道在目標(biāo)地層中通過，繞避了采空區(qū)，優(yōu)化了穿煤段，采空區(qū)和煤層對隧道建設(shè)影響較小，隧道洞底高出巖溶水飽和水位，隧道在巖溶水垂直滲流帶中通過，地下水不發(fā)育，工程建設(shè)對龍子祠泉域水環(huán)境影響甚微。

7 結(jié)論與建議

通過對南呂梁山越嶺隧道方案研究，充分認(rèn)識到地質(zhì)條件對工程地質(zhì)選線的重要控制作用，只有明確線路水文與工程地質(zhì)條件，才能結(jié)合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、工期等因素綜合選線。南呂梁山隧道方案在研究勘察資料等基礎(chǔ)上是可行的，但由于龍子祠泉域具有疊瓦狀補(bǔ)給特征，地下水飽和水位具有不確定性，同時測區(qū)歷史上私挖亂采小煤窯嚴(yán)重，年代久遠(yuǎn)，存在潛在采空區(qū)危險，需要在施工中高度注意并采取相應(yīng)措施預(yù)防。在施工中應(yīng)繼續(xù)對本課題進(jìn)行研究驗證，可以更好地確定巖溶飽和水位，確定巖溶飽和水位的歷史變化曲線，能更好地指導(dǎo)地下水的合理開發(fā)利用，保證臨汾的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活用水安全。

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