十大關鍵詞論宜萬鐵路建設

張 梅,朱鵬飛,黃鴻健,張民慶

(鐵道部工程管理中心,北京 100844)

1 百年夢想

1903年,清王朝受大興鐵路熱潮的影響,為改變出川只通水路的現狀,擬定出修建川漢鐵路的動議。次年,川漢鐵路總公司在成都成立。當時修建川漢鐵路的資金,釆用“田畝加賦”的方法加以籌集,打破了國外列強以直接經營、中外合辦、貸款等手段,控制中國鐵路筑路權的壟斷。四川幾乎家家“參股”,集資達1670余萬兩白銀,反映出全川7000萬民眾對盼望鐵路的迫切之情,同時也成為日后保路運動興起的最大誘因。商辦川漢鐵路開工儀式如圖1所示。

圖1 商辦川漢鐵路開工儀式

1908年,留學歸來的詹天佑被聘為川漢鐵路總工程師,開始了艱辛的地質勘探、線路選定等前期工作,經反復斟酌,確定了先修建宜昌至秭歸 160km段的鐵路。

1909年,川漢鐵路宜歸段從宜昌開工建設,起初有6000多名筑路員工投入施工,逐步形成為 4萬多人云集鐵路全段的宏大建設場面。此后近兩年的時間里,宜歸鐵路段在十分艱難的條件下將幾座橋梁、涵洞、車站基本建成,線路鋪設 20多 km,上風埡隧道也快修通,但就這來之不易的筑路局面,不久就因清王朝的腐敗無能而被迫中斷。

1911年,清政府將川漢鐵路與粵漢鐵路收歸國有,對集資鐵路公司和民眾進行了極不合理的補償,又與美英德法四國簽訂了鐵路借款合同,實際就是借用外債請洋人來修建鐵路,這一做法遭到了各省的強烈反對,因而引發了著名的保路運動,直接導致了辛亥革命的爆發,隨著清政府最終垮臺,川漢鐵路宜歸段前期建設前功盡棄。

1913年,民國政府交通部接收了川漢鐵路,但無作為。

1914年,詹天佑滿懷強國報國之心,又對川漢鐵路進行重新勘測,選取了新的走向線路,但均因國家處于多事之秋,軍閥混戰,民不聊生,而壯志未酬,川漢鐵路建設就此中斷……

新中國成立以來,黨中央、國務院對修建川漢鐵路高度重視。20世紀 60年代,毛澤東、周恩來、朱德等老一輩黨和國家領導人先后聽取時任西南局第一書記李井泉、鐵道部部長呂正操等關于請示修建川漢鐵路匯報,后因該項目投資過大,且隧道修建技術不過關,以及“文革”的影響,未付諸實施。

20世紀 90年代,川鄂人民要求修建川漢鐵路的呼聲再起,江澤民同志在全國人大會議期間認真聽取了關于盡快修建枝城(宜昌)至萬州鐵路的匯報,但由于該項工程地質復雜,投資浩大,又未列入國家計劃。

進入新世紀后,隨著我國改革開放的深入,國家經濟、科技實力的日益增強,宜萬鐵路建設也由此突破了歷史的陳規,迎來了新的春天。在以胡錦濤為總書記的黨中央親切關懷下,宜萬鐵路建設快速啟動:2001年納入國家“十五”計劃;2002年 6月 19日,國務院總理辦公室研究同意宜萬鐵路立項。同年 7月 4日,國家計委正式下文批準宜萬鐵路項目立項。

2003年 11月 12日,國務院總理辦公會通過宜萬鐵路可研報告,同年 12月 1日,宜萬鐵路奠基儀式在湖北恩施隆重舉行,從此拉開了大規模建設的序幕。宜萬鐵路奠基儀式如圖2所示。

圖2 宜昌至萬州鐵路奠基儀式

2009年 12月 10日,隨著宜萬鐵路最后一座隧道——齊岳山隧道的貫通,宜萬鐵路隧道工程全部貫通,這標志著經過長達 6年的努力,宜萬鐵路已進入收官階段,一個延續百年的夢想,正在變為美麗的現實。為紀念宜萬鐵路建設的艱辛歷程,在齊岳山隧道貫通之日,于隧道洞口立“宜萬鐵路高風險隧道群建設紀念碑”,如圖3所示。紀念碑全文為“宜萬鐵路,東起宜昌,西迄萬州,跨長江,依清江,穿武陵,八百里。凡齊岳山,八大隧道,極高風險,斷層、暗河、巖溶、高壓富水、突泥突水,世界罕見。參建將士,依靠科技,集各方智慧,眾志成城。歷六載春秋,不畏艱險,揮淚灑血,攻堅克難,堅韌不拔,可歌可泣!巴蜀荊楚變通途,創筑路奇跡。為銘記建設者‘挑戰禁區,敢為天下先'的宜萬精神,參建單位共立此碑,永志紀念。”。

圖3 宜萬鐵路高風險隧道群建設紀念碑

2 突水突泥

宜萬鐵路東起既有鴉宜鐵路花艷站,西至既有達萬鐵路萬州站,是鐵路進出川渝地區的東通道之一,也是滬漢蓉快速鐵路客運通道的重要組成部分。滬漢蓉快速鐵路客運通道途經滬、蘇、皖、鄂、渝、川 6省市,聯接長江上、中、下游,是橫跨我國東中西部的重要鐵路通道,是連接東中西部的重要紐帶。宜萬鐵路地理位置如圖4所示。

圖4 宜萬鐵路地理位置

宜萬鐵路線路全長 377.128km,其中湖北省境內線路長度 324.424km,重慶市境內線路長度 52.704 km。宜昌東至涼霧段一次建設復線,設計時速 160 km;涼霧至萬州段單線,設計時速 120km。宜萬鐵路宜昌東(含)至涼霧(含)段一次復線地段分布車站 12個,近期開放宜昌東、宜昌南、賀家坪、巴東、建始、恩施、利川共 7個車站。涼霧站作為利川至涪陵線接軌站,在修建渝利線時開放。車溪、榔坪、落水洞、白果共4個車站作為預留站,視運量增長情況適時增開。涼霧(不含)至萬州段分布車站 9個,近期開放齊岳山、羅田、魚背山、五橋和萬州共 5個車站。預留汪營、關倉坪、谷雨和柑子園共 4個車站。

宜萬鐵路全線共設計隧道 159座,全線約 70%的工程位于灰巖地層,該地區巖溶強烈發育,地質條件極端復雜,多座長大隧道通過可溶巖地層,并組成不同類型的儲水構造,在地殼運動和特殊的水動力作用下形成復雜的巖溶管道、溶隙網絡系統,隧道遭遇災害性的突水突泥和誘發環境地質災害的可能性極大,隧道突水突泥風險巨大。部分隧道埋深達 800m以上,且構造復雜,高地應力軟巖大變形問題非常嚴重,加上廣泛存在的區域大斷裂、滑坡、巖堆、危巖落石、瓦斯、天然氣、高地溫等,工程艱巨,建設難度極大。

突水突泥是宜萬鐵路巖溶隧道最為典型的地質難題,其中馬鹿箐隧道和野三關隧道突水突泥規模大、影響大。

2006年 1月 21日,馬鹿箐隧道出口平導開挖到3174m(PDK255+978),注漿加固后開挖出砟時,突然發生突水突泥,最大涌水量 72萬 m3/h,突泥 8萬m3,淤積隧道長度 2600m,其中平導1600m、正洞1000m。突水突泥造成多名作業人員遇難,經濟損失巨大。突水突泥如圖5所示。

2007年 8月 5日,野三關隧道出口開挖到5444m(DK124+602),出砟時,突然發生突水突泥突石,最大涌水量約 15萬 m3/h,涌出泥砂與塊石約5萬 m3,淤積隧道長度 500m,將洞內大量機械設備沖走并扭曲解體,造成多名作業人員遇難,經濟損失巨大。突水突泥突石見圖6。

圖5 馬鹿箐隧道突水突泥

圖6 野三關隧道突水突泥突石

3 風險管理

宜萬鐵路風險管理從識別評估、決策管理、技術應對和安全措施 4個體系入手進行管理。宜萬鐵路風險管理體系組織模式框架見圖7。

4 超前預報

針對隧道工程,在勘察階段,設計單位投入了大量的人力、物力、財力,在充分收集、分析和研究以往既有資料的基礎上,以遙感判譯先行,以補充、深入、擴大地質測繪和巖溶水文地質調查為基礎,充分發揮 V6、GDP-32、EH-4等地球物理勘探方法的作用,并開展了深孔鉆探取芯和鉆孔內水文試驗、綜合測井、地應力測試、瓦斯測試、跨孔 CT、全景式數字攝影等工作,以及結合石樣、土樣、水樣化驗,重要泉點、暗河長期水文觀測,基本上查明了地層巖性、地質構造,以及存在的主要重大地質問題和可能發生重大地質災害的原因、位置、規模、危害程度,并提出了相應的工程處理措施,以盡力避免或減少工程事故的發生,消除或降低工程風險。但是,由于受地質條件復雜性的影響,特別是針對長大巖溶隧道,由于受國內外現有儀器設備和技術水平現狀的影響,僅通過地表勘察很難查明深部所有大大小小、形態各異的巖溶細節,并且受勘探精度控制,一些異常體的位置、重要地層界面和斷層位置會與實際情況可能存在一定的出入,甚至局部地段出入較大。因此,很有必要在施工階段進行施工地質超前預報,將地質超前預報納入工序管理,嚴格執行“有疑必探、不探不進”的安全施工理念是十分重要,也是十分必要的。

圖7 宜萬鐵路復雜隧道風險管理體系

宜萬鐵路全線 13座重點巖溶隧道共實施水平鉆探54938m、地震波法預報 352次、地質雷達 421次、隧底復查600022m、隧底巖溶鉆探4342m、暗河物探8920m、地質素描一般 1次/1～2個循環 1次,紅外探水基本上隨著隧道的掘進而跟進測量、超前炮孔一般都按設計要求施作。根據現場實際實施效果,針對風險隧道,建立了巖溶隧道預報模式:以地質分析為基礎,物探先行、鉆探驗證,以加深炮孔為最終控制環節。建立了符合現場實際的不同地質環境條件下預報模式。

(1)對一般巖溶隧道,采用“地質素描、加深炮孔”預報模式。

(2)對較復雜巖溶隧道,采用“地質素描、地震波法、水平超前鉆探(1孔)、加深炮孔”預報模式。

(3)對復雜巖溶隧道,采用“地質素描、地震波法、水平超前鉆探(多孔)、地質雷達、加深炮孔”預報模式。

預測預報模式如圖8所示。

圖8 隧道工程施工地質超前預測預報模式

5 釋能降壓

釋能降壓技術是針對隧道施工中所遇到的高壓富水充填溶腔,選擇適當的時機,采取有計劃、有目的的精確爆破,把溶腔打開,釋放溶腔內所存儲的高壓泥水,削減勢能,降低泥水壓力,從而消除隧道溶腔處理的高風險。然后,對溶腔進行清淤、加強支護、快速通過、及時施作底部結構和二次襯砌等配套處治措施來完成溶腔段的施工。

釋能降壓技術的 4個決定性關鍵因素:一是如何對溶腔進行較為準確的判斷,分析溶腔的地質特征、水文特征、規模特征、環境特征,研究釋能降壓的可行性和可靠性;二是如何將需要爆破的巖溶邊界進行準確的鎖定,為一次爆開溶腔提供技術支持;三是如何進行專項的精確爆破設計,確保一次爆開溶腔;四是對溶腔爆開后的各種情況進行準確的判斷,確定針對性的快速處理方案,同時還要對環境影響進行全面評估。

釋能降壓技術必須要有一個嚴格的管理機構和嚴密的安全措施。管理體系包括識別評估體系、決策管理體系、技術應對體系和安全措施體系 4個環節。安全保障體系包括水文監測專項設計、洞外排水系統專項設計、洞外警戒系統專項設計、洞內排水線路專項設計、洞內相鄰洞室分隔專項設計、洞內外預警系統專項設計、進洞條件專項設計、進洞觀察安全撤離線路專項設計共 8個方面的內容。釋能降壓技術結構見圖9。

釋能降壓技術可劃分為 5個步驟:查找溶腔、判釋溶腔、鎖定溶腔、打開溶腔、處治溶腔。概括為 24字施工方針:探介質、鎖邊界、選時機、精爆破、嚴監控、暢排放、細處理、勤檢查。

圖9 釋能降壓技術結構框圖

宜萬鐵路馬鹿箐隧道 978溶腔、云霧山隧道 526溶腔、野三關隧道 602溶腔、大支坪隧道 990溶腔、齊岳山 629溶腔成功實施釋能降壓技術,徹底消除了施工風險,工程取得了決定性突破。

6 信息化注漿

信息化注漿技術是結合宜萬鐵路齊岳山隧道 F11高壓富水斷層研究開發的一項新技術。

信息化注漿技術是根據隧道周圍土體是不均勻的,由于透水性不同造成水量也是不均勻的,因此,通過施作不等厚的加固體來抵抗松動圈。在水量小的區域可以采用 3～5m的加固圈,對滲透性強、水量大的區域予以加強。其工作原理見圖10。

信息化注漿工藝流程共分為 4個步驟。

(1)分區定位:按對隧道外 3～5m基本注漿加固區進行注漿預設計。選取周邊 4～6個注漿孔進行鉆探注漿,遇水頂水,遇破碎加固。通過這 4～6個孔確定隧道周圍強水區與弱水區。

圖10 信息化注漿技術工作原理(單位:m)

(2)基本注漿:完成探孔后,對基本注漿區進行鉆孔注漿。基本注漿區只設計 2圈,外圈孔位于隧道外3～5m,內圈孔為 1～3m。嚴格按照“先外圈后內圈,同圈間隔跳孔”的順序進行注漿。

(3)區域強化:對鎖定的強水區進行補注漿加固,注漿范圍為 5～8m。

(4)效果檢查:高壓富水地層既要達到堵水效果,又要起到加固作用,因此,應嚴格按制定的標準進行注漿效果檢查,不達到標準必須進行補注漿。

信息化注漿技術與全斷面帷幕注漿技術相比較,在保證注漿效果的前提下,注漿進度可提高 1倍,注漿費用節省約 50%。齊岳山隧道平導全斷面帷幕注漿與信息化注漿完成后掌子面注漿孔比較見圖11、圖12。

圖11 全斷面帷幕注漿掌子面注漿孔

圖12 信息化注漿掌子面注漿孔

信息化注漿在齊岳山隧道 F11斷層剩余的工程中共實施了 27個循環,成功地解決了齊岳山隧道 F11高壓富水斷層施工難題。與全斷面帷幕注漿法相比,注漿更有針對性,注漿孔數量減少了一半以上,注漿速度提高了一倍,注漿造價也降低了一半。

7 防災預警

在風險隧道施工中必須安裝配置合適的防災害聲光報警裝置,報警裝置應形成系統,一旦有災害預警應立即發出警報,傳給洞口工區的項目經理部值班室,值班室立即啟動應急通信、應急照明并指揮洞內人員安全撤離;正洞、各輔助坑道、橫通道必須配置足夠數量的應急照明裝置,并應確保在有災害發生時能提供足夠亮度的照明指示以利洞內人員逃生;在正洞與平導(如有)之間,在預測高風險段落增設逃生橫通道。

7.1 視頻監控系統

為掌握施工現場情況、及時發現施工隱患、提前防患做好準備,電視監控必須實時無誤地反映施工現場情況。圖13為齊岳山隧道洞內視頻監控系統照片。

圖13 齊岳山隧道洞內施工全過程監控系統

7.2 聲光報警系統

聲光報警是指當隧道內某一工作面出現險情時,可在第一時間警報施工人員撤離現場,為現場施工人員贏得撤離時間,從而能最大限度地減少傷亡,達到安全施工的目的。系統由應急報警按鈕(無線和有線方式兼容)、聲光報警器、報警裝置、報警主機、系統軟件等組成。

7.3 應急通信系統

分別在 8座隧道內的施工工作面地段、隧道內其他有人值班地段設置應急電話機,在隧道兩邊洞口或斜井洞口的工棚內,分別設置電話集中機,構成以洞口工棚內值班員為中心的電話系統。

7.4 應急照明系統

在隧道進出口及斜井處各設 1套應急照明配電箱,接引施工用變壓器低壓側 380/220V電源;對于特長隧道,可根據隧道照明等負荷容量,在隧道內分段設置配電箱供電,其電源接引洞內隧道施工用 380/220 V電源。

應急照明燈具在隧道內(平導內)每隔 40m設 1盞,燈具為自帶蓄電池應急照明燈,燈具應急時間為90min,燈具容量每盞按 20W計,采用電纜沿隧道壁掛鉤敷設,由應急照明回路接引電源;隧道橫通道處設置橫通道燈箱。

7.5 逃生路線系統

正洞與平導之間,盡量利用現有設計橫通道(間距400m左右)作為逃生橫通道,對于反坡施工極可能發生大型突水突泥的地段,可適當增設逃生橫通道,以規避施工風險。逃生橫通道內應設置應急照明裝置,并嚴禁放置雜物,確保人行暢通。順坡施工地段掌子面后方設逃生爬梯,以備人員暫避。每處施工掌子面應至少保持有 1名安全警戒人員。在距每處掌子面最近的 2處橫通道(逃生通道)兩側設置安全防護門,每處防護門處常設安全警戒人員 1名,在有災害預警時根據具體災情決定防護門的關閉時機。對無軌運輸的隧道要保障隧道內通道暢通,有軌運輸的隧道要專門劈出一條供逃生車輛運行的通道。

逃生路線是在災害發生時,施工人員應采取最佳的逃生路線,施工中情況復雜,發生災害時施工作業人員分散,施工單位結合現場的具體施工情況,合理運用,并結合應急報警系統輸入到電腦軟件中,以便找到最佳逃生路線。

7.6 逃生設備系統

各開挖工作面根據作業人數需要,配備自動充氣救生服及救生圈,順坡排水施工地段各開挖工作面配備一定數量的自動充氣救生筏,由專人負責維護及管理;施工地段掌子面后方隧道側壁設置一定數量逃生爬梯;施工單位應保障模板臺車及各種作業臺車的梯子完好,以備人員暫避,事故發生時應由專人發放救生服、救生圈等設施,并打開自動充氣救生筏,將模板臺車及逃生爬梯上暫避的人員接上救生筏逃生。

7.7 應急排水系統

洞內(井內)必須分別設置滿足施工期排水需要的機具設備和材料;同時,對 8座Ⅰ級風險隧道以相鄰的隧道集中儲備50000m3/d以上的抽水能力的機具設備和材料,并應保證設備狀態良好。

7.8 應急供電系統

隧道施工應急疏散電源在隧道進出口或斜井處就近接引施工用變壓器低壓側 380/220V電源,隧道洞內電源接引洞內隧道施工用 380/220V電源。

8 水文監測

水文監測內容包括巖溶地下水的補給來源、排泄點以及反映地下水特征的各要素,如降雨量、涌水點、涌水量、水壓、水位等,對監測的數據需進行整理和分析。

隧道內涌水監測,因隧道內涌水具有不確定性、突發性和快速性,涌水點難以確定,需要邊施工邊觀察,發現涌水點及時監測。涌水觀測內容:涌水點的位置、性質(裂隙 、溶洞)、涌水量(初期 、最大、正常 )、涌水延續時間、地下水的含泥情況(混濁度)以及涌水期間的天氣狀況。

對超前涌水鉆孔除進行水量觀測外,還需進行水壓測試。

9 進洞條件

對于高風險隧道,根據日降雨量、水壓力、泄水洞日排水量等實行進洞安全等級管理,確定進洞施工警戒條件,確保施工人員絕對安全,如馬鹿箐隧道的安全等級見表1。齊岳山隧道安全等級管理見表2。

表1 馬鹿箐隧道安全施工等級管理

表2 齊岳山隧道進口安全施工等級管理

10 巖溶處理

宜萬鐵路巖溶隧道工程已揭露的巖溶1088處,其中巖溶洞穴中溶腔約占 90%,巖溶管道約占 7%;巖溶裂隙約占 3%,暗河主要在野三關隧道和五爪觀隧道中有揭露。各類巖溶形態案例情況見表3。

隧道巖溶發育雖千奇百怪、復雜多變,無規律性,但也有其內在的類型特征。針對宜萬鐵路已揭示的1088處巖溶及巖溶水,根據其不同的類型特征,采取 5種分類方式,從而 “對癥下藥”,制定出“規模對策”、“充填性對策”、“充填物對策”和“水對策”,實現巖溶“標準化”治理。

根據巖溶分類,針對不同類型巖溶,制定基本處治對策見表4。

表3 巖溶形態案例

表4 隧道巖溶處理技術方案

[1] 張 梅,張民慶,朱鵬飛,等.高壓富水充填溶腔釋能降壓技術[J].中國工程科學,2009(12):13-19.

[2] 朱鵬飛.宜萬鐵路巖溶隧道風險管理[J].中國工程科學,2009(12):20-25.

[3] 劉招偉,張民慶,王樹仁.巖溶隧道災變預測與處治技術[J].北京:科學出版社,2007.