宜萬鐵路復雜不良地質地段線路設計方案比選

彭學理

(鐵道部宜萬鐵路建設指揮部,湖北恩施 445000)

1 工程概況和地質特點

新建宜昌至萬州鐵路全長 377km,位于云貴喀斯特高原東北緣的鄂西、渝東山區,處于長江中下游東西向、新華夏系和淮陽山字形反射弧三個一級地質構造的交會點,地形條件特別惡劣。全線橋隧總長 288 km,橋隧與線路比高達 76%。鐵路沿線山高壁陡、河谷深切,巖溶地貌發育,構造復雜,不良地質普遍發育。巖溶、順層、滑坡、斷層破碎帶和崩塌等主要不良地質現象分布廣泛,占整個線路的 70%以上。

一般而言,設計鐵路都是“線路選線”,在方案比選時應該綜合考慮經濟、國防、環保、效益等因素,宜萬鐵路所經地區地質復雜,比選線路方案時對地質因素考慮得最多,更加注重“地質選線”。

2 廟灣至三圣寺改線

2.1 線路概述

宜萬鐵路廟灣隧道進口至三圣寺隧道出口(DK425+800～DK420+600)段線路,原施工圖設計中,線路出五橋車站后,跨轉咀河,進入廟灣隧道,穿帽盒山后至聯合壩,穿三圣寺隧道后至設計終點,長度為4.453km,主要工程有廟灣隧道(1074m)、帽盒山隧道(1454m)、三圣寺隧道(1505m)。

2.2 沿線自然特征

線路范圍內為中低山區,地形起伏較大,自然坡度10°～35°,局部陡崖地段達 50°以上,隧道進出口地形相對較緩,多辟為農田、居民點等。

2.3 地質構造

線路位于新華夏系大巴山脈向南推移形成的弧形隆皺帶的構造復合部位 ～龍駒背斜的北西翼邊緣,受構造影響較小,巖層形成一樞紐向 N10°W傾伏的寬緩向斜。

巖層產狀 315°∠16°,產狀較為平緩,傾向坡里,節理裂隙發育,巖層較為破碎,基巖面起伏較大。

2.4 水文地質特征

沿線松散堆積層分布有孔隙水,主要為大氣降水補給,地表水塘及其他具備補給水條件的水體也向地下滲透補給,在松散堆積層與巖土界面形成泉點排出地表。

泥巖中基巖裂隙水不發育;長石巖屑砂巖由于形成較高的陡坎,內賦存的裂隙水水量較少,降雨量大時則相對水量較大。

2.5 不良地質

2.5.1 廟灣隧道進口

廟灣隧道進口為單面坡,自然坡度 10°～20°,坡面大部為梯田和民房。隧道進口上方為一混凝土路面公路,以上有自來水凈化廠及居民點。

廟灣進口為一范圍較大的堆積體,線路在堆積體內以轉咀河 2號大橋、路基及廟灣隧道通過。堆積體物質組成基本為棕褐色粉質黏土夾碎塊石,硬塑,較為松散,厚 0.8～27.5m,一般厚 5.0～20m,下為紫紅色泥巖全 ～弱風化層。該堆積體在前期初測、定測、補充定測均已發現,但對其穩定性評價存在欠缺,認為現狀穩定。

廟灣隧道長1074m,其中進口段部分位于堆積體內,開挖過程揭示為強風化層。

由于堆積體較為松散,既往在公路、水廠、民房施工切坡發生堆積體變形,居民房屋地坪、墻壁開裂,因而被當地國土資源部門列為地質災害檢測點,部分居民搬遷。

廟灣隧道進口施工拉槽切坡形成局部臨空面,惡化堆積體工程地質條件,加劇堆積體變形。水廠進水管接頭被拉裂(大量表水灌入地下)、圍墻開裂,居民房屋既有裂縫擴大,在廟灣隧道進口上方左側約 20m公路邊溝處有一較大地下水出水點。堆積體現處于蠕動變形階段。

2.5.2 廟灣隧道出口

廟灣隧道出口自然坡度 15°～20°,線路左側為深溝,高差 15～20m。上有民房,現前傾,居民均早已搬遷。

廟灣出口為一范圍較大的堆積體,廟灣隧道出口在堆積體內通過。堆積體物質組成基本為崩塌形成的巨大塊石點對點接觸堆積,內充填棕褐色粉質黏土呈流塑狀,因充填物被隱伏水流沖蝕,可聽見地下水流聲。根據物探、鉆探資料,堆積體厚度 5～18m;下為紫紅色泥巖強風化層。巖土界面向線路大里程及左側陡傾,傾角在 15°～20°。堆積體高差 92m,長度 260 m,堆積體厚據鉆探 12m,影響線路長度 85m,約 22萬m3。

堆積體松散堆積在陡傾的巖土界面上,在自重和地下水的潛蝕作用下,以往發生變形,處于蠕動變形階段,被當地國土資源部門列為地質災害檢測點,居民均搬遷。堆積體整體不會快速移動,但逐步積累的位移對鐵路工程也將產生危害,同時局部拉槽揭露也易誘發工程滑坡。

經補充勘察、勘探,不良地質堆積體影響廟灣隧道出口及出口路基共長 85m。因堆積體下部塊石土無充填,設置抗滑樁整治及隧道底部注漿施工困難,存在施工期間安全隱患,質量難以保證,為今后運營留下安全隱患。

2.5.3 三圣寺隧道進口

三圣寺隧道進口自然坡度在 10°～25°,在線路路基施工高程以上 10～15m存在明顯陡緩分界。進口上方有萬州至五橋機場二級公路及高壓線塔。

三圣寺隧道進口為較大的堆積體,堆積物質組成基本為較為軟弱的泥質巖石風化剝落形成的棕褐色粉質黏土夾崩落的碎塊石,上部見有較多塊石。整個堆積體為一古滑坡。古滑坡厚 10～15m,高差 150m,軸長 300m左右,橫向寬 200～300m,總體積達 60萬 m3以上。線路小里程右側靠近滑體坡腳房屋挖基在土以下為砂、卵石沖積物,表明古滑坡舌掩埋了古河道,致使河流改道。現古滑坡雖然被長時期自然營力改造局部遭到破壞,但滑坡周界、滑坡舌等仍較為明顯。古滑坡在近 20年內機場路以下邊坡曾經發生局部坍滑,原居住老鄉均搬離。

古滑坡對應線路里程范圍為 DK425+520～DK425+800。堆積體上部因修建機場路切坡 3～5m,致堆積體變形,古滑坡局部復活,機場路路塹擋墻被擠裂,被當地國土部門列為地質災害檢測點。而下部無大的工程活動暫時處于穩定狀態。

隧道位于不良體中偏下部,在陡緩分界明顯的下部緩坡地帶通過,埋深小于 15m,大部分位于堆積層中,施工治理難度較大,且存在安全隱患。

原線位三圣寺隧道進口不良地質堆積體為淺埋段,松散堆積體隧道存在偏壓。洞口 60m長路塹中心挖深 12m,最大邊坡高度 16m,位于堆積體下部。下部切坡對不良地質堆積體將產生極為不利的影響,而堆積體體積達 60萬 m3以上,公路上部堆積體位移變形對下部堆積體的推移等因素在工程上較難克服。

2.6 主要線路方案比選

2.6.1 原施工圖設計線路方案工程地質條件的分析

廟灣隧道進、出口及三圣寺隧道進口不良地質堆積體體積達 11萬 m3、22萬 m3及 60萬 m3以上,由于人類工程活動已初步發展成工程滑坡,目前處于蠕動變形階段。

廟灣隧道進口線路基本平行堆積體滑動主軸,原位整治需采用地表強力支擋和洞內加強支護、襯砌通過,共需設 24根 C20鋼筋混凝土抗滑樁。

廟灣隧道出口原位整治需設置 26根鋼筋混凝土抗滑樁,隧道基底需注漿或采用樁基加固,施工期間安全質量難以保證,極易留下安全隱患。

三圣寺隧道進口原位整治經檢算需采用 C20鋼筋混凝土抗滑樁加固,初步估算每 10萬 m3加固費用達 600萬元左右,工程量巨大和整治費用巨大,即使強行整治仍存在較大的安全隱患。

鑒于原線位整治方案工程量巨大,經估算,整治后工程投資增加約4500萬元,且仍存在施工安全、運營安全隱患,且實施難度大,為此,研究了線路內移繞避不良地質體的改線方案。

2.6.2 改線方案

考慮轉咀河 2號大橋基礎、墩臺已基本成型,改線方案自原廟灣隧道進口開始,線路在原廟灣隧道出口、原帽盒山隧道進口右移約 140m,將原廟灣隧道、原帽盒山隧道連成 1座隧道;線路在距原帽盒山隧道出口約 210m,進入三圣寺隧道,并在其出口接原線位,至本次設計終點。改線后,線路長度 4.611km,較原線路長 157.93m。

改線方案主要工程為廟灣隧道(2649m)、三圣寺隧道(1742m)。如圖1所示。

圖1 廟灣—三圣寺隧道改線方案示意

2.7 改線方案的評價

改線后,線路增長約 157.93m,隧道長度增加 360延 m,涵洞減少 57.48延 m,曲線偏角加大并增加了 1處曲線,線形稍有惡化。

線路向山里內移,繞避了廟灣隧道出口及三圣寺隧道進口段不良地質體,使得鐵路工程結構物位于堆積體以下一定厚度范圍內,消除施工、運營安全隱患。但由于五橋車站的平面控制以及轉咀河 2號大橋墩臺施工完成,改線方案廟灣隧道進口段線位未做改動,此段仍存在地質不良體對線路的影響,采用地表強力支擋和洞內加強支護、襯砌通過。在堆積體上部設置強力支擋結構物后,阻止了已經形成滑動體對下部堆積體的推移,檢算轉咀河 2號大橋橋址處剩余下滑力為 0。轉咀河 2號大橋墩臺測量結果也未發現位移、變形跡象,避免了堆積體對轉咀河大橋的影響。

考慮到原線位工程地質條件的惡劣性,施工安全、運營安全難以保證,實施的難度大,本段線路按改線方案實施。

3 DK380改線

3.1 線路概述

自付家灣隧道進口至蓮花灘隧道出口,里程自DK377+476～DK381+300,線路長度 3.814km。本段線路位于齊岳山至萬州段、湖北省利川市與重慶市萬州區的交界;線路沿百丈溝右側走行,穿付家灣隧道后,通過 DK380+315～DK380+683段路基進入蓮花灘隧道。原施工圖設計中主要工程有付家灣隧道、蓮花灘隧道、DK380+315～DK380+683段路基及涵洞工程。

3.2 沿線自然特征

該段主要位于云貴高原的東北麓,屬低中山區,地形起伏陡峭,斜坡坡度 35°～50°,沖溝深切,陡崖林立,山頂較緩,絕對高度 650～1300m,相對高差 100～650m,“V”字形沖溝極發育。坡表植被發育,部分辟為耕地。線路右側軟硬巖層剝蝕、風化差異較大,硬巖多表現為陡崖絕壁,軟巖表現為緩坡,其間分布有大量危巖落石。

3.3 水文地質

基巖裂隙水不發育,松散堆積體中有少量孔隙滲水,水量受季節性影響大,雨季水量增大,付家灣隧道出口沖溝及周八蹬大橋沖溝見常年流水。

3.4 不良地質及物理地質

線路右側陡崖主要出露侏羅系長石巖屑砂巖與泥巖,兩者多為互層。泥巖軟弱,易風化形成緩坡,而長石巖屑砂巖層厚質硬,多形成陡崖,地形陡峻。受構造影響,巖體節理裂隙發育,形成大小不一的塊體,在不利結構面 (巖層面、節理、裂隙等)組合下,形成危巖(體),崩坍跨塌現象嚴重,為危巖落石集中發育地段,嚴重威脅施工和運營的安全。右側坡面分布大量落石,直徑 0.5～8m,呈單個巖體(塊)松散堆積在山前緩坡處,處于不穩定狀態,在各種外營力作用下,可能下滑或滾落,影響線路安全。同時,早期危巖落石在緩坡坡腳堆積形成巖堆,路基以路塹形式通過巖堆中部,在前部形成高而陡的臨空面,可能因工程活動存在既有巖堆沿巖土界面形成工程滑坡。

3.5 主要線路方案比選

本段線路,右側陡崖發育、左側溝谷深切;山坡上部近百米發育 3層巨厚層砂巖,節理發育,危巖和落石遍布,對下部線路威脅很大,存在施工、運營的安全隱患。為此,對該段線路的工點選型以及因工點選擇引起的改線方案在勘察(定測)的基礎上,進行了研究。

3.5.1 原施工圖方案

在付家灣隧道出口后,走行在下梁子臺地上,利用平緩地形以路基通過。主要工程有付家灣隧道(2708m)、蓮花灘隧道 (587m)、DK380+315～DK380+683段路基 368m。

3.5.2 改線方案

線路在付家灣隧道中部,里程 DK379+800左右設一右偏曲線,線路右偏后,在原線位里程 DK380+200上游 60m左右跨一沖溝,該處線路下挖 2m以涵洞通過;穿蓮花山后線路左偏,在出口段 DK381+087接原線路。研究范圍內線路長度為 3.827km。較原設計相比,線路增長約 13m。見圖2。

圖2 DK380改線方案示意

3.5.3 各方案地質條件分析

(1)施工圖方案

DK380+315～DK380+683段路基線路山坡上部近百米發育 3層巨厚層砂巖,節理發育,危巖和落石遍布,對下部線路威脅很大。同時早期危巖落石在緩坡坡腳堆積形成巖堆,以路塹形式通過巖堆中部,處理困難,也存在引起既有巖堆形成工程滑坡的可能。

(2)改線方案

該方案從根本上避開了原線位穿越的危巖落石和巖堆大型發育區,但同時也存在與原方案相似的工程地質問題,主要有改線后付家灣隧道出口坡積體、新增蓮花灘隧道進口巖堆體。

①付家灣隧道出口坡積體

位于一單面斜坡,自然坡度 20°,辟為水田,未見基巖。該斜坡上發育一較大規模坡積體,主軸順自然坡面與線路近平行,長300m,寬 165m,勘探厚度 20～25m。坡積體表層 Q4el+dl粉質黏土夾碎石、塊石或孤石,褐黃色,軟塑層厚度 2～3m,硬塑層厚約 17m,Q4el+dl碎石、塊石土,褐黃色,中密飽和,厚度 1～20m。地下水為淺層孔隙潛水,地下水最大埋深 29m,雨季時地下水位抬升。

自然條件下,除局部陡坎降雨引起坍塌外,坡積體整體上基本穩定。但施工開挖易引起坍滑。因此,平整施工場地過程中嚴禁挖斷坡腳,形成臨空面,至路肩以上隧道邊仰坡高度不得超過 6m,隧道施工前應完善地表排水系統,避免對坡積體進行不利的工程活動(場地平整切斷坡腳形成臨空面、排水不暢引起表水下滲等),誘發工程滑坡。原付家灣隧道也在該堆積體中通過,采取上述措施較為有效。

在隧道設計中考慮洞口接長明洞、基底注漿加固、長管棚跟進。

②繞行蓮花灘隧道進口巖堆體

蓮花灘隧道進口穿越一小山梁,線位處相對高差20～30m,自然坡度 20°～35°,山梁及兩側辟為水田、旱地、民房,進口斜坡及山梁、谷地表層,多被殘坡積或崩坡積物覆蓋,除谷地邊上的斜坡坡腳偶有基巖出露外,基本未見基巖出露,屬巖堆體淺埋段。其中進口斜坡及山梁 Q4el+dl粉質黏土夾碎石、塊石或孤石,褐黃色,硬塑,推測厚約 2～10m。淺埋谷地,表層為 Qel+dl4粉質黏土夾碎石、塊石或孤石,褐黃色,軟 ～硬塑,勘探孔厚度5m左右,下伏Q4col+dl碎石土、塊石土,褐黃色,松散 ～中密,成層性、分選性差,勘探孔厚度約 5～10 m。該巖堆體基本沿山梁兩側順沖溝延伸,山梁上薄,斜坡上尤其是靠近沖溝的坡腳厚,現狀基本穩定。另外表層零星分布大型落石,雖然現狀穩定,若附近線路施工活動,影響根基穩定,會影響施工或安全。

3.6 改線方案的評價

改線后,線路增長約13m,隧道長度增加 462延 m,其中付家灣隧道長度縮短 10m,且圍巖級別變好,但增加一橫洞;蓮花灘隧道增長 472延 m,Ⅴ級圍巖增長 279 m;路基長度減少 449m,且不需要采取加強措施。改線后,線路多以隧道通過,征地拆遷工程量減小。

原施工圖方案線形較好,線路順直;改線方案在付家灣隧道出口段增加一反向曲線,線形稍差,線路增長13m。

原施工圖方案在付家灣隧道出口、蓮花灘隧道進口、以及在 DK380+315～DK380+683段約 0.35km路基位于巖堆中和危巖落石區,嚴重威脅施工和運營的安全;改線方案基本以隧道通過,地質條件相對較好,減小了施工和運營中的安全隱患。

綜合比較兩方案的工程地質條件,改線方案實現了對原線位蓮花灘隧道進口嚴重的不良地質地段繞避的主要目的。線路以隧道通過一勞永逸,避免隱患。本段線路按改線方案實施。

4 結語

鐵路選線在方案比選時應該綜合考慮經濟、國防、環保、效益等因素,但在不良地質時宜“地質選線”,比選線路方案時對地質因素考慮得最多。當線路通過巖堆、危巖落石集中發育地段等不良地質體且難以規避時,宜采用多方案綜合比選,按照“兩害相權取其輕”的原則進行取舍。

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