王军伟
(陕西铁道工程勘察有限公司,陕西宝鸡 721001)
黔张常铁路位于渝东南、鄂西南和湘西北三省交界地带。线路西起重庆市黔江区,东至湖南省常德市,途经湖北省咸丰县、来凤县、湖南省龙山县、永顺县、桑植县、张家界市、桃源县等七县市,线路全长约334.3 km(见图1)。铁路走行沿线大部处于武陵山脉的中山、低山区,通过阿蓬江、酉水、洗车河、猛洞河、澧水、沅江六大水系。区内褶皱、断层发育,部分地层矿产富集,碳酸盐岩广布,岩溶强烈发育,地势陡峻,河谷深切。复杂的地形地貌、地质构造、工程地质和水文地质条件,造就了该区不良地质问题类型多、分布广、规模大的特点,如岩溶、滑坡、采空、崩塌、危岩落石等不良地质现象极为发育,尤以岩溶、岩溶水问题及滑坡最为突出。如果线路方案选择不当,后期施工及运营中遭受突水突泥、边坡失稳、路基塌陷等灾害的风险极高。
图1 黔张常铁路地理位置
对于地形及工程地质条件均如此复杂艰险的山区铁路,在已往的勘察经验和工作方法的指导下,按照常规的勘察阶段、勘察方法很难将该条铁路沿线经过的极其复杂的地质问题逐一查清。针对这一情况,在黔张常铁路的初测及定测实践工作中,在前期搜集、分析区域地质资料及距线路较近矿区资料的前提下,通过航片对多种地质现象进行遥感判释解译,再加上室内对地形图的研读,重点通过开展现场调查访问、核实,结合后期工程地质钻探、地球物理勘探等多种手段相结合的工作方法,进行综合分析、判断、研究,为线路等其他专业提供一个地质条件相对较好的选线走廊带,从而优化方案,减小工程风险,节省投资。
黔张常铁路为连接渝东南、鄂西南和湘西北三省地区的首条铁路,勘察及施工经验都相当匮乏。接到开展黔张常铁路勘察工作任务的通知进驻工地后,首先跟当地政府联系,向有关部门收集区域地质、矿产、地质灾害等与铁路相关的各种资料,重点对区域矿产地质、工程地质、水文地质、环境地质资料,沿线地市地灾规划和评估、矿产规划等方面的资料进行了分析研究,把可能影响线路方案的滑坡、采空区边界、矿区、自然保护区界线,以及断层、褶皱等初步反应在图上,以便下阶段开展具体的调查研究工作。
湖南省张家界市桑植县境内的桑瑞铁矿位于线路附近,初步判定其可能会对线路方案产生影响。将桑瑞铁矿的矿区范围界线标注在平面图上,得出CK157+180~CK158+200段为压矿段落(见图2);图3为将收集到的桑瑞铁矿具体采空区及开挖巷道范围反映在纵断面上,确定其采空高程与线路关系,得出采空区最低高程距线路洞顶有80 m的厚度。该厚度可满足线路设计需要,但要求桑瑞铁矿不得再向下挖掘,从而指导稳定了线路方案。
图2 桑瑞铁矿采空区平面位置与线路关系
图3 桑瑞铁矿采空高程与线路关系
黔张常铁路岩溶段落占总长的60%左右,溶蚀洼地、岩溶漏斗、落水洞、暗河等岩溶现象极其发育,往往对线路选线具有控制作用,而卫片及航片从宏观上对大多数岩溶现象解译的较为清晰、可靠,因此遥感判释工作显得格外重要。该条线路采用了多种方法相结合的遥感图像判释解译工作:
①选用美国陆地卫星Landsat 5 TM数据、法国的SPOT 5 2.5 m彩色融合数据和大比例尺航片等3个片种,进行工作区宏观及微观地貌、地质构造分析,区内断层、岩性判释,特别是可溶岩带动判释,不良地质(漏斗、暗河出入口、岩溶湖、竖井、落水洞、岩堆、滑坡)的判释,为地质调查和综合地质选线服务。图4为卫片判释出的CK90~CK100段的茨岩塘大型溶蚀洼地;图5 为CK30附近一大型暗河进出口的SPOT影像。
图4 茨岩塘溶蚀洼地(卫片)
图5 SPOT影像暗河进出口
②采用以遥感为基础的3S一体化技术方法,即利用遥感技术,结合地理信息系统技术和全球定位技术等高科技手段,采用地学相关分析的综合系列方法,进行地质判释和室内核对工作。图6为CK140~CK150段桑植县利福塔镇附近串珠状漏斗的航片影像。
图6 串珠状岩溶漏斗(航片)
③充分发挥地理信息平台的优势,收集既有地质、水文资料、矿区资料、不同尺度的航卫片判释成果,相互套合、叠加,互相验证。
黔张常铁路专门成立了对卫片、航片等遥感资料的解译判释小组,并组织地质人员对解译原理进行学习,同时在野外地质调查过程中对解译成果进行验证和反馈。在工作中逐渐形成了室内解译对野外调查工作进行指导,野外调查对解译成果进行验证、反馈的工作方法,突出了工作重点,明确了目的性,大大提高了工作效率,很好地指导了现场地质调查和综合地质选线工作。
前期资料收集、分析工作及遥感判释解译工作基本完成,其成果反映在地形图上之后,开始对地形图进行分析。首先明确线路总体走向,对反映出来的断层、滑坡、矿区界线、采空区范围、岩溶现象等在线路附近对方案影响较大的因素进行分析判断,初步确定出地质条件相对较好的走廊带,以该走廊带为今后调查工作的重点。其次,外业工作出工前,应将所要调查区域的地形图详细研究,对搜集、判释出来的资料及等高线反映出来的地形、地貌异常点进行重点调查核实:如反映滑坡的圈椅状地貌,反映溶蚀漏斗、落水洞的负地形,反映构造断裂的断层崖等。
图7所示为线路经过奥陶系下统南津关、分乡组、红花园组灰岩夹页岩地层中发育的落水洞在地形图上的表示形态:由于线路经过区域大部分山体坡度较陡,植被覆盖良好,仅仅依靠地质工作者大面积的野外调查,很难将整个地层中发育的岩溶形态全部调查清楚。借助对遥感资料的解译、判释,同时加上对地形图的研读,很容易辨别岩溶漏斗、落水洞等岩溶形态,将其预先标注在调查图上,第二天的野外调查过程中只需有重点的对其进行验证、调查,即可得到线路附近区域岩溶的发育程度、岩溶形态、规模及分布的详细资料,从一定程度上降低了工作难度,提高了工作效率。
图7 落水洞在地形图中的形态
资料的搜集、分析和遥感图像的判释解译及地形图的研读所确定出来的地质走廊带,最终都要通过外业调绘工作对其进行核实、细化,最终确定线路方案。沿线区域多植被覆盖,暗河出入口、泉水点、落水洞、溶洞等较为隐蔽,调查人员仅依靠以前的那种调查方法很难在短时间内将所要调查的东西调查清楚。访问当地居民不但可以很快的找到这些岩溶现象出露点,并且通过老乡描述还可以对其规模,季节变化性及发育方向、规律等有所掌握,接下来只需要经过核实确认,调查资料就完成了。另外,滥挖滥采矿藏形成的坑洞口及采空区、滑坡的初步调查等,通过访问当地居民的方法也能收到事半功倍的效果。
调查访问再加上地质人员的测量、核实、分析工作,得到准确、详尽的外业资料,为线路等其他专业调整线路、确定方案提供初步的地质依据。
通过以上工作步骤及方法得到的大部分是地表和分析判断形成的理论资料,对路基、桥梁基础及隧道洞身地质条件得出的结论只是推断,尤其是对于隧道工点,不能成为地质选线、稳定方案的强有力证据。只有同时通过物探、钻探等勘探手段,得到进一步的更详细、更确凿的资料,加上地质综合分析、判断形成的资料,才能最终达到地质选线、稳定方案的目的。
图8即为外业调查结合物探资料反映的CK140+362~CK145+965卧云界隧道地质纵断面示意。
图8 卧云界隧道工程地质纵断面示意
①在搜集、分析区域资料的前提下,确定卧云界隧道隧址区内的地质构造和地层岩性,现场对其核实、验证,并反映在纵断面上。
②通过遥感图像的解译及对地形图的研读成果,有的放矢的调查隧址区内岩溶的发育情况,得出落水洞、暗河等的具体出露位置及与线路的关系。
③在调查隧址区构造、地层岩性、岩溶发育情况的同时,访问当地居民,搜集矿藏、地灾资料,充分利用既有成果和当地居民对暗河等的熟知程度,同时加以分析,得到详细、准确的调查资料,得到一个地质条件相对较好的地质走廊带。
④通过物探、钻探等勘探手段,对野外调查成果进行验证,最终稳定方案,为隧道设计与施工提供可靠、准确的地质资料。
最终通过图8所示的地质纵断面将调查、勘探成果反应出来,为隧道及线路专业提供详尽、科学的地质资料。
在以上工作方法的指导下,通过参与黔张常铁路初测及定测阶段的地质勘查工作,得出以下结论:
①黔张常铁路沿线地质构造控制着地层岩性及岩溶的发育,线路应以大角度通过构造线及断裂带。
②线路宜尽量短距离通过可溶岩区,尤其是岩溶强烈发育区,设法绕避处于强烈发育阶段、具网状洞穴、巨大空洞及暗河发育的岩溶地段。特别应避免线路顺可溶岩与非可溶岩接触带、有利于岩溶发育的褶皱轴和断裂带及其交汇处展布。这些地段一般岩溶与岩溶水十分发育,隧道涌水、突泥的可能性极大,危害性极强,线路应绕避或选择最窄处大角度通过。岩溶区线路高程应尽可能抬高,高程宜控制在垂直渗流带中,减少在水平径流带及以下隧道长度。
③岩溶区宜多做路基、桥梁,少做隧道,尤应避免长隧道。有条件应尽量减少隧道长度,特别是特长隧道;遇有垭口时,宜避开垭口中心,选在地质条件较好的一侧通过;临河傍山隧道线路尽量靠外侧。
④线路应尽量绕避暗河,如无法绕避,应尽量以桥梁工程通过;若以隧道工程通过时,线路应行走于暗河上部一定高度,隧道纵断面宜采用“人”字坡,以利于隧道施工、运营中排水。
⑤非岩溶区砂、泥岩地层因受构造影响小褶皱发育,又由于岩石质软易于风化破碎,加上南方湿热多雨的气候特征,加剧其风化速度和节理裂隙发育程度,滑坡发育和斜坡失稳现象较为普遍,也应作为工作重点。
⑥对铁路选线区域发育的矿藏采空区,线路宜绕避通过。
[1]中铁一院.黔张常铁路岩溶区初测前加深地质及深化线路方案研究报告[R].西安:中铁一院,2010
[2]中铁一院.黔张常铁路一队地质第四篇[Z].西安:中铁一院,2010
[3]中铁一院.黔张常铁路一队遥测航片、卫片[Z].西安:中铁一院,2010
[4]陕勘公司.黔张常铁路卧云界隧道物探成果图[Z].宝鸡:陕勘公司,2010
[5]桑植县国土局.桑瑞铁矿规划矿界及开采图[Z].桑植:桑植县国土局,2010
[6]TB 10012—2001 铁路工程地质勘察规范[S]
[7]TB 10027—2001 铁路工程不良地质勘察规程[S]
[8]铁道第一勘察设计院.铁路工程地质手册[M].北京:中国铁道出版社,1999