宜万铁路隧道工程特点及设计对策

苗德海,马 涛,王 伟,李鸣冲

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

1 概述

宜万铁路东起湖北省宜昌市,西至重庆市万州区,是铁路进、出川渝地区的东通道之一,也是沪汉蓉快速铁路通道的重要组成部分,线路全长 377km,为国家Ⅰ级干线电气化铁路,宜昌东至凉雾段为双线,长 288 km,设计时速 160km,满足开行双层集装箱货运条件;凉雾至万州段为单线,长 89km,设计时速 120km。宜万铁路平面见图1。

线路位于云贵高原的东北麓,主要行经在长江与清江的分水岭地带,主要不良地质有岩溶、岩溶水、顺层、滑坡、崩塌、岩堆、断层破碎带、瓦斯、高地应力等;其地形、地质条件之复杂集西南山区铁路之大成,建设条件之艰、难、险居我国铁路历史之最,被多位院士和专家称为世界级难题。全线共分布 159座隧道,总长338.771km,左线隧线比高达 60%。隧道工程于 2003年底开工,至 2009年 12月 10齐岳山隧道贯通,历时 6年之久。8座Ⅰ级风险隧道的贯通,标志着我国已经成功攻克了岩溶隧道工程修建的世界级难题。宜万铁路隧道按长度统计见表1。

图1 宜万铁路平面

表1 宜万铁路隧道统计

2 主要设计原则

2.1 建筑限界及内轮廓

宜昌至凉雾段隧道:根据《时速 160km新建铁路线桥隧站设计暂行规定》、《新建客货共线铁路设计暂行规定》、《铁路双层集装箱运输装载限界》等要求拟定隧道建筑限界及衬砌内轮廓,单线隧道内轨以上净空面积为 44.97m2,双线隧道内轨以上净空面积不小于 78.4m2,双线车站、三线车站及四线双连拱车站隧道内轮廓,根据上述建筑限界和站场股道平面布置及车站内附属设施安装要求等重新拟定。

凉雾至万州段隧道:采用“隧限—2A”建筑限界及内轮廓(图2)。

2.2 衬砌结构

全线暗挖隧道采用复合式衬砌结构,明挖隧道采用整体式衬砌结构,高地应力软岩大变形地段采用双层初期支护的加强型支护结构(图3),地下水发育地段考虑水压的影响采用抗水压衬砌结构(图4)。

图2 隧道建筑限界及内轮廓(160km/h)(单位:cm)

图3 高地应力软岩大变形的支护结构(单位:cm)

图4 抗水压衬砌结构(单位:cm)

2.3 轨道结构形式及类型

隧道工程约占线路长度的 60%,为减少道床维护工作量,降低运营维修费用,在宜昌至凉雾段 3km以上的隧道及齐岳山隧道内设置Ⅰ型双块式无砟轨道(CRTSⅠ),长约 200km,其余隧道采用有砟轨道。

2.4 防排水

隧道工程防排水遵照“防、排、堵、截结合,因地制宜,综合治理”的原则,对位于垂直循环带内的隧道,当遭遇溶隙、管道、溶洞时,尽量维系原有的排水通道;对处于水平循环带内的隧道,当遭遇管道、溶洞、暗河时,宜考虑排水降压的措施,降低施工风险,确保施工安全,隧道结构承受部分水压力的作用;对于隧道穿越断层破碎带、不同岩性的接触带时,当采取排水方案造成介质大量流失、地层破坏,影响水文环境时,宜考虑“以堵为主、限量排放”的原则,隧道结构应考虑水压力影响。

2.5 辅助坑道

宜万铁路岩溶、岩溶水发育,辅助坑道的选择不仅需要考虑施工期限、地形、地质等条件,更要考虑排水、防灾救援等方面的要求,长大隧道应优先选择平行导坑、横洞,慎重选择斜井,避免设置竖井,全线共设置42座辅助坑道,其中平行导坑 7座—63026m、横洞17座—5834m、斜井 10座—5139m、排水洞 8座—19395m,累计长度93394m。

2.6 运营通风、照明、消防救援等

在长度大于 8km的堡镇、野三关、大支坪和齐岳山 4座隧道内设置运营通风,采用射流风机纵向式通风,风机集中堆放式布置于洞口端。

长度大于 3km的隧道设置冷光源固定式照明设备,长度大于 5km的隧道设置应急照明设备,其余隧道按有关规定配备照明电源接引条件。

在长度大于 5km的隧道,在洞口附近设置消火栓,隧道内有电气设备处设置消防装置;横通道内设置防火门和报警电话,横通道和贯通平导内设置应急照明和通讯设施。

3 隧道工程特点

3.1 地形困难,隧道众多

宜万铁路沿线山高坡陡、河谷深切、地形困难,共设置 159座隧道,长 338.771km,左线隧线比高达60%,受技术标准及车站设置影响,全线设置了大量的车站、桥隧相连、燕尾式隧道;其中车站隧道 8座(图5),桥隧相连隧道 13座(图6),燕尾式隧道 16座。

图5 车站隧道

图6 桥隧相连隧道

3.2 岩溶、岩溶水发育岩溶类型多

宜万铁路隧道工程揭露的岩溶类型主要有暗河、溶洞、管道、裂隙等,其中穿越复杂暗河系统 20余条,遭遇大型高压富水溶洞 30余处、大型充填半充填溶洞100多处、富水岩溶管道宽张裂隙 100余处。典型岩溶类型如表2所示。

3.3 工程难度大、施工风险高

宜万铁路沿线岩溶、岩溶水极为发育,暗河系统密布,多座隧道穿越溶洞、暗河及断层,白云山、八字岭、野三关、大支坪、马鹿箐、齐岳山等隧道在暗河下部通过,云雾山、齐岳山、别岩槽等隧道穿越多条区域大断裂,由于目前的超前地质预测预报技术手段只能宏观预测,难以准确判释,工程难度巨大,施工风险极高。

表2 典型岩溶类型

五爪观隧道五爪观暗河:位于车溪风景区上游,长度大于 1km,暗河下游为五爪观电站,隧道直接穿越岩溶暗河大厅,大厅横向宽 120m,纵向长 71m,洞内岩堆高耸,发育有石笋、钟乳石等岩溶景观,大厅内堆积物达数十万方,实测暗河最大流量13500m3/h,五爪观隧道遭遇的暗河大厅见图7。采用“归槽引流、抬升暗河、注浆加固”的处理方案,历时 2年建设,才顺利通过该暗河大厅。

图7 五爪观隧道遭遇的暗河大厅

云雾山隧道“+617”富水溶洞群:该溶洞群在Ⅰ、Ⅱ线均有发育,溶洞相互连通,纵向长度 20～60m,水压达 0.84MPa。超前钻孔探测过程中钻孔曾发生突水、涌砂,水量约 800m3/h,喷射距离达 20m,造成Ⅰ线淹井1035m,Ⅱ线淹井 657m,涌砂1350m3,仅抽水及清淤就花费了近 2个月时间。如图8所示。

图8 云雾山隧道“+617”溶洞充填物

齐岳山隧道平导 PDK363+537岩溶裂隙:平导PDK363+537掌子面开挖 6h后,掌子面右软弱夹层(厚 25cm左右)位置发生涌水,涌水量3500m3/h,涌水开始阶段是浑水,后逐渐变清。由于涌水量大、速度快,淹没平导 1347m,正洞 816m。涌水后,历经近 3月的全力抽排,方恢复正常施工。如图9所示。

3.4 自主创新成果显著、科技含量高

在铁道部有关部门的指导和支持下,根据隧道工程的实际需要,开展了大量科研攻关工作,自主创新成果显著。

针对大型高压富水断层、大型富水充填溶洞等不良地质情况,提出了“排水减压、注浆加固”注浆新理念,系统掌握了不同岩溶类型、不同水文地质条件下注浆技术;确定了不同水压力条件下合理的隧道衬砌断面形式、支护结构体系及施工方法,全面攻克了隧道穿越高压富水断层、高压富水充填溶洞设计、施工的世界级难题。

图9 齐岳山隧道PDK363+537岩溶裂隙涌水

针对隧道穿越大型溶洞的形态及充填性质等,系统研究了隧道衬砌结构、隧底基础类型及施工方法等,创新地提出了双层框架结构、非对称拱形结构等,掌握了隧道穿越大型溶洞的关键技术,填补了隧道修建技术的多项空白。

系统分析了高地应力条件下软弱围岩大变形产生的机理,制定了“合理变形、刚柔并济、多重支护、加强衬砌”的设计原则,创新地提出了适用于高地应力软岩大变形隧道断面形式、支护参数及施工方法。

4 设计对策

4.1 风险分级

根据隧道穿越的地层岩性、岩溶发育程度、地质构造、富水程度等指标将岩溶隧道划分为Ⅰ级风险、Ⅱ级风险、一般风险 3类,进行分级管理,其中八字岭、野三关、大支坪、云雾山、马鹿箐、金子山、齐岳山、别岩槽 8座隧道为Ⅰ级风险隧道,高阳寨、鲁竹坝 2号、龙麟宫等 26座隧道为Ⅱ级风险隧道,其余为一般隧道。岩溶隧道风险分级标准见表3。

表3 岩溶隧道风险分级标准

4.2 超前地质预测预报

超前地质预测预报是隧道施工地质工作最主要的工作内容,应作为一道工序纳入施工组织设计中。其工作分为:(1)既有资料收集;(2)地质素描;(3)洞内外水文调查;(4)监测测试;(5)超前地质预测;(6)综合分析判断。根据勘察成果,分析隧道区内地质背景、岩性、构造及区域水文情况,按照每段可能出现的风险类型,划分超前地质预测预报等级(A+、A、B、C),并确定其超前地质预测预报项目及数量。

4.3 排水减压

宜万铁路沿线岩溶水异常发育,8座Ⅰ级风险隧道均位于水平循环带,地下水位高,压力大,威胁施工安全。针对马鹿箐隧道“+978”溶洞、云雾山隧道“+617”溶洞群 、大支坪隧道 “+990”溶洞、野三关隧道“+602”溶洞等高压富水溶洞,创新性地采用了逼近溶洞钻孔排水降低溶洞水压,排水洞接通溶洞的排水减压新方法,消除了高压富水溶洞的施工风险,保障了后续施工及结构安全。

4.4 注浆

隧道穿越充填型溶洞或大型区域断层时,由于溶洞充填物或断层介质工程力学条件差,特别是在高压水的作用下极易塌方变形,甚至突水、突泥。为保证施工安全,必须对溶洞充填物、断层介质进行注浆加固,但在高压水条件下注浆难度呈数倍增加,宜万铁路在传统注浆理论基础上,提出了“排水减压、注浆加固”注浆新理念,攻克了高压富水条件下注浆技术难题。高压富水条件下注浆方案见表4。

4.5 特殊结构设计

根据溶洞规模、形态、充填及地下水情况,创新采用了双层框架结构(图10)、不对称拱形结构、偏压斜墙结构、双耳墙型结构等特殊结构及桩基承台、桩基托梁、拱桥、板梁、复合地基等隧底结构(图11)。

表4 高压富水条件下注浆方案

图10 双层框架结构

图11 复合地基隧底结构

4.6 防灾报警系统

防灾报警系统包括声光报警、应急通信、电视监控、逃生通道、疏散标志、应急照明及供电系统、逃生装备等[2]。Ⅰ级风险隧道施工时应配置声光报警、应急通信、电视监控及应急照明供电系统,同时在正洞及辅助坑道内设置逃生通道及疏散标志,掌子面配备逃生装备,以利于发生突发事件时隧道内人员安全、迅速撤离。

4.7 安全性监测

宜万铁路隧道地质条件复杂,采取了多种新型特殊结构,为及时掌握隧道结构工作状态,对隧道结构安全性状况做出评估,为隧道的施工处理和运营维护提供依据,对复杂隧道工点支护结构受力状况进行了安全性监测。

监测项目包括水压力监测、注浆加固圈稳定性监测、围岩与初期支护接触压力监测、初期支护内力监测、初期支护与二次衬砌接触压力监测、二次衬砌内力监测、注浆加固圈渗水量监测、隧道基底沉降监测等。根据隧道的不同特点,选择相应的监测项目,所有监测信息采用自动化采集、网络化传输,实现监测分析自动化[3]。

5 重点隧道介绍

5.1 堡镇隧道

堡镇隧道长11595m,通过志留系下统的粉砂质、砂质页岩,局部为炭质页岩,埋深 630m,洞身最大水平主应力为 16MPa,属极高应力区,极易产生大变形。综合考虑高应力条件下隧道施工安全和进度、两端接线条件、运营期间的救援与逃生、工程投资等因素,经过“双线隧道 +平导”、“两条单线隧道”、“单线隧道 +平导(后扩挖成单线隧道)”的方案比较,确定了“单线隧道 +平导(后扩挖成单线隧道)”的设计方案。

隧道穿越富水炭质页岩段受褶皱影响强烈,裂隙极为发育,围岩呈饼状,喷锚支护最大水平收敛值为99cm,最大拱顶下沉值为 52cm,经过试验测定、理论分析、数值模拟和现场监测相结合的方法,系统开展了软弱围岩大变形机理、极限位移管理标准、合理支护结构形式、支护结构安全性综合评价等研究,确定了“合理变形、刚柔并济”的设计原则,制定了“超前预加固、超短台阶开挖、双层支护、加强衬砌”总体设计方案,为隧道的顺利贯通提供了技术保障。

5.2 野三关隧道

野三关隧道长13833m,为全线最长隧道,最大埋深684m,纵坡为人字坡,进口段为燕尾式连拱、小间距隧道,其余段为 2条单线隧道,线间距 30m。隧道穿越灰岩地层 8.77km,占隧道的63%,区内发育 6条岩溶管道流和 12条断层,岩溶水极其发育,为Ⅰ级风险隧道,全线控制性工程。野三关隧道地质平面见图12。

图12 野三关隧道地质平面

“+602”高压富水充填溶洞发育在两阻水层间的茅口、栖霞组灰岩中,纵向长 37m,横向宽大于 50m,高大于 100m,通过断裂、裂隙连通位于隧道拱顶以上220m的 3号暗河,溶洞内充填灰岩块石、砂卵石、淤泥及水,块石最大粒径达 2m,最大涌水量 30万 m3/h,历经 2年的艰苦探索,采用释能降压、注浆加固、超前支护、加强结构的处理方案成功通过。野三关隧道 AA地质剖面见图13。

图13 野三关隧道A-A地质剖面

经过参建各方近 5年的共同努力,成功穿越了 2处大型暗河、12条断层,战胜了 30多次突水突泥,特别是“+602”大型高压富水充填溶洞及 F18大型压扭性断层处理过程历经艰辛,为复杂岩溶隧道的修建积累了宝贵经验。

5.3 齐岳山隧道

齐岳山隧道全长10528m,最大埋深 670m,为单面下坡,除出口 704m为双线车站隧道外,其余地段为单线,在隧道左侧 30m处设置长10581m的贯通平行导坑。隧道进口段穿越齐岳山背斜构造,主要为碳酸盐岩,长约 4.8km,发育 2条暗河系统,岩溶、岩溶水极发育;出口段穿越箭竹溪向斜构造,主要为碎屑岩地层,节理裂隙发育,局部地段富含高压裂隙水;中部为得胜场槽谷段,为碳酸盐和碎屑岩接触部位,发育 F9、F10、F11断层,并在隧道上方 220m处发育德胜场大型暗河系统,水量达 40万 m3/d,为Ⅰ级风险隧道,全线控制性工程。齐岳山隧道F11高压富水断层段工程地质纵断面见图14。

图14 齐岳山隧道 F11高压富水断层段工程地质纵断面

位于隧道中部的 F11高压富水区域断层,规模宏大,沿隧道长约 240余 m,由灰岩、构造角砾岩、断层泥等组成,岩体破碎,胶结差,现场超前地质探孔单孔涌水量达 790m3/h,实测水压达 2.5MPa,受位于隧道顶部 220m的得胜场暗河影响,断层段施工极可能发生大规模突水突泥,处理难度极大,施工风险极高;在总结国内外类似工程建设经验基础上,我院联合科研院所开展科技攻关,进行了冻结法、全断面注浆法的方案比选研究,开展了现场放水试验、注浆试验,在系统总结现场试验结果和深入分析工程水文地质情况下,制定了“排水减压、注浆加固、超前支护、结构加强”等综合处理方案,实现了隧道穿越高压富水断层的安全施工。

该隧道修建历时 6年之久,建设过程中遭遇大小溶洞 200余处,穿越了 3条暗河、15条断层,建设期间发生大规模突水突泥10余次,淹没隧道3次,历尽艰辛,特别是成功穿越 F11区域大断裂,实现了高压富水复杂地质条件下隧道修建技术的突破。

6 结语

宜万铁路是我国在鄂西、川东复杂山区修建的一条干线铁路,隧道穿越地区岩溶发育规模、多样性、突水突泥的风险程度及工程处理难度为国内外罕见,工程之艰巨、施工风险之高、环境压力之突出居我国铁路历史之最,参建各方连续 6年艰苦奋斗,依靠科技创新、技术进步,成功穿越了 20余条暗河、30余处高压富水大断裂、100余处大型溶洞,战胜了 80余次突水突泥,创造了艰险山区高风险隧道修建的奇迹,取得的众多科技创新成果可为我国岩溶地区隧道工程的修建提供有益的参考和借鉴。

[1] 苗德海.宜万铁路岩溶隧道灾害及防治对策[J].铁道标准设计,2000(7):96-98.

[2] 铁道第四勘察设计院集团有限公司.宜万铁路复杂岩溶隧道施工防灾报警系统设计方案[Z].武汉:2006.

[3] 中铁第四勘察设计院集团有限公司.宜万铁路复杂岩溶隧道结构安全性监测专项设计[Z].武汉:2009.