怀邵衡铁路复杂不良地质区域线路方案研究

钟 晶

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

怀邵衡铁路复杂不良地质区域线路方案研究

钟 晶

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

由于怀邵衡铁路在怀化南客站至安江站段存在铀矿、岩溶、断层等多种复杂不良地质，线路方案比选影响因素复杂，方案选择困难，采用地质条件分析及工程经济技术比较等方法，详细论述铀矿辐射、岩溶及岩溶水、断裂构造、高地应力、页岩气、围岩分级、工程投资、工期等因素对该段方案选择的影响，通过综合分析各种地质及工程经济技术条件，最终确定西线方案为合理的线路方案。

铁路选线；地质选线；工程选线；方案比选

1 概述

怀邵衡铁路在怀化南客站与安江站之间有铀矿、岩溶、断层等多种不良地质，线路长度21.3 km，基本上桥隧相连，主要的控制因素有黄岩隧道(全线控制性工程)、黄龙组灰岩岩溶区、“黄岩～溆浦断裂带”等不良地质构造带、铀矿等。根据铀矿专题研究成果和其他不良地质条件分析资料，结合“黄岩～溆浦断裂带”资料，研究了黄岩隧道东线方案和黄岩隧道西线方案[1]。如图1所示。

黄岩隧道西线方案线路出怀化南客站后并行沪昆高铁向东，跨在建的怀化环城高速公路后折向东南，绕避黄岩岩溶区后穿过白马向斜岩溶区域翼部(岩溶区范围内长度约1.8 km)，线路出隧道后跨沅水，在洪江市安江镇北侧设安江站。该方案黄岩隧道全长17.03 km，DK22+900 m处离主坡寨矿体(铀)最近距离约1.3 km，DK28+600 m处离黄龙岩1号矿体(铀)最近距离约1.5 km。

图1 怀邵衡铁路怀化南与安江段方案示意

黄岩隧道东线方案线路出怀化南客站后并行沪昆高铁向东，跨在建的怀化环城高速公路后折向东南，穿过黄岩岩溶区核部和白马向斜岩溶区域翼部(岩溶区范围内长度共约4.1 km)，线路出隧道后跨沅水，在洪江市安江镇北侧设安江站。该方案黄岩隧道全长14.96 km，DK22+900 m处离主坡寨矿体(铀)最近距离约400 m，DK28+600 m处离黄龙岩1号矿体(铀)最近距离约1 km，另外黄岩隧道出口和结构性断层“黄岩～溆浦断裂带”断层近距离并行，并行地段长度约5 km。

由于上述两个方案影响因素复杂，线路方案比选困难，需综合采用地质条件分析及工程经济比较等方法[2]，对方案进行详细分析比选。

2 地质条件分析

2.1 铀矿辐射

2.1.1 环境地表γ辐射剂量率水平评述

西线调查区段内的环境地表γ辐射对公众照射所致年吸收剂量为0.036～0.82 mSv。平均年有效剂量当量为0.12 mSv；对施工人员所致年吸收剂量为0.071～1.64 mSv，平均年有效剂量当量为0.264 mSv，异常段平均年附加剂量0.15 mSv。

东线调查区段内的环境地表γ辐射对公众照射所致年吸收剂量为0.044～0.32 mSv，平均年有效剂量当量为0.09 mSv；对施工人员所致年吸收剂量为0.088～0.64 mSv，平均年有效剂量当量为0.18 mSv，异常段平均年附加剂量0.55 mSv。

根据上述结果，公众所致年吸收剂量及施工人员所致年吸收剂量和平均年附加剂量均低于《铁路工程不良地质勘察规程》(TB10027-2012)的有关规定，因此，可认为地表调查区内的γ射线辐射水平对人居环境和施工人员没有影响，黄岩隧道西线方案、东线方案地表重点调查区段均为非限制区。

2.1.2 地表中放射性核素(238U、232Th、40K)含量水平评述

调查区内的地表放射性核素平均含量238U、232Th、40K所致内、外照射处于正常背景区，土壤中核素平均含量符合要求；在部分区段(西线地表DK24+700～DK26+300、DK28+600～DK28+800段及东线地表DIK23+400～DIK 23+600、DIK26+000～DIK26+200、DIK27+800～DIK28+100段)呈现铀核数含量局部偏高。根据区段地质偏高部位基本位于炭质板岩发育处，因富含炭质岩土层吸附铀，形成高背景值，偏高段多位于寒武系牛蹄塘组(∈1n)和震旦纪江口群留茶坡组(Zl)，在隧道施工过程中应加强对上述地层炭质板岩、板岩段的放射性核数监测工作，并做好应急减缓措施[3]。总体地表核素所致放射性环境是比较安全的。

2.1.3 地表土壤中氡浓度水平评述

调查区内的土壤中的氡浓度变化较大，大部分区域低于《民用建筑工程室内污染控制规范》(GB 50325—2010)要求的限值20 000 Bq/m3。在局部偏高段主要因为炭质板岩吸附铀及板岩本底铀浓度偏高，由铀衰变形成氡及其子体，和偏高段处在断裂构造(西线方案在偏高端段有F7、F8蔑坡断裂；东线方案有F9黑鹅湖断裂、Fpy)发育区，致使氡及其子体沿断裂上升。使得在局部偏高段明显高于背景值，在隧道施工中有可能在隧道揭穿氡源体后，形成氡污染，在施工过程中应进行氡浓度的监测并加强对炭质板岩、构造发育区的监测，根据《民用建筑工程室内污染控制规范》(GB 50325-2010)及相关规范做好防氡措施，调查区总体因由氡形成的辐射环境属于正常本底范围。

2.1.4 环境空气中氡浓度水平评述

调查区内的空气中的氡浓度属于正常区值，根据《民用建筑工程室内环境污染控制规范》(GB50325—2010)：“6.0.4 民用建筑工程室内污染物浓度限量 表6.0.4Ⅱ类民用建筑工程氡(Bq/m3) ≤400”，天然状态下地表空气氡浓度属于正常范围。

2.1.5 水中铀、氡及总α、总β水平评述

根据水中分析测试结果，黄岩隧道西线水中氡浓度范围0.15～1.59 Bq/L，最大1.59 Bq/L；水中铀浓度范围 (0.5～6.17)×10-4mg/L，最大6.17×10-4mg/L；水中总α浓度范围(4.2～74)×10-3Bq/L，最大7.4×10-2Bq/L；水中总β浓度范围(5.94～48)×10-3Bq/L，最大4.8×10-2Bq/L。

黄岩隧道东线水中氡浓度范围0.26～2.1 Bq/L，最大2.1 Bq/L；水中铀浓度范围(4.23～14.2)×10-5mg/L，最大1.42×10-4mg/L；水中总α浓度范围(4.89～21.3)×10-3Bq/L，最大2.13×10-2Bq/L；水中总β浓度范围(7.21～26.3)×10-3Bq/L，最大2.63×10-2Bq/L；均小于上述规定限制，均未超标，符合生活用水标准。

2.1.6 伽马测井结果水平评述

根据《铁路工程不良地质勘查规程》(TB10027—2012)中放射工作场非限制区(年吸收剂量率<5 mSv)、监督区(5 mSv≤年吸收剂量率≤15 mSv)、控制区(15 mSv<年吸收剂量率)的划分。测井平面见图2。

图2 测井平面示意

Jz-Ⅲ13-LS1孔的高程在755.99～775.99 m，为炭质板岩，属于放射工作场所监督区；高程在705.99～755.99 m，为炭质板岩和板岩，属于放射工作场所控制区；高程在705.99 m以下则为放射工作场所非限制区，无放射性危害，隧道洞身经过段的高程为309.99～319.99 m，为泥砂质板岩，该段属于非限制区，无放射性危害。

Jz-Ⅲ13-LDS1孔的高程在644.92～749.92 m，为炭质板岩、高程在449.92～534.92 m，为含砾泥质板岩，属于放射工作场所监督区；高程在623.92～644.92 m，为炭质板岩，高程在534.92～623.92 m，为炭质板岩和板岩，属于放射工作场所控制区；而高程在749.92～849.92 m和296.92～449.92 m则属于放射工作场所非限制区，无放射性危害，隧道洞身经过段的高程为306.92～316.92 m，为含砾泥质板岩，该段属于非限制区，无放射性危害。

Jz-Ⅲ13-LDS2孔的高程420.94～630.94 m，为炭质板岩；330.94～405.94 m，为含砾泥质板岩属于放射工作场所监督区；高程405.94～420.94 m，为板岩；属于放射工作场所控制区；而高程630.94～830.94 m和285.94～330.94 m则属于放射工作场所非限制区，无放射性危害，隧道洞身经过段的高程为295.94～305.94 m，为含砾泥质板岩，该段属于非限制区，无放射性危害。

Jz-Ⅱ10-SK2孔的地球物理综合测井成果资料，孔内最高γ照射量率为18.8γ，则年有效剂量当量He为1.01 mSv<5 mSv，根据《铁路工程不良地质地质勘察规范》(TB10027—2012)规定为放射工作场所非限制区。放射性辐射对工作人员产生的最高有效剂量当量He(1年按2400h算)为0.28 mSv，无放射性危害[4]。

放射性异常区域主要是在寒武系牛蹄塘组地层的炭质板岩和板岩中，并且工业矿是在Jz-Ⅲ13-LDS1孔的板岩中。有少量的在震旦系上统留茶坡组地层中的泥质板岩中(如Jz-Ⅲ13-LDS1孔和Jz-Ⅲ13-LDS2孔)，但是其位置均是在靠近炭质板岩和板岩的地方。4个孔附近范围内放射性场偏高的地层主要是寒武系牛蹄塘组地层的炭质板岩和板岩，有少量的放射性场异常在震旦系上统留茶坡组地层中的泥质板岩，其位置为寒武系牛蹄塘组和震旦系上统留茶坡组地层相接触部分。

2.1.7 钻孔岩芯取样水平评述

根据《民用建筑工程室内污染控制规范》(GB 50325—2010)，民用建筑工程所使用的材料，材料内、外照射应符合以下要求：

内照射IRa≤1.0；外照射Ir≤1.3。

根据钻孔岩芯测试结果，Jz-Ⅲ13-LS1钻孔中在50.0 m处超过上述限值，Jz-Ⅲ13-LDS2钻孔中265 m，318～437.5 m处超过上述限值，Jz-Ⅲ13-LDS2钻孔中，99.0～320.0 m处超过上述限值，钻孔其他深度岩芯测量结果均符合要求，隧道洞身在上述孔附近岩芯测量结果符合要求，超标处地层为寒武系牛蹄塘组(∈1n)和震旦纪江口群留茶坡组(Zl)，岩性以炭质板岩为主。在隧道施工中，洞身穿过寒武系牛蹄塘组(∈1n)和震旦纪江口群留茶坡组(Zl)炭质板岩区时，应加强监测，必要时进行适当的防护工作，及相应工程屏蔽措施。

黄岩隧道铀矿辐射研究主要结论如下。

(1)根据调查成果资料，调查区东、西线地表放射性辐射剂量总体处于正常背景和安全水平；地表γ射线辐射水平对人居环境总体没有明显影响；地表放射性核数平均含量238U、232Th、40K所致内外照射处于正常背景区，土壤中核数平均含量符合规范要求；地表土壤中氡浓度、空气氡浓度，水中氡、铀、总α、总β均未超标，符合相关规范、规定要求。总体来说，天然放射性辐射环境对公众是安全的，黄岩隧道地表调查区段位非限制区。

(2)根据已有勘查成果资料，钻孔伽马综合测井，岩芯取样分析，放射性测量高值(铀矿)主要赋存层位在寒武系牛蹄塘组(∈1n)炭质板岩，寒武系牛蹄塘组(∈1n)和震旦纪江口群留茶坡组(Zl)接触段，东线方案洞身DIK23+570～DIK24+440段穿越上述地层，西线洞身未穿越上述地层；东线洞身在经过DIK23+570～DIK24+440段时，可能存在铀矿化，西线方案洞身未穿过区域铀成矿地层。

综合上述铀矿辐射资料，西线方案优于东线方案。

2.2 岩溶及岩溶水

西线方案：根据EH-4物探及深孔钻探显示，白马向斜区，灰岩位于隧道上方约250 m，隧道处在震旦系地层中，岩溶及岩溶水对隧道影响不大，局部断裂可能将上部岩溶水导入隧道内，施工时注意加强超前地质预报和防排水[5]。

东线方案：根据EH-4物探显示，黄岩向斜区，根据EH-4物探及深孔钻探显示，灰岩位于隧道上方约165 m，隧道处在震旦系地层中，岩溶及岩溶水对隧道影响不大，局部断裂可能将上部岩溶水导入隧道内，施工时注意加强超前地质预报和防排水。

主要结论：岩溶及岩溶水对黄岩隧道西线方案、黄岩隧道东线方案的影响均不大，不控制方案。

2.3 断裂构造

黄岩隧道通过由多条断裂组成的“黄岩～溆浦断裂带”。

西线方案共通过15条断裂，东线方案除同样通过该15条断裂外，在隧道出口段还发育有一北西向伴生断层(羊坡断裂)。该断裂长约6.5 km，断层宽度10～30 m，断距100～500 m，断层倾向线路，视角约54°，结构面特征为角砾岩化，石英脉剪切破碎带，为正～右行平移断层。

东线方案隧道出口约5 km和该断层近距离并行，受该断层影响，隧道出口段围岩破碎。

主要结论：工程地质条件明显劣于西线方案。

2.4 高地应力

根据隧道深孔地应力测试结果表明，测试区域内，最大水平主应力为5.2～16.8 MPa，最小水平主应力为3.7～12.4 MPa，铅直应力σz为3.6～14.9 MPa。岩体应力量级为中～高应力水平，测孔应力场主要呈σH>σz>σh特征，地应力场以水平应力为主导。钻孔的最大水平主应力方向在N63°W～N72°W，最大水平主应力方向与隧道轴线方向(约N40°W)的夹角约27°。隧道存在极高应力区和高应力区，硬质岩存在强岩爆可能。

分析认为，黄岩隧道震旦系地层多为砂质板岩，一般为较软岩(部分硬岩)，极少为软岩，大范围产生“软岩大变形”的可能性较小[6]。

主要结论：高地应力问题东、西线方案均存在，对东、西线影响程度大致相当。

2.5 页岩气(瓦斯)

通过现场测试、分析，以及调研正在修建中的沪昆高铁雪峰山地区同类型地层，确定怀邵衡铁路湘西雪峰山地区隧道部分存在页岩气(瓦斯)。

据《湖南省页岩气资源潜力评价成果报告》：下古生界的页岩气层系主要分布在湘西地区，而上古生界的页岩气层系则分布在湘中和湘东南地区，湘西地区页岩气的主要目的层系是寒武系的牛蹄塘组和志留系的龙马溪组。

黄岩隧道东线方案DIK23+570～DIK24+440段洞身通过寒武系牛蹄组碳质板岩地层存在页岩气(瓦斯)危害。施工中需加强通风，以稀释瓦斯浓度、减少瓦斯积聚，有效消除其对工程危害，防止重大灾害发生。确保隧道施工和运营安全。

黄岩隧道西线方案洞身上部牛蹄塘组碳质板岩地段存在页岩气(瓦斯)，距隧道洞身200～500 m，洞身岩层基本无页岩气(瓦斯)的储存条件，但页岩气(瓦斯)可能通过断层破碎带、节理密集带等裂隙通道渗入隧道洞身。对本隧道碳质板岩地层地段可能渗入页岩气(瓦斯)的断层带等构造发育地段，加强超前地质预测预报、加强瓦斯检测，有效预防工程风险；并对相应地段施工中加强通风，以稀释瓦斯浓度、减少瓦斯积聚，有效消除其对工程危害，防止重大灾害发生，确保隧道施工和运营安全。

分析认为，黄岩隧道东线方案洞身部分通过寒武系牛蹄组碳质板岩地层，存在页岩气(瓦斯)危害，西线方案优于东线方案[7-8]。

2.6 围岩分级

西线黄岩隧道长17 027 m，其中Ⅴ级围岩区段共长807 m，占总长的5%；Ⅳ级围岩区段长6 755 m，占总长的39%；Ⅲ级围岩9 465 m，占总长的56%。

东线黄岩隧道长14 955 m，其中Ⅴ级围岩总长2 151 m，占14%，Ⅳ级围岩总长5 990 m，占40%，Ⅲ级围岩总长6 845 m，占46%[9]。

分析以上数据，围岩分级情况东线方案比西线方案略优。

2.7 综合地质条件分析结论

从穿越铀矿化地层、页岩气地层的可能性，以及断裂带和围岩分级等各地质条件上比较，黄岩隧道西线方案地质复杂程度小、施工条件好、运营风险低，西线方案优于东线方案。

3 工程经济技术比较

黄岩隧道西线方案中黄岩隧道全长17.03 km，研究了双洞双线方案和单洞双线方案2个方案。其中双洞双线方案设5座斜井7.691 km，施工工期为35个月。双线单洞方案设斜井4处，6.131 km，施工工期为36个月。

黄岩隧道东线方案中黄岩隧道全长14.96 km，隧道结构形式为单洞双线。设斜井2处2.257 km，贯通平导1处14.835 km，施工工期为36个月[10]。具体见表1。

表1 黄岩隧道东、西线方案技术经济比较

西线方案(双线单洞)站前主要工程投资12.41亿元，东线方案15.74亿元(不含压覆铀矿补偿、弃砟处理等费用)。东线方案在考虑压覆铀矿有关补偿、弃砟处理等费用后，比西线方案(双线单洞)投资增加较大。

4 方案比选结论

从地质复杂程度、施工条件、运营中可能存在辐射的风险等几个方面分析，西线方案均优于东线方案。另外，西线方案(双线单洞)站前主要工程投资12.41亿元，东线方案15.74亿元(不含压覆铀矿补偿、弃砟处理等费用)。东线方案在考虑压覆铀矿有关补偿、弃砟处理等费用后，比西线方案(双线单洞)投资增加较大。综合比较，故采用西线方案。

黄岩隧道西线方案中还研究了双洞双线方案和单洞双线方案2个方案。双洞双线方案主要优点是在施工期间存在突水突泥风险时，左右洞可以互为救援通道，有助于降低突水(泥)造成人员伤亡风险；左右洞可组成巷道式通风，改善洞内作业环境。营运期间左右洞互为救援逃生通道，无需另设紧急出口和避难所，利于铁路营运期间疏散救援。主要缺点是投资较大，双线双洞方案较单洞双线投资增加3.8亿元。

在施工中合理选择工法，采取超前地质预报等措施防范突水突泥风险，加强隧道通风等措施，改善作业、运营环境，切实保障施工、运营安全，节省施工、运营修护成本，故采用单洞双线方案。

5 结语

怀邵衡铁路在怀化南客站与安江站段地质条件复杂，线路方案比选困难，通过采用地质条件分析及工程经济技术比较等方法，研究了铀矿辐射、岩溶及岩溶水、断裂构造、高低应力、页岩气、围岩分级、工程投资、工期等因素对方案的影响，通过综合分析各种地质及工程经济技术条件，客观评价各种影响因素，最终确定了合理的线路方案，为类似地质条件下的工程选线提供了经验和技术支持。在复杂地质条件地段，特别是放射性区域，需要从地质复杂程度、施工条件、运营中可能存在辐射的风险等几个方面详细分析，比较各个影响因素的权重，通过一系列的试验检测数据支撑，最后得出可信的研究结论。

[1] 钟晶.新建铁路怀邵衡线怀化至衡阳段初步设计·线路篇 [Z].武汉:中铁第四勘察设计院集团有限公司，2013.

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[8] 曾强运，洪平，姚洪锡.新建铁路怀邵衡线怀化至衡阳段初步设计·路基篇[Z].武汉:中铁第四勘察设计院集团有限公司，2013.

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[12]武巍，葛代，李阳.长浏城际铁路黄花机场至浏阳段线路方案研究[J].铁道标准设计，2014(4)：10-12.

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

钟 晶(1982—)，男，工程师，2009年毕业于中南大学道路与铁道工程专业，工学硕士，E-mail：113378628@qq.com。

1004-2954(2015)11-0035-05

U212.32

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.11.009