鄭萬(wàn)高速鐵路小三峽隧道選線(xiàn)分析

周定祥

(中鐵二院重慶勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 重慶 400023)

鄭萬(wàn)高速鐵路(鄭州—萬(wàn)州)位于豫、鄂、渝三省市境內(nèi)，是國(guó)家《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》中區(qū)際干線(xiàn)鐵路京-鄭-渝-昆大通道的重要組成部分。鐵路建成后可顯著改善西南地區(qū)，特別是重慶東北向鐵路的通道能力和質(zhì)量，對(duì)加快沿線(xiàn)旅游資源開(kāi)發(fā)，推進(jìn)沿線(xiàn)城鎮(zhèn)化進(jìn)程，帶動(dòng)沿線(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有積極意義。鄭萬(wàn)高速鐵路建成后，重慶至北京、武漢的旅行時(shí)間可由目前的12 h和6.5 h縮短至6 h和4 h以?xún)?nèi)，大大縮短時(shí)空距離，顯著提高鐵路運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量。

1 線(xiàn)路概況

鄭萬(wàn)高速鐵路線(xiàn)路長(zhǎng)818 km，設(shè)計(jì)時(shí)速350 km，總投資約 1 180億，橋隧比91.9%，是我國(guó)第一條橋隧比重超過(guò)90%的復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)高速鐵路。鐵路于2016年底開(kāi)工建設(shè)，計(jì)劃2022年底建成通車(chē)。

鄭萬(wàn)高速鐵路湖北、重慶段地處四川盆地邊緣和大巴山山系南麓，位于我國(guó)第二地勢(shì)階梯(1 000～2 000 m)與第三地勢(shì)階梯(1 000 m以下)過(guò)渡帶。線(xiàn)路穿越大洪山、荊山、大巴山山脈，途徑襄陽(yáng)盆地、南漳盆地，跨越唐白河、漢江、香溪河、神農(nóng)溪、大寧河、梅溪河、湯溪河、彭溪河等河流。總地勢(shì)西高東低、北高南低，山高谷深起伏大，線(xiàn)路多次克服峽谷間相對(duì)高差，縱坡呈“W”型，鄭萬(wàn)高速鐵路存在“四復(fù)雜”(地形條件復(fù)雜、地層巖性復(fù)雜、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、水文地質(zhì)條件復(fù)雜)和“三突出”(巖溶及巖溶水問(wèn)題突出、危巖落石問(wèn)題突出、巖堆滑坡問(wèn)題突出)問(wèn)題。

巖溶及巖溶水是控制線(xiàn)路方案走向的主要不良地質(zhì)，隨著地質(zhì)勘察工作的逐步深入，不斷優(yōu)化線(xiàn)路方案，減少可溶巖地段長(zhǎng)度。線(xiàn)路方案優(yōu)化后各設(shè)計(jì)階段巖溶長(zhǎng)度的變化如圖1所示。

圖1 各階段巖溶長(zhǎng)度變化圖

可研階段巖溶長(zhǎng)度為125.71 km，可研修編階段為114.27 km，初步設(shè)計(jì)階段為106.45 km，施工圖階段為92.48 km，占線(xiàn)路長(zhǎng)度的19.7%。

湖北、重慶段共有雙線(xiàn)隧道60座(其中10 km以上隧道11座)，共計(jì) 336 962 m，占線(xiàn)路長(zhǎng)度的71.5%，主要集中在湖北省南漳至重慶萬(wàn)州段。其中，小三峽隧道位于重慶奉節(jié)縣東部與巫山縣接壤地帶，隧道全長(zhǎng) 18 954 m，為全線(xiàn)最長(zhǎng)隧道，也是全線(xiàn)的控制性工程，屬Ⅰ級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)巖溶隧道。

高速鐵路線(xiàn)型標(biāo)準(zhǔn)、構(gòu)筑物沉降控制及軌道平順性等要求高，主要經(jīng)濟(jì)點(diǎn)、環(huán)境敏感點(diǎn)等限制條件多，對(duì)長(zhǎng)達(dá)數(shù)百公里的線(xiàn)路來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的以適應(yīng)地線(xiàn)為主的“地形選線(xiàn)”、“工程選線(xiàn)”及繞避不良地質(zhì)為主的“地質(zhì)選線(xiàn)”技術(shù)已難以完全滿(mǎn)足要求。基于此，在充分汲取成昆、寶成、南昆等既有山區(qū)鐵路經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)[1-3]及朱穎、魏永幸等人提出的“鐵路減災(zāi)選線(xiàn)”新理念的基礎(chǔ)上[4-6]，結(jié)合渝貴、渝懷二線(xiàn)勘察設(shè)計(jì)實(shí)踐和鄭萬(wàn)高速鐵路小三峽隧道巖溶地質(zhì)選線(xiàn)實(shí)際，提出了巖溶隧道選線(xiàn)的一種新思路與方法—“三維地質(zhì)選線(xiàn)”，即隧道平面選線(xiàn)、隧道縱斷面選線(xiàn)和隧道橫斷面選線(xiàn)。

2 小三峽隧道平面選線(xiàn)

小三峽隧道位于長(zhǎng)江以北，東為大寧河，南為長(zhǎng)江，西為瞿塘峽，北為草堂河、石馬河。線(xiàn)路穿越齊耀山背斜、巫山向斜、梁子上背斜的兩翼，主要不良地質(zhì)為順層偏壓、巖溶及巖溶水、巖堆、滑坡等。隧道以Ⅳ-13 520 m(81.59%)，Ⅴ-2 250.5 m(13.58%)為主，隧道設(shè)置“3橫洞+2平導(dǎo)+1斜井”的輔助坑道，總工期為48.7個(gè)月。

該段線(xiàn)路以大角度穿越齊耀山背斜，隧道洞身穿越可溶巖段落無(wú)法避免。汲取同走廊內(nèi)長(zhǎng)江南岸宜萬(wàn)鐵路穿齊耀山背斜的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，并充分借鑒渝利鐵路的研究成果[7]，設(shè)計(jì)前期開(kāi)展了大范圍選線(xiàn)研究。選線(xiàn)研究的總體思路為：盡量縮短線(xiàn)路穿越可溶巖強(qiáng)烈發(fā)育段和水平徑流帶的長(zhǎng)度，對(duì)利用長(zhǎng)江作為巖溶水排泄基準(zhǔn)面的南線(xiàn)系列方案和利用大寧河作為巖溶水排泄基準(zhǔn)面的北線(xiàn)系列方案同時(shí)開(kāi)展比選研究，線(xiàn)路方案示意如圖2所示。

圖2 小三峽隧道南北線(xiàn)系列方案示意圖

2.1 小三峽隧道南、北線(xiàn)系列方案研究

2.1.1 南線(xiàn)系列方案

對(duì)東端大寧河方案研究了沿江隧道設(shè)站方案、利用巫山站位沿江方案；對(duì)西端草堂河方案研究了經(jīng)白帝鎮(zhèn)方案和限速方案。經(jīng)綜合比選，推薦采用沿江隧道設(shè)站方案+經(jīng)白帝鎮(zhèn)方案D2K貫通。

2.1.2 北線(xiàn)系列方案

研究了DK方案、線(xiàn)路北移方案D2K和限速方案D3K。限速方案D3K線(xiàn)路繞行長(zhǎng)，運(yùn)行時(shí)分多、工程投資大，與線(xiàn)路北移方案相比，在穿越可溶巖強(qiáng)烈發(fā)育地段長(zhǎng)度、水頭高度方面無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)。經(jīng)綜合比選，推薦采用不限速的線(xiàn)路北移方案貫通。

對(duì)南、北線(xiàn)系列的推薦方案再進(jìn)行系統(tǒng)比較，優(yōu)中選優(yōu)，最終推薦工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、站位、橋位條件及工程投資均相對(duì)較好的北線(xiàn)系列線(xiàn)路北移方案D2K。

2.2 線(xiàn)路北移方案D2K的局部?jī)?yōu)化

在齊耀山北側(cè)線(xiàn)路北移方案D2K中，小三峽隧道以大角度穿越齊耀山背斜，因中硐河兩側(cè)為陡峭峭壁，危巖落石范圍廣、規(guī)模大，無(wú)法處理，線(xiàn)路選擇以長(zhǎng)隧方案暗挖通過(guò)D2K。原貫通方案在小三峽隧道進(jìn)口至中硐河段(D2K 665+815～D2K 670+800)段使用的平均縱坡為14.2‰，在滿(mǎn)足隧道頂板與中硐河溝底位置關(guān)系的前提下，有進(jìn)一步優(yōu)化線(xiàn)路平面曲線(xiàn)半徑、適當(dāng)靠河的可能性，因此增加研究了兩個(gè)對(duì)比方案，方案平面示意如圖3所示。

圖3 局部細(xì)化靠河、拔高方案示意圖

2.2.1 線(xiàn)路靠河方案(D4K)

從平面位置分析，該段線(xiàn)路路方案應(yīng)盡可能靠近東側(cè)大寧河排泄區(qū)，以使線(xiàn)路走行于地下水位水頭較低位置。故在保證中硐河處隧道不出露的情況下，研究了線(xiàn)路平面位置更靠近大寧河的方案。該方案中硐河溝底地面標(biāo)高H=330 m，軌面設(shè)計(jì)標(biāo)高H=304 m，小三峽隧道進(jìn)口至中硐河溝段采用6‰縱坡。

2.2.2 線(xiàn)路拔高方案(D5K)

從線(xiàn)路設(shè)計(jì)標(biāo)高分析，根據(jù)巖溶地區(qū)選線(xiàn)原則，該段線(xiàn)路方案應(yīng)盡可能拔高，使線(xiàn)路盡可能走行于水平循環(huán)帶之上，無(wú)法走行于水平循環(huán)帶之上時(shí)應(yīng)最大程度減小水頭高度，減少隧道防護(hù)措施。中硐河自西向東流入大寧河，溝底地面西高東低，故線(xiàn)路西移后，溝底標(biāo)高增加，按照設(shè)計(jì)規(guī)范[8-9]，線(xiàn)路最大縱坡可采用30‰，故可用足坡度將線(xiàn)位拔至更高。該方案硐河溝底地面標(biāo)高H=452 m，軌面設(shè)計(jì)標(biāo)高H=425 m。

經(jīng)研究比較，3方案的可溶巖長(zhǎng)度、巖溶發(fā)育程度、水平徑流帶長(zhǎng)度等條件基本一致。線(xiàn)路拔高方案D5K距離大寧河遠(yuǎn)約796 m，線(xiàn)路標(biāo)高高于線(xiàn)路靠河方案D4K約50～120 m，但其最大水頭高度僅降低15 m，且在D5K 670+385～D5K 671+335段穿越高陡岸坡形成的巖堆及鹽溶角礫巖，隧道圍巖較差，隧道橫洞長(zhǎng)度增加約800 m。綜合分析，推薦線(xiàn)路靠河方案D4K。

3 小三峽隧道縱斷面選線(xiàn)

中垌河為小三峽隧道洞身DK 670+000前后的深切溝谷，危巖落石發(fā)育、高差大，是線(xiàn)路方案的重要控制點(diǎn)，在線(xiàn)路平面位置確定的情況下，進(jìn)一步研究了既可躲避危巖落石、又可拔高線(xiàn)路的方案，即在小三峽隧道洞身中垌河設(shè)置明洞拔高的線(xiàn)路方案。利用隧道棄渣在中垌河上設(shè)置堤壩，堤壩上設(shè)置明洞，中垌河排水則通過(guò)在堤壩上游設(shè)置單獨(dú)泄水洞予以處理，如圖4所示。

圖4 小三峽隧道洞身中硐河平面地形圖

根據(jù)線(xiàn)路標(biāo)高的差異，對(duì)3個(gè)縱坡方案進(jìn)行了研究，分別為下穿中硐河不出露方案、上跨中硐河(壩高30 m)方案和上跨中硐河(坎高60 m)方案，各方案縱坡與中垌河相對(duì)高程關(guān)系如圖5所示，中垌河出露30 m低堤壩設(shè)明洞方案和出露60 m高堤壩設(shè)明洞方案斷面圖如圖6所示。

圖5 各方案縱坡與中垌河相對(duì)高程關(guān)系圖

圖6 中垌河出露30 m低堤壩明洞和出露60 m高堤壩明洞方案斷面圖(m)

對(duì)巖溶及巖溶水條件進(jìn)行分析，3方案的可溶巖長(zhǎng)度、巖溶發(fā)育程度基本一致，但在隧道穿越水平徑流帶長(zhǎng)度和水頭高度上有所差異，水頭高差最大約45 m，水平徑流帶最大長(zhǎng)度差為 3 015 m。3方案可溶巖分布特征及巖溶發(fā)育情況如表1所示。

從表1可以看出，在減小水頭高度和水平徑流帶長(zhǎng)度上，上跨中垌河方案有較大優(yōu)勢(shì)，但中垌河出露方案在減少水頭高度的同時(shí)，也帶來(lái)了新的問(wèn)題，即中垌河兩側(cè)危巖落石極其發(fā)育，線(xiàn)路要面臨高度超過(guò)650 m、塊徑大于10 m且呈楔形掉塊危巖落石的危脅。危巖落石對(duì)隧道明洞結(jié)構(gòu)影響分析和模擬計(jì)算的結(jié)果表明，現(xiàn)階段隧道明洞結(jié)構(gòu)不能抵御該處巨大的危巖落石，因此，中垌河出露方案安全風(fēng)險(xiǎn)極高。在巖溶和危巖問(wèn)題二者無(wú)法完全兼顧的前提下，最終推薦中硐河不出露方案(D4K方案)。

表1 巖溶及巖溶水比較表

4 小三峽隧道地質(zhì)橫斷面選線(xiàn)

與DK方案相比，D4K方案線(xiàn)路通過(guò)可溶巖長(zhǎng)度、水平徑流帶長(zhǎng)度及最大水頭高度均明顯減少，如表2所示，小三峽隧道水文、地質(zhì)條件得到了較大的改善。

表2 巖溶及巖溶水比較表

綜上可知，小三峽隧道進(jìn)口端穿越齊耀山背斜可溶巖無(wú)法避免，經(jīng)過(guò)南北系列方案比較及平(面)、縱(斷面)、橫(斷面)三維地質(zhì)選線(xiàn)，隧道近2/3位于非可溶巖，推薦繞避大型危巖落石、水文地質(zhì)條件相對(duì)較好的D4K方案。

5 小三峽隧道工程設(shè)計(jì)措施

小三峽隧道設(shè)計(jì)采用“3橫洞+2平導(dǎo)+1斜井”方案，通過(guò)設(shè)置“橫洞+平導(dǎo)”，進(jìn)口端實(shí)現(xiàn)了可溶巖段全部順坡排水施工，其中，長(zhǎng)6 324 m的1號(hào)平導(dǎo)起到超前探明地質(zhì)、排水泄壓和超前正洞增開(kāi)工作面快速施工的作用。為加快施工進(jìn)度，保障施工安全，對(duì)控制工期的工區(qū)采用大型機(jī)械化配套施工；對(duì)涌(突)水(泥)風(fēng)險(xiǎn)段加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)并考慮注漿堵水預(yù)案；對(duì)軟巖變形塌方段加強(qiáng)結(jié)構(gòu)支護(hù)；對(duì)處于風(fēng)景區(qū)的隧道洞口采取仰坡零開(kāi)挖進(jìn)洞。同時(shí)，為避免施工排水破壞小三峽風(fēng)景區(qū)水體，1號(hào)橫洞和2號(hào)橫洞洞口均設(shè)置污水處理站。整個(gè)隧道開(kāi)挖過(guò)程成功避免了巖溶隧道施工極易出現(xiàn)的突水、突泥及塌方等風(fēng)險(xiǎn)事故。科學(xué)選線(xiàn)和合理的工程措施是確保小三峽隧道提前1年貫通的關(guān)鍵。

6 結(jié)束語(yǔ)

鄭萬(wàn)高速鐵路小三峽隧道已于2020年7月26日全線(xiàn)順利貫通，較原計(jì)劃工期提前了1年。從后期施工開(kāi)挖揭示的地層巖性可以看出，勘察設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)該段地質(zhì)的認(rèn)識(shí)分析是科學(xué)合理的，采用的巖溶隧道選線(xiàn)原則“先繞避、短通過(guò)、抬高程、傍河邊、靠既隧、順坡排、淺覆蓋、防崩塌”[10]是正確的。

線(xiàn)路穿越中垌河段的后期施工中并未遇到較大巖溶突水突泥事件，這也驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的合理性，若設(shè)計(jì)時(shí)一味追求降低巖溶水壓而拔高線(xiàn)路，將會(huì)給運(yùn)營(yíng)埋下永久的安全隱患。因此，在單純巖溶地區(qū)的鐵路選線(xiàn)中應(yīng)遵循巖溶隧道選線(xiàn)原則，并結(jié)合“拔高”后帶來(lái)的其他地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)合理取舍。中硐河是一個(gè)典型案例，面臨“拔高”后是否再進(jìn)一步“拔高”的抉擇，就某一工點(diǎn)而言，巖溶風(fēng)險(xiǎn)存在一定不確定性，現(xiàn)階段的勘探手段很難全方位查明。而繼續(xù)“拔高”后危巖落石的危害則會(huì)給后期運(yùn)營(yíng)留下重大安全隱患。因此，在復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路選線(xiàn)過(guò)程中，應(yīng)采用“三維地質(zhì)選線(xiàn)”，始終把施工及運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)放在首位，從設(shè)計(jì)源頭做好特長(zhǎng)巖溶隧道的選線(xiàn)工作。