宜万铁路复杂不良地质地段线路设计方案比选

彭学理

(铁道部宜万铁路建设指挥部,湖北恩施 445000)

1 工程概况和地质特点

新建宜昌至万州铁路全长 377km,位于云贵喀斯特高原东北缘的鄂西、渝东山区,处于长江中下游东西向、新华夏系和淮阳山字形反射弧三个一级地质构造的交会点,地形条件特别恶劣。全线桥隧总长 288 km,桥隧与线路比高达 76%。铁路沿线山高壁陡、河谷深切,岩溶地貌发育,构造复杂,不良地质普遍发育。岩溶、顺层、滑坡、断层破碎带和崩塌等主要不良地质现象分布广泛,占整个线路的 70%以上。

一般而言,设计铁路都是“线路选线”,在方案比选时应该综合考虑经济、国防、环保、效益等因素,宜万铁路所经地区地质复杂,比选线路方案时对地质因素考虑得最多,更加注重“地质选线”。

2 庙湾至三圣寺改线

2.1 线路概述

宜万铁路庙湾隧道进口至三圣寺隧道出口(DK425+800～DK420+600)段线路,原施工图设计中,线路出五桥车站后,跨转咀河,进入庙湾隧道,穿帽盒山后至联合坝,穿三圣寺隧道后至设计终点,长度为4.453km,主要工程有庙湾隧道(1074m)、帽盒山隧道(1454m)、三圣寺隧道(1505m)。

2.2 沿线自然特征

线路范围内为中低山区,地形起伏较大,自然坡度10°～35°,局部陡崖地段达 50°以上,隧道进出口地形相对较缓,多辟为农田、居民点等。

2.3 地质构造

线路位于新华夏系大巴山脉向南推移形成的弧形隆皱带的构造复合部位 ～龙驹背斜的北西翼边缘,受构造影响较小,岩层形成一枢纽向 N10°W倾伏的宽缓向斜。

岩层产状 315°∠16°,产状较为平缓,倾向坡里,节理裂隙发育,岩层较为破碎,基岩面起伏较大。

2.4 水文地质特征

沿线松散堆积层分布有孔隙水,主要为大气降水补给,地表水塘及其他具备补给水条件的水体也向地下渗透补给,在松散堆积层与岩土界面形成泉点排出地表。

泥岩中基岩裂隙水不发育;长石岩屑砂岩由于形成较高的陡坎,内赋存的裂隙水水量较少,降雨量大时则相对水量较大。

2.5 不良地质

2.5.1 庙湾隧道进口

庙湾隧道进口为单面坡,自然坡度 10°～20°,坡面大部为梯田和民房。隧道进口上方为一混凝土路面公路,以上有自来水净化厂及居民点。

庙湾进口为一范围较大的堆积体,线路在堆积体内以转咀河 2号大桥、路基及庙湾隧道通过。堆积体物质组成基本为棕褐色粉质黏土夹碎块石,硬塑,较为松散,厚 0.8～27.5m,一般厚 5.0～20m,下为紫红色泥岩全 ～弱风化层。该堆积体在前期初测、定测、补充定测均已发现,但对其稳定性评价存在欠缺,认为现状稳定。

庙湾隧道长1074m,其中进口段部分位于堆积体内,开挖过程揭示为强风化层。

由于堆积体较为松散,既往在公路、水厂、民房施工切坡发生堆积体变形,居民房屋地坪、墙壁开裂,因而被当地国土资源部门列为地质灾害检测点,部分居民搬迁。

庙湾隧道进口施工拉槽切坡形成局部临空面,恶化堆积体工程地质条件,加剧堆积体变形。水厂进水管接头被拉裂(大量表水灌入地下)、围墙开裂,居民房屋既有裂缝扩大,在庙湾隧道进口上方左侧约 20m公路边沟处有一较大地下水出水点。堆积体现处于蠕动变形阶段。

2.5.2 庙湾隧道出口

庙湾隧道出口自然坡度 15°～20°,线路左侧为深沟,高差 15～20m。上有民房,现前倾,居民均早已搬迁。

庙湾出口为一范围较大的堆积体,庙湾隧道出口在堆积体内通过。堆积体物质组成基本为崩塌形成的巨大块石点对点接触堆积,内充填棕褐色粉质黏土呈流塑状,因充填物被隐伏水流冲蚀,可听见地下水流声。根据物探、钻探资料,堆积体厚度 5～18m;下为紫红色泥岩强风化层。岩土界面向线路大里程及左侧陡倾,倾角在 15°～20°。堆积体高差 92m,长度 260 m,堆积体厚据钻探 12m,影响线路长度 85m,约 22万m3。

堆积体松散堆积在陡倾的岩土界面上,在自重和地下水的潜蚀作用下,以往发生变形,处于蠕动变形阶段,被当地国土资源部门列为地质灾害检测点,居民均搬迁。堆积体整体不会快速移动,但逐步积累的位移对铁路工程也将产生危害,同时局部拉槽揭露也易诱发工程滑坡。

经补充勘察、勘探,不良地质堆积体影响庙湾隧道出口及出口路基共长 85m。因堆积体下部块石土无充填,设置抗滑桩整治及隧道底部注浆施工困难,存在施工期间安全隐患,质量难以保证,为今后运营留下安全隐患。

2.5.3 三圣寺隧道进口

三圣寺隧道进口自然坡度在 10°～25°,在线路路基施工高程以上 10～15m存在明显陡缓分界。进口上方有万州至五桥机场二级公路及高压线塔。

三圣寺隧道进口为较大的堆积体,堆积物质组成基本为较为软弱的泥质岩石风化剥落形成的棕褐色粉质黏土夹崩落的碎块石,上部见有较多块石。整个堆积体为一古滑坡。古滑坡厚 10～15m,高差 150m,轴长 300m左右,横向宽 200～300m,总体积达 60万 m3以上。线路小里程右侧靠近滑体坡脚房屋挖基在土以下为砂、卵石冲积物,表明古滑坡舌掩埋了古河道,致使河流改道。现古滑坡虽然被长时期自然营力改造局部遭到破坏,但滑坡周界、滑坡舌等仍较为明显。古滑坡在近 20年内机场路以下边坡曾经发生局部坍滑,原居住老乡均搬离。

古滑坡对应线路里程范围为 DK425+520～DK425+800。堆积体上部因修建机场路切坡 3～5m,致堆积体变形,古滑坡局部复活,机场路路堑挡墙被挤裂,被当地国土部门列为地质灾害检测点。而下部无大的工程活动暂时处于稳定状态。

隧道位于不良体中偏下部,在陡缓分界明显的下部缓坡地带通过,埋深小于 15m,大部分位于堆积层中,施工治理难度较大,且存在安全隐患。

原线位三圣寺隧道进口不良地质堆积体为浅埋段,松散堆积体隧道存在偏压。洞口 60m长路堑中心挖深 12m,最大边坡高度 16m,位于堆积体下部。下部切坡对不良地质堆积体将产生极为不利的影响,而堆积体体积达 60万 m3以上,公路上部堆积体位移变形对下部堆积体的推移等因素在工程上较难克服。

2.6 主要线路方案比选

2.6.1 原施工图设计线路方案工程地质条件的分析

庙湾隧道进、出口及三圣寺隧道进口不良地质堆积体体积达 11万 m3、22万 m3及 60万 m3以上,由于人类工程活动已初步发展成工程滑坡,目前处于蠕动变形阶段。

庙湾隧道进口线路基本平行堆积体滑动主轴,原位整治需采用地表强力支挡和洞内加强支护、衬砌通过,共需设 24根 C20钢筋混凝土抗滑桩。

庙湾隧道出口原位整治需设置 26根钢筋混凝土抗滑桩,隧道基底需注浆或采用桩基加固,施工期间安全质量难以保证,极易留下安全隐患。

三圣寺隧道进口原位整治经检算需采用 C20钢筋混凝土抗滑桩加固,初步估算每 10万 m3加固费用达 600万元左右,工程量巨大和整治费用巨大,即使强行整治仍存在较大的安全隐患。

鉴于原线位整治方案工程量巨大,经估算,整治后工程投资增加约4500万元,且仍存在施工安全、运营安全隐患,且实施难度大,为此,研究了线路内移绕避不良地质体的改线方案。

2.6.2 改线方案

考虑转咀河 2号大桥基础、墩台已基本成型,改线方案自原庙湾隧道进口开始,线路在原庙湾隧道出口、原帽盒山隧道进口右移约 140m,将原庙湾隧道、原帽盒山隧道连成 1座隧道;线路在距原帽盒山隧道出口约 210m,进入三圣寺隧道,并在其出口接原线位,至本次设计终点。改线后,线路长度 4.611km,较原线路长 157.93m。

改线方案主要工程为庙湾隧道(2649m)、三圣寺隧道(1742m)。如图1所示。

图1 庙湾—三圣寺隧道改线方案示意

2.7 改线方案的评价

改线后,线路增长约 157.93m,隧道长度增加 360延 m,涵洞减少 57.48延 m,曲线偏角加大并增加了 1处曲线,线形稍有恶化。

线路向山里内移,绕避了庙湾隧道出口及三圣寺隧道进口段不良地质体,使得铁路工程结构物位于堆积体以下一定厚度范围内,消除施工、运营安全隐患。但由于五桥车站的平面控制以及转咀河 2号大桥墩台施工完成,改线方案庙湾隧道进口段线位未做改动,此段仍存在地质不良体对线路的影响,采用地表强力支挡和洞内加强支护、衬砌通过。在堆积体上部设置强力支挡结构物后,阻止了已经形成滑动体对下部堆积体的推移,检算转咀河 2号大桥桥址处剩余下滑力为 0。转咀河 2号大桥墩台测量结果也未发现位移、变形迹象,避免了堆积体对转咀河大桥的影响。

考虑到原线位工程地质条件的恶劣性,施工安全、运营安全难以保证,实施的难度大,本段线路按改线方案实施。

3 DK380改线

3.1 线路概述

自付家湾隧道进口至莲花滩隧道出口,里程自DK377+476～DK381+300,线路长度 3.814km。本段线路位于齐岳山至万州段、湖北省利川市与重庆市万州区的交界;线路沿百丈沟右侧走行,穿付家湾隧道后,通过 DK380+315～DK380+683段路基进入莲花滩隧道。原施工图设计中主要工程有付家湾隧道、莲花滩隧道、DK380+315～DK380+683段路基及涵洞工程。

3.2 沿线自然特征

该段主要位于云贵高原的东北麓,属低中山区,地形起伏陡峭,斜坡坡度 35°～50°,冲沟深切,陡崖林立,山顶较缓,绝对高度 650～1300m,相对高差 100～650m,“V”字形冲沟极发育。坡表植被发育,部分辟为耕地。线路右侧软硬岩层剥蚀、风化差异较大,硬岩多表现为陡崖绝壁,软岩表现为缓坡,其间分布有大量危岩落石。

3.3 水文地质

基岩裂隙水不发育,松散堆积体中有少量孔隙渗水,水量受季节性影响大,雨季水量增大,付家湾隧道出口冲沟及周八蹬大桥冲沟见常年流水。

3.4 不良地质及物理地质

线路右侧陡崖主要出露侏罗系长石岩屑砂岩与泥岩,两者多为互层。泥岩软弱,易风化形成缓坡,而长石岩屑砂岩层厚质硬,多形成陡崖,地形陡峻。受构造影响,岩体节理裂隙发育,形成大小不一的块体,在不利结构面 (岩层面、节理、裂隙等)组合下,形成危岩(体),崩坍跨塌现象严重,为危岩落石集中发育地段,严重威胁施工和运营的安全。右侧坡面分布大量落石,直径 0.5～8m,呈单个岩体(块)松散堆积在山前缓坡处,处于不稳定状态,在各种外营力作用下,可能下滑或滚落,影响线路安全。同时,早期危岩落石在缓坡坡脚堆积形成岩堆,路基以路堑形式通过岩堆中部,在前部形成高而陡的临空面,可能因工程活动存在既有岩堆沿岩土界面形成工程滑坡。

3.5 主要线路方案比选

本段线路,右侧陡崖发育、左侧沟谷深切;山坡上部近百米发育 3层巨厚层砂岩,节理发育,危岩和落石遍布,对下部线路威胁很大,存在施工、运营的安全隐患。为此,对该段线路的工点选型以及因工点选择引起的改线方案在勘察(定测)的基础上,进行了研究。

3.5.1 原施工图方案

在付家湾隧道出口后,走行在下梁子台地上,利用平缓地形以路基通过。主要工程有付家湾隧道(2708m)、莲花滩隧道 (587m)、DK380+315～DK380+683段路基 368m。

3.5.2 改线方案

线路在付家湾隧道中部,里程 DK379+800左右设一右偏曲线,线路右偏后,在原线位里程 DK380+200上游 60m左右跨一冲沟,该处线路下挖 2m以涵洞通过;穿莲花山后线路左偏,在出口段 DK381+087接原线路。研究范围内线路长度为 3.827km。较原设计相比,线路增长约 13m。见图2。

图2 DK380改线方案示意

3.5.3 各方案地质条件分析

(1)施工图方案

DK380+315～DK380+683段路基线路山坡上部近百米发育 3层巨厚层砂岩,节理发育,危岩和落石遍布,对下部线路威胁很大。同时早期危岩落石在缓坡坡脚堆积形成岩堆,以路堑形式通过岩堆中部,处理困难,也存在引起既有岩堆形成工程滑坡的可能。

(2)改线方案

该方案从根本上避开了原线位穿越的危岩落石和岩堆大型发育区,但同时也存在与原方案相似的工程地质问题,主要有改线后付家湾隧道出口坡积体、新增莲花滩隧道进口岩堆体。

①付家湾隧道出口坡积体

位于一单面斜坡,自然坡度 20°,辟为水田,未见基岩。该斜坡上发育一较大规模坡积体,主轴顺自然坡面与线路近平行,长300m,宽 165m,勘探厚度 20～25m。坡积体表层 Q4el+dl粉质黏土夹碎石、块石或孤石,褐黄色,软塑层厚度 2～3m,硬塑层厚约 17m,Q4el+dl碎石、块石土,褐黄色,中密饱和,厚度 1～20m。地下水为浅层孔隙潜水,地下水最大埋深 29m,雨季时地下水位抬升。

自然条件下,除局部陡坎降雨引起坍塌外,坡积体整体上基本稳定。但施工开挖易引起坍滑。因此,平整施工场地过程中严禁挖断坡脚,形成临空面,至路肩以上隧道边仰坡高度不得超过 6m,隧道施工前应完善地表排水系统,避免对坡积体进行不利的工程活动(场地平整切断坡脚形成临空面、排水不畅引起表水下渗等),诱发工程滑坡。原付家湾隧道也在该堆积体中通过,采取上述措施较为有效。

在隧道设计中考虑洞口接长明洞、基底注浆加固、长管棚跟进。

②绕行莲花滩隧道进口岩堆体

莲花滩隧道进口穿越一小山梁,线位处相对高差20～30m,自然坡度 20°～35°,山梁及两侧辟为水田、旱地、民房,进口斜坡及山梁、谷地表层,多被残坡积或崩坡积物覆盖,除谷地边上的斜坡坡脚偶有基岩出露外,基本未见基岩出露,属岩堆体浅埋段。其中进口斜坡及山梁 Q4el+dl粉质黏土夹碎石、块石或孤石,褐黄色,硬塑,推测厚约 2～10m。浅埋谷地,表层为 Qel+dl4粉质黏土夹碎石、块石或孤石,褐黄色,软 ～硬塑,勘探孔厚度5m左右,下伏Q4col+dl碎石土、块石土,褐黄色,松散 ～中密,成层性、分选性差,勘探孔厚度约 5～10 m。该岩堆体基本沿山梁两侧顺冲沟延伸,山梁上薄,斜坡上尤其是靠近冲沟的坡脚厚,现状基本稳定。另外表层零星分布大型落石,虽然现状稳定,若附近线路施工活动,影响根基稳定,会影响施工或安全。

3.6 改线方案的评价

改线后,线路增长约13m,隧道长度增加 462延 m,其中付家湾隧道长度缩短 10m,且围岩级别变好,但增加一横洞;莲花滩隧道增长 472延 m,Ⅴ级围岩增长 279 m;路基长度减少 449m,且不需要采取加强措施。改线后,线路多以隧道通过,征地拆迁工程量减小。

原施工图方案线形较好,线路顺直;改线方案在付家湾隧道出口段增加一反向曲线,线形稍差,线路增长13m。

原施工图方案在付家湾隧道出口、莲花滩隧道进口、以及在 DK380+315～DK380+683段约 0.35km路基位于岩堆中和危岩落石区,严重威胁施工和运营的安全;改线方案基本以隧道通过,地质条件相对较好,减小了施工和运营中的安全隐患。

综合比较两方案的工程地质条件,改线方案实现了对原线位莲花滩隧道进口严重的不良地质地段绕避的主要目的。线路以隧道通过一劳永逸,避免隐患。本段线路按改线方案实施。

4 结语

铁路选线在方案比选时应该综合考虑经济、国防、环保、效益等因素,但在不良地质时宜“地质选线”,比选线路方案时对地质因素考虑得最多。当线路通过岩堆、危岩落石集中发育地段等不良地质体且难以规避时,宜采用多方案综合比选,按照“两害相权取其轻”的原则进行取舍。

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