鐘 晶

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

懷邵衡鐵路復雜不良地質區(qū)域線路方案研究

鐘 晶

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

由于懷邵衡鐵路在懷化南客站至安江站段存在鈾礦、巖溶、斷層等多種復雜不良地質，線路方案比選影響因素復雜，方案選擇困難，采用地質條件分析及工程經濟技術比較等方法，詳細論述鈾礦輻射、巖溶及巖溶水、斷裂構造、高地應力、頁巖氣、圍巖分級、工程投資、工期等因素對該段方案選擇的影響，通過綜合分析各種地質及工程經濟技術條件，最終確定西線方案為合理的線路方案。

鐵路選線；地質選線；工程選線；方案比選

1 概述

懷邵衡鐵路在懷化南客站與安江站之間有鈾礦、巖溶、斷層等多種不良地質，線路長度21.3 km，基本上橋隧相連，主要的控制因素有黃巖隧道(全線控制性工程)、黃龍組灰?guī)r巖溶區(qū)、“黃巖～溆浦斷裂帶”等不良地質構造帶、鈾礦等。根據鈾礦專題研究成果和其他不良地質條件分析資料，結合“黃巖～溆浦斷裂帶”資料，研究了黃巖隧道東線方案和黃巖隧道西線方案[1]。如圖1所示。

黃巖隧道西線方案線路出懷化南客站后并行滬昆高鐵向東，跨在建的懷化環(huán)城高速公路后折向東南，繞避黃巖巖溶區(qū)后穿過白馬向斜巖溶區(qū)域翼部(巖溶區(qū)范圍內長度約1.8 km)，線路出隧道后跨沅水，在洪江市安江鎮(zhèn)北側設安江站。該方案黃巖隧道全長17.03 km，DK22+900 m處離主坡寨礦體(鈾)最近距離約1.3 km，DK28+600 m處離黃龍巖1號礦體(鈾)最近距離約1.5 km。

圖1 懷邵衡鐵路懷化南與安江段方案示意

黃巖隧道東線方案線路出懷化南客站后并行滬昆高鐵向東，跨在建的懷化環(huán)城高速公路后折向東南，穿過黃巖巖溶區(qū)核部和白馬向斜巖溶區(qū)域翼部(巖溶區(qū)范圍內長度共約4.1 km)，線路出隧道后跨沅水，在洪江市安江鎮(zhèn)北側設安江站。該方案黃巖隧道全長14.96 km，DK22+900 m處離主坡寨礦體(鈾)最近距離約400 m，DK28+600 m處離黃龍巖1號礦體(鈾)最近距離約1 km，另外黃巖隧道出口和結構性斷層“黃巖～溆浦斷裂帶”斷層近距離并行，并行地段長度約5 km。

由于上述兩個方案影響因素復雜，線路方案比選困難，需綜合采用地質條件分析及工程經濟比較等方法[2]，對方案進行詳細分析比選。

2 地質條件分析

2.1 鈾礦輻射

2.1.1 環(huán)境地表γ輻射劑量率水平評述

西線調查區(qū)段內的環(huán)境地表γ輻射對公眾照射所致年吸收劑量為0.036～0.82 mSv。平均年有效劑量當量為0.12 mSv；對施工人員所致年吸收劑量為0.071～1.64 mSv，平均年有效劑量當量為0.264 mSv，異常段平均年附加劑量0.15 mSv。

東線調查區(qū)段內的環(huán)境地表γ輻射對公眾照射所致年吸收劑量為0.044～0.32 mSv，平均年有效劑量當量為0.09 mSv；對施工人員所致年吸收劑量為0.088～0.64 mSv，平均年有效劑量當量為0.18 mSv，異常段平均年附加劑量0.55 mSv。

根據上述結果，公眾所致年吸收劑量及施工人員所致年吸收劑量和平均年附加劑量均低于《鐵路工程不良地質勘察規(guī)程》(TB10027-2012)的有關規(guī)定，因此，可認為地表調查區(qū)內的γ射線輻射水平對人居環(huán)境和施工人員沒有影響，黃巖隧道西線方案、東線方案地表重點調查區(qū)段均為非限制區(qū)。

2.1.2 地表中放射性核素(238U、232Th、40K)含量水平評述

調查區(qū)內的地表放射性核素平均含量238U、232Th、40K所致內、外照射處于正常背景區(qū)，土壤中核素平均含量符合要求；在部分區(qū)段(西線地表DK24+700～DK26+300、DK28+600～DK28+800段及東線地表DIK23+400～DIK 23+600、DIK26+000～DIK26+200、DIK27+800～DIK28+100段)呈現鈾核數含量局部偏高。根據區(qū)段地質偏高部位基本位于炭質板巖發(fā)育處，因富含炭質巖土層吸附鈾，形成高背景值，偏高段多位于寒武系牛蹄塘組(∈1n)和震旦紀江口群留茶坡組(Zl)，在隧道施工過程中應加強對上述地層炭質板巖、板巖段的放射性核數監(jiān)測工作，并做好應急減緩措施[3]?？傮w地表核素所致放射性環(huán)境是比較安全的。

2.1.3 地表土壤中氡濃度水平評述

調查區(qū)內的土壤中的氡濃度變化較大，大部分區(qū)域低于《民用建筑工程室內污染控制規(guī)范》(GB 50325—2010)要求的限值20 000 Bq/m3。在局部偏高段主要因為炭質板巖吸附鈾及板巖本底鈾濃度偏高，由鈾衰變形成氡及其子體，和偏高段處在斷裂構造(西線方案在偏高端段有F7、F8蔑坡斷裂；東線方案有F9黑鵝湖斷裂、Fpy)發(fā)育區(qū)，致使氡及其子體沿斷裂上升。使得在局部偏高段明顯高于背景值，在隧道施工中有可能在隧道揭穿氡源體后，形成氡污染，在施工過程中應進行氡濃度的監(jiān)測并加強對炭質板巖、構造發(fā)育區(qū)的監(jiān)測，根據《民用建筑工程室內污染控制規(guī)范》(GB 50325-2010)及相關規(guī)范做好防氡措施，調查區(qū)總體因由氡形成的輻射環(huán)境屬于正常本底范圍。

2.1.4 環(huán)境空氣中氡濃度水平評述

調查區(qū)內的空氣中的氡濃度屬于正常區(qū)值，根據《民用建筑工程室內環(huán)境污染控制規(guī)范》(GB50325—2010)：“6.0.4 民用建筑工程室內污染物濃度限量 表6.0.4Ⅱ類民用建筑工程氡(Bq/m3) ≤400”，天然狀態(tài)下地表空氣氡濃度屬于正常范圍。

2.1.5 水中鈾、氡及總α、總β水平評述

根據水中分析測試結果，黃巖隧道西線水中氡濃度范圍0.15～1.59 Bq/L，最大1.59 Bq/L；水中鈾濃度范圍 (0.5～6.17)×10-4mg/L，最大6.17×10-4mg/L；水中總α濃度范圍(4.2～74)×10-3Bq/L，最大7.4×10-2Bq/L；水中總β濃度范圍(5.94～48)×10-3Bq/L，最大4.8×10-2Bq/L。

黃巖隧道東線水中氡濃度范圍0.26～2.1 Bq/L，最大2.1 Bq/L；水中鈾濃度范圍(4.23～14.2)×10-5mg/L，最大1.42×10-4mg/L；水中總α濃度范圍(4.89～21.3)×10-3Bq/L，最大2.13×10-2Bq/L；水中總β濃度范圍(7.21～26.3)×10-3Bq/L，最大2.63×10-2Bq/L；均小于上述規(guī)定限制，均未超標，符合生活用水標準。

2.1.6 伽馬測井結果水平評述

根據《鐵路工程不良地質勘查規(guī)程》(TB10027—2012)中放射工作場非限制區(qū)(年吸收劑量率<5 mSv)、監(jiān)督區(qū)(5 mSv≤年吸收劑量率≤15 mSv)、控制區(qū)(15 mSv<年吸收劑量率)的劃分。測井平面見圖2。

圖2 測井平面示意

Jz-Ⅲ13-LS1孔的高程在755.99～775.99 m，為炭質板巖，屬于放射工作場所監(jiān)督區(qū)；高程在705.99～755.99 m，為炭質板巖和板巖，屬于放射工作場所控制區(qū)；高程在705.99 m以下則為放射工作場所非限制區(qū)，無放射性危害，隧道洞身經過段的高程為309.99～319.99 m，為泥砂質板巖，該段屬于非限制區(qū)，無放射性危害。

Jz-Ⅲ13-LDS1孔的高程在644.92～749.92 m，為炭質板巖、高程在449.92～534.92 m，為含礫泥質板巖，屬于放射工作場所監(jiān)督區(qū)；高程在623.92～644.92 m，為炭質板巖，高程在534.92～623.92 m，為炭質板巖和板巖，屬于放射工作場所控制區(qū)；而高程在749.92～849.92 m和296.92～449.92 m則屬于放射工作場所非限制區(qū)，無放射性危害，隧道洞身經過段的高程為306.92～316.92 m，為含礫泥質板巖，該段屬于非限制區(qū)，無放射性危害。

Jz-Ⅲ13-LDS2孔的高程420.94～630.94 m，為炭質板巖；330.94～405.94 m，為含礫泥質板巖屬于放射工作場所監(jiān)督區(qū)；高程405.94～420.94 m，為板巖；屬于放射工作場所控制區(qū)；而高程630.94～830.94 m和285.94～330.94 m則屬于放射工作場所非限制區(qū)，無放射性危害，隧道洞身經過段的高程為295.94～305.94 m，為含礫泥質板巖，該段屬于非限制區(qū)，無放射性危害。

Jz-Ⅱ10-SK2孔的地球物理綜合測井成果資料，孔內最高γ照射量率為18.8γ，則年有效劑量當量He為1.01 mSv<5 mSv，根據《鐵路工程不良地質地質勘察規(guī)范》(TB10027—2012)規(guī)定為放射工作場所非限制區(qū)。放射性輻射對工作人員產生的最高有效劑量當量He(1年按2400h算)為0.28 mSv，無放射性危害[4]。

放射性異常區(qū)域主要是在寒武系牛蹄塘組地層的炭質板巖和板巖中，并且工業(yè)礦是在Jz-Ⅲ13-LDS1孔的板巖中。有少量的在震旦系上統留茶坡組地層中的泥質板巖中(如Jz-Ⅲ13-LDS1孔和Jz-Ⅲ13-LDS2孔)，但是其位置均是在靠近炭質板巖和板巖的地方。4個孔附近范圍內放射性場偏高的地層主要是寒武系牛蹄塘組地層的炭質板巖和板巖，有少量的放射性場異常在震旦系上統留茶坡組地層中的泥質板巖，其位置為寒武系牛蹄塘組和震旦系上統留茶坡組地層相接觸部分。

2.1.7 鉆孔巖芯取樣水平評述

根據《民用建筑工程室內污染控制規(guī)范》(GB 50325—2010)，民用建筑工程所使用的材料，材料內、外照射應符合以下要求：

內照射IRa≤1.0；外照射Ir≤1.3。

根據鉆孔巖芯測試結果，Jz-Ⅲ13-LS1鉆孔中在50.0 m處超過上述限值，Jz-Ⅲ13-LDS2鉆孔中265 m，318～437.5 m處超過上述限值，Jz-Ⅲ13-LDS2鉆孔中，99.0～320.0 m處超過上述限值，鉆孔其他深度巖芯測量結果均符合要求，隧道洞身在上述孔附近巖芯測量結果符合要求，超標處地層為寒武系牛蹄塘組(∈1n)和震旦紀江口群留茶坡組(Zl)，巖性以炭質板巖為主。在隧道施工中，洞身穿過寒武系牛蹄塘組(∈1n)和震旦紀江口群留茶坡組(Zl)炭質板巖區(qū)時，應加強監(jiān)測，必要時進行適當的防護工作，及相應工程屏蔽措施。

黃巖隧道鈾礦輻射研究主要結論如下。

(1)根據調查成果資料，調查區(qū)東、西線地表放射性輻射劑量總體處于正常背景和安全水平；地表γ射線輻射水平對人居環(huán)境總體沒有明顯影響；地表放射性核數平均含量238U、232Th、40K所致內外照射處于正常背景區(qū)，土壤中核數平均含量符合規(guī)范要求；地表土壤中氡濃度、空氣氡濃度，水中氡、鈾、總α、總β均未超標，符合相關規(guī)范、規(guī)定要求?？傮w來說，天然放射性輻射環(huán)境對公眾是安全的，黃巖隧道地表調查區(qū)段位非限制區(qū)。

(2)根據已有勘查成果資料，鉆孔伽馬綜合測井，巖芯取樣分析，放射性測量高值(鈾礦)主要賦存層位在寒武系牛蹄塘組(∈1n)炭質板巖，寒武系牛蹄塘組(∈1n)和震旦紀江口群留茶坡組(Zl)接觸段，東線方案洞身DIK23+570～DIK24+440段穿越上述地層，西線洞身未穿越上述地層；東線洞身在經過DIK23+570～DIK24+440段時，可能存在鈾礦化，西線方案洞身未穿過區(qū)域鈾成礦地層。

綜合上述鈾礦輻射資料，西線方案優(yōu)于東線方案。

2.2 巖溶及巖溶水

西線方案：根據EH-4物探及深孔鉆探顯示，白馬向斜區(qū)，灰?guī)r位于隧道上方約250 m，隧道處在震旦系地層中，巖溶及巖溶水對隧道影響不大，局部斷裂可能將上部巖溶水導入隧道內，施工時注意加強超前地質預報和防排水[5]。

東線方案：根據EH-4物探顯示，黃巖向斜區(qū)，根據EH-4物探及深孔鉆探顯示，灰?guī)r位于隧道上方約165 m，隧道處在震旦系地層中，巖溶及巖溶水對隧道影響不大，局部斷裂可能將上部巖溶水導入隧道內，施工時注意加強超前地質預報和防排水。

主要結論：巖溶及巖溶水對黃巖隧道西線方案、黃巖隧道東線方案的影響均不大，不控制方案。

2.3 斷裂構造

黃巖隧道通過由多條斷裂組成的“黃巖～溆浦斷裂帶”。

西線方案共通過15條斷裂，東線方案除同樣通過該15條斷裂外，在隧道出口段還發(fā)育有一北西向伴生斷層(羊坡斷裂)。該斷裂長約6.5 km，斷層寬度10～30 m，斷距100～500 m，斷層傾向線路，視角約54°，結構面特征為角礫巖化，石英脈剪切破碎帶，為正～右行平移斷層。

東線方案隧道出口約5 km和該斷層近距離并行，受該斷層影響，隧道出口段圍巖破碎。

主要結論：工程地質條件明顯劣于西線方案。

2.4 高地應力

根據隧道深孔地應力測試結果表明，測試區(qū)域內，最大水平主應力為5.2～16.8 MPa，最小水平主應力為3.7～12.4 MPa，鉛直應力σz為3.6～14.9 MPa。巖體應力量級為中～高應力水平，測孔應力場主要呈σH>σz>σh特征，地應力場以水平應力為主導。鉆孔的最大水平主應力方向在N63°W～N72°W，最大水平主應力方向與隧道軸線方向(約N40°W)的夾角約27°。隧道存在極高應力區(qū)和高應力區(qū)，硬質巖存在強巖爆可能。

分析認為，黃巖隧道震旦系地層多為砂質板巖，一般為較軟巖(部分硬巖)，極少為軟巖，大范圍產生“軟巖大變形”的可能性較小[6]。

主要結論：高地應力問題東、西線方案均存在，對東、西線影響程度大致相當。

2.5 頁巖氣(瓦斯)

通過現場測試、分析，以及調研正在修建中的滬昆高鐵雪峰山地區(qū)同類型地層，確定懷邵衡鐵路湘西雪峰山地區(qū)隧道部分存在頁巖氣(瓦斯)。

據《湖南省頁巖氣資源潛力評價成果報告》：下古生界的頁巖氣層系主要分布在湘西地區(qū)，而上古生界的頁巖氣層系則分布在湘中和湘東南地區(qū)，湘西地區(qū)頁巖氣的主要目的層系是寒武系的牛蹄塘組和志留系的龍馬溪組。

黃巖隧道東線方案DIK23+570～DIK24+440段洞身通過寒武系牛蹄組碳質板巖地層存在頁巖氣(瓦斯)危害。施工中需加強通風，以稀釋瓦斯?jié)舛?、減少瓦斯積聚，有效消除其對工程危害，防止重大災害發(fā)生。確保隧道施工和運營安全。

黃巖隧道西線方案洞身上部牛蹄塘組碳質板巖地段存在頁巖氣(瓦斯)，距隧道洞身200～500 m，洞身巖層基本無頁巖氣(瓦斯)的儲存條件，但頁巖氣(瓦斯)可能通過斷層破碎帶、節(jié)理密集帶等裂隙通道滲入隧道洞身。對本隧道碳質板巖地層地段可能滲入頁巖氣(瓦斯)的斷層帶等構造發(fā)育地段，加強超前地質預測預報、加強瓦斯檢測，有效預防工程風險；并對相應地段施工中加強通風，以稀釋瓦斯?jié)舛?、減少瓦斯積聚，有效消除其對工程危害，防止重大災害發(fā)生，確保隧道施工和運營安全。

分析認為，黃巖隧道東線方案洞身部分通過寒武系牛蹄組碳質板巖地層，存在頁巖氣(瓦斯)危害，西線方案優(yōu)于東線方案[7-8]。

2.6 圍巖分級

西線黃巖隧道長17 027 m，其中Ⅴ級圍巖區(qū)段共長807 m，占總長的5%；Ⅳ級圍巖區(qū)段長6 755 m，占總長的39%；Ⅲ級圍巖9 465 m，占總長的56%。

東線黃巖隧道長14 955 m，其中Ⅴ級圍巖總長2 151 m，占14%，Ⅳ級圍巖總長5 990 m，占40%，Ⅲ級圍巖總長6 845 m，占46%[9]。

分析以上數據，圍巖分級情況東線方案比西線方案略優(yōu)。

2.7 綜合地質條件分析結論

從穿越鈾礦化地層、頁巖氣地層的可能性，以及斷裂帶和圍巖分級等各地質條件上比較，黃巖隧道西線方案地質復雜程度小、施工條件好、運營風險低，西線方案優(yōu)于東線方案。

3 工程經濟技術比較

黃巖隧道西線方案中黃巖隧道全長17.03 km，研究了雙洞雙線方案和單洞雙線方案2個方案。其中雙洞雙線方案設5座斜井7.691 km，施工工期為35個月。雙線單洞方案設斜井4處，6.131 km，施工工期為36個月。

黃巖隧道東線方案中黃巖隧道全長14.96 km，隧道結構形式為單洞雙線。設斜井2處2.257 km，貫通平導1處14.835 km，施工工期為36個月[10]。具體見表1。

表1 黃巖隧道東、西線方案技術經濟比較

西線方案(雙線單洞)站前主要工程投資12.41億元，東線方案15.74億元(不含壓覆鈾礦補償、棄砟處理等費用)。東線方案在考慮壓覆鈾礦有關補償、棄砟處理等費用后，比西線方案(雙線單洞)投資增加較大。

4 方案比選結論

從地質復雜程度、施工條件、運營中可能存在輻射的風險等幾個方面分析，西線方案均優(yōu)于東線方案。另外，西線方案(雙線單洞)站前主要工程投資12.41億元，東線方案15.74億元(不含壓覆鈾礦補償、棄砟處理等費用)。東線方案在考慮壓覆鈾礦有關補償、棄砟處理等費用后，比西線方案(雙線單洞)投資增加較大。綜合比較，故采用西線方案。

黃巖隧道西線方案中還研究了雙洞雙線方案和單洞雙線方案2個方案。雙洞雙線方案主要優(yōu)點是在施工期間存在突水突泥風險時，左右洞可以互為救援通道，有助于降低突水(泥)造成人員傷亡風險；左右洞可組成巷道式通風，改善洞內作業(yè)環(huán)境。營運期間左右洞互為救援逃生通道，無需另設緊急出口和避難所，利于鐵路營運期間疏散救援。主要缺點是投資較大，雙線雙洞方案較單洞雙線投資增加3.8億元。

在施工中合理選擇工法，采取超前地質預報等措施防范突水突泥風險，加強隧道通風等措施，改善作業(yè)、運營環(huán)境，切實保障施工、運營安全，節(jié)省施工、運營修護成本，故采用單洞雙線方案。

5 結語

懷邵衡鐵路在懷化南客站與安江站段地質條件復雜，線路方案比選困難，通過采用地質條件分析及工程經濟技術比較等方法，研究了鈾礦輻射、巖溶及巖溶水、斷裂構造、高低應力、頁巖氣、圍巖分級、工程投資、工期等因素對方案的影響，通過綜合分析各種地質及工程經濟技術條件，客觀評價各種影響因素，最終確定了合理的線路方案，為類似地質條件下的工程選線提供了經驗和技術支持。在復雜地質條件地段，特別是放射性區(qū)域，需要從地質復雜程度、施工條件、運營中可能存在輻射的風險等幾個方面詳細分析，比較各個影響因素的權重，通過一系列的試驗檢測數據支撐，最后得出可信的研究結論。

[1] 鐘晶.新建鐵路懷邵衡線懷化至衡陽段初步設計·線路篇 [Z].武漢:中鐵第四勘察設計院集團有限公司，2013.

[2] 郝瀛.鐵路工程 [M].北京:中國鐵道出版社，2000.

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[8] 曾強運，洪平，姚洪錫.新建鐵路懷邵衡線懷化至衡陽段初步設計·路基篇[Z].武漢:中鐵第四勘察設計院集團有限公司，2013.

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[10]鄧劼.新建鐵路懷邵衡線懷化至衡陽段初步設計·總說明書 [Z].武漢: 中鐵第四勘察設計院集團有限公司，2013.

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Research on Route Selection in Complex Unfavorable Geology Areas of Huai-Shao-Heng Railway

ZHONG Jing

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063， China)

Route scheme selection of Huai-Shao-Heng Railway between HuaiHuaNan station and AnJiang station is complicated and difficult because of the complex and unfavorable geological conditions such as uranium， karst and faults. The article uses the geological condition analysis and engineering economic and technical comparison to address the influence on route selection in terms of uranium radiation， karst and karst water， faults， low stress， shale gas， surrounding rock classification， project investment， progress and other factors. The reasonable route scheme is ultimately determined through comprehensive analysis of geological and engineering economic and technological conditions.

Railway Route selection; Geological route selection; Engineering route selection; Scheme comparison

2015-03-14；

2015-04-30

鐘 晶(1982—)，男，工程師，2009年畢業(yè)于中南大學道路與鐵道工程專業(yè)，工學碩士，E-mail：113378628@qq.com。

1004-2954(2015)11-0035-05

U212.32

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.11.009