十大关键词论宜万铁路建设

张 梅,朱鹏飞,黄鸿健,张民庆

(铁道部工程管理中心,北京 100844)

1 百年梦想

1903年,清王朝受大兴铁路热潮的影响,为改变出川只通水路的现状,拟定出修建川汉铁路的动议。次年,川汉铁路总公司在成都成立。当时修建川汉铁路的资金,釆用“田亩加赋”的方法加以筹集,打破了国外列强以直接经营、中外合办、贷款等手段,控制中国铁路筑路权的垄断。四川几乎家家“参股”,集资达1670余万两白银,反映出全川7000万民众对盼望铁路的迫切之情,同时也成为日后保路运动兴起的最大诱因。商办川汉铁路开工仪式如图1所示。

图1 商办川汉铁路开工仪式

1908年,留学归来的詹天佑被聘为川汉铁路总工程师,开始了艰辛的地质勘探、线路选定等前期工作,经反复斟酌,确定了先修建宜昌至秭归 160km段的铁路。

1909年,川汉铁路宜归段从宜昌开工建设,起初有6000多名筑路员工投入施工,逐步形成为 4万多人云集铁路全段的宏大建设场面。此后近两年的时间里,宜归铁路段在十分艰难的条件下将几座桥梁、涵洞、车站基本建成,线路铺设 20多 km,上风垭隧道也快修通,但就这来之不易的筑路局面,不久就因清王朝的腐败无能而被迫中断。

1911年,清政府将川汉铁路与粤汉铁路收归国有,对集资铁路公司和民众进行了极不合理的补偿,又与美英德法四国签订了铁路借款合同,实际就是借用外债请洋人来修建铁路,这一做法遭到了各省的强烈反对,因而引发了著名的保路运动,直接导致了辛亥革命的爆发,随着清政府最终垮台,川汉铁路宜归段前期建设前功尽弃。

1913年,民国政府交通部接收了川汉铁路,但无作为。

1914年,詹天佑满怀强国报国之心,又对川汉铁路进行重新勘测,选取了新的走向线路,但均因国家处于多事之秋,军阀混战,民不聊生,而壮志未酬,川汉铁路建设就此中断……

新中国成立以来,党中央、国务院对修建川汉铁路高度重视。20世纪 60年代,毛泽东、周恩来、朱德等老一辈党和国家领导人先后听取时任西南局第一书记李井泉、铁道部部长吕正操等关于请示修建川汉铁路汇报,后因该项目投资过大,且隧道修建技术不过关,以及“文革”的影响,未付诸实施。

20世纪 90年代,川鄂人民要求修建川汉铁路的呼声再起,江泽民同志在全国人大会议期间认真听取了关于尽快修建枝城(宜昌)至万州铁路的汇报,但由于该项工程地质复杂,投资浩大,又未列入国家计划。

进入新世纪后,随着我国改革开放的深入,国家经济、科技实力的日益增强,宜万铁路建设也由此突破了历史的陈规,迎来了新的春天。在以胡锦涛为总书记的党中央亲切关怀下,宜万铁路建设快速启动:2001年纳入国家“十五”计划;2002年 6月 19日,国务院总理办公室研究同意宜万铁路立项。同年 7月 4日,国家计委正式下文批准宜万铁路项目立项。

2003年 11月 12日,国务院总理办公会通过宜万铁路可研报告,同年 12月 1日,宜万铁路奠基仪式在湖北恩施隆重举行,从此拉开了大规模建设的序幕。宜万铁路奠基仪式如图2所示。

图2 宜昌至万州铁路奠基仪式

2009年 12月 10日,随着宜万铁路最后一座隧道——齐岳山隧道的贯通,宜万铁路隧道工程全部贯通,这标志着经过长达 6年的努力,宜万铁路已进入收官阶段,一个延续百年的梦想,正在变为美丽的现实。为纪念宜万铁路建设的艰辛历程,在齐岳山隧道贯通之日,于隧道洞口立“宜万铁路高风险隧道群建设纪念碑”,如图3所示。纪念碑全文为“宜万铁路,东起宜昌,西迄万州,跨长江,依清江,穿武陵,八百里。凡齐岳山,八大隧道,极高风险,断层、暗河、岩溶、高压富水、突泥突水,世界罕见。参建将士,依靠科技,集各方智慧,众志成城。历六载春秋,不畏艰险,挥泪洒血,攻坚克难,坚韧不拔,可歌可泣!巴蜀荆楚变通途,创筑路奇迹。为铭记建设者‘挑战禁区,敢为天下先'的宜万精神,参建单位共立此碑,永志纪念。”。

图3 宜万铁路高风险隧道群建设纪念碑

2 突水突泥

宜万铁路东起既有鸦宜铁路花艳站,西至既有达万铁路万州站,是铁路进出川渝地区的东通道之一,也是沪汉蓉快速铁路客运通道的重要组成部分。沪汉蓉快速铁路客运通道途经沪、苏、皖、鄂、渝、川 6省市,联接长江上、中、下游,是横跨我国东中西部的重要铁路通道,是连接东中西部的重要纽带。宜万铁路地理位置如图4所示。

图4 宜万铁路地理位置

宜万铁路线路全长 377.128km,其中湖北省境内线路长度 324.424km,重庆市境内线路长度 52.704 km。宜昌东至凉雾段一次建设复线,设计时速 160 km;凉雾至万州段单线,设计时速 120km。宜万铁路宜昌东(含)至凉雾(含)段一次复线地段分布车站 12个,近期开放宜昌东、宜昌南、贺家坪、巴东、建始、恩施、利川共 7个车站。凉雾站作为利川至涪陵线接轨站,在修建渝利线时开放。车溪、榔坪、落水洞、白果共4个车站作为预留站,视运量增长情况适时增开。凉雾(不含)至万州段分布车站 9个,近期开放齐岳山、罗田、鱼背山、五桥和万州共 5个车站。预留汪营、关仓坪、谷雨和柑子园共 4个车站。

宜万铁路全线共设计隧道 159座,全线约 70%的工程位于灰岩地层,该地区岩溶强烈发育,地质条件极端复杂,多座长大隧道通过可溶岩地层,并组成不同类型的储水构造,在地壳运动和特殊的水动力作用下形成复杂的岩溶管道、溶隙网络系统,隧道遭遇灾害性的突水突泥和诱发环境地质灾害的可能性极大,隧道突水突泥风险巨大。部分隧道埋深达 800m以上,且构造复杂,高地应力软岩大变形问题非常严重,加上广泛存在的区域大断裂、滑坡、岩堆、危岩落石、瓦斯、天然气、高地温等,工程艰巨,建设难度极大。

突水突泥是宜万铁路岩溶隧道最为典型的地质难题,其中马鹿箐隧道和野三关隧道突水突泥规模大、影响大。

2006年 1月 21日,马鹿箐隧道出口平导开挖到3174m(PDK255+978),注浆加固后开挖出砟时,突然发生突水突泥,最大涌水量 72万 m3/h,突泥 8万m3,淤积隧道长度 2600m,其中平导1600m、正洞1000m。突水突泥造成多名作业人员遇难,经济损失巨大。突水突泥如图5所示。

2007年 8月 5日,野三关隧道出口开挖到5444m(DK124+602),出砟时,突然发生突水突泥突石,最大涌水量约 15万 m3/h,涌出泥砂与块石约5万 m3,淤积隧道长度 500m,将洞内大量机械设备冲走并扭曲解体,造成多名作业人员遇难,经济损失巨大。突水突泥突石见图6。

图5 马鹿箐隧道突水突泥

图6 野三关隧道突水突泥突石

3 风险管理

宜万铁路风险管理从识别评估、决策管理、技术应对和安全措施 4个体系入手进行管理。宜万铁路风险管理体系组织模式框架见图7。

4 超前预报

针对隧道工程,在勘察阶段,设计单位投入了大量的人力、物力、财力,在充分收集、分析和研究以往既有资料的基础上,以遥感判译先行,以补充、深入、扩大地质测绘和岩溶水文地质调查为基础,充分发挥 V6、GDP-32、EH-4等地球物理勘探方法的作用,并开展了深孔钻探取芯和钻孔内水文试验、综合测井、地应力测试、瓦斯测试、跨孔 CT、全景式数字摄影等工作,以及结合石样、土样、水样化验,重要泉点、暗河长期水文观测,基本上查明了地层岩性、地质构造,以及存在的主要重大地质问题和可能发生重大地质灾害的原因、位置、规模、危害程度,并提出了相应的工程处理措施,以尽力避免或减少工程事故的发生,消除或降低工程风险。但是,由于受地质条件复杂性的影响,特别是针对长大岩溶隧道,由于受国内外现有仪器设备和技术水平现状的影响,仅通过地表勘察很难查明深部所有大大小小、形态各异的岩溶细节,并且受勘探精度控制,一些异常体的位置、重要地层界面和断层位置会与实际情况可能存在一定的出入,甚至局部地段出入较大。因此,很有必要在施工阶段进行施工地质超前预报,将地质超前预报纳入工序管理,严格执行“有疑必探、不探不进”的安全施工理念是十分重要,也是十分必要的。

图7 宜万铁路复杂隧道风险管理体系

宜万铁路全线 13座重点岩溶隧道共实施水平钻探54938m、地震波法预报 352次、地质雷达 421次、隧底复查600022m、隧底岩溶钻探4342m、暗河物探8920m、地质素描一般 1次/1～2个循环 1次,红外探水基本上随着隧道的掘进而跟进测量、超前炮孔一般都按设计要求施作。根据现场实际实施效果,针对风险隧道,建立了岩溶隧道预报模式:以地质分析为基础,物探先行、钻探验证,以加深炮孔为最终控制环节。建立了符合现场实际的不同地质环境条件下预报模式。

(1)对一般岩溶隧道,采用“地质素描、加深炮孔”预报模式。

(2)对较复杂岩溶隧道,采用“地质素描、地震波法、水平超前钻探(1孔)、加深炮孔”预报模式。

(3)对复杂岩溶隧道,采用“地质素描、地震波法、水平超前钻探(多孔)、地质雷达、加深炮孔”预报模式。

预测预报模式如图8所示。

图8 隧道工程施工地质超前预测预报模式

5 释能降压

释能降压技术是针对隧道施工中所遇到的高压富水充填溶腔,选择适当的时机,采取有计划、有目的的精确爆破,把溶腔打开,释放溶腔内所存储的高压泥水,削减势能,降低泥水压力,从而消除隧道溶腔处理的高风险。然后,对溶腔进行清淤、加强支护、快速通过、及时施作底部结构和二次衬砌等配套处治措施来完成溶腔段的施工。

释能降压技术的 4个决定性关键因素:一是如何对溶腔进行较为准确的判断,分析溶腔的地质特征、水文特征、规模特征、环境特征,研究释能降压的可行性和可靠性;二是如何将需要爆破的岩溶边界进行准确的锁定,为一次爆开溶腔提供技术支持;三是如何进行专项的精确爆破设计,确保一次爆开溶腔;四是对溶腔爆开后的各种情况进行准确的判断,确定针对性的快速处理方案,同时还要对环境影响进行全面评估。

释能降压技术必须要有一个严格的管理机构和严密的安全措施。管理体系包括识别评估体系、决策管理体系、技术应对体系和安全措施体系 4个环节。安全保障体系包括水文监测专项设计、洞外排水系统专项设计、洞外警戒系统专项设计、洞内排水线路专项设计、洞内相邻洞室分隔专项设计、洞内外预警系统专项设计、进洞条件专项设计、进洞观察安全撤离线路专项设计共 8个方面的内容。释能降压技术结构见图9。

释能降压技术可划分为 5个步骤:查找溶腔、判释溶腔、锁定溶腔、打开溶腔、处治溶腔。概括为 24字施工方针:探介质、锁边界、选时机、精爆破、严监控、畅排放、细处理、勤检查。

图9 释能降压技术结构框图

宜万铁路马鹿箐隧道 978溶腔、云雾山隧道 526溶腔、野三关隧道 602溶腔、大支坪隧道 990溶腔、齐岳山 629溶腔成功实施释能降压技术,彻底消除了施工风险,工程取得了决定性突破。

6 信息化注浆

信息化注浆技术是结合宜万铁路齐岳山隧道 F11高压富水断层研究开发的一项新技术。

信息化注浆技术是根据隧道周围土体是不均匀的,由于透水性不同造成水量也是不均匀的,因此,通过施作不等厚的加固体来抵抗松动圈。在水量小的区域可以采用 3～5m的加固圈,对渗透性强、水量大的区域予以加强。其工作原理见图10。

信息化注浆工艺流程共分为 4个步骤。

(1)分区定位:按对隧道外 3～5m基本注浆加固区进行注浆预设计。选取周边 4～6个注浆孔进行钻探注浆,遇水顶水,遇破碎加固。通过这 4～6个孔确定隧道周围强水区与弱水区。

图10 信息化注浆技术工作原理(单位:m)

(2)基本注浆:完成探孔后,对基本注浆区进行钻孔注浆。基本注浆区只设计 2圈,外圈孔位于隧道外3～5m,内圈孔为 1～3m。严格按照“先外圈后内圈,同圈间隔跳孔”的顺序进行注浆。

(3)区域强化:对锁定的强水区进行补注浆加固,注浆范围为 5～8m。

(4)效果检查:高压富水地层既要达到堵水效果,又要起到加固作用,因此,应严格按制定的标准进行注浆效果检查,不达到标准必须进行补注浆。

信息化注浆技术与全断面帷幕注浆技术相比较,在保证注浆效果的前提下,注浆进度可提高 1倍,注浆费用节省约 50%。齐岳山隧道平导全断面帷幕注浆与信息化注浆完成后掌子面注浆孔比较见图11、图12。

图11 全断面帷幕注浆掌子面注浆孔

图12 信息化注浆掌子面注浆孔

信息化注浆在齐岳山隧道 F11断层剩余的工程中共实施了 27个循环,成功地解决了齐岳山隧道 F11高压富水断层施工难题。与全断面帷幕注浆法相比,注浆更有针对性,注浆孔数量减少了一半以上,注浆速度提高了一倍,注浆造价也降低了一半。

7 防灾预警

在风险隧道施工中必须安装配置合适的防灾害声光报警装置,报警装置应形成系统,一旦有灾害预警应立即发出警报,传给洞口工区的项目经理部值班室,值班室立即启动应急通信、应急照明并指挥洞内人员安全撤离;正洞、各辅助坑道、横通道必须配置足够数量的应急照明装置,并应确保在有灾害发生时能提供足够亮度的照明指示以利洞内人员逃生;在正洞与平导(如有)之间,在预测高风险段落增设逃生横通道。

7.1 视频监控系统

为掌握施工现场情况、及时发现施工隐患、提前防患做好准备,电视监控必须实时无误地反映施工现场情况。图13为齐岳山隧道洞内视频监控系统照片。

图13 齐岳山隧道洞内施工全过程监控系统

7.2 声光报警系统

声光报警是指当隧道内某一工作面出现险情时,可在第一时间警报施工人员撤离现场,为现场施工人员赢得撤离时间,从而能最大限度地减少伤亡,达到安全施工的目的。系统由应急报警按钮(无线和有线方式兼容)、声光报警器、报警装置、报警主机、系统软件等组成。

7.3 应急通信系统

分别在 8座隧道内的施工工作面地段、隧道内其他有人值班地段设置应急电话机,在隧道两边洞口或斜井洞口的工棚内,分别设置电话集中机,构成以洞口工棚内值班员为中心的电话系统。

7.4 应急照明系统

在隧道进出口及斜井处各设 1套应急照明配电箱,接引施工用变压器低压侧 380/220V电源;对于特长隧道,可根据隧道照明等负荷容量,在隧道内分段设置配电箱供电,其电源接引洞内隧道施工用 380/220 V电源。

应急照明灯具在隧道内(平导内)每隔 40m设 1盏,灯具为自带蓄电池应急照明灯,灯具应急时间为90min,灯具容量每盏按 20W计,采用电缆沿隧道壁挂钩敷设,由应急照明回路接引电源;隧道横通道处设置横通道灯箱。

7.5 逃生路线系统

正洞与平导之间,尽量利用现有设计横通道(间距400m左右)作为逃生横通道,对于反坡施工极可能发生大型突水突泥的地段,可适当增设逃生横通道,以规避施工风险。逃生横通道内应设置应急照明装置,并严禁放置杂物,确保人行畅通。顺坡施工地段掌子面后方设逃生爬梯,以备人员暂避。每处施工掌子面应至少保持有 1名安全警戒人员。在距每处掌子面最近的 2处横通道(逃生通道)两侧设置安全防护门,每处防护门处常设安全警戒人员 1名,在有灾害预警时根据具体灾情决定防护门的关闭时机。对无轨运输的隧道要保障隧道内通道畅通,有轨运输的隧道要专门劈出一条供逃生车辆运行的通道。

逃生路线是在灾害发生时,施工人员应采取最佳的逃生路线,施工中情况复杂,发生灾害时施工作业人员分散,施工单位结合现场的具体施工情况,合理运用,并结合应急报警系统输入到电脑软件中,以便找到最佳逃生路线。

7.6 逃生设备系统

各开挖工作面根据作业人数需要,配备自动充气救生服及救生圈,顺坡排水施工地段各开挖工作面配备一定数量的自动充气救生筏,由专人负责维护及管理;施工地段掌子面后方隧道侧壁设置一定数量逃生爬梯;施工单位应保障模板台车及各种作业台车的梯子完好,以备人员暂避,事故发生时应由专人发放救生服、救生圈等设施,并打开自动充气救生筏,将模板台车及逃生爬梯上暂避的人员接上救生筏逃生。

7.7 应急排水系统

洞内(井内)必须分别设置满足施工期排水需要的机具设备和材料;同时,对 8座Ⅰ级风险隧道以相邻的隧道集中储备50000m3/d以上的抽水能力的机具设备和材料,并应保证设备状态良好。

7.8 应急供电系统

隧道施工应急疏散电源在隧道进出口或斜井处就近接引施工用变压器低压侧 380/220V电源,隧道洞内电源接引洞内隧道施工用 380/220V电源。

8 水文监测

水文监测内容包括岩溶地下水的补给来源、排泄点以及反映地下水特征的各要素,如降雨量、涌水点、涌水量、水压、水位等,对监测的数据需进行整理和分析。

隧道内涌水监测,因隧道内涌水具有不确定性、突发性和快速性,涌水点难以确定,需要边施工边观察,发现涌水点及时监测。涌水观测内容:涌水点的位置、性质(裂隙 、溶洞)、涌水量(初期 、最大、正常 )、涌水延续时间、地下水的含泥情况(混浊度)以及涌水期间的天气状况。

对超前涌水钻孔除进行水量观测外,还需进行水压测试。

9 进洞条件

对于高风险隧道,根据日降雨量、水压力、泄水洞日排水量等实行进洞安全等级管理,确定进洞施工警戒条件,确保施工人员绝对安全,如马鹿箐隧道的安全等级见表1。齐岳山隧道安全等级管理见表2。

表1 马鹿箐隧道安全施工等级管理

表2 齐岳山隧道进口安全施工等级管理

10 岩溶处理

宜万铁路岩溶隧道工程已揭露的岩溶1088处,其中岩溶洞穴中溶腔约占 90%,岩溶管道约占 7%;岩溶裂隙约占 3%,暗河主要在野三关隧道和五爪观隧道中有揭露。各类岩溶形态案例情况见表3。

隧道岩溶发育虽千奇百怪、复杂多变,无规律性,但也有其内在的类型特征。针对宜万铁路已揭示的1088处岩溶及岩溶水,根据其不同的类型特征,采取 5种分类方式,从而 “对症下药”,制定出“规模对策”、“充填性对策”、“充填物对策”和“水对策”,实现岩溶“标准化”治理。

根据岩溶分类,针对不同类型岩溶,制定基本处治对策见表4。

表3 岩溶形态案例

表4 隧道岩溶处理技术方案

[1] 张 梅,张民庆,朱鹏飞,等.高压富水充填溶腔释能降压技术[J].中国工程科学,2009(12):13-19.

[2] 朱鹏飞.宜万铁路岩溶隧道风险管理[J].中国工程科学,2009(12):20-25.

[3] 刘招伟,张民庆,王树仁.岩溶隧道灾变预测与处治技术[J].北京:科学出版社,2007.