济莱高铁济南段主要地质问题及地质选线

吴 洋 于成龙

(1.中铁二院北方勘察设计有限责任公司，山东 济南 250012； 2.山东高速工程检测有限公司，山东 济南 250002)

1 概述

济南至莱芜高速铁路位于山东省中部，线路西起济南市济南东客站，向东经章丘区，而后向南经雪野、莱芜区，终于钢城区钢城东站。新建铁路正线全长115 km。属双线高速铁路，设计行车速度350 km/h，最小曲线半径7 000 m，最大坡度20‰。济南东—章丘段为本线主要的山岭段落。

2 地质环境条件

2.1 地形、地貌特征

济莱铁路依次经过山前倾斜平原区、鲁中低山丘陵隆起区、泰莱凹陷东侧剥蚀区。地势中间高两头低，北部平坦开阔，中部山区沟谷纵横、地势起伏，南部莱芜境内低山剥蚀、水土流失形成沟壑地貌。

2.2 地层岩性

济南东—章丘段经过地层主要以奥陶系、寒武系灰岩、页岩为主。

2.3 地质构造

在大地构造上，工程场区位于华北断块之鲁西地块内的鲁中隆起区。地壳表层属典型的地台式结构，结晶基底由太古代下部的泰山群变质岩组成。基底之上古生代沉积盖层发育，主要由寒武系、奥陶系、石炭系地层组成。

3 地质灾害类型及特征

本段线路走行于倾斜平原与低山丘陵区，不良地质灾害普遍，同时具有其地域特点。济南矿产资源丰富，煤炭、铁等开采具有悠久历史，采空区广布；济南为著名泉城，沿线岩溶泉水资源丰富，铁路建设对泉水生态有一定影响。在对线路进一步优化比选后，仍存在较大影响的地质灾害问题如下。

3.1 采空区

本段为济东主要的煤、黏土矿矿产资源开发区，地下开采矿产资源开发历史悠久，长期的矿产资源开采，形成了数量众多的采空区，存在着严重的安全和环境隐患。

济东煤田含煤地层为二叠系、石炭系的太原组和山西组，同时存伴生黏土矿。太原组、山西组岩性主要由泥质岩、粉砂岩、细砂岩和石灰岩及煤层组成，总厚度约为230 m，可采煤4层～8 层，可采煤层总厚度3.5 m～5.5 m，一般开采深度50 m～800 m，局部煤层出露。采煤方法早期为残柱式采煤法，现一般为走向长壁或短臂式采煤法，爆破落煤，全部垮落法管理顶板，村下压煤一般留设保护煤柱或者采用条带法开采。区内主要煤矿有埠村煤矿、东徐马煤矿、李福煤矿等大小100余个煤矿企业，开采时间主要从1970年—2006年，2016年区内最后一个大矿——埠村煤矿进行了闭坑停采，至此沿线煤矿基本全部关停。总体看，区内煤层层数多，但厚度小、变化大，不稳定。济东煤田开采区与线路方案示意图见图1。

区内分别研究了CK推荐方案(方案一)，沿飞跃大道—大东绕方案(方案二)，飞跃大道—专用线方案(方案三)，飞跃大道—明埠路方案(方案四)四个方案。

其中除CK方案外，其余三方案在通过西枣园煤矿、武家山铁矿区，向东经历城煤矿、东徐马煤矿后，大东绕方案(方案二)折向南，避开了章丘西部主要煤矿采空区，于曹范村接入推荐方案；其余两方案继续向东，经民泰、李福煤矿后，煤矿专用线方案(方案三)折向南经埠村煤矿主采空区，后引入推荐方案；明埠路方案(方案四)继续向东经琅沟煤矿拐向南经鑫岳六号煤矿、埠村煤矿、埠村1号煤矿后接入推荐方案。

通过采空区段主要存在废弃矿井、地面沉降、塌陷、地裂缝等问题，现场调查及收集资料，沿线采空及塌陷段落见表1。

表1 线路通过采空区一览表 km

综合上述，仅从穿越采空区范围考虑，沿飞跃大道—大东绕、飞跃大道—专用线、飞跃大道—明埠路三个方案通过采空区段落总长均大于10 km，通过或邻近采空塌陷区长度0.455 km～1.132 km，通过区采煤2层～6层，采深50 m～800 m不等，工程治理难度大，工程地质条件差。CK推荐方案绕避了所有采空区，距最近章灵丘铁矿，位于移动盆地边界线以外，对工程影响小，工程地质条件相对较好。

3.2 岩溶

本段沿线地形地质条件复杂，构造运动以缓慢上升为主。鲁中隆起地质构造总体上是一个以新太古代泰山岩群为基底，以古生代地层为主体的北倾单斜构造。单斜构造单元中发育多组断裂构造，将其分割成相对独立的单斜断块。可溶岩地层出露齐全，从寒武系、奥陶系均有分布。岩性多以灰岩、白云岩、碎屑岩类为主，地表岩溶形态多发育为溶洞、岩溶洼地、溶蚀槽谷、岩溶泉等，局部地表植被较为茂盛，岩溶水富存丰富，泉群较为发育。沿线岩溶中等发育为主。

3.2.1岩溶发育程度

本段出露的可溶岩地层主要以古生界奥陶系、寒武系为主，线路沿线广布。从地层看马家沟组八陡段(O2mbd)和北庵庄段(O1mb)、五阳山段(O1mw)主要岩性为灰岩、豹斑灰岩、泥晶灰岩，奥陶系下统三山子组(O1js)主要岩性为厚层白云岩，寒武系中统张夏组(2jz)主要以鲕粒灰岩为主；以上地层可溶岩纯度较高，岩溶发育程度高。奥陶系(O)、寒武系中统张夏组灰岩(2jz)属中等岩溶发育区，面岩溶率2%～3%，局部强烈发育区，面岩溶率大于5%以上；寒武系其他组地层为岩溶弱发育区，面岩溶率1%～2%。

3.2.2岩溶发育形态

沿线地表岩溶以秃山、干谷、溶沟、溶槽为主，地下岩溶以溶洞、岩溶泉为特征。山区土壤植被稀少，缺少雨水的经常性溶蚀作用，因此山区地表仅在顺层缓坡局部地带发育有片状石芽、溶沟等岩溶景观。在灰岩陡坡的不同高程残留部分古代岩溶遗存的干溶洞。

济南被誉为“泉城”，泉水是济南的象征。推荐线路主要穿越郭店单斜即白泉泉域，比选线路局部穿越明水单斜即明水泉域。区域内的主要泉群有白泉泉群、玉河泉泉群、百脉泉泉群。

3.2.3选线原则

区内水文地质条件复杂，溶洞、岩溶干谷等岩溶形态及岩溶泉、断层泉等发育，线路通过时，施工易引起危害及造成环境工程地质问题，应避免穿越地表漏斗、溶蚀洼地发育区。

影响岩溶地区线路选择的因素很多，必须多方面进行分析，在满足它们特定要求的基础上，拟定所有可能的线路方案，进行技术经济比较，权衡利弊后决定取舍。就地质条件而言，在碳酸盐岩地区虽然有岩溶危害，但一经查清并妥善处理，对线路的安全还是有保障的。而非碳酸盐岩地区也有不少工程地质问题，如软质岩隧道围岩强度低、稳定性差，易发生围岩变形且容易遗留病害。同时本段沿线采空区分布广泛，稳定性差，采空区对线路安全的影响大于一般的岩溶发育地区。线路通过岩溶地区，岩溶越发育，洞穴及岩溶水的危害越大，克服障碍越困难，工程处理费用越高，越宜要求避重就轻。因此综合选线原则的确定对于本段的线路方案选择至关重要。

济南东客站—章丘段线路方案主要分为推荐方案(沿京沪高速方案)、沿世纪大道方案、沿石济客专线方案，如图2所示。

重大线路方案岩溶地质条件比较表见表2。

经比选推荐方案(沿京沪高速方案)、沿世纪大道方案通过可溶岩地区较长，可溶岩隧道较多、存在岩溶塌陷、影响泉水等岩溶水文地质问题；沿石济客专方案可溶岩隧道较短，岩溶水文地质问题相对较轻。从岩溶水文地质条件分析，沿石济客专线方案相对较好。

但由于受采空区等因素的影响控制，经过综合论证对比，本段推荐方案确定仍采用沿高速公路方案。因此推荐方案的线路优化就更为重要。

表2 重大线路方案岩溶地质条件比较表

本段推荐线路由于通过范围内的岩溶区较长，隧道较多。因此尽量选择泉群分布区的外侧傍山通过，尽量降低隧道的长度，并抬升线路标高，从而降低对经过泉群的影响。

以隧道通过岩溶中等发育可溶岩地区，同时避免穿越岩溶水水平循环带及深部滞流带、避开暗河及大型泉点，选择在垂直渗流带中短距离通过。

3.2.4推荐意见

通过上述比较，沿京沪高速方案，完全绕避了采空区，大大降低了地质灾害的风险。此外，通过对线路的建议优化，本段隧道均为傍山隧道，均位于垂直渗流带中，并降低了隧道的长度，同时获得了济南泉水保护办部门的认可。

4 结语

济莱高铁位于齐鲁腹地，沿线地形地质条件复杂，生态环保要求严苛。沿线采空区、岩溶(水)问题较为突出。在充分总结汲取二院山区铁路综合选线技术经验的基础上，按照地区生态保护要求，加强了对泉水的保护，线路方案的选择在结合采空区影响基础上，结合较为适宜的定线原则，选取了岩溶地质条件相对较长但整体风险相对较小的方案。经线路方案优化比选，推荐的线路方案完全绕避了大型的采空区，同时短隧道、抬标高、快通过泉点发育区，降低了对泉群的影响，地质选线效果显著。