兰渝铁路特殊复杂地质隧道轨道结构形式选型

赵 建 军

(兰渝铁路有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

兰渝铁路特殊复杂地质隧道轨道结构形式选型

赵 建 军

(兰渝铁路有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

针对兰渝线软岩隧道施工中的技术难题，分析了隧道内无砟轨道调整为有砟轨道的可行性及必要性，并结合施工地质、变形、监测情况，提出了轨道结构选型调整的技术方案，确保兰渝线铁路运营环境的安全可靠。

隧道，无砟轨道，有砟轨道，铁路

0 引言

兰渝铁路具有区域地质构造背景最复杂、出露的地层岩性最全、遇到的特殊岩土和不良地质现象种类最多、通过的软岩段落最长、沿线附近不良地质最发育、全线多属于极高～高地应力区、沿线地震活动强烈等“五最一高一强”的复杂地质特征。由于所处的特殊地理位置及地质环境，遇到了前所未有的地质难题，诸如高地应力软岩大变形、第三系富水粉细砂岩地层等特殊地质，随之也产生了多种重大复杂工程地质问题，如特殊复杂地质条件下长大隧道的轨道结构选型就是其一。

1 研究背景

兰渝线素有“地质博物馆”之称，是一条国内外在建、已建地质条件最复杂的高标准山区铁路。按照现行规范及项目设计批复，长度不小于6 km的胡麻岭、木寨岭、哈达铺、马家山、同寨、新城子、毛羽山、罗沙、天池坪、化马等隧道应铺设CRTSⅠ型双块式无砟轨道。

兰渝线地形地质条件异常复杂。兰州至大草滩段两座隧道穿越第三系富水粉细砂岩地层地段，大草滩至陇南段均为高地应力作用下二叠、三叠和志留系薄层板岩、炭质板岩、炭质千枚岩等软质岩地段。高地应力隧道软岩大变形和第三系富水粉细砂岩隧道流砂、涌泥、涌水、塌方现象极为突出。多座高地应力隧道普遍出现初期支护喷混凝土开裂、掉块，钢架扭曲、断裂及侵限破坏等现象，甚至个别隧道出现长段落二衬开裂及仰拱上鼓等病害；而第三系富水粉细砂岩在我国路内外尚未遇到过类似的地下洞室工程实例，是一个世界性技术难题，具有异常复杂的水稳特性，对其稳定性预测和判定目前也缺乏足够的经验，相关标准也未做出规定。多位国内外知名专家认为：“兰渝线隧道受构造、断层、高地应力、地下水等多种因素的影响，二叠系、三叠系、志留系炭质板岩、板岩、炭质千枚岩等软弱围岩大变形是施工中遇到的特殊地质问题，不能采用现行的围岩级别进行划分，应根据高地应力大变形的特点，加强初期支护强度及刚度，宁强勿弱，必要时预留二次支护空间，杜绝拆换”。根据专家意见，经过参建各方几年多的摸索、试验，结合科研情况，基本掌握了兰渝线软岩隧道变形特征、变形规律，提出了兰渝线软岩大变形分级预测、验证标准，以及针对不同大变形级别的支护措施。采用大变形分级后基本上有效的控制了变形，减少了大面积的变形拆换，但马家山、同寨、新城子、毛羽山、天池坪、化马等隧道仍有拆换，甚至个别隧道还出现了仰拱开裂上鼓、二衬裂损等病害，严重困扰着无砟轨道的铺设。同时考虑到高地应力软岩隧道变形持续时间长，流变现象极为突出，且调研也显示高地应力软岩隧道在施工后2年～3年，甚至5年～6年围岩变形才能最终稳定。

因此，第三系富水粉细砂岩地层的胡麻岭隧道及胡麻岭、木寨岭、哈达铺、马家山、同寨、新城子、毛羽山、罗沙、天池坪、化马等高地应力软质大变形地段的隧道，能否继续按无砟轨道施作，有无调整成有砟轨道的必要性和可能性，需要进行研究分析。

2 轨道结构选型调整的可行性及必要性分析

2.1 无砟轨道调整为有砟轨道的可行性分析

兰渝铁路批复为时速200 km/h客货共线铁路，施工图设计6 km以上隧道均为无砟轨道。截至2015年6月底，全线隧道除胡麻岭、木寨岭、新城子、毛羽山隧道未贯通外，其他均已贯通，且部分隧道已完成隧道垫层的施工。在此现状基础上，研究隧道内轨道结构形式能否由无砟调整为有砟。

由于路基、桥梁、隧道地段无砟轨道和有砟轨道结构高度均不同，调整轨道结构形式时可有设计坡度不调整、轨下结构调整，调整设计坡度方案两大类方案。长大足坡段落整体调整设计坡度方案虽可避免已施作垫层废弃，但存在双线地段铁路双层集装箱运输隧道建筑限界(SJX-SD)拱肩部位超出隧道建筑限界达152 mm的问题，同时已施作桥梁受力及结构均不能满足要求；局部调坡方案可满足桥梁受力及结构要求，但存在超限坡及隧道超出隧道建筑限界达152 mm的问题；故调坡方案不可行。

根据设计标准图，不论单、双线隧道，其有砟与无砟隧道限界完全一致，从限界上分析无砟轨道限界同时可适用于有砟轨道。单、双线无砟轨道与有砟轨道轨下结构主要差异为仰拱上抬约15 cm(见表1)。但均可在保持线路标高不变情况下，充分利用无砟轨道基础垫层空间进行垫层厚度调整，以满足有砟轨道77 cm标高要求(如图1，图2所示，仅以双线隧道为例)。因此，采用不抬线路标高，取消(已施作段凿除)无砟轨道基础垫层的方案，将无砟轨道改有砟轨道在技术上是可行的。

表1 单、双线隧道无砟轨道与有砟轨道轨下结构对比分析表

2.2 无砟轨道改有砟轨道必要性分析

1)高地应力软岩流变特性。

兰渝线通过的二叠系炭质板岩、三叠系板岩以及志留系炭质千枚岩地等高地应力软岩地层，岩层产状多大角度直立，变形以水平收敛变形为主，虽然施工中出现了长段落的变形拆换，个别隧道局部段落还出现了仰拱变形上鼓、开裂现象，但现场通过支护加强、优化曲率等措施有效的控制了变形，基础沉降观测也显示隧道沉降总体趋于稳定状态。从最近的变形、开裂情况看，新城子隧道等软岩隧道二衬开裂多在衬砌完成后1年～2年出现,仰拱开裂上鼓也是在衬砌完成后1年～2年发现,甚至个别隧道二衬4年才出现开裂现象，变形具有流变效应；为了确保运营安全和易养护维修，有必要将高地应力软岩局部段落调整为有砟轨道。

2)泥岩膨胀性。

通过以往无砟轨道病害调查资料显示，膨胀性是无砟轨道病害产生的主要原因之一，而泥岩具有膨胀性，施工仰拱时若未将积水等清扫干净，使得围岩遇水膨胀，极易导致仰拱出现上鼓开裂病害，造成无砟轨道破坏，如石太客专太行山隧道和遂成线云顶隧道均因围岩膨胀造成无砟轨道病害，同样兰渝线广重段玄真观隧道洞身围岩以泥岩为主，因病害原因调整为有砟轨道，而兰渝线胡麻岭隧道出口为泥岩，施工期间仰拱已出现开裂上鼓病害，虽多次采用加强措施，但仍出现开裂现象。

3)第三系砂岩特殊复杂的水稳性。

第三系富水粉细砂岩具有特殊复杂的水稳特性，施工中采用了地表深井加洞内超前等综合降水，帷幕、旋喷及径向注浆，六部CRD、九部双侧壁等特殊开挖工法，施工周期复杂漫长，期间不断发生涌水、涌泥、变形、坍塌等问题，整个施工过程始终处于不稳定状态，对于运营期间该段总体质量状况，不可预见的因素或隐患较多，无砟轨道对该类地层有很大的未知性，一旦出现问题后维修养护难度极大。

综上所述，鉴于兰渝线高地应力软岩的流变特性、泥岩的膨胀性和第三系砂岩特殊复杂的水稳性，运营期间存在着一定程度的不可预见性，一旦隧底出现病害，由于无砟轨道可调范围非常小，再行整治难度极大，并会严重影响线路运营。故从以后运营安全角度和运营期间无砟轨道的维护难度考虑，结合施工中揭示的特殊地质情况和变形情况，有必要将上述地层个别隧道局部段落由无砟轨道改为有砟轨道。

3 无砟轨道改有砟轨道方案分析

具体方案分析应充分结合开挖地质、变形、监测等情况，本着“降低风险、确保安全、不留隐患”的原则，对第三系弱成岩粉细砂岩的胡麻岭隧道和高地应力软岩集中段木寨岭、哈达铺、马家山、同寨、新城子、毛羽山、天池坪、化马等9座隧道进行研究。

3.1 胡麻岭隧道

胡麻岭隧道起讫里程DK68+626～DK82+237,全长13 611 m。洞身穿越地层主要地层有第四系砂质黄土，第三系砂岩、泥岩、砾岩；其中洞身第三系砂岩开挖扰动后多呈饱和粉细砂状，自稳能力极差，该类地层的隧道属于“国内罕见，世界难题”，以Ⅵ级围岩为主。施工开挖揭示，地下水主要分布在第三系砂岩层中，水量不大，但由于第三系砂岩成岩差，泥质弱胶结，结构脆弱，遇水极易软化，加之开挖扰动，在水的作用下工程性质迅速恶化，围岩稳定性差，常伴有涌水涌砂现象，变形大，坍塌频繁。洞身仰拱出现开裂上鼓共计3段总长406 m，裂缝宽8 mm～43 mm，隆起高度20 mm～41 mm。

整治前，开裂段监测最大隆起高度为43 mm，监测显示变形仍未稳定，呈缓慢上升趋势，实测沉降量在-1.98 mm～0.9 mm之间，其余测点沉降总体表现出趋于稳定的变化趋势。整治后，非病害段实测沉降量在-2.44 mm～0.09 mm之间，病害段实测沉降量在-1.66 mm～0.72 mm之间，累计沉降量变化较小，当前沉降总体表现出趋于稳定的趋势。

胡麻岭隧道出口段泥岩强度低、具有膨胀性。2011年2月仰拱施工后，自2011年6月—2013年12月均有仰拱隆起开裂现象，变形时间长、变形具有蠕变特性，且在支护措施不断加强后，仰拱填充仍出现开裂上鼓病害，现场沉降观测也显示个别测点存在变形趋势；同时基于第三系砂岩的特殊复杂性和未知性,考虑建成后列车荷载作用下是否会导致砂岩液化、仰拱下方出现空洞、隧底下沉等风险，目前国内外尚无可借鉴的工程经验，分析第三系砂岩段以铺设有砟轨道为宜。

故结合第三系砂岩及泥岩分布情况，分析将胡麻岭洞身第三系砂岩(DK76+350～DK79+600，3 250 m)及出口泥岩段(DK79+600～DK82+237，2 637 m)调整为有砟轨道，同时考虑到有砟无砟过渡问题将(DK76+150～DK79+350，200 m)也调整为有砟轨道；即将DK76+150～DK82+237(6 087 m)段调整为有砟轨道，其余地段仍按无砟轨道施作。

3.2 新城子隧道

新城子隧道进口DK268+013～DK272+250段为下第三系砾岩、砂岩，夹泥岩；出口DK272+250～DK277+168段以三叠系中统板岩为主，最大水平主应力值为11.45 MPa～21.28 MPa,存在高地应力软岩大变形问题。新城子隧道出口设计为喇叭口，见图3。

截止目前，新城子隧道洞身仰拱出现病害的共计11段总长189 m，主要集中在出口大跨、连拱及两单段，且仰拱也是在施工完成后1年时间出现纵向贯通裂缝。综合判断，由于三叠系板岩强度低、地应力值高，地应力是引起隧道病害的主要因素，对隧底变形及衬砌开裂起主导作用，同时小近距段左右线施工相互影响极大，也是变形开裂十分重要的原因。

整治前，开裂段监测最大隆起高度为3.45 mm，监测显示变形呈稳定趋势。整治后，目前非病害段实测沉降量在-0.59 mm～0.54 mm之间，病害段实测沉降量在-1.91 mm～1.45 mm之间，测点累计沉降量变化较小，当前沉降总体表现出稳定的趋势。

鉴于新城子隧道设计为喇叭口隧道，出口三叠系板岩段施工期间变形较大，结构受力较正常隧道断面更为复杂，考虑高地应力段变形历程长，流变突出，故分析将出口洞身病害段即高地应力流变现象突出的地段DK275+625～DK277+159(1 534 m)调整为有砟轨道，同时考虑无砟有砟过渡问题将DK275+425～DK275+625(200 m)也调整为有砟轨道，即DK275+425～DK277+159(1 734 m)调整为有砟轨道；其余洞身段施工期间变形较小且无病害,基础沉降监测显示变形趋于稳定，仍维持无砟轨道。即出口喇叭口地段DK275+425～DK277+159洞身1 734 m(446 m)调整为有砟轨道，其余7 412 m仍按无砟轨道施作。

3.3 毛羽山隧道

毛羽山隧道地层全部以三叠系薄层板岩为主，洞身最大水平主应力值为11.45 MPa～21.28 MPa,存在高地应力软岩大变形问题。截止目前，毛羽山隧道洞身仰拱出现病害的共计6段总长124 m。

整治前，开裂段监测最大隆起高度为2.47 mm，监测显示变形呈稳定趋势。整治后，目前非病害段实测沉降量在-2.57 mm～1.96 mm之间，病害段实测沉降量在-1.53 mm～2.12 mm之间，测点累计沉降量变化较小，当前沉降总体表现出趋于稳定的变化趋势。

毛羽山隧道与新城子隧道出口相连，地质条件和结构形式与新城子隧道一致，洞身围岩以三叠系板岩为主，施工期间变形极大，仰拱也出现开裂上鼓病害。考虑该段绝大部分仰拱开裂变形滞后施工时间在半年以上，时间最长的近2年左右，具有流变效应、变形历程长的特点，而目前的理论及工程经验尚难以准确判断变形全过程与隧道结构的相互关系，同时鉴于相邻类似隧道新城子隧道喇叭口段二衬病害的问题，本着“降低风险、不留隐患”原则，分析毛羽山进口喇叭口DK277+312～DK278+900(1 588 m)段调整为有砟轨道，同时考虑到无砟有砟过渡问题将DK278+900～DK279+100(200 m)也调整为有砟轨道，洞身其余地段仍按无砟轨道施作。即进口喇叭口地段DK277+312～DK279+100洞身1 788 m(455 m)调整为有砟轨道，其余6 717 m仍维持无砟轨道。

毛羽山隧道进口示意图见图4。

3.4 其他高地应力软岩大变形隧道

木寨岭、哈达铺、马家山、同寨、天池坪、化马等6座隧道，均属于高地应力软岩大变形隧道，施工过程中发生了不同程度的初支变形、二衬开裂、仰拱隆起。经过整治及整治前后变形数据分析，变形呈稳定趋势。鉴于以上隧道均为正常断面隧道，根据整治效果、变形趋势分析，分析以上隧道仍维持无砟轨道。

4 结语

兰渝铁路地质极其复杂，变形、开裂、仰拱隆起量大实属罕见。根据开挖的地质情况、变形检测分析，从远期运营、维护角度慎重研究选择轨道结构形式是十分必要的。通过对已施工隧道限界、轨道结构形式分析，本着“降低风险、确保安全、不留隐患”的原则，结合各隧道结构特点、变形趋势等提出了局部无砟调整为有砟的技术方案。调整轨道结构形式仅仅是对变形原因复杂、尚缺乏工程经验的问题选择一个较为安全和较为保守的方案，不是目的。立足攻克技术难题，为轨道结构提供一个可靠环境，减少运营维护工作量，消除运营安全隐患才是目的。

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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

赵建军(1983- )，男，工程师

1009-6825(2015)36-0179-03

U451 < class="emphasis_bold">文献标识码：A

A