沪渝蓉高铁宜昌至涪陵段岩溶发育区地质选线研究|地质选线|岩溶发育区|恩施|暗河|沪渝蓉高铁|溶岩|隧道

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0 引言

沪渝蓉高铁建设是落实“一带一路”倡议、长江经济带进展、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。

宜昌至涪陵铁路是沪渝蓉高铁的重要组成部分，是国家中长期铁路网计划中“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，地势地质条件复杂，岩溶及岩溶水等不良地质极其发育，是操纵线路方案的主要工程地质问题。如何在该地区挑选合理的线路方案，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 项目自然特点

1.1 地势地貌

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、第三级地势阶梯。

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500~1800m，相对高差一般200~800m。

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，地势受地质构造操纵，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130~1700m，相对高差20~500m不等。

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步散开，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。

图 1 地质构造纲要

1.3 主要工程地质问题

复杂地势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，对线路方案挑选，最主要的操纵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230.8km，占线路总长50.9%。湖北境内可溶岩占比达69.58%，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，挑选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。

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。

(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。

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峻。

(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。

图 3 “先饶避”示意

图 4 “傍河边”示意

图 5 “靠既隧、抬高程”示意

(2)合理挑选辅助坑道，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，合理操纵工期和投资。

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，地势起伏、地质复杂，不良地质众多，环境敏感区分布广。结合区域路网、地势地质条件、经济据点分布、长江桥位及环境敏感区，计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302.4km。

(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251.3km。

(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228.8km。

(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290.5km。

(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。

根据运量猜测，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、63.7km，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22.5km，跨长江处水面宽达670m，跨江条件差，长江桥工程规模偏大；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300m，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，符合沪渝蓉高铁功能定位。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举采纳经石柱方案。

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206~255m。

结合线路走向、地势地质条件、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。

图 7 新方斗山隧道越岭段地质选线方案示意

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-7.04km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56.395km。

(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-6.4km隧道穿方斗山后至方案比较终点丰都站。线路全长60.800km。

(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4.405km，投资省8.07亿元。

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。

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，故推举采纳沿高速公路方案。

4 结语

岩溶发育区具有随机性、隐藏性、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，幸免或减轻岩溶不良地质危害影响，挑选出安全可靠、经济合理的线路方案。通过宜昌至涪陵铁路计划选线实践，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)线路宜挑选在非岩溶化地区或岩溶发育微弱、范畴最窄、层数最少、顶板稳固、受岩溶水影响小的地带通过。

(3)河谷地区线路宜挑选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。