鄭萬高速鐵路小三峽隧道選線分析

周定祥

(中鐵二院重慶勘察設計研究院有限責任公司， 重慶 400023)

鄭萬高速鐵路(鄭州—萬州)位于豫、鄂、渝三省市境內，是國家《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》中區(qū)際干線鐵路京-鄭-渝-昆大通道的重要組成部分。鐵路建成后可顯著改善西南地區(qū)，特別是重慶東北向鐵路的通道能力和質量，對加快沿線旅游資源開發(fā)，推進沿線城鎮(zhèn)化進程，帶動沿線經(jīng)濟社會發(fā)展具有積極意義。鄭萬高速鐵路建成后，重慶至北京、武漢的旅行時間可由目前的12 h和6.5 h縮短至6 h和4 h以內，大大縮短時空距離，顯著提高鐵路運輸服務質量。

1 線路概況

鄭萬高速鐵路線路長818 km，設計時速350 km，總投資約 1 180億，橋隧比91.9%，是我國第一條橋隧比重超過90%的復雜艱險山區(qū)高速鐵路。鐵路于2016年底開工建設，計劃2022年底建成通車。

鄭萬高速鐵路湖北、重慶段地處四川盆地邊緣和大巴山山系南麓，位于我國第二地勢階梯(1 000～2 000 m)與第三地勢階梯(1 000 m以下)過渡帶。線路穿越大洪山、荊山、大巴山山脈，途徑襄陽盆地、南漳盆地，跨越唐白河、漢江、香溪河、神農(nóng)溪、大寧河、梅溪河、湯溪河、彭溪河等河流?？偟貏菸鞲邧|低、北高南低，山高谷深起伏大，線路多次克服峽谷間相對高差，縱坡呈“W”型，鄭萬高速鐵路存在“四復雜”(地形條件復雜、地層巖性復雜、地質構造復雜、水文地質條件復雜)和“三突出”(巖溶及巖溶水問題突出、危巖落石問題突出、巖堆滑坡問題突出)問題。

巖溶及巖溶水是控制線路方案走向的主要不良地質，隨著地質勘察工作的逐步深入，不斷優(yōu)化線路方案，減少可溶巖地段長度。線路方案優(yōu)化后各設計階段巖溶長度的變化如圖1所示。

圖1 各階段巖溶長度變化圖

可研階段巖溶長度為125.71 km，可研修編階段為114.27 km，初步設計階段為106.45 km，施工圖階段為92.48 km，占線路長度的19.7%。

湖北、重慶段共有雙線隧道60座(其中10 km以上隧道11座)，共計 336 962 m，占線路長度的71.5%，主要集中在湖北省南漳至重慶萬州段。其中，小三峽隧道位于重慶奉節(jié)縣東部與巫山縣接壤地帶，隧道全長 18 954 m，為全線最長隧道，也是全線的控制性工程，屬Ⅰ級高風險巖溶隧道。

高速鐵路線型標準、構筑物沉降控制及軌道平順性等要求高，主要經(jīng)濟點、環(huán)境敏感點等限制條件多，對長達數(shù)百公里的線路來說，傳統(tǒng)的以適應地線為主的“地形選線”、“工程選線”及繞避不良地質為主的“地質選線”技術已難以完全滿足要求?；诖耍诔浞旨橙〕衫?、寶成、南昆等既有山區(qū)鐵路經(jīng)驗教訓[1-3]及朱穎、魏永幸等人提出的“鐵路減災選線”新理念的基礎上[4-6]，結合渝貴、渝懷二線勘察設計實踐和鄭萬高速鐵路小三峽隧道巖溶地質選線實際，提出了巖溶隧道選線的一種新思路與方法—“三維地質選線”，即隧道平面選線、隧道縱斷面選線和隧道橫斷面選線。

2 小三峽隧道平面選線

小三峽隧道位于長江以北，東為大寧河，南為長江，西為瞿塘峽，北為草堂河、石馬河。線路穿越齊耀山背斜、巫山向斜、梁子上背斜的兩翼，主要不良地質為順層偏壓、巖溶及巖溶水、巖堆、滑坡等。隧道以Ⅳ-13 520 m(81.59%)，Ⅴ-2 250.5 m(13.58%)為主，隧道設置“3橫洞+2平導+1斜井”的輔助坑道，總工期為48.7個月。

該段線路以大角度穿越齊耀山背斜，隧道洞身穿越可溶巖段落無法避免。汲取同走廊內長江南岸宜萬鐵路穿齊耀山背斜的經(jīng)驗教訓，并充分借鑒渝利鐵路的研究成果[7]，設計前期開展了大范圍選線研究。選線研究的總體思路為：盡量縮短線路穿越可溶巖強烈發(fā)育段和水平徑流帶的長度，對利用長江作為巖溶水排泄基準面的南線系列方案和利用大寧河作為巖溶水排泄基準面的北線系列方案同時開展比選研究，線路方案示意如圖2所示。

圖2 小三峽隧道南北線系列方案示意圖

2.1 小三峽隧道南、北線系列方案研究

2.1.1 南線系列方案

對東端大寧河方案研究了沿江隧道設站方案、利用巫山站位沿江方案；對西端草堂河方案研究了經(jīng)白帝鎮(zhèn)方案和限速方案。經(jīng)綜合比選，推薦采用沿江隧道設站方案+經(jīng)白帝鎮(zhèn)方案D2K貫通。

2.1.2 北線系列方案

研究了DK方案、線路北移方案D2K和限速方案D3K。限速方案D3K線路繞行長，運行時分多、工程投資大，與線路北移方案相比，在穿越可溶巖強烈發(fā)育地段長度、水頭高度方面無明顯優(yōu)勢。經(jīng)綜合比選，推薦采用不限速的線路北移方案貫通。

對南、北線系列的推薦方案再進行系統(tǒng)比較，優(yōu)中選優(yōu)，最終推薦工程地質、水文地質、站位、橋位條件及工程投資均相對較好的北線系列線路北移方案D2K。

2.2 線路北移方案D2K的局部優(yōu)化

在齊耀山北側線路北移方案D2K中，小三峽隧道以大角度穿越齊耀山背斜，因中硐河兩側為陡峭峭壁，危巖落石范圍廣、規(guī)模大，無法處理，線路選擇以長隧方案暗挖通過D2K。原貫通方案在小三峽隧道進口至中硐河段(D2K 665+815～D2K 670+800)段使用的平均縱坡為14.2‰，在滿足隧道頂板與中硐河溝底位置關系的前提下，有進一步優(yōu)化線路平面曲線半徑、適當靠河的可能性，因此增加研究了兩個對比方案，方案平面示意如圖3所示。

圖3 局部細化靠河、拔高方案示意圖

2.2.1 線路靠河方案(D4K)

從平面位置分析，該段線路路方案應盡可能靠近東側大寧河排泄區(qū)，以使線路走行于地下水位水頭較低位置。故在保證中硐河處隧道不出露的情況下，研究了線路平面位置更靠近大寧河的方案。該方案中硐河溝底地面標高H=330 m，軌面設計標高H=304 m，小三峽隧道進口至中硐河溝段采用6‰縱坡。

2.2.2 線路拔高方案(D5K)

從線路設計標高分析，根據(jù)巖溶地區(qū)選線原則，該段線路方案應盡可能拔高，使線路盡可能走行于水平循環(huán)帶之上，無法走行于水平循環(huán)帶之上時應最大程度減小水頭高度，減少隧道防護措施。中硐河自西向東流入大寧河，溝底地面西高東低，故線路西移后，溝底標高增加，按照設計規(guī)范[8-9]，線路最大縱坡可采用30‰，故可用足坡度將線位拔至更高。該方案硐河溝底地面標高H=452 m，軌面設計標高H=425 m。

經(jīng)研究比較，3方案的可溶巖長度、巖溶發(fā)育程度、水平徑流帶長度等條件基本一致。線路拔高方案D5K距離大寧河遠約796 m，線路標高高于線路靠河方案D4K約50～120 m，但其最大水頭高度僅降低15 m，且在D5K 670+385～D5K 671+335段穿越高陡岸坡形成的巖堆及鹽溶角礫巖，隧道圍巖較差，隧道橫洞長度增加約800 m。綜合分析，推薦線路靠河方案D4K。

3 小三峽隧道縱斷面選線

中垌河為小三峽隧道洞身DK 670+000前后的深切溝谷，危巖落石發(fā)育、高差大，是線路方案的重要控制點，在線路平面位置確定的情況下，進一步研究了既可躲避危巖落石、又可拔高線路的方案，即在小三峽隧道洞身中垌河設置明洞拔高的線路方案。利用隧道棄渣在中垌河上設置堤壩，堤壩上設置明洞，中垌河排水則通過在堤壩上游設置單獨泄水洞予以處理，如圖4所示。

圖4 小三峽隧道洞身中硐河平面地形圖

根據(jù)線路標高的差異，對3個縱坡方案進行了研究，分別為下穿中硐河不出露方案、上跨中硐河(壩高30 m)方案和上跨中硐河(坎高60 m)方案，各方案縱坡與中垌河相對高程關系如圖5所示，中垌河出露30 m低堤壩設明洞方案和出露60 m高堤壩設明洞方案斷面圖如圖6所示。

圖5 各方案縱坡與中垌河相對高程關系圖

圖6 中垌河出露30 m低堤壩明洞和出露60 m高堤壩明洞方案斷面圖(m)

對巖溶及巖溶水條件進行分析，3方案的可溶巖長度、巖溶發(fā)育程度基本一致，但在隧道穿越水平徑流帶長度和水頭高度上有所差異，水頭高差最大約45 m，水平徑流帶最大長度差為 3 015 m。3方案可溶巖分布特征及巖溶發(fā)育情況如表1所示。

從表1可以看出，在減小水頭高度和水平徑流帶長度上，上跨中垌河方案有較大優(yōu)勢，但中垌河出露方案在減少水頭高度的同時，也帶來了新的問題，即中垌河兩側危巖落石極其發(fā)育，線路要面臨高度超過650 m、塊徑大于10 m且呈楔形掉塊危巖落石的危脅。危巖落石對隧道明洞結構影響分析和模擬計算的結果表明，現(xiàn)階段隧道明洞結構不能抵御該處巨大的危巖落石，因此，中垌河出露方案安全風險極高。在巖溶和危巖問題二者無法完全兼顧的前提下，最終推薦中硐河不出露方案(D4K方案)。

表1 巖溶及巖溶水比較表

4 小三峽隧道地質橫斷面選線

與DK方案相比，D4K方案線路通過可溶巖長度、水平徑流帶長度及最大水頭高度均明顯減少，如表2所示，小三峽隧道水文、地質條件得到了較大的改善。

表2 巖溶及巖溶水比較表

綜上可知，小三峽隧道進口端穿越齊耀山背斜可溶巖無法避免，經(jīng)過南北系列方案比較及平(面)、縱(斷面)、橫(斷面)三維地質選線，隧道近2/3位于非可溶巖，推薦繞避大型危巖落石、水文地質條件相對較好的D4K方案。

5 小三峽隧道工程設計措施

小三峽隧道設計采用“3橫洞+2平導+1斜井”方案，通過設置“橫洞+平導”，進口端實現(xiàn)了可溶巖段全部順坡排水施工，其中，長6 324 m的1號平導起到超前探明地質、排水泄壓和超前正洞增開工作面快速施工的作用。為加快施工進度，保障施工安全，對控制工期的工區(qū)采用大型機械化配套施工；對涌(突)水(泥)風險段加強超前地質預報并考慮注漿堵水預案；對軟巖變形塌方段加強結構支護；對處于風景區(qū)的隧道洞口采取仰坡零開挖進洞。同時，為避免施工排水破壞小三峽風景區(qū)水體，1號橫洞和2號橫洞洞口均設置污水處理站。整個隧道開挖過程成功避免了巖溶隧道施工極易出現(xiàn)的突水、突泥及塌方等風險事故?？茖W選線和合理的工程措施是確保小三峽隧道提前1年貫通的關鍵。

6 結束語

鄭萬高速鐵路小三峽隧道已于2020年7月26日全線順利貫通，較原計劃工期提前了1年。從后期施工開挖揭示的地層巖性可以看出，勘察設計過程中對該段地質的認識分析是科學合理的，采用的巖溶隧道選線原則“先繞避、短通過、抬高程、傍河邊、靠既隧、順坡排、淺覆蓋、防崩塌”[10]是正確的。

線路穿越中垌河段的后期施工中并未遇到較大巖溶突水突泥事件，這也驗證了設計方案的合理性，若設計時一味追求降低巖溶水壓而拔高線路，將會給運營埋下永久的安全隱患。因此，在單純巖溶地區(qū)的鐵路選線中應遵循巖溶隧道選線原則，并結合“拔高”后帶來的其他地質風險合理取舍。中硐河是一個典型案例，面臨“拔高”后是否再進一步“拔高”的抉擇，就某一工點而言，巖溶風險存在一定不確定性，現(xiàn)階段的勘探手段很難全方位查明。而繼續(xù)“拔高”后危巖落石的危害則會給后期運營留下重大安全隱患。因此，在復雜艱險山區(qū)鐵路選線過程中，應采用“三維地質選線”，始終把施工及運營安全風險放在首位，從設計源頭做好特長巖溶隧道的選線工作。