山區(qū)鐵路巖溶及危巖落石地段綜合選線
——以鄭萬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)計研究院有限責(zé)任公司，重慶 400023）

0 引言

西南山區(qū)地形險峻、地質(zhì)復(fù)雜，巖溶、危巖落石在鐵路選線中不可避免，也是一個重大難題；在國內(nèi)鐵路施工過程中巖溶造成的危害極其大，運營中危巖落石造成的事故難以想象，運營中巖溶可能造成列車停運或者減速?？傊畮r溶或危巖落石會對人民生命財產(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的情況，則需權(quán)衡兩者的利弊，綜合施工運營中的風(fēng)險，選出一條合理的線路。下面以鄭萬鐵路小三峽隧道中垌河方案研究為例闡述如何應(yīng)對巖溶與危巖落石的危害。

鄭萬鐵路自鄭州東站引出，途徑鄭州市的經(jīng)開區(qū)、航空港區(qū)，開封市的尉氏縣，許昌市的長葛市、禹州市，平頂山市的郟縣、寶豐縣、新城區(qū)、魯山縣，南陽市的方城縣、社旗縣、宛城區(qū)、臥龍區(qū)、新野縣、鄧州市后進入湖北省境內(nèi)，經(jīng)襄陽市的襄州區(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入重慶市境內(nèi)，經(jīng)巫山縣、奉節(jié)縣、云陽縣至萬州區(qū)與渝萬客專相接。

小三峽隧道位于重慶市巫山縣境內(nèi)，本段位于長江以北，東為大寧河，南為長江，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到650m，危巖落石局部塊徑達10m，通過模擬可知危巖落石對鐵路運營存在巨大風(fēng)險。

本次重點圍繞不同方案對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)險分析等問題進行論證研究。

根據(jù)線路與中垌河溝底的相對高程位置關(guān)系，重點研究小三峽隧道在中垌河不出露且隧道棄渣遠運的方案、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，與目前通車運營的宜萬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運方案

該方案小三峽隧道長18.87km，隧道進口段采用6‰的縱坡，過中垌河后采用30‰縱坡拔高。線路在中垌河處軌面設(shè)計標高為H=305，低于地面溝底約25m。該方案隧道約3.2km的棄渣（53萬m3）需通過橫洞運至D1K673+800左側(cè)450m處棄渣，運距12km。該段隧道通過設(shè)置橫洞開辟施工作業(yè)面，橫洞長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（53萬方）直接棄在正線上方溝谷里，渣場下游設(shè)置攔渣壩，運距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。該段隧道通過設(shè)置橫洞開辟施工作業(yè)面，橫洞長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，水庫為以農(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)計總庫容1053萬m3。大壩校核洪水位為P=0.2%，即500年一遇，大于本線設(shè)計年限（100年）。故線位處不考慮水庫潰壩影響。

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號橫洞工區(qū)棄渣53萬m3（石方），渣底縱橫向設(shè)置排水盲管，渣場下方設(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隧道，分別長度為5.047km和13.884km，再以明洞連接成一個隧道，短隧道采用15.6‰的縱坡，過中垌河后長隧道采用15.6‰和30‰的縱坡。線路在中垌河處軌面設(shè)計標高為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，單個落石體積考慮70m3（超過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的水平循環(huán)帶之上。該方案在中垌河處線路軌面設(shè)計標高H=380，高于地面溝底約60m，對攔水壩的結(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高程關(guān)系示意圖見圖5。

1.2 方案優(yōu)缺點分析

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：各方案在可溶巖長度、巖溶發(fā)育程度基本一致，但由于線路標高引起隧道穿越水平徑流帶長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該段，危巖落石對工程沒影響。方案三和方案四線路標高抬高后，中硐河兩側(cè)危巖落石對工程影響較大。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)場調(diào)查，該段陡崖有掉塊現(xiàn)象，最大塊石直徑達10m。

從巖堆等不良地質(zhì)條件分析：方案二、三、四線路通過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)，進一步惡化中硐河兩岸地質(zhì)條件。方案一避免了對中硐河自然條件的改造。

（2）工程投資比較

四方案的線路長度相等，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運的方案增加約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運的方案，即方案一工程投資相對更省。

表2 小三峽隧道中垌河處縱坡及工點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)險主要源于巖溶及巖溶水以及危巖落石對鐵路的影響。方案一、二在中垌河處不透氣，可完全避開危巖落石對線路的安全威脅，對施工過程中及鐵路長久的運營安全有利，該方案推測地下巖溶水水頭高度高于鐵路約80m，施工過程中加強超前地質(zhì)預(yù)報，通過增設(shè)泄水平導(dǎo)、結(jié)構(gòu)加強順坡施工等工程處理措施降低施工風(fēng)險，工程風(fēng)險可控。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，施工和運營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。綜合比較，運營期間危巖落石對鐵路的安全隱患更大、更久、更嚴重，同時考慮棄渣棄于河中，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)險可控、投資相對較省、運營安全的不透氣方案一。

2 結(jié)語

（1）線路方案研究，要先總體再局部，為了解決問題而提出新的方案，逐步進行綜合比選，才能選出一條經(jīng)濟合理、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，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)，其次論證各個不良地質(zhì)對工程實施和運營存在的風(fēng)險，論證的過程中若有新的問題則回到第一步，再次結(jié)合工程造價、以及對環(huán)境的影響進行綜合評價，最后得出結(jié)論。

（3）本著以人為本、保護環(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。

參考文獻：

[1]GB 50090-2006鐵路線路設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2006.

[2]TB 10621-2014高速線路設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2015.

[3]朱穎.復(fù)雜艱險山區(qū)鐵路選線與總體設(shè)計論文集 [M].中國鐵道出版社，2010：37-89.

[4]謝樹庸.巖溶地區(qū)四大工程地質(zhì)問題綜述[J].貴州水利發(fā)電，2001（4）：89-91.

[5]關(guān)寶樹.隧道工程施工要點集[M].北京：北京交通出版社，2003：94-179.

[6]顧湘生，劉坡拉.鐵路巖溶工程地質(zhì)勘察技術(shù)[M].武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2012：261-277.

[7]朱穎.鐵路選線理念的創(chuàng)新與實踐[J].鐵道工程學(xué)報，2009（6）：1-4．