山區(qū)鐵路巖溶及危巖落石地段綜合選線
——以鄭萬(wàn)鐵路小三峽隧道中垌河方案研究為例

成喜明，胥燕軍

（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）

0 引言

西南山區(qū)地形險(xiǎn)峻、地質(zhì)復(fù)雜，巖溶、危巖落石在鐵路選線中不可避免，也是一個(gè)重大難題；在國(guó)內(nèi)鐵路施工過(guò)程中巖溶造成的危害極其大，運(yùn)營(yíng)中危巖落石造成的事故難以想象，運(yùn)營(yíng)中巖溶可能造成列車停運(yùn)或者減速?？傊畮r溶或危巖落石會(huì)對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成非常大的威脅。

選線應(yīng)繞避巖溶或危巖落石，若控制因素太多，巖溶危巖落石存在此消彼長(zhǎng)的情況，則需權(quán)衡兩者的利弊，綜合施工運(yùn)營(yíng)中的風(fēng)險(xiǎn)，選出一條合理的線路。下面以鄭萬(wàn)鐵路小三峽隧道中垌河方案研究為例闡述如何應(yīng)對(duì)巖溶與危巖落石的危害。

鄭萬(wàn)鐵路自鄭州東站引出，途徑鄭州市的經(jīng)開(kāi)區(qū)、航空港區(qū)，開(kāi)封市的尉氏縣，許昌市的長(zhǎng)葛市、禹州市，平頂山市的郟縣、寶豐縣、新城區(qū)、魯山縣，南陽(yáng)市的方城縣、社旗縣、宛城區(qū)、臥龍區(qū)、新野縣、鄧州市后進(jìn)入湖北省境內(nèi)，經(jīng)襄陽(yáng)市的襄州區(qū)、東津新區(qū)、襄城區(qū)、南漳縣、?？悼h、神農(nóng)架林區(qū)、宜昌市的興山縣、恩施州的巴東縣后進(jìn)入重慶市境內(nèi)，經(jīng)巫山縣、奉節(jié)縣、云陽(yáng)縣至萬(wàn)州區(qū)與渝萬(wàn)客專相接。

小三峽隧道位于重慶市巫山縣境內(nèi)，本段位于長(zhǎng)江以北，東為大寧河，南為長(zhǎng)江，西為瞿塘峽，北邊為草堂河、石馬河。地面高程為90～1200m，危巖落石發(fā)育；穿越齊岳山背斜，巖溶非常發(fā)育。水突泥的概率較大。選線中已經(jīng)通過(guò)地質(zhì)橫縱斷面選出較有利的平面位置。此處山體高差最大達(dá)到650m，危巖落石局部塊徑達(dá)10m，通過(guò)模擬可知危巖落石對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)存在巨大風(fēng)險(xiǎn)。

本次重點(diǎn)圍繞不同方案對(duì)小三峽隧道在中垌河處巖溶及巖溶水的影響程度、危巖落石的處理，再結(jié)合隧道棄渣處理、隧道輔助坑道設(shè)置、中垌河的河溝排水處理措施及各方案的風(fēng)險(xiǎn)分析等問(wèn)題進(jìn)行論證研究。

根據(jù)線路與中垌河溝底的相對(duì)高程位置關(guān)系，重點(diǎn)研究小三峽隧道在中垌河不出露且隧道棄渣遠(yuǎn)運(yùn)的方案、在中垌河不出露且隧道棄渣就近填溝設(shè)泄水洞的方案、小三峽隧道在中垌河出露就近棄渣設(shè)泄水洞的低堤壩方案和高堤壩方案。平面位置差異如圖1所示。

圖1 平面位置差異圖

1 方案研究

小三峽隧道位于齊岳山背斜構(gòu)造中，與目前通車運(yùn)營(yíng)的宜萬(wàn)鐵路齊岳山隧道屬于同一地質(zhì)構(gòu)造，其巖溶非常發(fā)育，突

1.1 方案構(gòu)成

（1）方案一：中垌河不出露棄渣遠(yuǎn)運(yùn)方案

該方案小三峽隧道長(zhǎng)18.87km，隧道進(jìn)口段采用6‰的縱坡，過(guò)中垌河后采用30‰縱坡拔高。線路在中垌河處軌面設(shè)計(jì)標(biāo)高為H=305，低于地面溝底約25m。該方案隧道約3.2km的棄渣（53萬(wàn)m3）需通過(guò)橫洞運(yùn)至D1K673+800左側(cè)450m處棄渣，運(yùn)距12km。該段隧道通過(guò)設(shè)置橫洞開(kāi)辟施工作業(yè)面，橫洞長(zhǎng)1.54km。

（2）方案二：中垌河不出露且隧道棄渣就近填溝設(shè)泄水洞的方案

小三峽隧道與方案一相同，差異在于該方案處理隧道棄渣方式不同，將小三峽隧道約3.2km的棄渣（53萬(wàn)方）直接棄在正線上方溝谷里，渣場(chǎng)下游設(shè)置攔渣壩，運(yùn)距0.2km。棄渣前先在上游修建攔水壩和泄水洞，將原中垌河水通過(guò)泄水洞引走，渣頂考慮泄水洞堵塞后漫水條件。該段隧道通過(guò)設(shè)置橫洞開(kāi)辟施工作業(yè)面，橫洞長(zhǎng)1.54km。泄水洞及攔渣壩工程橫斷面如圖2所示。

圖2 中垌河不出露方案橫斷面示意圖

泄水洞工程：中硐河設(shè)置泄水洞處上游約4.7km有一座中硐橋水庫(kù)，水庫(kù)為以農(nóng)業(yè)灌溉和城鎮(zhèn)供水為主，兼有農(nóng)村人畜飲水等綜合效益的中型水利工程，設(shè)計(jì)總庫(kù)容1053萬(wàn)m3。大壩校核洪水位為P=0.2%，即500年一遇，大于本線設(shè)計(jì)年限（100年）。故線位處不考慮水庫(kù)潰壩影響。

隧道泄水洞斷面尺寸為10.8m（寬）×11.8m（高），凈空面積109m3，泄水洞坡度12%，為控制水流流速，滿足泄洪流量，泄水洞竣工后坑底部每10m分段回填成2%的坡度。

攔渣壩工程：本隧道臨近大寧河，棄渣非常困難，中硐河棄渣方案解決小三峽隧道2號(hào)橫洞工區(qū)棄渣53萬(wàn)m3（石方），渣底縱橫向設(shè)置排水盲管，渣場(chǎng)下方設(shè)置9m高的攔渣壩。

（3）方案三：中垌河出露就近棄渣設(shè)泄水洞低堤壩方案

該方案將小三峽隧道分成兩個(gè)隧道，分別長(zhǎng)度為5.047km和13.884km，再以明洞連接成一個(gè)隧道，短隧道采用15.6‰的縱坡，過(guò)中垌河后長(zhǎng)隧道采用15.6‰和30‰的縱坡。線路在中垌河處軌面設(shè)計(jì)標(biāo)高為H=350，高于地面溝底約30m。該方案隧道棄渣思路與方案二相同，在鐵路出露處采用加強(qiáng)明洞結(jié)構(gòu)，并在明洞頂部回填棄渣，棄渣前先在上游修建攔水壩和泄水洞，將原中垌河的地表水通過(guò)泄水洞引走，渣頂考慮泄水洞堵塞后漫水條件。中硐河兩岸存在危巖落石，結(jié)合調(diào)查危巖落石最大高度約650m，單個(gè)落石體積考慮70m3（超過(guò)70m3危巖按清除處理），為確保安全，明洞二襯厚度采用1m，明洞頂設(shè)15m厚土石夯填層。泄水洞工程及攔渣壩工程同方案二，橫斷面如圖3所示。

圖3 中垌河出露低堤壩方案橫斷面示意圖

（4）方案四：中垌河出露就近棄渣設(shè)泄水洞高堤壩方案

方案四的總體思路與方案三相同，不同之處在于短隧采用24.3‰的縱坡，使短隧完全走行在推測(cè)的水平循環(huán)帶之上。該方案在中垌河處線路軌面設(shè)計(jì)標(biāo)高H=380，高于地面溝底約60m，對(duì)攔水壩的結(jié)構(gòu)要求更高。泄水洞工程及攔渣壩工程同方案二，橫斷面如圖4所示。

各方案的縱坡與中垌河的相對(duì)高程關(guān)系示意圖見(jiàn)圖5。

1.2 方案優(yōu)缺點(diǎn)分析

圖4 中垌河出露高堤壩方案橫斷面示意圖

圖5 各方案的縱坡與中垌河的相對(duì)高程關(guān)系示意圖

（1）工程地質(zhì)條件（表1）

表1 工程地質(zhì)條件比較表

從巖溶及巖溶水條件分析：各方案在可溶巖長(zhǎng)度、巖溶發(fā)育程度基本一致，但由于線路標(biāo)高引起隧道穿越水平徑流帶長(zhǎng)度和水頭高度有所差異。方案四巖溶水水文地質(zhì)條件相對(duì)最好，方案三次之，方案一和方案二稍差。

從危巖落石條件分析：方案一和方案二以隧道通過(guò)該段，危巖落石對(duì)工程沒(méi)影響。方案三和方案四線路標(biāo)高抬高后，中硐河兩側(cè)危巖落石對(duì)工程影響較大。中硐河右岸 （小里程一側(cè)）危巖帶高程約400～820m，高差100～500m，陡崖高度30～100m。走向長(zhǎng)度約1500m，地形坡角約30°～80°，陡崖為切向坡，陡崖有楔形掉塊的可能；中硐河左岸（大里程一側(cè)）危巖帶高程約400～970m，最大高差650m，地形坡角約60°～80°，陡崖有楔形掉塊或順節(jié)理崩塌的可能。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該段陡崖有掉塊現(xiàn)象，最大塊石直徑達(dá)10m。

從巖堆等不良地質(zhì)條件分析：方案二、三、四線路通過(guò)中硐河處上游右岸鹽溶角礫巖、巖堆發(fā)育，岸坡穩(wěn)定性差，若泄水洞堵塞，溝內(nèi)水位抬升后易引發(fā)滑坡及岸坡崩塌等不良地質(zhì)，進(jìn)一步惡化中硐河兩岸地質(zhì)條件。方案一避免了對(duì)中硐河自然條件的改造。

（2）工程投資比較

四方案的線路長(zhǎng)度相等，其工程投資比較如表2。

方案四中垌河透氣就近棄渣設(shè)泄水洞高堤壩方案工程投資較中垌河不透氣且隧道棄渣遠(yuǎn)運(yùn)的方案增加約1.7億，該方案主要是中垌河處堤壩的工程量較大。中垌河不透氣且隧道棄渣遠(yuǎn)運(yùn)的方案，即方案一工程投資相對(duì)更省。

表2 小三峽隧道中垌河處縱坡及工點(diǎn)方案工程投資比較表（比較范圍DK665+015～DK683+970）

1.3 方案研究結(jié)論

綜上所述，本處小三峽隧道的工程風(fēng)險(xiǎn)主要源于巖溶及巖溶水以及危巖落石對(duì)鐵路的影響。方案一、二在中垌河處不透氣，可完全避開(kāi)危巖落石對(duì)線路的安全威脅，對(duì)施工過(guò)程中及鐵路長(zhǎng)久的運(yùn)營(yíng)安全有利，該方案推測(cè)地下巖溶水水頭高度高于鐵路約80m，施工過(guò)程中加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，通過(guò)增設(shè)泄水平導(dǎo)、結(jié)構(gòu)加強(qiáng)順坡施工等工程處理措施降低施工風(fēng)險(xiǎn)，工程風(fēng)險(xiǎn)可控。而方案三、四在中垌河處透氣，雖將巖溶水的水頭高度降低，但堤壩大體積混凝土施工難度大且質(zhì)量難以保證。方案二、三、四在中硐河棄渣，施工和運(yùn)營(yíng)期泄水洞一旦堵塞易形成堰塞湖，威脅隧道結(jié)構(gòu)安全，棄渣有被沖至大寧河風(fēng)險(xiǎn)。綜合比較，運(yùn)營(yíng)期間危巖落石對(duì)鐵路的安全隱患更大、更久、更嚴(yán)重，同時(shí)考慮棄渣棄于河中，泄水洞一旦堵塞形成堰塞湖將威脅隧道結(jié)構(gòu)和渣體穩(wěn)定性，應(yīng)選擇施工風(fēng)險(xiǎn)可控、投資相對(duì)較省、運(yùn)營(yíng)安全的不透氣方案一。

2 結(jié)語(yǔ)

（1）線路方案研究，要先總體再局部，為了解決問(wèn)題而提出新的方案，逐步進(jìn)行綜合比選，才能選出一條經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的線路。

（2）西南山區(qū)鐵路地質(zhì)復(fù)雜、地形條件艱巨地段，尤其是巖溶和危巖落石，線路方案需有充足的地質(zhì)資料，根據(jù)地質(zhì)資料合理確定地質(zhì)可行方案，規(guī)避地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，再結(jié)合工程及投資，確定方案，提高選線效率。具體操作順序：首先理清重大的不良地質(zhì)，其次論證各個(gè)不良地質(zhì)對(duì)工程實(shí)施和運(yùn)營(yíng)存在的風(fēng)險(xiǎn)，論證的過(guò)程中若有新的問(wèn)題則回到第一步，再次結(jié)合工程造價(jià)、以及對(duì)環(huán)境的影響進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，最后得出結(jié)論。

（3）本著以人為本、保護(hù)環(huán)境的原則，為后代造福。

（4）選線中需拓寬思路，提出新的構(gòu)思，再去客觀論證。

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