郑万铁路巴东至香炉坪隧道群岩溶地质选线方案研究

刘 科， 郦亚军， 王青川， 刘雄伟， 尚寒春

(1. 中铁二院成都勘察设计研究院有限责任公司， 四川 成都 610031;2. 中铁二院工程集团有限责任公司， 四川 成都 610031)

0 引言

不良地质问题一直是控制高速铁路隧道选线的关键因素，尤其是在岩溶发育地区，选线直接关系到整个工程的成败。既有铁路工程案例表明，线路穿越富水岩溶区极易造成涌水突泥等重大安全事故，并造成重大经济损失，因此，选线时必须谨慎处理。有学者从理论及实践等方面对岩溶地区地质选线及工程设计进行了研究： 杨昌宇[1]提出岩溶地区隧道工程选线应尽量避开岩溶水径流带及深部缓流带的建议；王子江等[2]提出复杂岩溶区高速铁路减灾选线基本定义、致灾因子及灾害风险类型、指导方针与原则、定量综合比选方法与风险评估、理论实践工作思路；毕强等[3]、徐正宣等[4]基于渝利铁路所穿越的齐耀山区复杂岩溶地质环境进行南北线方案比选研究，并针对方斗山隧道进行水文地质条件及危险性研究；李金城[5]、毕焕军[6]对黔张常铁路岩溶及岩溶水分布特征与发育规律进行了研究，确定了水文地质线路选线原则，并分析了沿线武陵山越岭隧道群南、中、北三线方案，最终比选出最佳线路方案；叶红平等[7]、汪锋华等[8]、罗林等[9]、桂金祥等[10]、张羽军等[11]、高崇华等[12]分析了成贵铁路岩溶特征，确定了选线原则，并针对地下水水平循环带及大型暗河体系采用绕避、跨越、绕跨结合的方案进行了比选研究；王杜江[13]依托藏东南怒江峡谷区某隧道工程，提出高原环境隧道选线及工程设置建议；陈雷等[14]研究了成达万高铁假角山背斜岩溶富水地段地质特征，并确定了该段线路的走向。

已发布的Q/CR 9251—2020《铁路岩溶隧道勘察设计规范》[15]提出了“遵循先绕避、短通过、抬高程、傍河流、靠既隧、顺坡排、浅覆盖、防崩塌”的总体选线原则，但针对千变万化的复杂岩溶地质环境，同时又受制于其他非地质控制因素，上述原则往往不具备实施条件。因此，本文根据大巴山东南余脉岩溶不良地质状况，详细阐述郑万铁路湖北段巴东至香炉坪隧道群勘察设计线路走向比选过程，最终在三峡库区影响范围内的长江北岸岩溶强烈发育地区选出了施工风险较低、工程投资较少的线路方案，施工开挖揭示表明选线是成功的，可为山区铁路工程选线工作提供参考。

1 工程概况

郑万铁路位于豫、鄂、渝3省境内，全长818 km，设计行车速度为350 km/h，是国家“八纵八横”高铁网中沿江通道、呼南通道的重要组成部分，与成达万高铁、渝万高铁等相连，形成连接西南川渝地区与华北、华东、华中地区的主要客运高速通道。

巴东至香炉坪隧道群(D1K585+082～D8K613+550)位于郑万铁路湖北段兴山站与巴东站区间，地质条件复杂，山高谷深，沟壑纵横，不良地质极为发育，溶洞暗河等岩溶形态强烈发育，选线工作难度极大。

1.1 地形地貌

巴东至香炉坪隧道群位于湖北省宜昌市兴山县高桥乡与恩施州巴东县溪丘湾乡交界境内，属神农架南部、秭归盆地北部结合带的构造剥蚀侵蚀中低山地貌区，地势起伏较大，地形最高标高约1 306 m，最低点为隧道出口冲沟底(标高约240 m)，相对最大高差约1 066 m，自然坡度20°～60°，局部较陡。隧址区坡面覆土层较薄，局部较厚，基岩部分裸露，灌木、乔木植被茂密较发育，耕地和居民点主要分布在隧道出口。

1.2 地层岩性

沿线上覆第四系全新统以坡崩积层(Q4dl+col)碎石土、滑坡堆积层(Q4del)碎石土和坡残积(Q4dl+el)粉质黏土为主。下覆基岩主要为侏罗系至三叠系地层(J-T)。其中，三叠系中统巴东组三段(T2b3)泥质灰岩、巴东组一段(T2b1)泥质灰岩夹盐溶角砾岩、下统嘉陵江组(T1j)灰岩夹盐溶角砾岩、大冶组(T1d)灰岩为可溶岩地层。其余侏罗系中统下沙溪庙组(J2xs)砂岩、泥岩互层夹页岩，中下统聂家山组(J1-2n)粉砂岩夹泥岩，下统珍珠冲组(J1z)粉砂岩夹泥岩夹页岩、页岩夹薄煤层；三叠系上统须家河组(T3xj)砂岩夹页岩、炭质页岩夹煤，中统巴东组四段(T2b4)泥岩夹砂岩、泥灰岩，中统巴东组二段(T2b2)泥岩夹砂岩、局部夹含铜砂岩等为非可溶岩地层。

1.3 地质构造与地震动参数

隧道群位于上扬子陆块褶皱带内，扬子准地台一级构造单元北缘，且位于神农架穹窿构造和秭归向斜的结合部位，线路通过区域构造较发育，经过姜家坡正断层、龚家桥区域大断层，强烈的构造运动使隧道群区段选线工作难度极大。区域构造纲要图如图1所示。

图1 区域构造纲要图

根据GB 18306—2001《中国地震动参数区划图》及《新建郑州至万州铁路工程场地地震安全性评价报告》可知，沿线地震动峰值加速度为0.05g(Ⅵ度地震区)，地震动反应谱特征周期为0.35 s。

1.4 水文地质特征

1.4.1 地表水

隧道群范围内地表水系为长江水系，隧道群东部属香溪河水系，中部为横穿秭归向斜的凉台河水系，西部为神农溪水系。区域水系图见图2。

图2 区域水系图

1.4.2 地下水

巴东至香炉坪隧道群区域内地下水主要为松散岩类孔隙水、基岩裂隙水和岩溶水。其中，岩溶水主要赋存于三叠系大冶组(T1d)灰岩夹泥灰岩石、嘉陵江组(T1j)中厚层灰岩夹生物角砾灰岩、巴东组一、三段(T2b1、T2b3)中厚层泥灰岩。地下水埋深总体受地形、地层岩性、构造及岩溶发育程度影响，不存在统一的地下水埋深。大冶组(T1d)，嘉陵江组一、二段(T1j1、T1j2)岩溶发育强烈，地下水埋藏深度超过100 m，地表泉点流量小于1 L/s；而在沟谷深切处，地下水常形成集中排泄点，溶洞、暗河发育，暗河流量在500～2 000 L/s，地下水径流模数大于20 L/(s·km2)。

1.5 主要不良地质问题

隧道群沿线分布着岩溶、滑坡、岩堆、有害气体、顺层偏压等不良地质以及石膏、膨胀土等特殊岩土，尤以岩溶、滑坡、岩堆为甚。区域内碳酸盐类岩石广泛分布，三叠系中统巴东组一段(T2b1)、巴东组三段(T2b3)、巴东组四段(T2b4)，三叠系下统嘉陵江组(T1j)、大冶组(T1d)为可溶岩地层，主要分布于秭归向斜北翼、青龙寺断层、龚家桥断层和大坪断层附近。地层岩溶发育程度由强到弱依次为T1j—T1d—T2b1—T2b3—T2b4。可溶岩平面分布、岩溶发育程度及水文地质图见图3。

图3 可溶岩平面分布、岩溶发育程度及水文地质图

隧道群沿线地形陡峻，地质构造较复杂，发育堆积层滑坡和破碎岩体滑坡，同时分布较广泛的易滑地层巴东组二、四段(T2b2、T2b4)，滑坡规模较大，且在沟内两侧多以滑坡群形式分布。危岩落石主要分布在香炉坪隧道出口，为孤立式、切块式危岩体，总方量不大，失稳模式为顺坡滑移、拉裂式，会对隧道洞口产生影响。香炉坪隧道进口端及巴东隧道中部均经过侏罗系下统珍珠冲组(J1z)和三叠系上统须家河组(T3xj)含煤地层，属低瓦斯隧道段。隧道走行于秭归向斜北西翼，岩层走向与线路夹角呈2°～30°，倾向线路左侧，隧道洞身右侧顺层偏压，洞口右侧边坡顺层。

综上所述，岩溶不良地质是控制线路具体走向的主要因素，所以，勘察设计阶段进行了多方案比选。

2 初步设计阶段线路方案

2.1 线路方案构成

初步设计选线时考虑到该段复杂地形、地质条件，为绕避大型滑坡或堆积体，降低岩溶发育地段的涌水突泥风险，确保隧道运营安全，针对巴东至香炉坪隧道群研究了6种线路方案，如表1和图4所示。

表1 香炉坪隧道前后线路方案

2.2 线路比选

对上述6种方案的建筑长度、隧道数量、隧道长度、桥梁数量、桥梁长度、隧线比、桥隧比、主要不良地质、静态估算总投资、主要风险、主要优缺点等进行对比分析，见表2。由表2可知： D3K线路方案工程投资较高，从经济角度不推荐该方案；而D6K线路方案尽管隧道长度较长，但穿越可溶岩地层仅1.8 km，且岩溶弱—中等发育，可避免大型岩溶涌水突泥风险，同时绕避了大规模滑坡、岩堆、危岩落石等不良地质，仅在香炉坪隧道出口有高差在50 m内、规模相对较小的危岩落石，相对较易处理。综合考虑各种因素后，本阶段推荐采用D6K香炉坪南侧隧道线路方案。

3 施工图阶段线路优化

随着巴东隧道施工图阶段勘察精度的逐步提升，原初步设计D6K线位上逐步增加的深孔钻探显示，于线路D1K609+927附近揭示出大型地下暗河系统，该暗河位于隧道之上，与原初步设计推测地层存在较大差异。为避免施工期间发生大规模的突泥突水事故，决定对该段线路进行改移。

3.1 改移原因分析

3.1.1 地层岩性差异

从隧道地质调查及区测资料分析，除部分为巴东组三段(T2b3)盖层外，其余出露地层均为非可溶岩层，属于埋藏型岩溶，可溶岩发育范围主要根据上覆非可溶岩厚度推测。由于上覆非可溶岩厚度与前期推测有较大出入，从而引起可溶岩分布范围变化，主要原因是地层厚度变化与断层抬升。

3.1.1.1 地层厚度变化

深孔钻探揭示巴东隧道范围内地层厚度变化较大： 区测资料显示巴东组二段(T2b2)地层厚410 m，深孔钻探揭示地层厚200～277 m，厚度变薄且不稳定；区测资料显示巴东组四段(T2b4)地层厚254 m，深孔钻探揭示地层厚300～390 m，厚度增大且有变化。由于巴东组二段(T2b2)地层变薄，使下伏可溶性基岩相对位置抬升至隧道洞身段，导致初步设计鉴修阶段推测地层与实际存在较大差异。

3.1.1.2 龚家桥断层抬升地层

位于洞身范围内的龚家桥断层为正断层，其下盘地层为主动盘，通过逆冲使老地层(T2b2)抬升并被长期剥蚀，与未进行深孔钻探前龚家桥断层下盘地层抬升高度推测有较大误差。

原初步设计阶段推测全隧为非可溶岩，经深孔钻探揭示可溶岩段总长4 820 m，岩溶分布段落为： 隧道中部D1K605+830～D1K607+500(长1 670 m)段位于巴东组三段(T2b3)泥质灰岩地层，岩溶弱发育；D1K609+170～D1K611+340(长2 170 m)段位于嘉陵江组(T1j3+4)灰岩地层，岩溶强烈发育；D1K611+340～D1K612+320(长980 m)段位于巴东组一段(T2b1)，岩溶中等发育。

3.1.2 暗河

巴东隧道D6K线路方案DZ-BDSD-09(位于D1K609+927左17 m处)深孔钻探结果显示： 孔深208.5～245 m处(标高454.51～491.01 m，高36.5 m)为空洞，钻探掉钻；孔深245～290 m处(标高409.51～454.51 m，高45 m)为充填溶洞，充填灰黄、浅灰色碎石土、黏性土，较为密实。该深孔钻探揭示空洞后能听见水声并伴有冷风冒出，下套管进入充填物后水声及冷风消失，由此可判定空洞内水位标高在底部454.51 m处，据此可推测底部为暗河。同时，为了进一步推测验证钻孔揭示的地下暗河，对深孔钻探附近地表的峡水沟南岸岩溶泉点及暗河出露情况进行补充水文地质调查，结果如表3和图5—7所示。

表3 峡水沟南岸岩溶泉点及暗河特征

图5 SH-BD-01暗河出口

图6 SH-BD-02岩溶泉点

图7 SH-BD-03岩溶泉点

结合补充水文地质调查，绘制钻孔揭示暗河与泉点位置关系图，如图8所示。DZ-BDSD-09钻孔所揭示的暗河发育方向沿走向受岩层产状和郑家沟断层控制，可判定暗河在SH-BD-01出水口处出露，原因有：

1)SH-BD-02岩溶泉点与DZ-BDSD-09钻探揭示的暗河水位标高差为224 m，水平距离为3 300 m，计算水力坡度为6.8%，水力坡度远小于岩层倾角，若SH-BD-02岩溶泉点为暗河出口，则暗河无法沿倾向发育，需切割多层嘉陵江组地层；而SH-BD-02岩溶泉点流量较小，水力坡度较小，其动力无法切割地层。

2)SH-BD-01暗河出口与DZ-BDSD-09钻探揭示的暗河水位标高差为292 m，水平距离为6 485 m，计算水力坡度为4.5%，与暗河水力坡度值3%～7%基本一致，且暗河出口流量大，较符合DZ-BDSD-09钻孔揭示情况。

3)本区域暗河绝大部分沿走向发育，如鱼腥洞、燕子洞、喷水洞、小龙洞等，且切割地层沟槽峡谷出露的泉点暗河远多于顺地层走向的沟槽，说明本区域地下水流方向与走向一致。

图8 DZ-BDSD-09深孔钻探揭示暗河与泉点位置关系图

综上所述，原初步设计阶段线路方案巴东隧道段穿越嘉陵江组灰岩地层，岩溶强烈发育，钻孔揭示隧道之上发育有巨型含水地下暗河系统，且隧道较长段落位于溶洞充填物内，若按该线路方案施工，将存在极高安全风险，突泥突水的可能性极大，工程处理难度极大，极可能造成巨大的生命财产损失。因此，必须对此大型不良地质体进行改移绕避。

3.2 改移线路方案构成

本段改移线路两端走向已固定，两端标高分别确定为686.2 m和259.6 m。一方面，本段线路纵坡已经按照极限坡度30‰进行设计；另一方面，巴东隧道出口距巴东车站仅1.5 km，且巴东隧道进口与香炉坪隧道出口受隧道群长度控制必须在两隧道洞口间的沟谷露头等因素影响，导致改移线路在竖向空间位置上无法调整，仅能从平面方向上进行移动控制。因此，本次改移仅对巴东隧道D1K600+308～DK616+100段线路方案进行深化研究，补充了5种方案与原D6K线路方案的比较，如表4和图9所示。

表4 巴东隧道改移线路对比方案

图9 巴东隧道改移线路对比方案图

3.3 改移方案比选分析

图10示出了巴东隧道深孔DZ-BDSD-09附近典型地质控制横断面示意图(含各比选方案)。结合图10可知，线路往北向，隧道洞身地层岩性依次为强烈发育的嘉陵江组可溶岩地层—弱至中等发育巴东组一段可溶岩地层—非可溶岩地层。由于南侧D10K、D11K线路方案穿越段落较长且强烈发育的嘉陵江组可溶岩地层，位于龚家桥断层强烈影响范围，施工风险极高，因此不推荐采用D10K、D11K线路方案。

图10 巴东隧道比选方案地质控制横断面示意图

D7K线路方案桥址不良地质分布如图11所示。可以看出，D7K线路方案在跨越红沙沟时两岸及上游均发育多处规模巨大的滑坡、岩堆不良地质。桥梁通过深厚岩堆时防护工程巨大，且桥墩变形难以控制；同时，由于红沙沟上游发育多处堆积体及滑坡，次生灾害对铁路运营影响极大。综上，受大型不良地质体影响的线路方案，其可实施性及施工和运营的安全性均不高，因此，不推荐采用D7K线路方案。

D9K线路方案桥址不良地质分布如图12所示。可以看出，D9K线路方案在跨越严家河时，严家河桥址右岸约500 m范围内缓坡发育巨型滑坡及多处中小型滑坡堆积体，同时下穿多处深厚岩堆体，岩堆体厚度达10～40 m，滑坡及岩堆体对桥梁及隧道工程影响极大。因此，不推荐采用D9K线路方案。

图11 D7K线路方案桥址不良地质分布

根据前文所述，D10K、D11K、D7K、D9K线路方案均不推荐采用，故仅对D6K、D8K线路方案从沿线地质条件、辅助坑道模式、施工风险及工程投资等方面作详细比较。

图12 D9K线路方案桥址不良地质分布

3.3.1 D6K、D8K线路方案地质条件对比

结合施工图设计阶段对原D6K线路方案的详细勘察资料，将初步设计阶段与施工图补勘阶段的巴东隧道D6K线路方案和施工图改移的D8K线路方案就沿线岩溶发育程度、面临的主要工程地质问题以及围岩级别等方面进行对比分析，如表5所示。由表5可知： D8K线路方案岩溶发育程度为微弱发育，且长度仅为590 m，相比D6K线路方案减少了4 230 m；岩溶强烈发育的可溶岩段落减少2 170 m，减幅超过50%，但Ⅳ级和Ⅴ级围岩段落长度增加超过2 km。

表5 D6K、D8K线路方案地质条件对比

3.3.2 D6K、D8K线路方案辅助坑道对比

辅助坑道布置的设计应同时满足施工工期、施工排水、运营排水及施工通风等因素，同时，还应考虑岩溶不良地质处理，且兼顾防灾救援设置。D6K、D8K线路方案辅助坑道设置对比见表6。由表6可知，D6K线路方案初步设计和施工图补勘分别采取了“4平导+1横洞”和“3平导+2横洞”的模式，D8K线路方案施工图改移采取了“2平导+3横洞”的模式，均能满足全线工程的土建工期要求。然而，D8K线路方案辅助坑道总长减少近6 km，在辅助坑道工程尽可能少的情况下依然能保证隧道施工工期在预定工期范围内，且投资大幅减少，说明改移的D8K线路方案明显更优。

表6 D6K、D8K线路方案辅助坑道设置对比

3.3.3 D6K、D8K线路方案施工风险对比

根据隧道穿越地质情况，并结合辅助坑道设置，对D6K、D8K线路方案全隧塌方、突水突泥风险进行全面分析和比较，如表7所示。

表7 D6K、D8K线路方案施工风险对比

由表7可知： D6K、D8K线路方案隧道软弱围岩施工塌方风险均接近30%，差异甚微；但D6K线路方案施工图补勘受暗河影响，突水突泥风险高达18%，且极高风险段落占比大，说明改移的D8K线路方案明显更优。

3.3.4 D6K、D8K线路方案工程投资对比

对比D6K线路方案初步设计及施工图补勘与D8K线路方案施工图改移的整体工程投资： D8K线路方案较D6K线路方案缩短174 m，但桥隧方案调整使得工程投资略增加630.44万元；由于线路改移引起隧道正洞减少315 m，且洞身围岩级别优化设计，共减少投资约1 017万元；进一步优化减少辅助坑道长度,减少投资约3 404万元。因此，从节约工程投资的角度而言，改移后的D8K线路方案明显更优。

3.4 改移方案比选结论

综合地质条件、辅助坑道、施工风险及工程投资等方面，施工图阶段改移后的巴东隧道D8K线路方案(即巴东隧道线路取直方案)通过可溶岩段落按顺坡组织施工工期短，绕避了大型不良地质，遇大型岩溶的概率低，工程地质条件较好，施工风险相对较低，且可控。因此，巴东隧道施工图阶段线路取直采用D8K线路方案。

4 施工揭示情况

巴东隧道自2016年底开工，全隧由进口、1#横洞、2#横洞及3#横洞4个工区组织施工。隧道进口、1#横洞工区主要揭示(粉)砂岩(夹泥岩)，岩质较硬，岩层单斜，中厚层状，围岩稳性定较好，地下水弱发育，采用机械化大断面法施工；2#横洞和3#横洞工区主要揭示泥岩、砂质泥岩、泥灰岩，紫红色泥质结构，岩质软，易软化、崩解，受地质构造作用影响，围岩整体较破碎，部分段落地下水较发育，主要采用传统的台阶法施工。巴东隧道揭示地层情况见图13。

(a) 1#横洞工区掌子面

(b) 3#横洞工区掌子面

香炉坪隧道自2016年底开工，全隧由进口、1#斜井、2#斜井及出口4个工区组织施工。全隧主要揭示砂岩、粉砂岩，部分夹泥质砂岩互层，中厚层至厚层状，钙、泥质胶结，岩层层理单斜，地下水极少出露；仅在进口端少量揭示薄—中厚层状灰黑色炭质页岩夹煤层，岩质极软，遇水软化崩解；全隧围岩整体性较好，采用全断面法施工。香炉坪隧道揭示地层情况见图14。

(a) 进口工区掌子面

(b) 1#斜井工区掌子面

上述各工区施工情况表明，经过施工图阶段线路改移后的D8K方案开挖揭示地层与设计推测较符合，巴东隧道仅在极少段落揭示岩溶微弱发育的泥灰岩，但均未揭示岩溶不良现象。由此，证明巴东至香炉坪隧道群D8K线路方案成功绕避了巨型含水地下溶洞暗河，避免了突泥突水事故。

5 结论与建议

5.1 结论

通过对郑万铁路巴东至香炉坪隧道群设计阶段进行大量线路方案比选研究，结合施工揭示情况，得出以下结论。

1)龚家桥断层附近深孔及周边泉点、地下河出口水文地质调查结果表明，巴东隧道原线路方案会穿越大型富水溶洞暗河，是线路改移的主要原因。综合比较工程地质、施工风险及工程投资等因素，巴东隧道D8K线路方案相对最优。

2)通过施工揭示，全隧主要穿越砂岩、砂质泥岩、泥岩等非可溶岩地层，成功避开了溶洞暗河发育区，规避了涌水突泥施工风险，表明巴东至香炉坪隧道群基于岩溶不良地质的选线技术是成功的。

3)重视地勘工作，并提升勘察精度，加强岩溶地表水环境、地下水环境与暗河体系的系统性水文地质调查分析，加强长距离深孔钻探对地层的揭示验证，是岩溶山区铁路选线须遵循的重要原则。岩溶地质选线应尽可能绕避岩溶极强发育区，尤其针对大型岩溶不良地质体，应尽可能抬升线路标高，从源头上规避施工及运营风险。

5.2 建议

隧道选线时不能仅考虑岩溶不良地质，其他超长段落含水砂质泥岩等软弱围岩地层尽管无突泥突水施工风险，但塌方风险较高，且对工程投资及工期影响较大，建议长大隧道选线时应综合权衡各种不良地质对隧道施工及运营的影响。