復(fù)雜山區(qū)鐵路地質(zhì)選線中工程主要控制因素分析

楊昌義 王 朋 王小兵 蔣興凱

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

鐵路選線是一個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)整的系統(tǒng)工程，貫穿于方案研究、勘察設(shè)計(jì)全過(guò)程。選線從其考慮的主要因素和發(fā)展歷程，可細(xì)分為經(jīng)濟(jì)選線、地形選線、地質(zhì)選線、工程選線、環(huán)評(píng)選線等[1]。

地質(zhì)選線中除首要關(guān)注重大地質(zhì)問(wèn)題的控制性作用[2]外，還需關(guān)注工程設(shè)置的可能性。其研究的關(guān)鍵控制性因素為隧道長(zhǎng)度與埋深、橋梁跨度與墩高、路基邊坡高度與坡率。若其中某項(xiàng)控制性因素的指標(biāo)缺乏工程經(jīng)驗(yàn)借鑒，可能存在較大的施工和運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，應(yīng)增加比較方案進(jìn)行研究。

本文通過(guò)梳理分析橋梁、隧道和路基在地質(zhì)選線階段的主控因素，并結(jié)合工程實(shí)踐進(jìn)行探討，以期為地質(zhì)選線提供實(shí)踐借鑒。

1 地質(zhì)選線中隧道主控因素

地質(zhì)選線首先研究區(qū)域地質(zhì)，宏觀評(píng)價(jià)并選擇區(qū)域穩(wěn)定性較好、地質(zhì)條件較好的區(qū)域作為地質(zhì)選線的優(yōu)選廊道。在越嶺和峽谷區(qū)，隧道是規(guī)避地表重大不良地質(zhì)災(zāi)害的有效形式，但其地下特性和復(fù)雜施工條件決定了其施工安全風(fēng)險(xiǎn)高、單位長(zhǎng)度投資成本大，經(jīng)濟(jì)優(yōu)選性較差。

1.1 隧道埋深控制因素

深埋隧道隧址區(qū)最大主應(yīng)力隨埋深增大而增大[3]，因此在地質(zhì)選線中通常最為關(guān)注最大埋深(Hmax)和最小淺埋(Hmin)。隧道埋深大易導(dǎo)致高地應(yīng)力(巖爆和軟巖大變形)、高地溫、高壓地下水等工程災(zāi)害，這些工程災(zāi)害多為高風(fēng)險(xiǎn)，決定了工程的可行性。對(duì)于埋深較大的隧道，一般采用抬高線路高程、增加線路長(zhǎng)度來(lái)降低選線的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。隧道最小埋深主要影響工程造價(jià)，通常按完整基巖條件下塌方高度的1.5～2.5倍(換算等效洞徑)考慮[4]。

1.1.1 以構(gòu)造應(yīng)力影響為主的情況

深埋隧道洞身巖體地應(yīng)力復(fù)雜，在三軸應(yīng)力中，以構(gòu)造應(yīng)力為主。洞身最大主應(yīng)力為水平主應(yīng)力(σ1=σH)，埋深僅控制垂直應(yīng)力(σ2=σV)。隧道是否可行需進(jìn)行區(qū)域地質(zhì)及構(gòu)造分析，對(duì)較為復(fù)雜特殊的區(qū)域地質(zhì)則應(yīng)進(jìn)行專(zhuān)題地質(zhì)研究論證。一般情況下局部地應(yīng)力大多集中分布在褶皺軸部和斷層轉(zhuǎn)折附近，隧道優(yōu)選沿最大主應(yīng)力方向布置。當(dāng)減小邊墻開(kāi)挖臨空面時(shí)受到最大主應(yīng)力影響易產(chǎn)生不利變形，因此隧道選線應(yīng)盡可能垂直或大角度與構(gòu)造軸面相交，并采用橢圓形或圓形隧道斷面[5]。

1.1.2 非構(gòu)造應(yīng)力影響為主的情況

隧道洞身最大主應(yīng)力(σ1=σV)由隧道最大埋深決定。參照《新建成都至蘭州鐵路地應(yīng)力測(cè)試報(bào)告》及當(dāng)前深埋隧道地應(yīng)力估算,超大埋深(H=1 500～2 000 m)巖體垂直應(yīng)力可按照靜水應(yīng)力法估算，σV=γH(γ為巖體重度，H為隧道埋深)，一般巖體取值γ=20～28 kN/m3，當(dāng)H取值 2 000 m時(shí)，σV=40～55 MPa。隧道結(jié)構(gòu)物的抵抗能力一般僅3～5 MPa，地應(yīng)力通過(guò)折減傳遞到結(jié)構(gòu)物，若洞壁折減地應(yīng)力接近或超過(guò)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞風(fēng)險(xiǎn)較大，應(yīng)盡量避免。

既有大埋深代表性工程有：

(1)雅礱江錦屏水電站錦屏山隧道最大埋深為 2 375 m，埋深大于 1 500 m的洞段(12.8 km)占隧道全長(zhǎng)的73.1%。輔助洞在埋深 1 350 m處實(shí)測(cè)最大主應(yīng)力為44.2 MPa，在埋深 2 300 m處的最大主應(yīng)力約為70.1 MPa。地應(yīng)力以自重應(yīng)力為主[6]。

(2)錦屏引水隧洞洞群，最大埋深約為 2 525 m。

(3)大瑞鐵路重點(diǎn)隧道一般埋深為1 200～1 500 m。

(4)成蘭鐵路重點(diǎn)隧道一般埋深為850～1 650 m。

大埋深產(chǎn)生的工程地質(zhì)問(wèn)題是高地應(yīng)力(巖爆與大變形)，典型區(qū)域如處于青藏地塊的川藏鐵路水平地應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方向大致為N50°E；最大水平地應(yīng)力為 64 MPa，最小水平地應(yīng)力為38 MPa(埋深 2 000 m)，穿越雅魯藏布江縫合帶隧道最大地應(yīng)力達(dá)78 MPa，因此在這地區(qū)選線隧道埋深尤其重要。

從以上工程實(shí)踐中可發(fā)現(xiàn)，隧道埋深在 2 500 m左右已具有工程實(shí)例，超過(guò)則工程防護(hù)技術(shù)難度急劇增加，且無(wú)工程實(shí)踐參考，風(fēng)險(xiǎn)較大，在選線中應(yīng)盡量避免。

1.2 隧道長(zhǎng)度控制因素

長(zhǎng)隧道尤其是超長(zhǎng)隧道可縮短線路長(zhǎng)度，但會(huì)導(dǎo)致乘客景觀和舒適度較差、工程建設(shè)周期增大、工程投資急劇增加。隧道技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較主要在于通風(fēng)、防災(zāi)救援的工程可行性和施工組織的經(jīng)濟(jì)性。隨著電氣化鐵路的普及推廣，通風(fēng)已不再作為主控關(guān)鍵因素，但超長(zhǎng)隧道在防災(zāi)救援方面的風(fēng)險(xiǎn)因子隨長(zhǎng)度增加而劇增。雙線隧道互為救援可一定程度上緩解風(fēng)險(xiǎn)，但長(zhǎng)度增加，越嶺段埋深增大，長(zhǎng)度與埋深雙重控制，越嶺隧道輔助坑道的選擇會(huì)大幅度增加成本，降低經(jīng)濟(jì)性。隧道越長(zhǎng)，往往埋深越大，高地應(yīng)力、高地溫、高壓涌水突泥、有害氣體、放射性等均會(huì)明顯突出，隧道施工及運(yùn)營(yíng)條件難度增大，因此在選線中應(yīng)綜合考慮在長(zhǎng)度與埋深進(jìn)行比選。

以成蘭鐵路為例，全線新建隧道32座，總長(zhǎng)332.44 km，平均長(zhǎng)度超過(guò)10 km，為我國(guó)在建長(zhǎng)大隧道較為密集的鐵路之一，超過(guò)20 km隧道3座，最長(zhǎng)隧道長(zhǎng)28.47 km，隧道比72.6%。隧道大多深埋，埋深500 m以上段落達(dá)237 km，1 000 m以上段落達(dá)86 km，最大埋深 1 850 m。

既有工程中，比較典型的長(zhǎng)隧道有：成蘭鐵路平安隧道(28.4 km)、青藏鐵路新關(guān)角隧道(32.6 km)、大瑞鐵路高黎貢山隧道(34.50 km)、日本青函隧道(53.85 km)，世界最長(zhǎng)鐵路隧道為瑞士圣哥達(dá)基線隧道,全長(zhǎng)57.1 km。擬建川藏鐵路最〗長(zhǎng)隧道為易貢隧道，長(zhǎng)42.48 km。既有工程實(shí)踐證明，當(dāng)前建成隧道以53 km為極限，大多應(yīng)控制在30 km以下，地質(zhì)選線時(shí)主要應(yīng)結(jié)合地質(zhì)及構(gòu)造條件進(jìn)行系統(tǒng)分析比選，盡量避免超長(zhǎng)隧道。

2 地質(zhì)選線中橋梁主控因素

橋跨是橋梁技術(shù)復(fù)雜性的代表指標(biāo)，地質(zhì)人員掌握橋跨最大值，有利于在地質(zhì)選線中推薦橋位，尤其在峽谷地區(qū)橋位地質(zhì)選線中可減少推薦研究橋位數(shù)量，縮小研究范圍，避免重復(fù)研究，盡早穩(wěn)定線路方案。隨著鐵路向西部復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)的深度推進(jìn)，高墩大跨橋梁跨越大江深谷時(shí)橋位決定線位，因此地質(zhì)選線時(shí)應(yīng)結(jié)合地質(zhì)條件并考慮橋跨及墩高的技術(shù)可行性。

2.1 橋梁跨度控制因素

橋跨因橋式而異，應(yīng)結(jié)合功能需要和地形、地質(zhì)條件綜合比選。橋梁大致可分為梁橋(簡(jiǎn)支、剛構(gòu))、拱橋、斜拉橋、懸索橋等。平坦地形跨越既有道路時(shí)常采用T構(gòu)梁，橋跨的控制因素為橋梁本身的結(jié)構(gòu)荷重及附加荷載引起的強(qiáng)度、剛度極限受限，當(dāng)橋跨越大時(shí)，以結(jié)構(gòu)荷載為主，附加荷載為輔。

已建成的鐵路橋梁跨度為：鋼梁跨度168 m，混凝土梁跨度128 m。特殊結(jié)構(gòu)跨度更大，如京滬高速鐵路南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋鋼桁架橋采用雙連拱(108+192+2×336+192+108)m，安康鐵路漢江橋采用176 m鋼斜腿，蘭渝鐵路朝陽(yáng)嘉陵江單線特大橋(96+176+88)m，這些都是大跨度特殊橋嘗試成功的案例[7]。隨著技術(shù)發(fā)展，橋跨也在逐漸突破，但在常規(guī)選線時(shí)通常采用普通跨度。

2.2 橋梁墩高控制因素

橋梁墩高是橋梁的關(guān)鍵參數(shù)之一，受控于地基強(qiáng)度、基礎(chǔ)和橋墩墩體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度。地基強(qiáng)度主要取決于地層巖性的特性(尤其是巖體強(qiáng)度、節(jié)理裂隙發(fā)育程度、充填物特性、埋深與圍壓、地下水等)。現(xiàn)實(shí)中地基巖體組合條件極其復(fù)雜，通過(guò)參數(shù)計(jì)算獲得地基承載力的可靠性較低，現(xiàn)場(chǎng)大型載荷試驗(yàn)測(cè)試可準(zhǔn)確取得，但不可能在不同深度均進(jìn)行大型現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)。地基強(qiáng)度的極限值理論上是完整巖石室內(nèi)巖塊試驗(yàn)強(qiáng)度，現(xiàn)實(shí)巖體的復(fù)雜性決定了采用樁基礎(chǔ)可靠度更高，因此高墩一般都采用樁基。百米高墩的結(jié)構(gòu)底部應(yīng)力約為2.2～2.5 MPa，150 m高墩可達(dá)到3.3～3.8 MPa，已接近于巖石地基基本承載力σ0允許值。

室內(nèi)試驗(yàn)由于巖塊強(qiáng)度不同，不能準(zhǔn)確取得現(xiàn)場(chǎng)地基承載力。高墩大跨橋梁一般采用樁基，深入巖體較深部位，確保基底應(yīng)力可靠傳遞至周邊巖土。在國(guó)際工程中[8]，樁基的承載力通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試樁驗(yàn)證和確定，試樁數(shù)量有明確要求，而國(guó)內(nèi)鐵路工程試樁較少，僅在部分特殊結(jié)構(gòu)橋梁中采用現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)驗(yàn)證。地基承載力決定了墩高的取值，地質(zhì)選線時(shí)應(yīng)結(jié)合地質(zhì)條件推薦研究橋位。

目前已建成鐵路典型的高墩橋如表1所示。

表1 典型高墩橋表

隨著科技的發(fā)展，橋梁墩高也在不斷刷新記錄。從荷載特殊性和橋梁安全性考慮，當(dāng)前鐵路工程橋梁墩高最大宜為154 m，超越該值時(shí)缺乏工程實(shí)踐參考，應(yīng)盡量避免。

3 地質(zhì)選線中路基主控因素

路基主要分為挖方和填方，在工程設(shè)置比選中有隧道與路基比選、橋梁與路基比選。路基關(guān)鍵參數(shù)的限值，體現(xiàn)在邊坡高度(H)和坡率(r)上。本文所討論的是除天然邊坡以外的人工邊坡，邊坡高度和坡率是一對(duì)孿生的組合參數(shù)。

深挖邊坡高度主要受坡腳(應(yīng)力集中區(qū))剪切力破壞控制，控制條件為坡腳巖土抗剪強(qiáng)度處于極限平衡狀態(tài)，表達(dá)式為等效內(nèi)摩擦角(綜合內(nèi)摩擦角)φD不小于人工邊坡坡度α角(臨界值為二者相等)，即：

arc tg(tgφ+kc/(γHcosθ))=φD

(1)

φD≥α

式中：φ——巖土內(nèi)摩擦角；

k——系數(shù)；

c——巖土粘聚力；

γ——邊坡巖土重度；

H——邊坡高度；

θ——破裂面傾角(臨界極限θ=φD)。

由于巖土組合特性的復(fù)雜性，綜合內(nèi)摩擦角φD不易通過(guò)參數(shù)計(jì)算精準(zhǔn)取得，在工程實(shí)踐中多根據(jù)巖土組合進(jìn)行反算驗(yàn)證，并根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整。尤其是破碎巖體邊坡綜合內(nèi)摩擦角主要受節(jié)理裂隙發(fā)育程度和充填物特性、地下水情況等多因素控制，因此通過(guò)簡(jiǎn)易計(jì)算可靠度難以保障，通常采用高邊坡結(jié)合錨索錨桿加固和坡面格構(gòu)梁等加固措施，以提高邊坡的可靠性。填方邊坡高度的理論計(jì)算值遠(yuǎn)大于實(shí)際設(shè)計(jì)采用值，填方邊坡因土體擾動(dòng)后再碾壓密實(shí)度較天然固結(jié)沉降的原狀土差，因此，通過(guò)上述驗(yàn)算的填方邊坡高度一般小于挖方邊坡高度。

橋路分界結(jié)合部的路基填方高度，除了受自身巖土特征控制影響以外，還受到橋臺(tái)抗傾覆的結(jié)構(gòu)屬性控制，鐵路工程一般橋路分界高度為6～8 m。

4 結(jié)論

本文基于巖土力學(xué)原理并結(jié)合鐵路工程設(shè)計(jì)中的基本思路，探討了鐵路地質(zhì)選線中隧道、橋梁、路基工程的主要控制因素，梳理了地質(zhì)選線過(guò)程中對(duì)主要控制因素的基本要點(diǎn)，同時(shí)梳理了當(dāng)前在建和既有建成工程的典型代表取值，以期建立宏觀概念，為地質(zhì)選線時(shí)擬推薦方案提供參考依據(jù)，減少不必要工作。得出主要結(jié)論為：

(1)隧道埋深控制因素為最大埋深(Hmax)和最小淺埋(Hmin)。最大埋深影響技術(shù)可行性，最小淺埋僅影響經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

(2)以構(gòu)造應(yīng)力為主的情況：隧道主要受構(gòu)造應(yīng)力控制影響，隧道走向盡量與主構(gòu)造應(yīng)力平行較為有利，埋深一般不作為關(guān)注要點(diǎn)。

(3)非構(gòu)造應(yīng)力影響為主的情況：隧道的超大埋深可按照靜水應(yīng)力法估算，避免洞壁折減地應(yīng)力大于支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。隧道埋深超過(guò)2 500 m缺乏工程實(shí)踐，在選線中應(yīng)盡量避免。

(4)隧道長(zhǎng)度控制因素主要為通風(fēng)、防災(zāi)救援的工程可行性，其次是施工組織的經(jīng)濟(jì)性。若可增設(shè)輔助坑道，地質(zhì)選線時(shí)可弱化關(guān)注隧道長(zhǎng)度。當(dāng)前建成隧道以53 km為最長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)大多控制在30 km以下，主要應(yīng)結(jié)合地質(zhì)及構(gòu)造條件進(jìn)行系統(tǒng)分析比選。

(5)橋梁跨度控制因素主要為橋梁本身的結(jié)構(gòu)荷重及附加荷載引起的強(qiáng)度、剛度極限等。橋跨越大時(shí)，控制因素主要以結(jié)構(gòu)荷載為主，附加荷載為輔。

(6)橋梁墩高主要受控于地基強(qiáng)度、基礎(chǔ)和橋墩墩體結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度、剛度等，結(jié)構(gòu)底部應(yīng)力應(yīng)小于巖石地基承載力允許值。

(7)路基關(guān)鍵控制參數(shù)是邊坡高度和坡率，由于巖土組合特性的復(fù)雜性和安全儲(chǔ)備需要，填方邊坡高度理論計(jì)算值遠(yuǎn)大于實(shí)際設(shè)計(jì)采用值，一般根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)取值進(jìn)行調(diào)整。鐵路工程通常橋梁、路基分界高度為6～8 m。