南吕梁山特长铁路隧道工程地质选线关键问题研究

袁真秀，李彦军，秦正贵

(中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133)

0 引言

铁路工程地质选线方面的研究目前主要集中在地形地貌、工程地质与水文地质条件、区域断裂带以及不良地质与特殊岩土对线路的影响程度等方面，铁路工程技术人员对这几方面均进行了大量研究与实践。如:李翔［1］在张唐铁路穿越燕山山脉时提出了燕山越岭隧道地质选线意见;许再良等［2］对兖石、胶新铁路跨沂沭断裂带工程地质选线进行了研究;张振东［3］在兰青二线选线中提出了从地质角度推荐下穿黄河右岸古滑坡群的青石关长隧道方案;曹化平等［4］在铁路岩溶隧道工程地质选线研究中提出了岩溶隧道选线原则;杨昌义等［5］在成兰铁路地质选线中对汶川大地震近震源核心区开展了铁路选线研究;孙波等［6］对西安至南京铁路经过厚子镇山前古洪积扇进行了选线研究。隧道工程地质选线关系到施工过程中的风险管理，意义非常重大。

在晋豫鲁铁路通道穿越吕梁山脉越岭选线中，存在龙子祠泉域、霍西煤田煤层与采空区2个控制因素，查明这2个控制因素对隧道修建的环境与工程安全影响，是本线路越岭选线的关键。与以往铁路选线不同的是:本线路在平面上规避了以上2个控制因素，以直线段形式穿越吕梁山脉，极大地缩短了线路展线长度，降低了工程造价和避免了地质灾害发生。

1 工程概况

晋豫鲁铁路通道是我国为促进经济建设，缓解能源运输“瓶颈”而建设的一条能源运输通道。南吕梁山隧道是晋豫鲁铁路通道全线控制性工程，是单线双洞隧道，左线长23 441m，右线长23 464.7m，位于临汾市境内，穿越分水岭吕梁山脉，从西部黄土粱峁地貌下坡进入东部临汾盆地(见图1)。

测区内广泛发育中生界三叠系砂页岩地层，古生界二叠系与石炭系砂页岩、煤系地层，奥陶系碳酸盐岩地层，其中二叠系和石炭系煤系地层存在多层可采煤层。隧道不可避免地要从霍州煤炭国家规划矿区和乡宁煤炭国家规划矿区通过，测区内广泛分布煤矿和采空区。

图1 隧道越岭平面图Fig.1 Plan of mountain-crossing tunnel

奥陶系碳酸盐岩地层属可溶岩，在漫长的地质历史中，该区形成了一个面积达2 250 km2的岩溶水泉域，学术上称为“龙子祠泉域”。该泉域泉水在临汾市以西的土门至龙子祠一带山前出露，对临汾市的工农业用水均具有重要影响。南吕梁山隧道不可避免地要从泉域通过(见图2)。

图2 龙子祠泉域平面图Fig.2 Plan of Longzici spring

中国地质大学在20世纪80年代末期完成了《山西龙子祠泉及郭庄岩溶泉水系统研究报告》，20世纪90年代山西煤田地质144队完成了泉域范围内《乔家湾勘探区详查地质报告》。这些参考资料均不能详细提供隧道各比选方案的地质条件，研究各隧址区的地质条件与隧道的关系是选线勘察工作的关键。

2 工程地质选线关键问题

线路穿越吕梁山脉方案受2个因素控制:

1)龙子祠泉域控制。龙子祠泉位于山西省临汾市西南13 km的西山山前，为临汾市城市和工业用水的主要供水水源之一，对当地的经济起着举足轻重的作用。泉水的主要来源为奥陶系灰岩岩溶水，降水为岩溶水的唯一补给来源［7－8］。线路选线平面上应严格绕避泉域重点保护区，竖向上应位于奥灰岩溶饱水带水位以上，最大限度减少线路对龙子祠泉域水流量及水质的影响。

2)霍西煤田及采空区控制。线路穿越山西重要煤田之一的霍西煤田，区内开采历史悠久，可采煤有多层，大型采空区与私采小采空区很多。大量采空区的存在给隧道选线带来一定困难，线路选线应严格绕避采空区。

在工程地质选线中，如何绕避采空区，优化穿煤段，并确保工程建设不破坏龙子祠泉域水环境，是决定工程是否可行的关键问题。

3 工程与水文地质条件研究

3.1 地层岩性

隧址区内古生界、中生界及新生界均有出露，但缺失古生界奥陶系上统、志留系、泥盆系、石炭系下统以及中生界的侏罗系、白垩系、新生界下第三系中新统。煤系地层为二叠系与石炭系砂页岩，隧道穿越区对龙子祠泉域水环境影响较大，主要为奥陶系中统可溶岩灰岩和白云岩。

3.2 地质构造

测区西部受与线路大角度相交的五麓山经向构造带控制，该构造带大致呈南北走向，南北长约70 km，东西宽约15 km。紫荆山断裂为其构造形迹，岩层向西倾斜35～75°。测区东部受与线路大角度相交的龙门正弦状构造带控制，该构造带大致呈南北走向，南北长约58 km，东西宽10～20 km。发育多个次级褶皱的吕梁山复式向斜为其构造形迹，岩层产状平缓，倾角一般不超过10°。

3.3 煤层与采空区

测区煤系地层厚约236m，含煤13层，煤层总厚约9.66 m，含煤系数为8.4%，主要含煤地层是二叠系下统山西组(P1s)和石炭系上统太原组(C3t)。其中，山西组(P1s)含煤4 层，从上往下依次是 1，2，2下，3#;太原组(C3t)含煤9 层，从上往下依次是 4，5，6，7，7下，8，9，10，11#;稳定可采煤层是 2，9，10，11#。

根据试验资料，1，2，10，11#煤吸氧量约 0.7 cm3/g，2，9，10，11#煤火焰长度为 30 ～400 mm，最低岩粉用量大于50%。隧址区域煤层均具有煤尘爆炸性危险;1，2，10#煤自燃倾向性等级为Ⅱ级，属自燃煤层;11#煤自燃倾向性等级为Ⅰ级，属易自燃煤层。测区煤矿历史上曾发生过瓦斯爆炸。

在测区西部，岩层倾角大，隧道不可避免地要正穿煤层。根据TB 10120—2002/J 160—2002《铁路瓦斯隧道技术规范》［9］独头坑道瓦斯涌出量计算方法，考虑瓦斯时间衰减系数和煤的透气性系数等因素，可计算出隧道正穿煤层绝对瓦斯涌出量为1.06 m3/min。从计算结果可以看出，正洞正穿煤层段绝对瓦斯涌出量大于TB 10012—2007/J 124—2007《铁路工程地质勘察规范》［10］标准(0.5 m3/min)，正洞穿煤段具煤与瓦斯突出危险性。

在测区东部，岩层产状平缓，煤层标高一般为900～1 400m，小范围煤层标高变化不大。

按研究的越岭方案，隧道主要受进口段小窑破坏区和下穿煤层段采空区影响。对线路有影响的小窑破坏区主要位于兴乐煤矿北部边界位置。在下穿煤矿段，各煤矿开采区标高为1 030～1 320 m。

3.4 龙子祠泉域

龙子祠泉域呈北东－南西向长条形展布，属吕梁山脉南段东翼的一部分，地貌为构造剥蚀低中山区，地面标高为1 000～1 950 m。泉水属岩溶水，主要含水层为厚310～550 m的奥陶系中统碳酸盐岩。由于泉域北、西、南3面仰起，整体向东倾斜，岩溶水从北、西、南3面向东面低洼地汇集(见图2)，在吕梁山脉与临汾盆地交界处受到大断裂限制，并被相对隔水的第四系山前堆积物阻挡，最终在临汾市西边土门至龙子祠一带溢出成泉(见图3)。

图3 龙子祠泉成泉构造图Fig.3 Forming of Longzici spring

大气降水为岩溶水的唯一补给来源，补给方式有2种:第1种是在碳酸盐岩裸露区，降水能直接沿着岩溶裂隙下渗，补给效果好，是泉域重点保护区;第2种是在奥陶系碳酸盐岩上面覆盖着几百m厚的石炭系二叠系砂页岩地层，降水需首先下渗通过此套地层才能进入岩溶水的垂直渗流带，补给效果受到砂页岩地层隔水效果的影响。

通过对泉域内深井和泉的水位观测，分析后绘制岩溶水饱和水位控制性等高线图(见图2)。

4 工程地质选线

为绕避采空区，优化穿煤段，并确保工程建设不破坏龙子祠泉域水环境，综合研究各种地质经济条件后，确定了17个比选方案。选线过程中对这17个方案进行了经济、技术及地质方面比较，经过大量的勘察和研究工作，直接排除了其中7个穿越采空区方案，对另外10个可选隧道方案进行了详细的比选(见表1)。

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

为确定方案的可行性，南吕梁山隧道地质专项勘察工作采用区域资料收集与研究、专家访问、物理探测、现场水文地质调绘与深孔钻探相结合的综合勘察手段对10个方案进行选优。具体方法是:在充分研究区域地质资料基础上，广泛调查、收集区域内的水井资料，走访当地煤矿、水文地质专家，通过地质调绘与钻探验证，初步确定隧道能够从煤层与采空区以下、龙子祠泉域饱和水位以上的地层中通过。

按照这一原则，排除方案1和方案10，其线路绕行爬坡，纵坡过大，不利于万t列车通行;方案2，5，8与霍西煤田的采空区在标高上有交叉，无法排除能够规避的风险;方案6和方案9能够规避采空区，在岩溶饱和水位以上，但穿越煤系地层长度大，存在较多不确定因素;最终把奥陶系岩溶水饱和水位以上，煤系地层以下的越岭长隧道方案3，4，7确定为可行性比选方案，同时确定在2个关键性因素中条件最优的方案3为推荐方案。

5 关键问题的解决

南吕梁山隧道在工程地质选线中，通过综合勘察的方法进行线路勘察，特别是重点对龙子祠泉域、霍西煤田及采空区与隧道空间关系的勘察，最终确定方案3为选线方案。该方案在穿越紫荆山断裂带以最短距离通过薄煤层位置;在吕梁山复式向斜段创造性地确定隧道线路在煤层及采空区以下65 m，饱水带水位以上70 m的狭长空间立体范围穿越吕梁山脉，既躲避了采空区，又不会对龙子祠泉域水造成大的影响(见图4)。

该隧道进口设在蒲县化乐镇昕水河河谷东侧山坡，标高为1 057.48 m，隧道出口设在临汾市尧都区岸沟西侧坡脚，标高为764.78 m，全隧为综合坡度12.51‰的下坡。进口段受五麓山经向构造带控制，绕避了采空区，但需正穿 2，8，9，11#等煤层，由于岩层走向与隧道大角度相交(倾角约35°)，穿煤段较短，较容易通过。全隧大部分受吕梁山复式向斜控制，岩层产状平缓，倾角一般小于10°，此段隧道下穿2个采空区，但高出洞顶最小距离大于150 m，最下部煤层高出洞顶最小距离大于73 m，煤层与隧道之间多为砂页岩地层，岩体较完整，具隔水隔气性。隧道位于龙子祠泉域垂直渗流带内，地下水不发育，泉域岩溶水饱和水位低于隧道洞底最小距离大于70.6 m。

图4 隧道与岩溶饱和水位、煤层采空区关系图Fig.4 Relationship among tunnel，saturated karst water level and coal goaf

6 施工效果

截至目前，施工进行了1.5 a，经历了2个丰水期，1，2，5#斜井均已经开挖至井底正洞，4#斜井、进口掌子面和出口掌子面进尺均已超过1 km。施工实践证明，地勘资料是准确的，工程地质选线是正确的，隧道在目标地层中通过，绕避了采空区，优化了穿煤段，采空区和煤层对隧道建设影响较小，隧道洞底高出岩溶水饱和水位，隧道在岩溶水垂直渗流带中通过，地下水不发育，工程建设对龙子祠泉域水环境影响甚微。

7 结论与建议

通过对南吕梁山越岭隧道方案研究，充分认识到地质条件对工程地质选线的重要控制作用，只有明确线路水文与工程地质条件，才能结合技术、经济、工期等因素综合选线。南吕梁山隧道方案在研究勘察资料等基础上是可行的，但由于龙子祠泉域具有叠瓦状补给特征，地下水饱和水位具有不确定性，同时测区历史上私挖乱采小煤窑严重，年代久远，存在潜在采空区危险，需要在施工中高度注意并采取相应措施预防。在施工中应继续对本课题进行研究验证，可以更好地确定岩溶饱和水位，确定岩溶饱和水位的历史变化曲线，能更好地指导地下水的合理开发利用，保证临汾的工农业生产生活用水安全。

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