安康至重庆高速铁路大巴山区工程地质条件及选线研究

王 凯

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

1 概述

拟建安康至重庆高铁全长约480 km，设计时速350 km。北起安康，穿越大巴山区，经川东低山丘陵区到达重庆。目前该铁路主要有经达州(AK)、万州(IAK)两个主要方案，之前的研究成果主要集中在政治、经济、人口、运量等方面，而沿线工程地质条件研究和方案比选还比较欠缺，这应该作为评价两方案可行性的重要依据。

大巴山区地质条件极为复杂，分布有震旦系～三叠系的多套沉积岩、变质岩地层，偶有侵入岩体，地层岩性复杂多变，工程性质差异较大。大巴山区受地质构造影响极为强烈，分布有龙门—大巴山断裂等多条深大断裂带，以及多个复式褶皱带。沿线降雨量大且集中，不良地质和特殊岩土极为发育，尤其是大巴山区的岩溶发育强烈，岩溶洼地、落水洞、溶洞、地下暗河等均有发育，对线路方案影响较大。

在广泛收集区域地质及既有公路和铁路资料的基础上，通过对沿线的地形地貌、地层岩性、地质构造、岩溶发育特征等不良地质现象的研究，掌握了经达州、万州两大方案的工程地质条件，并进一步分析主要的工程地质问题[1]。

2 自然地理概况

2.1 地形地貌(图1、图2)

安康至四川宣汉(AK170)及安康至重庆开县(IAK166)段。海拔500～2 580 m，相对高差300～1 600 m，属中山～高中山区[2]。山脉和沟谷相间分布，与线路方向呈大角度相交，且山高谷深，山坡陡峻，河谷狭窄幽长，多V型狭谷和嶂谷。

图1 大巴山区-城口县境内

图2 大巴山区-溶洞

其中大巴山腹地，紫黄～城口南北两侧，神田梁、旗杆山、梆梆梁、九重岩、八台山山脉，灰岩分布广泛，呈现出峰丛台地地貌。该区域岩溶发育强烈，从条带状和孤立零星的小型溶丘到岩溶洼地、干谷、漏斗、落水洞等均有发育。

2.2 气候特征

大巴山区属亚热带山地湿润气候区，山高谷深，高差大，具有山区立体气候的特征[3]。四季分明，温暖湿润，夏无酷暑，冬无严寒，雨量充沛。降水集中在七、八月，多洪涝；秋季降温快，多连阴雨天气；冬季时间较长、气温低。年平均气温13.7 ℃。年最低气温-13.2 ℃，年最高气温39.3 ℃。平均无霜期213 d。年均降水量1 418.1 mm，降水趋势由西南向东北渐少。

2.3 地震

根据GB18306—2015《中国地震动参数区划图》，沿线场地基本地震动峰值加速度0.05g，为Ⅵ度区，地震动反应谱特征周期0.35～0.40 s[4]。

3 工程地质概况

3.1 地层岩性

大巴山断裂带以北为北大巴山褶皱系，主要出露震旦系绿泥片岩、凝灰岩，夹页岩、砂岩；寒武系灰岩夹泥灰岩，局部夹炭质板岩、炭质页岩；奥陶系钙质板岩夹灰岩，泥质板岩夹砂质板岩；志留系片岩夹千枚岩，炭质板岩夹炭质千枚岩，夹砂岩、炭质页岩。

大巴山断裂带以南为南大巴山褶皱系，广泛分布三叠系中下统灰岩夹泥灰岩、白云岩、角砾岩(或石膏)。震旦系地层靠近大巴山断裂带分布，以凝灰岩、页岩夹薄层砂岩为主；寒武系～二叠系地层主要集中出露于褶皱核部，以灰岩、白云岩、页岩、砂岩为主，常见互层状；侏罗系地层出露在“达州方案”的万源—宣汉一带，以泥岩夹砂岩为主。另外二叠系页岩、三叠系上统页岩、侏罗系下统泥岩夹砂岩，为含煤地层[5]。

3.2 地质构造

(1)区域地质构造

线路通过两个Ⅰ级构造板块：秦巴地槽(Ⅰ)和扬子地台(Ⅱ)，均隶属于扬子古陆。扬子地台(Ⅱ)在印支-燕山期向北移动活跃，受米仓山、汉中地块和神农架地块的阻挡，产生强烈的抬升和隆起，并在板块结合处附近形成大巴山断裂带(F2)，断裂带两侧地层受强烈的构造运动影响，断裂及褶曲构造极为发育。大巴山断裂以北为北大巴山褶皱系，隶属于秦巴地槽(Ⅰ)，以南为扬子地台(Ⅱ)北缘的南大巴山褶皱系[6]。

(2)主要断裂构造

大巴山地区受地质构造运动影响强烈，主要断裂构造见表1。

表1 沿线深大断裂构造

3.3 不良地质及特殊岩土

沿线地质构造发育，地层岩性复杂，降雨量大且集中，不良地质发育，介绍如下。

(1)滑坡、错落

大巴山区地形高陡，沟谷发育，个别岸坡覆盖层较厚或岩体破碎，滑坡、错落发育。川东低山、丘陵区为侏罗系泥岩夹砂岩，岩体软硬相间，易产生顺层滑坡。长江两岸受冲刷作用影响，滑坡较发育。

(2)危岩落石、崩塌

大巴山区地形高陡，地层岩性复杂，构造运动强烈，岩体受节理切割和差异性风化影响，在卸荷作用下，危岩落石、崩塌现象较为突出。川东低山区的个别山脉，坡度较陡，也存在危岩落石、崩塌现象。

(3)岩堆

沿线沟谷与山岭相间，地形切割剧烈，山高谷深陡崖多，陡崖下缓坡地带多分布有岩堆。

(4)泥石流

大巴山区受构造影响强烈地段，山高谷深，岩石风化、剥蚀作用强烈，为泥石流的发育提供了地形条件和物源条件，加之大巴山区降雨丰富，易形成泥石流。

(5)岩溶

大巴山区，广泛分布寒武系、二叠系、三叠系灰岩，岩溶发育强烈，对线路的影响较大，是本线较为突出的地质问题。

分布范围：大巴山北坡岩溶主要发育于紫阳县南部任河—岚皋县南部神田梁一带，约20 km宽的寒武系石灰岩中，处在北大巴山加里东褶皱带复式向斜的一翼。南坡岩溶主要发育于旗杆山—青草坪、梆梆梁—九重岩、八台山—百里峡—花岩子、九盘石—罗盘营—天池山一带的二叠系、三叠系灰岩中。在地形和气候等自然条件下，受地层岩性、地质构造的控制，岩溶地貌尤为发育。有溶丘、宽谷、成群出现大小不一的岩溶洼地，伴随有部分深邃的落水洞、漏斗和溶洞[8]。其中北坡以神河源、神田梁，南坡以八台山—百里峡附近最具代表性。

岩溶地貌特征：该区域岩溶，具中国南北方过渡特点。既有南方石灰岩洞穴、峰林与大型溶蚀洼地喀斯特景观，也有北方石灰岩地区缺乏地表水、形成高山草甸、地下喀斯特作用强烈、有集中大泉出现的岩溶特征。

①溶丘(喀斯特丘陵)(图3)

溶丘是在高温多雨的湿热气候条件下，由峰丛等早期喀斯特地形经后期溶蚀-剥蚀作用发展而成，呈浑圆丘陵，波浪状起伏。如神田草甸溶丘，出露的地层是寒武系薄层灰岩，虽然当地降雨充沛，但是地表干旱缺水，加之受山地寒冷气候影响，形成草甸溶丘。

图3 神田溶丘草原

②石芽与溶沟(图4)

在溶丘的坡面上发育有石芽与溶沟。形成于厚层灰岩中，碳酸钙含量高，溶蚀现象明显。如神河源的“五子神龙”，溶蚀作用显著。

图4 神河源石芽

③溶蚀漏斗

一般直径在2～6 m，坡面往往在降雨过程中易发生圆形塌陷。漏斗合并扩大则形成数个溶蚀洼地。

④溶蚀洼地

溶蚀洼地在万州方案岚皋至城口段分布较多，形态受地质构造和岩层产状控制。溶蚀洼地多由漏斗合并扩大而成。喀斯特湖中以红水池、黑水池、腰子池和花池等发育较为典型。该区域最大的神河源溶蚀洼地，称作“巴山湫池”，底部宽约150 m，长1 600 m，面积约24万m2。大气降水通过十几条溪水汇聚成湖。湖水干涸时，湖底可见落水洞。在湫池东南2 km头道河河谷寒武系灰岩形成的陡坡上悬挂着一眼泉，其水量与湫池水位相关。湫池可视为这个河间地块地下水的分水岭，岩溶裂隙水向河流排泄。巴山湫池见图5，湫池水文地质剖面见图6，神河源附近的溶蚀洼地统计见表2。

图5 巴山湫池

图6 湫池水文地质剖面[9]

表2 神河源附近的溶蚀洼地统计

⑤落水洞

落水洞发育在直立的石灰岩层面上，崩塌强烈，井壁陡直，成为竖井状。多见于封闭洼地底部，与地下通道相连，可深达数百米[10]。

⑥溶洞

大巴山溶洞多分布于沟谷陡崖，洞穴成群分布，岭北有蝙蝠洞、朝阳洞、蟒蛇洞、观音洞、穿眼洞、石花洞等。岭南有大岩洞、盘龙洞、鸡王洞、观音洞、红军洞等。溶洞多沿水平流动带发育，各裂隙伸延发展，形态十分曲折。在裂隙交汇的地段，常会形成空间巨大的洞腔，并与支洞构成复杂的洞穴系统。

溶洞的发育特征：大巴山区溶洞多集中分布在440～700 m，700～1 200 m和1 200～1 890 m三个海拔高度范围内[11]，洞穴的发育延伸方向明显受裂隙构造的控制，有强烈的方向性。其中海拔440～700 m的洞穴分布数量最多，且与周边有很好的地下水动力通道，部分与暗河连接，水动力条件好。海拔为700～1 200 m的洞穴，发育较多，洞穴沉积物发育较好，石钟乳、石笋、石帘等发育，洞穴湿度较小。海拔为1 200～1 890 m的洞穴，为短小的沟状洞穴，多分布在溶丘顶部，沿垂直裂隙发育，洞内崩积物较多[12]。

线路在岩溶发育区多以隧道工程通过。线路宜绕避溶洞发育强烈区，尤其是地表有蓄水岩溶盆地、地下有大型溶洞、落水洞发育的区域，并走行在现代侵蚀基准面、水平径流带高程以上。降低地下水、大型复杂溶洞对隧道工程的影响[13]。

(6)有害气体

志留系炭质板岩、炭质千枚岩中，可能含有瓦斯等有害气体。侏罗系～志留系地层还零星分布有天然气、页岩气，对隧道工程有一定影响。

(7)高地应力

大巴山区山高谷深，构造运动强烈，区域地应力较高。隧道埋深较大，受高地应力影响，以灰岩为主的硬质岩段，可能产生岩爆现象，以炭质板岩、炭质千枚岩为主的软岩段，易发生软岩变形问题。

4 水文地质特征

4.1 地表水

大巴山区地表水系发达，河网密布。北部为汉江流域的任河水系，南部为嘉陵江流域的前河、东河水系。流域面积100 km2以上的河流13条，50～100 km2的6条。任河、前河、东河为3条主要河流。

4.2 地下水

地下水类型主要有第四系孔隙潜水、基岩裂隙水、构造裂隙水、岩溶水[14]，简述如下。

(1)第四系孔隙潜水

第四系孔隙潜水主要赋存于河流漫滩及阶地、斜坡堆积层、古河道及古沟槽内[15]。河流漫滩及阶地的第四系孔隙潜水含水层主要为砂类土、碎石类土，地下水赋存条件较好，水量丰富，地下水位变化大。

(2)基岩裂隙水

广泛分布于山区岩体的节理裂隙中，主要接受大气降水补给，水量一般，个别地段水量丰富，水质良好。

(3)构造裂隙水

主要分布在断层破碎带与褶皱核部，主要受大气降水补给，水量丰富，常以泉水形式排泄，部分为承压水，含水层主要为断层碎石带及揉皱严重的破碎岩体。

(4)岩溶水

岩溶水主要赋存于灰岩、白云岩等可溶岩中。地表落水洞、溶蚀洼地及溶蚀漏斗发育。地下多以泉水、暗河等形式出露，主要受大气降水补给，水量十分丰富。

4.3 地下水侵蚀性评价

沿线大部分地段地下水水质良好，对圬工无侵蚀性，个别通过侏罗系及三叠系含煤地层及石膏地层段，水质较差，对混凝土具硫酸盐侵蚀性。

5 主要工程地质问题分析

根据沿线的工程地质条件和水文地质条件，结合线路工程设置情况，初步分析，线路施工中可能遇到的主要工程问题如下。

(1)围岩失稳

隧道通过断层破碎带、褶皱核部、节理密集带、岩石软硬相间、层间结合力差的地层时，易发生围岩失稳、掉块、塌方等情况。

(2)岩爆

主要出现在灰岩段落，灰岩岩质坚硬，当隧道埋深较大时，受高地应力影响，掌子面开挖后，由于应力集中，掌子面周围岩体有发生岩爆的可能。

(3)软岩变形

主要出现在板岩、千枚岩、片岩、页岩段落，尤其是炭质含量较高的地层，岩质软弱，在高地应力作用下，易发生软岩变形问题，造成初支或衬砌开裂变形。

(4)涌水突泥

隧道通过断层破碎带、褶皱核部、节理密集带、岩溶发育段落时，可能发生涌水突泥。当隧道工程位于地下水侵蚀基准面或水平径流带以下时，有发生较大涌水的可能。

(5)溶洞

大巴山区岩溶发育强烈，溶洞发育较多，形态各异、大小不一。线路通过岩溶发育区，施工中遇到溶洞的可能性较大，给桥梁、隧道、路基等工程造成较大影响。尤其遇到大型溶洞时，工程处理极为困难。

(6)有害气体

线路以隧道形式通过侏罗系、三叠系、二叠系页岩等含煤地层时，可能遇到瓦斯气体，威胁施工人员安全。

6 主要线路方案工程地质条件评价及比选

线路通过大巴山区，以长大隧道工程为主。两方案的不良地质现象主要为危岩落石、崩塌、滑坡、泥石流。当隧道通过断层破碎带、岩性接触带时，易发生围岩失稳；通过可溶岩地段，有遇到溶洞、较大涌水的可能；通过高地应力区，有发生岩爆、软岩变形的可能[16]。因此，围岩条件、岩溶发育特征、地质构造发育强烈程度、地应力情况是影响两方案地质条件评价的主要因素。

(1)AK方案通过大巴山区，海拔320～1 720 m，相对高差130～760 m，山高谷深。地层岩性复杂，断裂构造发育。其中紫阳县以北(AK10～AK64)，地层主要为寒武系板岩夹灰岩，志留系千枚岩、片岩、板岩，多含炭质夹层，地层多为软质岩，围岩条件差。见图7、图8。

图7 AK方案越岭段方案线位

紫阳—万源(AK64～AK116)，以寒武系、三叠系灰岩、泥灰岩等可溶岩地层为主，岩质坚硬，围岩条件较好。该段岩溶发育强烈，溶洞、暗河发育，地下水水平径流带高程在710～1 560 m。线路沿任河、后河河谷走行，可走行在水平径流带以上，降低施工时遇到地下暗河的可能性。

图8 AK方案越岭段各方案水文地质横断面

万源—宣汉段(AK116～AK170)，地层为侏罗系泥岩夹砂岩，以较软岩为主，岩质软硬不均，层间结合力较差，围岩条件较差。

(2)IAK方案通过大巴山区，海拔380～2 500 m，相对高差130～1 600 m，山高谷深，沟壑纵横，多悬崖峭壁。地层岩性复杂，断裂、褶皱构造极发育。其中摩天岭以北(IAK10～IAK66)，地层主要为寒武系板岩夹灰岩，志留系千枚岩、片岩、板岩，多含炭质夹层，地层多为软质岩，围岩条件差[17]。见图9～图11。

图9 IAK方案越岭段方案线位

图10 IAK方案越岭段各方案水文地质横断面

图11 IAK方案雪宝山隧道水文地质纵断面

摩天岭—开县(IAK66～IAK166)，以寒武系、三叠系灰岩、泥灰岩等可溶岩地层为主，岩质坚硬，围岩条件较好。该段岩溶发育强烈，地表岩溶洼地、落水洞发育，隧道施工遇到大型溶洞、涌水、甚至地下暗河的可能性较大。根据区域地质资料、临近工程地质资料和水文地质调查结果，线路研究范围内，地下水水平径流带高程在800～1 500 m。在翻越九重山—雪宝山岭脊时，既有通渝隧道和在建的城开高速公路隧道，以及本次研究的城口—开县段高速铁路，因地形条件限制，均无法绕避岩溶发育强烈区，且多走行在地下水水平径流带以下[18-19]，施工风险和施工难度极大。

根据方案研究区域临近工程的岩土参数经验值，分别对两个主要方案的隧道工程进行了围岩初步划分，再结合岩溶发育特征、地质构造发育情况、高地应力情况，对两方案通过大巴山区的地质条件进行了分析，见表3、表4。

表3 大巴山区主要方案工程地质条件比选因素

注：因线路研究范围内大巴山区缺乏既有公路、铁路施工资料，根据秦巴山区临近的铁路、公路、引水隧道等工程施工经验，线路埋深大于600 m时，局部高地应力地段会出现较严重的岩爆、软岩变形现象。

表4 大巴山区主要方案岩溶发育特征

7 结论

(1)本线通过大巴山区时，地层岩性复杂，构造运动强烈。主要的不良地质有危岩落石、崩塌、滑坡、岩溶、高地应力、泥石流等。线路以隧道工程为主，主要的工程问题有围岩失稳、涌水突泥、岩爆、软岩变形等，工程地质条件复杂。

(2)沿线地表水系发达，均为长江水系。地下水有第四系孔隙水、基岩裂隙水、岩溶水。环境水水质良好。

(3)沿线地震动峰值加速度0.05g，地震烈度Ⅵ度。

(4)通过大巴山区时，经万州IAK方案：①围岩条件稍好；②通过可溶岩段落较长，岩溶发育更强烈，且局部段落以隧道形式走行于水平径流带以下；③地质构造发育更强烈，通过断裂带的数量和断层破碎带的长度较长；④隧道埋深>600 m的段落更长，受高地应力影响更严重。因此，经万州IAK方案工程地质条件更复杂，施工风险更大。推荐经达州AK方案。