宜萬鐵路隧道工程特點及設計對策

苗德海,馬 濤,王 偉,李鳴沖

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

1 概述

宜萬鐵路東起湖北省宜昌市,西至重慶市萬州區,是鐵路進、出川渝地區的東通道之一,也是滬漢蓉快速鐵路通道的重要組成部分,線路全長 377km,為國家Ⅰ級干線電氣化鐵路,宜昌東至涼霧段為雙線,長 288 km,設計時速 160km,滿足開行雙層集裝箱貨運條件;涼霧至萬州段為單線,長 89km,設計時速 120km。宜萬鐵路平面見圖1。

線路位于云貴高原的東北麓,主要行經在長江與清江的分水嶺地帶,主要不良地質有巖溶、巖溶水、順層、滑坡、崩塌、巖堆、斷層破碎帶、瓦斯、高地應力等;其地形、地質條件之復雜集西南山區鐵路之大成,建設條件之艱、難、險居我國鐵路歷史之最,被多位院士和專家稱為世界級難題。全線共分布 159座隧道,總長338.771km,左線隧線比高達 60%。隧道工程于 2003年底開工,至 2009年 12月 10齊岳山隧道貫通,歷時 6年之久。8座Ⅰ級風險隧道的貫通,標志著我國已經成功攻克了巖溶隧道工程修建的世界級難題。宜萬鐵路隧道按長度統計見表1。

圖1 宜萬鐵路平面

表1 宜萬鐵路隧道統計

2 主要設計原則

2.1 建筑限界及內輪廓

宜昌至涼霧段隧道:根據《時速 160km新建鐵路線橋隧站設計暫行規定》、《新建客貨共線鐵路設計暫行規定》、《鐵路雙層集裝箱運輸裝載限界》等要求擬定隧道建筑限界及襯砌內輪廓,單線隧道內軌以上凈空面積為 44.97m2,雙線隧道內軌以上凈空面積不小于 78.4m2,雙線車站、三線車站及四線雙連拱車站隧道內輪廓,根據上述建筑限界和站場股道平面布置及車站內附屬設施安裝要求等重新擬定。

涼霧至萬州段隧道:采用“隧限—2A”建筑限界及內輪廓(圖2)。

2.2 襯砌結構

全線暗挖隧道采用復合式襯砌結構,明挖隧道采用整體式襯砌結構,高地應力軟巖大變形地段采用雙層初期支護的加強型支護結構(圖3),地下水發育地段考慮水壓的影響采用抗水壓襯砌結構(圖4)。

圖2 隧道建筑限界及內輪廓(160km/h)(單位:cm)

圖3 高地應力軟巖大變形的支護結構(單位:cm)

圖4 抗水壓襯砌結構(單位:cm)

2.3 軌道結構形式及類型

隧道工程約占線路長度的 60%,為減少道床維護工作量,降低運營維修費用,在宜昌至涼霧段 3km以上的隧道及齊岳山隧道內設置Ⅰ型雙塊式無砟軌道(CRTSⅠ),長約 200km,其余隧道采用有砟軌道。

2.4 防排水

隧道工程防排水遵照“防、排、堵、截結合,因地制宜,綜合治理”的原則,對位于垂直循環帶內的隧道,當遭遇溶隙、管道、溶洞時,盡量維系原有的排水通道;對處于水平循環帶內的隧道,當遭遇管道、溶洞、暗河時,宜考慮排水降壓的措施,降低施工風險,確保施工安全,隧道結構承受部分水壓力的作用;對于隧道穿越斷層破碎帶、不同巖性的接觸帶時,當采取排水方案造成介質大量流失、地層破壞,影響水文環境時,宜考慮“以堵為主、限量排放”的原則,隧道結構應考慮水壓力影響。

2.5 輔助坑道

宜萬鐵路巖溶、巖溶水發育,輔助坑道的選擇不僅需要考慮施工期限、地形、地質等條件,更要考慮排水、防災救援等方面的要求,長大隧道應優先選擇平行導坑、橫洞,慎重選擇斜井,避免設置豎井,全線共設置42座輔助坑道,其中平行導坑 7座—63026m、橫洞17座—5834m、斜井 10座—5139m、排水洞 8座—19395m,累計長度93394m。

2.6 運營通風、照明、消防救援等

在長度大于 8km的堡鎮、野三關、大支坪和齊岳山 4座隧道內設置運營通風,采用射流風機縱向式通風,風機集中堆放式布置于洞口端。

長度大于 3km的隧道設置冷光源固定式照明設備,長度大于 5km的隧道設置應急照明設備,其余隧道按有關規定配備照明電源接引條件。

在長度大于 5km的隧道,在洞口附近設置消火栓,隧道內有電氣設備處設置消防裝置;橫通道內設置防火門和報警電話,橫通道和貫通平導內設置應急照明和通訊設施。

3 隧道工程特點

3.1 地形困難,隧道眾多

宜萬鐵路沿線山高坡陡、河谷深切、地形困難,共設置 159座隧道,長 338.771km,左線隧線比高達60%,受技術標準及車站設置影響,全線設置了大量的車站、橋隧相連、燕尾式隧道;其中車站隧道 8座(圖5),橋隧相連隧道 13座(圖6),燕尾式隧道 16座。

圖5 車站隧道

圖6 橋隧相連隧道

3.2 巖溶、巖溶水發育巖溶類型多

宜萬鐵路隧道工程揭露的巖溶類型主要有暗河、溶洞、管道、裂隙等,其中穿越復雜暗河系統 20余條,遭遇大型高壓富水溶洞 30余處、大型充填半充填溶洞100多處、富水巖溶管道寬張裂隙 100余處。典型巖溶類型如表2所示。

3.3 工程難度大、施工風險高

宜萬鐵路沿線巖溶、巖溶水極為發育,暗河系統密布,多座隧道穿越溶洞、暗河及斷層,白云山、八字嶺、野三關、大支坪、馬鹿箐、齊岳山等隧道在暗河下部通過,云霧山、齊岳山、別巖槽等隧道穿越多條區域大斷裂,由于目前的超前地質預測預報技術手段只能宏觀預測,難以準確判釋,工程難度巨大,施工風險極高。

表2 典型巖溶類型

五爪觀隧道五爪觀暗河:位于車溪風景區上游,長度大于 1km,暗河下游為五爪觀電站,隧道直接穿越巖溶暗河大廳,大廳橫向寬 120m,縱向長 71m,洞內巖堆高聳,發育有石筍、鐘乳石等巖溶景觀,大廳內堆積物達數十萬方,實測暗河最大流量13500m3/h,五爪觀隧道遭遇的暗河大廳見圖7。采用“歸槽引流、抬升暗河、注漿加固”的處理方案,歷時 2年建設,才順利通過該暗河大廳。

圖7 五爪觀隧道遭遇的暗河大廳

云霧山隧道“+617”富水溶洞群:該溶洞群在Ⅰ、Ⅱ線均有發育,溶洞相互連通,縱向長度 20～60m,水壓達 0.84MPa。超前鉆孔探測過程中鉆孔曾發生突水、涌砂,水量約 800m3/h,噴射距離達 20m,造成Ⅰ線淹井1035m,Ⅱ線淹井 657m,涌砂1350m3,僅抽水及清淤就花費了近 2個月時間。如圖8所示。

圖8 云霧山隧道“+617”溶洞充填物

齊岳山隧道平導 PDK363+537巖溶裂隙:平導PDK363+537掌子面開挖 6h后,掌子面右軟弱夾層(厚 25cm左右)位置發生涌水,涌水量3500m3/h,涌水開始階段是渾水,后逐漸變清。由于涌水量大、速度快,淹沒平導 1347m,正洞 816m。涌水后,歷經近 3月的全力抽排,方恢復正常施工。如圖9所示。

3.4 自主創新成果顯著、科技含量高

在鐵道部有關部門的指導和支持下,根據隧道工程的實際需要,開展了大量科研攻關工作,自主創新成果顯著。

針對大型高壓富水斷層、大型富水充填溶洞等不良地質情況,提出了“排水減壓、注漿加固”注漿新理念,系統掌握了不同巖溶類型、不同水文地質條件下注漿技術;確定了不同水壓力條件下合理的隧道襯砌斷面形式、支護結構體系及施工方法,全面攻克了隧道穿越高壓富水斷層、高壓富水充填溶洞設計、施工的世界級難題。

圖9 齊岳山隧道PDK363+537巖溶裂隙涌水

針對隧道穿越大型溶洞的形態及充填性質等,系統研究了隧道襯砌結構、隧底基礎類型及施工方法等,創新地提出了雙層框架結構、非對稱拱形結構等,掌握了隧道穿越大型溶洞的關鍵技術,填補了隧道修建技術的多項空白。

系統分析了高地應力條件下軟弱圍巖大變形產生的機理,制定了“合理變形、剛柔并濟、多重支護、加強襯砌”的設計原則,創新地提出了適用于高地應力軟巖大變形隧道斷面形式、支護參數及施工方法。

4 設計對策

4.1 風險分級

根據隧道穿越的地層巖性、巖溶發育程度、地質構造、富水程度等指標將巖溶隧道劃分為Ⅰ級風險、Ⅱ級風險、一般風險 3類,進行分級管理,其中八字嶺、野三關、大支坪、云霧山、馬鹿箐、金子山、齊岳山、別巖槽 8座隧道為Ⅰ級風險隧道,高陽寨、魯竹壩 2號、龍麟宮等 26座隧道為Ⅱ級風險隧道,其余為一般隧道。巖溶隧道風險分級標準見表3。

表3 巖溶隧道風險分級標準

4.2 超前地質預測預報

超前地質預測預報是隧道施工地質工作最主要的工作內容,應作為一道工序納入施工組織設計中。其工作分為:(1)既有資料收集;(2)地質素描;(3)洞內外水文調查;(4)監測測試;(5)超前地質預測;(6)綜合分析判斷。根據勘察成果,分析隧道區內地質背景、巖性、構造及區域水文情況,按照每段可能出現的風險類型,劃分超前地質預測預報等級(A+、A、B、C),并確定其超前地質預測預報項目及數量。

4.3 排水減壓

宜萬鐵路沿線巖溶水異常發育,8座Ⅰ級風險隧道均位于水平循環帶,地下水位高,壓力大,威脅施工安全。針對馬鹿箐隧道“+978”溶洞、云霧山隧道“+617”溶洞群 、大支坪隧道 “+990”溶洞、野三關隧道“+602”溶洞等高壓富水溶洞,創新性地采用了逼近溶洞鉆孔排水降低溶洞水壓,排水洞接通溶洞的排水減壓新方法,消除了高壓富水溶洞的施工風險,保障了后續施工及結構安全。

4.4 注漿

隧道穿越充填型溶洞或大型區域斷層時,由于溶洞充填物或斷層介質工程力學條件差,特別是在高壓水的作用下極易塌方變形,甚至突水、突泥。為保證施工安全,必須對溶洞充填物、斷層介質進行注漿加固,但在高壓水條件下注漿難度呈數倍增加,宜萬鐵路在傳統注漿理論基礎上,提出了“排水減壓、注漿加固”注漿新理念,攻克了高壓富水條件下注漿技術難題。高壓富水條件下注漿方案見表4。

4.5 特殊結構設計

根據溶洞規模、形態、充填及地下水情況,創新采用了雙層框架結構(圖10)、不對稱拱形結構、偏壓斜墻結構、雙耳墻型結構等特殊結構及樁基承臺、樁基托梁、拱橋、板梁、復合地基等隧底結構(圖11)。

表4 高壓富水條件下注漿方案

圖10 雙層框架結構

圖11 復合地基隧底結構

4.6 防災報警系統

防災報警系統包括聲光報警、應急通信、電視監控、逃生通道、疏散標志、應急照明及供電系統、逃生裝備等[2]。Ⅰ級風險隧道施工時應配置聲光報警、應急通信、電視監控及應急照明供電系統,同時在正洞及輔助坑道內設置逃生通道及疏散標志,掌子面配備逃生裝備,以利于發生突發事件時隧道內人員安全、迅速撤離。

4.7 安全性監測

宜萬鐵路隧道地質條件復雜,采取了多種新型特殊結構,為及時掌握隧道結構工作狀態,對隧道結構安全性狀況做出評估,為隧道的施工處理和運營維護提供依據,對復雜隧道工點支護結構受力狀況進行了安全性監測。

監測項目包括水壓力監測、注漿加固圈穩定性監測、圍巖與初期支護接觸壓力監測、初期支護內力監測、初期支護與二次襯砌接觸壓力監測、二次襯砌內力監測、注漿加固圈滲水量監測、隧道基底沉降監測等。根據隧道的不同特點,選擇相應的監測項目,所有監測信息采用自動化采集、網絡化傳輸,實現監測分析自動化[3]。

5 重點隧道介紹

5.1 堡鎮隧道

堡鎮隧道長11595m,通過志留系下統的粉砂質、砂質頁巖,局部為炭質頁巖,埋深 630m,洞身最大水平主應力為 16MPa,屬極高應力區,極易產生大變形。綜合考慮高應力條件下隧道施工安全和進度、兩端接線條件、運營期間的救援與逃生、工程投資等因素,經過“雙線隧道 +平導”、“兩條單線隧道”、“單線隧道 +平導(后擴挖成單線隧道)”的方案比較,確定了“單線隧道 +平導(后擴挖成單線隧道)”的設計方案。

隧道穿越富水炭質頁巖段受褶皺影響強烈,裂隙極為發育,圍巖呈餅狀,噴錨支護最大水平收斂值為99cm,最大拱頂下沉值為 52cm,經過試驗測定、理論分析、數值模擬和現場監測相結合的方法,系統開展了軟弱圍巖大變形機理、極限位移管理標準、合理支護結構形式、支護結構安全性綜合評價等研究,確定了“合理變形、剛柔并濟”的設計原則,制定了“超前預加固、超短臺階開挖、雙層支護、加強襯砌”總體設計方案,為隧道的順利貫通提供了技術保障。

5.2 野三關隧道

野三關隧道長13833m,為全線最長隧道,最大埋深684m,縱坡為人字坡,進口段為燕尾式連拱、小間距隧道,其余段為 2條單線隧道,線間距 30m。隧道穿越灰巖地層 8.77km,占隧道的63%,區內發育 6條巖溶管道流和 12條斷層,巖溶水極其發育,為Ⅰ級風險隧道,全線控制性工程。野三關隧道地質平面見圖12。

圖12 野三關隧道地質平面

“+602”高壓富水充填溶洞發育在兩阻水層間的茅口、棲霞組灰巖中,縱向長 37m,橫向寬大于 50m,高大于 100m,通過斷裂、裂隙連通位于隧道拱頂以上220m的 3號暗河,溶洞內充填灰巖塊石、砂卵石、淤泥及水,塊石最大粒徑達 2m,最大涌水量 30萬 m3/h,歷經 2年的艱苦探索,采用釋能降壓、注漿加固、超前支護、加強結構的處理方案成功通過。野三關隧道 AA地質剖面見圖13。

圖13 野三關隧道A-A地質剖面

經過參建各方近 5年的共同努力,成功穿越了 2處大型暗河、12條斷層,戰勝了 30多次突水突泥,特別是“+602”大型高壓富水充填溶洞及 F18大型壓扭性斷層處理過程歷經艱辛,為復雜巖溶隧道的修建積累了寶貴經驗。

5.3 齊岳山隧道

齊岳山隧道全長10528m,最大埋深 670m,為單面下坡,除出口 704m為雙線車站隧道外,其余地段為單線,在隧道左側 30m處設置長10581m的貫通平行導坑。隧道進口段穿越齊岳山背斜構造,主要為碳酸鹽巖,長約 4.8km,發育 2條暗河系統,巖溶、巖溶水極發育;出口段穿越箭竹溪向斜構造,主要為碎屑巖地層,節理裂隙發育,局部地段富含高壓裂隙水;中部為得勝場槽谷段,為碳酸鹽和碎屑巖接觸部位,發育 F9、F10、F11斷層,并在隧道上方 220m處發育德勝場大型暗河系統,水量達 40萬 m3/d,為Ⅰ級風險隧道,全線控制性工程。齊岳山隧道F11高壓富水斷層段工程地質縱斷面見圖14。

圖14 齊岳山隧道 F11高壓富水斷層段工程地質縱斷面

位于隧道中部的 F11高壓富水區域斷層,規模宏大,沿隧道長約 240余 m,由灰巖、構造角礫巖、斷層泥等組成,巖體破碎,膠結差,現場超前地質探孔單孔涌水量達 790m3/h,實測水壓達 2.5MPa,受位于隧道頂部 220m的得勝場暗河影響,斷層段施工極可能發生大規模突水突泥,處理難度極大,施工風險極高;在總結國內外類似工程建設經驗基礎上,我院聯合科研院所開展科技攻關,進行了凍結法、全斷面注漿法的方案比選研究,開展了現場放水試驗、注漿試驗,在系統總結現場試驗結果和深入分析工程水文地質情況下,制定了“排水減壓、注漿加固、超前支護、結構加強”等綜合處理方案,實現了隧道穿越高壓富水斷層的安全施工。

該隧道修建歷時 6年之久,建設過程中遭遇大小溶洞 200余處,穿越了 3條暗河、15條斷層,建設期間發生大規模突水突泥10余次,淹沒隧道3次,歷盡艱辛,特別是成功穿越 F11區域大斷裂,實現了高壓富水復雜地質條件下隧道修建技術的突破。

6 結語

宜萬鐵路是我國在鄂西、川東復雜山區修建的一條干線鐵路,隧道穿越地區巖溶發育規模、多樣性、突水突泥的風險程度及工程處理難度為國內外罕見,工程之艱巨、施工風險之高、環境壓力之突出居我國鐵路歷史之最,參建各方連續 6年艱苦奮斗,依靠科技創新、技術進步,成功穿越了 20余條暗河、30余處高壓富水大斷裂、100余處大型溶洞,戰勝了 80余次突水突泥,創造了艱險山區高風險隧道修建的奇跡,取得的眾多科技創新成果可為我國巖溶地區隧道工程的修建提供有益的參考和借鑒。

[1] 苗德海.宜萬鐵路巖溶隧道災害及防治對策[J].鐵道標準設計,2000(7):96-98.

[2] 鐵道第四勘察設計院集團有限公司.宜萬鐵路復雜巖溶隧道施工防災報警系統設計方案[Z].武漢:2006.

[3] 中鐵第四勘察設計院集團有限公司.宜萬鐵路復雜巖溶隧道結構安全性監測專項設計[Z].武漢:2009.