蘭渝鐵路特殊復雜地質隧道軌道結構形式選型

趙 建 軍

(蘭渝鐵路有限責任公司，甘肅 蘭州 730000)

蘭渝鐵路特殊復雜地質隧道軌道結構形式選型

趙 建 軍

(蘭渝鐵路有限責任公司，甘肅 蘭州 730000)

針對蘭渝線軟巖隧道施工中的技術難題，分析了隧道內無砟軌道調整為有砟軌道的可行性及必要性，并結合施工地質、變形、監測情況，提出了軌道結構選型調整的技術方案，確保蘭渝線鐵路運營環境的安全可靠。

隧道，無砟軌道，有砟軌道，鐵路

0 引言

蘭渝鐵路具有區域地質構造背景最復雜、出露的地層巖性最全、遇到的特殊巖土和不良地質現象種類最多、通過的軟巖段落最長、沿線附近不良地質最發育、全線多屬于極高～高地應力區、沿線地震活動強烈等“五最一高一強”的復雜地質特征。由于所處的特殊地理位置及地質環境，遇到了前所未有的地質難題，諸如高地應力軟巖大變形、第三系富水粉細砂巖地層等特殊地質，隨之也產生了多種重大復雜工程地質問題，如特殊復雜地質條件下長大隧道的軌道結構選型就是其一。

1 研究背景

蘭渝線素有“地質博物館”之稱，是一條國內外在建、已建地質條件最復雜的高標準山區鐵路。按照現行規范及項目設計批復，長度不小于6 km的胡麻嶺、木寨嶺、哈達鋪、馬家山、同寨、新城子、毛羽山、羅沙、天池坪、化馬等隧道應鋪設CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道。

蘭渝線地形地質條件異常復雜。蘭州至大草灘段兩座隧道穿越第三系富水粉細砂巖地層地段，大草灘至隴南段均為高地應力作用下二疊、三疊和志留系薄層板巖、炭質板巖、炭質千枚巖等軟質巖地段。高地應力隧道軟巖大變形和第三系富水粉細砂巖隧道流砂、涌泥、涌水、塌方現象極為突出。多座高地應力隧道普遍出現初期支護噴混凝土開裂、掉塊，鋼架扭曲、斷裂及侵限破壞等現象，甚至個別隧道出現長段落二襯開裂及仰拱上鼓等病害；而第三系富水粉細砂巖在我國路內外尚未遇到過類似的地下洞室工程實例，是一個世界性技術難題，具有異常復雜的水穩特性，對其穩定性預測和判定目前也缺乏足夠的經驗，相關標準也未做出規定。多位國內外知名專家認為：“蘭渝線隧道受構造、斷層、高地應力、地下水等多種因素的影響，二疊系、三疊系、志留系炭質板巖、板巖、炭質千枚巖等軟弱圍巖大變形是施工中遇到的特殊地質問題，不能采用現行的圍巖級別進行劃分，應根據高地應力大變形的特點，加強初期支護強度及剛度，寧強勿弱，必要時預留二次支護空間，杜絕拆換”。根據專家意見，經過參建各方幾年多的摸索、試驗，結合科研情況，基本掌握了蘭渝線軟巖隧道變形特征、變形規律，提出了蘭渝線軟巖大變形分級預測、驗證標準，以及針對不同大變形級別的支護措施。采用大變形分級后基本上有效的控制了變形，減少了大面積的變形拆換，但馬家山、同寨、新城子、毛羽山、天池坪、化馬等隧道仍有拆換，甚至個別隧道還出現了仰拱開裂上鼓、二襯裂損等病害，嚴重困擾著無砟軌道的鋪設。同時考慮到高地應力軟巖隧道變形持續時間長，流變現象極為突出，且調研也顯示高地應力軟巖隧道在施工后2年～3年，甚至5年～6年圍巖變形才能最終穩定。

因此，第三系富水粉細砂巖地層的胡麻嶺隧道及胡麻嶺、木寨嶺、哈達鋪、馬家山、同寨、新城子、毛羽山、羅沙、天池坪、化馬等高地應力軟質大變形地段的隧道，能否繼續按無砟軌道施作，有無調整成有砟軌道的必要性和可能性，需要進行研究分析。

2 軌道結構選型調整的可行性及必要性分析

2.1 無砟軌道調整為有砟軌道的可行性分析

蘭渝鐵路批復為時速200 km/h客貨共線鐵路，施工圖設計6 km以上隧道均為無砟軌道。截至2015年6月底，全線隧道除胡麻嶺、木寨嶺、新城子、毛羽山隧道未貫通外，其他均已貫通，且部分隧道已完成隧道墊層的施工。在此現狀基礎上，研究隧道內軌道結構形式能否由無砟調整為有砟。

由于路基、橋梁、隧道地段無砟軌道和有砟軌道結構高度均不同，調整軌道結構形式時可有設計坡度不調整、軌下結構調整，調整設計坡度方案兩大類方案。長大足坡段落整體調整設計坡度方案雖可避免已施作墊層廢棄，但存在雙線地段鐵路雙層集裝箱運輸隧道建筑限界(SJX-SD)拱肩部位超出隧道建筑限界達152 mm的問題，同時已施作橋梁受力及結構均不能滿足要求；局部調坡方案可滿足橋梁受力及結構要求，但存在超限坡及隧道超出隧道建筑限界達152 mm的問題；故調坡方案不可行。

根據設計標準圖，不論單、雙線隧道，其有砟與無砟隧道限界完全一致，從限界上分析無砟軌道限界同時可適用于有砟軌道。單、雙線無砟軌道與有砟軌道軌下結構主要差異為仰拱上抬約15 cm(見表1)。但均可在保持線路標高不變情況下，充分利用無砟軌道基礎墊層空間進行墊層厚度調整，以滿足有砟軌道77 cm標高要求(如圖1，圖2所示，僅以雙線隧道為例)。因此，采用不抬線路標高，取消(已施作段鑿除)無砟軌道基礎墊層的方案，將無砟軌道改有砟軌道在技術上是可行的。

表1 單、雙線隧道無砟軌道與有砟軌道軌下結構對比分析表

2.2 無砟軌道改有砟軌道必要性分析

1)高地應力軟巖流變特性。

蘭渝線通過的二疊系炭質板巖、三疊系板巖以及志留系炭質千枚巖地等高地應力軟巖地層，巖層產狀多大角度直立，變形以水平收斂變形為主，雖然施工中出現了長段落的變形拆換，個別隧道局部段落還出現了仰拱變形上鼓、開裂現象，但現場通過支護加強、優化曲率等措施有效的控制了變形，基礎沉降觀測也顯示隧道沉降總體趨于穩定狀態。從最近的變形、開裂情況看，新城子隧道等軟巖隧道二襯開裂多在襯砌完成后1年～2年出現,仰拱開裂上鼓也是在襯砌完成后1年～2年發現,甚至個別隧道二襯4年才出現開裂現象，變形具有流變效應；為了確保運營安全和易養護維修，有必要將高地應力軟巖局部段落調整為有砟軌道。

2)泥巖膨脹性。

通過以往無砟軌道病害調查資料顯示，膨脹性是無砟軌道病害產生的主要原因之一，而泥巖具有膨脹性，施工仰拱時若未將積水等清掃干凈，使得圍巖遇水膨脹，極易導致仰拱出現上鼓開裂病害，造成無砟軌道破壞，如石太客專太行山隧道和遂成線云頂隧道均因圍巖膨脹造成無砟軌道病害，同樣蘭渝線廣重段玄真觀隧道洞身圍巖以泥巖為主，因病害原因調整為有砟軌道，而蘭渝線胡麻嶺隧道出口為泥巖，施工期間仰拱已出現開裂上鼓病害，雖多次采用加強措施，但仍出現開裂現象。

3)第三系砂巖特殊復雜的水穩性。

第三系富水粉細砂巖具有特殊復雜的水穩特性，施工中采用了地表深井加洞內超前等綜合降水，帷幕、旋噴及徑向注漿，六部CRD、九部雙側壁等特殊開挖工法，施工周期復雜漫長，期間不斷發生涌水、涌泥、變形、坍塌等問題，整個施工過程始終處于不穩定狀態，對于運營期間該段總體質量狀況，不可預見的因素或隱患較多，無砟軌道對該類地層有很大的未知性，一旦出現問題后維修養護難度極大。

綜上所述，鑒于蘭渝線高地應力軟巖的流變特性、泥巖的膨脹性和第三系砂巖特殊復雜的水穩性，運營期間存在著一定程度的不可預見性，一旦隧底出現病害，由于無砟軌道可調范圍非常小，再行整治難度極大，并會嚴重影響線路運營。故從以后運營安全角度和運營期間無砟軌道的維護難度考慮，結合施工中揭示的特殊地質情況和變形情況，有必要將上述地層個別隧道局部段落由無砟軌道改為有砟軌道。

3 無砟軌道改有砟軌道方案分析

具體方案分析應充分結合開挖地質、變形、監測等情況，本著“降低風險、確保安全、不留隱患”的原則，對第三系弱成巖粉細砂巖的胡麻嶺隧道和高地應力軟巖集中段木寨嶺、哈達鋪、馬家山、同寨、新城子、毛羽山、天池坪、化馬等9座隧道進行研究。

3.1 胡麻嶺隧道

胡麻嶺隧道起訖里程DK68+626～DK82+237,全長13 611 m。洞身穿越地層主要地層有第四系砂質黃土，第三系砂巖、泥巖、礫巖；其中洞身第三系砂巖開挖擾動后多呈飽和粉細砂狀，自穩能力極差，該類地層的隧道屬于“國內罕見，世界難題”，以Ⅵ級圍巖為主。施工開挖揭示，地下水主要分布在第三系砂巖層中，水量不大，但由于第三系砂巖成巖差，泥質弱膠結，結構脆弱，遇水極易軟化，加之開挖擾動，在水的作用下工程性質迅速惡化，圍巖穩定性差，常伴有涌水涌砂現象，變形大，坍塌頻繁。洞身仰拱出現開裂上鼓共計3段總長406 m，裂縫寬8 mm～43 mm，隆起高度20 mm～41 mm。

整治前，開裂段監測最大隆起高度為43 mm，監測顯示變形仍未穩定，呈緩慢上升趨勢，實測沉降量在-1.98 mm～0.9 mm之間，其余測點沉降總體表現出趨于穩定的變化趨勢。整治后，非病害段實測沉降量在-2.44 mm～0.09 mm之間，病害段實測沉降量在-1.66 mm～0.72 mm之間，累計沉降量變化較小，當前沉降總體表現出趨于穩定的趨勢。

胡麻嶺隧道出口段泥巖強度低、具有膨脹性。2011年2月仰拱施工后，自2011年6月—2013年12月均有仰拱隆起開裂現象，變形時間長、變形具有蠕變特性，且在支護措施不斷加強后，仰拱填充仍出現開裂上鼓病害，現場沉降觀測也顯示個別測點存在變形趨勢；同時基于第三系砂巖的特殊復雜性和未知性,考慮建成后列車荷載作用下是否會導致砂巖液化、仰拱下方出現空洞、隧底下沉等風險，目前國內外尚無可借鑒的工程經驗，分析第三系砂巖段以鋪設有砟軌道為宜。

故結合第三系砂巖及泥巖分布情況，分析將胡麻嶺洞身第三系砂巖(DK76+350～DK79+600，3 250 m)及出口泥巖段(DK79+600～DK82+237，2 637 m)調整為有砟軌道，同時考慮到有砟無砟過渡問題將(DK76+150～DK79+350，200 m)也調整為有砟軌道；即將DK76+150～DK82+237(6 087 m)段調整為有砟軌道，其余地段仍按無砟軌道施作。

3.2 新城子隧道

新城子隧道進口DK268+013～DK272+250段為下第三系礫巖、砂巖，夾泥巖；出口DK272+250～DK277+168段以三疊系中統板巖為主，最大水平主應力值為11.45 MPa～21.28 MPa,存在高地應力軟巖大變形問題。新城子隧道出口設計為喇叭口，見圖3。

截止目前，新城子隧道洞身仰拱出現病害的共計11段總長189 m，主要集中在出口大跨、連拱及兩單段，且仰拱也是在施工完成后1年時間出現縱向貫通裂縫。綜合判斷，由于三疊系板巖強度低、地應力值高，地應力是引起隧道病害的主要因素，對隧底變形及襯砌開裂起主導作用，同時小近距段左右線施工相互影響極大，也是變形開裂十分重要的原因。

整治前，開裂段監測最大隆起高度為3.45 mm，監測顯示變形呈穩定趨勢。整治后，目前非病害段實測沉降量在-0.59 mm～0.54 mm之間，病害段實測沉降量在-1.91 mm～1.45 mm之間，測點累計沉降量變化較小，當前沉降總體表現出穩定的趨勢。

鑒于新城子隧道設計為喇叭口隧道，出口三疊系板巖段施工期間變形較大，結構受力較正常隧道斷面更為復雜，考慮高地應力段變形歷程長，流變突出，故分析將出口洞身病害段即高地應力流變現象突出的地段DK275+625～DK277+159(1 534 m)調整為有砟軌道，同時考慮無砟有砟過渡問題將DK275+425～DK275+625(200 m)也調整為有砟軌道，即DK275+425～DK277+159(1 734 m)調整為有砟軌道；其余洞身段施工期間變形較小且無病害,基礎沉降監測顯示變形趨于穩定，仍維持無砟軌道。即出口喇叭口地段DK275+425～DK277+159洞身1 734 m(446 m)調整為有砟軌道，其余7 412 m仍按無砟軌道施作。

3.3 毛羽山隧道

毛羽山隧道地層全部以三疊系薄層板巖為主，洞身最大水平主應力值為11.45 MPa～21.28 MPa,存在高地應力軟巖大變形問題。截止目前，毛羽山隧道洞身仰拱出現病害的共計6段總長124 m。

整治前，開裂段監測最大隆起高度為2.47 mm，監測顯示變形呈穩定趨勢。整治后，目前非病害段實測沉降量在-2.57 mm～1.96 mm之間，病害段實測沉降量在-1.53 mm～2.12 mm之間，測點累計沉降量變化較小，當前沉降總體表現出趨于穩定的變化趨勢。

毛羽山隧道與新城子隧道出口相連，地質條件和結構形式與新城子隧道一致，洞身圍巖以三疊系板巖為主，施工期間變形極大，仰拱也出現開裂上鼓病害。考慮該段絕大部分仰拱開裂變形滯后施工時間在半年以上，時間最長的近2年左右，具有流變效應、變形歷程長的特點，而目前的理論及工程經驗尚難以準確判斷變形全過程與隧道結構的相互關系，同時鑒于相鄰類似隧道新城子隧道喇叭口段二襯病害的問題，本著“降低風險、不留隱患”原則，分析毛羽山進口喇叭口DK277+312～DK278+900(1 588 m)段調整為有砟軌道，同時考慮到無砟有砟過渡問題將DK278+900～DK279+100(200 m)也調整為有砟軌道，洞身其余地段仍按無砟軌道施作。即進口喇叭口地段DK277+312～DK279+100洞身1 788 m(455 m)調整為有砟軌道，其余6 717 m仍維持無砟軌道。

毛羽山隧道進口示意圖見圖4。

3.4 其他高地應力軟巖大變形隧道

木寨嶺、哈達鋪、馬家山、同寨、天池坪、化馬等6座隧道，均屬于高地應力軟巖大變形隧道，施工過程中發生了不同程度的初支變形、二襯開裂、仰拱隆起。經過整治及整治前后變形數據分析，變形呈穩定趨勢。鑒于以上隧道均為正常斷面隧道，根據整治效果、變形趨勢分析，分析以上隧道仍維持無砟軌道。

4 結語

蘭渝鐵路地質極其復雜，變形、開裂、仰拱隆起量大實屬罕見。根據開挖的地質情況、變形檢測分析，從遠期運營、維護角度慎重研究選擇軌道結構形式是十分必要的。通過對已施工隧道限界、軌道結構形式分析，本著“降低風險、確保安全、不留隱患”的原則，結合各隧道結構特點、變形趨勢等提出了局部無砟調整為有砟的技術方案。調整軌道結構形式僅僅是對變形原因復雜、尚缺乏工程經驗的問題選擇一個較為安全和較為保守的方案，不是目的。立足攻克技術難題，為軌道結構提供一個可靠環境，減少運營維護工作量，消除運營安全隱患才是目的。

[1] 王繼軍，尤瑞林，杜香剛，等.重載鐵路隧道內無砟軌道結構選型分析[J].鐵道建筑，2013(5)：50-51.

[2] 魏永恒.山西中南部鐵路通道隧道內鋪設無砟軌道適應性研究[J].鐵道建筑,2014(12)：29-30.

[3] 蔣 奎,肖琪蓉，江吉兵.石太客運專線特長隧道Ⅰ型板式無砟軌道施工與造價[J].隧道建設,2009(5)：15-17.

[4] 蔣 全.武廣客運專線無砟軌道施工關鍵技術[D].長沙：中南大學學位論文，2008.

[5] 劉向明.路基上CRTS Ⅰ型板式無砟軌道空間受力分析[D].長沙：中南大學學位論文，2012.

[6] 陳文榮.列車荷載作用下雙塊式無砟軌道力學性能理論與試驗研究[D].長沙：中南大學學位論文，2014.

[7] 胡傳武.無砟軌道性能綜合評價與分析[D].成都：西南交通大學學位論文，2008.

[8] 李俊剛.遂渝鐵路無碴軌道樁網結構施工技術[J].路基工程，2006(4)：40-41.

[9] 艾曉東.無碴軌道基礎工程變形控制的關鍵施工技術[J].石家莊鐵道學院學報，2006(2)：15-16.

On type selection for tunnel rail structural forms with special and complicated geological features along Guangyuan-Chongqing Railway

Zhao Jianjun

(Guangyuan-ChongqingRailwayCo.,Ltd,Lanzhou730000,China)

According to the technical problems in the soft rock tunnel projects along Guangyuan-Chongqing tunnel,the paper analyzes the feasibility and necessity for replacing the ballastless rail with the ballast rail in the tunnel,and points out the technical scheme for the adjustment for the type selection of the rail structure by combining with the construction geology,deformation,and supervision,so as to ensure the safety and reliability of the operation environment for the railway.

tunnel,ballastless rail,ballast rail,railway

2015-10-18

趙建軍(1983- )，男，工程師

1009-6825(2015)36-0179-03

U451 < class="emphasis_bold">文獻標識碼：A

A