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纵横大西南,忘乎山水间(三)——记浴血奋战的宜万铁路复杂岩溶隧道 精选

已有 5206 次阅读 2019-7-23 09:31 |个人分类:工程实践|系统分类:科研笔记

纵横大西南,忘乎山水间(三)

——记浴血奋战的宜万铁路复杂岩溶隧道

文/陈仁全

篇首语:这几年偶尔奔波在湖北西部与重庆东部的宜万铁路上,当列车穿过一条又一条隧道时,便情不自禁想起十年前修建这些隧道是多么艰辛。宜万铁路不长,却堪称我国铁路建设的一部血泪史,“七年抗战”让建设者们心惊胆战,让许多壮士长眠于此。多座极高、高风险岩溶隧道,施工过程中遭遇了强烈突水、突泥事故,造成过重大人员伤亡和经济损失。宜万铁路是我国南方复杂岩溶地质条件下铁路建设的新高度,并成功打通了我国东西部沿江运输大通道。几年前参加蒙华铁路某项评估工作,常听项目上的朋友提及当年参建宜万铁路的故事,近两三年又负责和参与了数项类似地质条件的项目勘察、设计和评审,时常提醒自己要吸取宜万铁路岩溶隧道建设的经验和教训。总觉得意犹未尽,在此以文字和图片简要回顾宜万铁路岩溶隧道建设中的艰险,以供有兴趣的朋友了解。需要直观了解宜万铁路建设历程的朋友,也可以网上查看《宜万铁路》纪录片。

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(一)岩溶风险,生死离别

宜万铁路东起湖北宜昌市,西止重庆万州区,全长377公里,是我国中长期铁路网中沿长江、东中西部大通道的重要组成部分。全线共有159座隧道(单线隧道105座和双线隧道54座),其中左线为贯通线,共有隧道118座,总长226公里,隧道长度占据线路总长60%。其地形、地质条件之复杂集我国西南山区铁路之大成,建设条件之艰、难、险居我国铁路之最,特别是长大深埋隧道穿越地区岩溶发育规模、多样性、突水突泥风险性为国内外罕见。宜万铁路工程艰巨、施工风险大、环境压力突出属世界级难题,总体建设难度也超过了同处喀斯特(Karst,岩溶)地区的成昆、南昆、内昆和渝怀铁路。自2003121正式开工,2010818全线铺通,实际建设历时7年,比预计工期推迟2年,最终每年推进54公里不到。建设效率是同期青藏铁路的7分之一,每千米造价是青藏铁路约2.5倍。

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总体设计单位铁四院(2006)根据隧道所穿越的地层岩性、岩溶发育程度、地质构造、富水程度等因素将岩溶隧道划分为I级风险、Ⅱ级风险和一般风险。其中八字岭、野三关、大支坪、云雾山、马鹿箐、金子山、齐岳山、别岩槽等8座隧道为I级风险隧道,高阳寨、鲁竹坝二号、龙麟宫等26座隧道为Ⅱ级风险隧道,其余隧道为一般风险。

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        2004年初齐岳山隧道开工,至20091210贯通,历时6年之久。隧道开挖至DK329+620(里程桩号),底板和边墙出现多处涌水点,降雨时最高涌水量达1500立方米/小时。2007年降雨量较往年偏高,导致隧道多次被淹没,严重误工。

2006121,马鹿箐隧道平导PDK255+978溶腔(简称“978溶腔)突发透水事故,峰值涌水量72万方/小时,造成正洞作业11人死亡,直接经济损失7913万元。2008411泄水洞发生突水事故,又造成5人死亡。

200785,野三关隧道DK124+ 602溶腔前方发生崩塌,引发大型突水、突泥事故,导致52名施工人员被困,最终造成10人死亡和重大财产损失。事故发生时30分钟涌水量达15.1万立方米,涌泥与块石5.35万立方米。解决“602溶腔,花了17个月时间。

20069月,大支坪隧道Ⅱ线掌子面发生特大突水突泥,日涌水量高达36.3万方,突泥量达1.4万方,隧道有540被全断面封死。全隧道共遇溶腔 82个,发生大规模突水突泥14次,曾1个月发生1万方以上突水突泥4次。

2008721,云雾山隧道DK245+645处掌子面超前钻孔钻钻孔发生突水、涌砂,水量约800立方米/小时,喷射距离20,实测水压0.8兆帕,单个钻孔涌砂达1350立方米。

……

岩溶隧道,事故不断,生死离别,十分惨烈,进洞像敢死队一样,工程异常艰难。

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为什么隧道施工这么害怕遇到岩溶呢?

主要原因是溶洞(溶腔、暗河等)中一旦充填水、泥、砂、石等物质,开挖靠近洞体,岩体抵挡不住,冲爆出来(最高水压达3兆帕),作业人员逃生难度大,容易造成群死群伤的恶性事故,进而影响工程投资和进度,所引起的社会问题也十分突出。过去地下采矿、挖煤也常遇到类似的问题,但交通隧道洞内工作面更为集中,短距离穿越地层更多,岩溶分布更不确定。特别遇到高压富水充填型岩溶,具有显著的突发性、灾难性,危害巨大,甚至对后续进洞作业人员都有较强的精神冲击,一边要掘进施工,一边又要记得逃生。为此,宜万铁路是工程师们的一次重大考验,查明不了岩溶,就意味着进洞人员的生命安全得不到保障,压力之大可想而知。

 

(二)溶洞暗河,叹为观止

尽管喀斯特一词来源于欧洲的南斯拉夫,但在中国岩溶也分布很广泛,地表出露总面积约91km2,加上埋藏于地下的,可溶岩分布面积共达344km2(李大通等,1983)。分布广泛的可溶岩(碳酸盐岩是其中一类),加上新近纪以来构造抬升运动以及雨热同期气候,使中国成为世界上洞穴资源最为丰富的国家,估计洞穴数量>1万个。溶洞本来是一种地质现象,在宜万铁路沿线还是一种旅游资源,吸引了国内外大量游客来此,如我国溶洞长度排名第三的利川腾龙洞。但溶洞埋藏在山体中时,给隧道施工带来很大麻烦,甚至是危险重重。

暗河是具有河流主要特性的岩溶地下通道,常具有紊流运动特征,并有自己的汇水范围。大型暗河主要分布于中国南方,即秦岭以南、云南昆明以东、桂林-宜昌以西广大地区,最发育的地区是广西、贵州、云南等,占总数59.8%。从地质、地理条件看,地下河最为发育地区为云贵高原向广西盆地过渡的斜坡地带(张远海等,2012。而在宜万铁路所穿越的武陵山区北部,地下暗河也很发育,这些暗河“暗中”联系着地表水和长江或清江水系。给隧道施工带来了极大的麻烦,如野三关隧道周家包暗河、八字岭隧道牛鼻子暗河、五爪观隧道五爪观暗河、齐岳山得胜场暗河、别岩槽的庙坪暗河等。

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李术才等(2018)对我国发生过突水、突泥事故隧道进行统计,发现岩溶致灾事故比例最高,占总数的48%。相比之下,宜万铁路岩溶致灾事故更为集中。宜万铁路70%隧道位于岩溶发育区,施工揭露岩溶共1088处,岩溶类型有暗河、溶洞、管道、裂隙等,穿越复杂暗河系统20多条,遭遇大型高压富水溶洞30余处,大型充填半充填溶洞100多处,富水岩溶管道和宽张裂隙100多条。总体上全线影响隧道施工的岩溶呈现出“分布广、数量多、体量大、水压高”的特点。另外,还有多座深长岩溶隧道穿越高压富水断层,岩溶与断层两种不良地质叠加,更是导致隧道施工风险极高。

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宜万铁路隧道遇到的溶洞有哪几类?溶洞发育有何规律?哪些地质容易遇到溶洞?

宜万铁路施工所揭露的溶洞(腔)不仅有干溶洞,还充填有水,充填有泥、砂、块石的,还有半充填的等,其中以充填高压水的危害最大,掌子面破坏后,大量地下水涌进,作业人员逃生难度增加。治理难度跟规模和溶洞稳定性有关,一般规模大、稳定性差的处治难度大。

从岩溶隧道分布高程看,洞口高程小于600m(第五层)、高程600~800m(第四层)和高程800~1000m(第三层)岩溶较为发育,溶洞、暗河规模大;而洞口高程为1000~1300(第二层)和高程大于1500m(第一层)岩溶规模较小,分布局限。这几个高程实际代表几级剥夷面(planation surface,地质术语)。

从隧道洞身地层岩性看,三叠系下统的嘉陵江组(T1j)的岩溶最为发育,其次三叠系大冶组(T1d)、寒武系光竹岭组(Є2g)、奥陶系南津关组(O1n)等。而石炭系、二叠系和三叠系上统(如巴东组T2b)地层碳酸盐岩不如前面地层纯,常含泥质、硅质、炭质等杂质,岩溶就相对少一些,而泥盆系、志留系、白垩系等地层主要为碎屑岩(砂岩、泥岩等),岩溶基本就不发育了,如堡镇隧道等。当然,可溶岩与非可溶岩交界处也是岩溶发育的地方,例如齐岳山隧道的巴东组泥岩与嘉陵江组的灰岩交界处发育得胜场暗河。

还有从地质构造看,一般而言构造活动强烈的碳酸盐岩地层岩溶更发育,譬如断层、褶皱(向斜、背斜等)发育的岩溶隧道突水、突泥比较严重,地质构造不仅让岩体更为破碎,易于侵蚀溶蚀,还成为导水通道,如齐岳山隧道著名的F11断层、别岩槽隧道的F1断层。

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(三)复杂地质,人定胜天

宜万铁路在勘测设计阶段就意识到地质条件极其复杂,并于20033月在铁路行业中首次引入地质勘察监理。20045月,对野三关隧道进行了风险评估与控制的研究,将风险管理率先引入到宜万铁路中。20047月,制订了宜万铁路建设防范高风险专项机制……20061月马鹿箐隧道发生重大突水事故后,全线隧道进行排查,随后对隧道进行了风险分级,其中8座Ⅰ级风险隧道是较大出现大规模岩溶突水突泥的隧道,26座Ⅱ级风险隧道是局部可能出现突水或突泥的隧道。风险管理机制首先是确保作业人员的生命安全,其次可加强投资与进度控制。尽管后续施工仍出现了较大人员伤亡,但无可否认,对我国岩溶隧道安全生产管理有较大推动作用,甚至铁道部再次组建宜万铁路指挥部,刻意加强全线岩溶隧道风险控制,并邀请国内外专家咨询(多名院士曾现场指导工作),减少施工盲动的风险性。

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有了风险管理机制,下一步就是如何落实具体工作。一旦进洞,工作面前方岩溶不探明,就意味着作业人员生死未卜,此时地质超前预报就成为了施工人员的“眼睛”。具体工作包括:既有资料收集;地质素描;洞内外水文调查;监测测试;超前地质预测和综合分析判断等。根据勘察成果,分析隧道区内地层岩性、构造、水文、不良地质发育情况,划分超前地质预测预报等级,预报每段可能出现的危险源类型。工作原则为“物探先行,钻探验证,有疑必探,不明不掘”,复杂岩溶还增加了“地质素描,TSP先行,以钻孔为主”的工作思路,TSP即隧道地震波法(tunnel seismic prediction)。

宜万铁路通过TSP203、地质雷达和长短距离钻孔等方法成功预报了云雾山隧道“526617”组合溶腔、别岩槽隧道DK406+420含水溶腔、龙麟宫隧道DK231+796无水溶腔。但并非超前预报手段就一定准确,如TSP曾预报出齐岳山隧道平导PDK361+87711个溶腔,但对其他一部分溶腔并没有客观反映,实际预报准确率为50%~60%

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宜万铁路隧道岩溶复杂多变,千奇百怪,规律性不强,前期治理思路认识未统一,导致施工中面对复杂岩溶,常不知所措,延误战机。后期随着岩溶隧道风险管理加强,张梅等(2010)总结出5类治理方法,可对症下药。

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释能降压法是宜万铁路隧道岩溶水治理的一个重大突破,针对马鹿箐隧道“+978”、云雾山隧道“+617”、大支坪隧道“+990”、野三关隧道“+602”等高压富水溶洞的工程水文地质特征,采用了排水洞、迂回导坑、钻孔排水等排水减压方法,从而消除了高压富水溶洞的施工风险,为隧道长期运营安全提供了保障。当隧道穿越充填型溶洞时,为保证施工安全,必须对溶洞充填物进行注浆加固,但在高压水条件下注浆难度呈数倍增加,在传统注浆基础上,提出了“排水减压、注浆加固”理念,攻克了富水高压岩溶的注浆技术难题。

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如果说宜万铁路最让人心惊胆战的是富水高压岩溶,那么最让人惊叹工程伟大的便是岩溶隧道中铁路路基特殊结构,“洞中架桥”、“桥上有洞”、“水从洞上走”……在岩溶隧道中随处可见。工程师们根据溶洞规模、形态、充填及地下水情况,创新采用了双层框架结构、不对称拱形结构、偏压斜墙结构、双耳墙型结构等特殊结构及桩基承台、桩基托梁、拱桥、板梁、复合地基等隧底结构。可以说宜万铁路岩溶隧道中的特殊结构像一本百科全书,值得工程师细细品味,在此不再赘言,请直接查阅以下图片。

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(四)百年川汉,宜万终成

宜万铁路始于一百年前川汉铁路的规划,从1909年由詹天佑主持开建,但不久便停工中断。1995年全国人大代表向兴平女士面呈中央领导,请示修建宜万铁路。经过决策和勘测,2003年正式动工修建,成为当时我国单价最为昂贵的铁路,于20108月贯通。川汉铁路历经几代人,是我国近代革命的起点(保路运动),见证了民族的衰盛历程,最终成于本世纪的宜万铁路,实属不易。

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2010623日,在宜万铁路岩溶隧道风险管理及技术创新研讨会上,数位院士评价道:宜万铁路成功穿越了20余条暗河、30余处高压富水大断裂、100余处大型溶洞,战胜了80余次突水突泥,全面攻克了隧道穿越高压富水断层、高压富水充填溶洞设计、施工的世界级难题,创造了艰险山区高风险隧道修建的奇迹。可能有人会问,宜万铁路隧道穿越这么多溶洞,发生这么多事故,工程投资如此高,是不是当年勘测设计存在一些失误或不足?

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首先,回头看20年前的3条选线方案,主要考虑地质条件、地形地貌、地方发展等因素。单从技术层面讲,不论是北线沿着长江,还是南线沿着清江和最终实施沿着318国道的越岭中线,都要穿越碳酸盐岩台地区,都会遭遇强烈的岩溶,而且沿江路线对生态环境破坏更大。今天在当年北线外侧有郑万高铁正在施工,将从大巴山、巫山南缘通往渝东万州;而南线外侧有黔张常铁路即将完工,从鄂西南擦边进入湘西北,两条线路的隧道也都遇到了岩溶。宜万铁路正是这个东西大通道的先锋,攻克了它,也有把握和经验建设其他线路。

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其次,岩溶地质勘察至今在世界工程界也是一大难题,岩溶分布隐蔽性、不规则以及地下深埋导致难以精确探明,鄂西山区作业条件恶劣,通过少量钻孔和带有推测性的物探,更难达到精准化的要求。宜万铁路地质勘察工作从设计阶段到施工阶段,持续了整整12年,任务艰巨,也未彻底解决岩溶隧道地质勘察这一难题。加之好几座岩溶隧道为了满足铁路设计指标,克服地形高差,走了“低位”,导致埋深较大,常规勘察方法更是难以确定岩溶的发育情况。埋深过大给地下水汇集也提供了便利,这是为何宜万铁路隧道要比平行的沪蓉西高速情况更为恶劣的原因之一。宜万铁路也促使岩溶地质勘察走向科学化、精细化,在复杂地质条件下更有必要加大投入,进一步提高勘察质量,减少施工风险。

最后,宜万铁路不仅要连通我国西部和东部,还要兼顾地方经济发展,特别是少数民族山区要摆脱贫困。全线最复杂的岩溶地质基本上分布在长阳县、巴东县、建始县、恩施市和利川市5个县市,这一区域是鄂西土家族、苗族聚居区,是武陵山连片贫困区的核心区域,为湖北省交通最闭塞、经济发展最为落后的地区。天气恶劣时,沿线常车祸不断,不知有多少人为了走出大山失去了生命。记得22年前的童年,与家人为了到达这里,不得不选择了当时昂贵的飞机,回去坐汽车却昼夜兼程,在崎岖的山路上晕车呕吐不止。而今已大大改善,只有交通改善了,才有机会发展,才有机会脱贫,才能走向共同富裕。

设计总负责人胡子平曾在一次访谈中证实了以上三点回答,地质选线仅仅是其中一方面,随着社会发展,还涉及到环保选线等。

另外,项目实施过程中,岩溶隧道科研攻关课题立项15个;项目完成后,各参建单位进行了相应技术总结,公开发表、出版了不少资料,详细回顾了当时岩溶隧道遇到的问题并阐述了如何解决。毫无疑问,对我国南方岩溶隧道建设有重要的借鉴意义。

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结束语:

宜万铁路并不长,但因鄂西武陵山区地质条件复杂,铁军壮士浴血奋战,许多生命永远留在了这里。为了国家战略,为了地区发展,为了山区脱贫,铁军壮士勇赴一线,遇水架桥,逢山挖洞,克服恐惧,战胜自然。特别那些高风险岩溶隧道代表了“铁军”不惧生死的信念,代表了当时我国岩溶隧道建设世界级水准,成功打破了隧道建设禁区。当然,付出的代价是惨重的,没有理由随着时间的推移而淡忘。说宜万铁路是大国重器似乎有点刻意跟风,更多还是由心的佩服,佩服建设者们的勇敢无惧。岁月匆匆,十年时间倏然而过,而今行走在这条铁路上,不要忘记当年的建设者们,那些勇士们。

要致富,先修路。宜万铁路——复杂岩溶,惊心动魄;铁军血战,可歌可泣。

 

说明:

宜万铁路建设难度极大,全线长隧道、特大桥、高边坡众多,有许多可讲的故事,在这里只能先讲一点比较典型的岩溶隧道。另外,隧道工程不是本人工作专长的领域,难免资料收集不够,理解和写作不到位或错误,还希望读者批评指正。

文中资料和图片主要来自于原铁道部宜万铁路建设指挥部张梅、朱鹏飞等、中铁第四勘察设计院胡子平、苗德海等、原铁道部工程设计鉴定中心、中铁十一局齐岳山隧道项目部、山东大学李术才等、石家庄铁道学院李文江、中国地质大学(武汉)万军伟等、中国地质科学院岩溶地研究所张远海等,因时间原因未能一一注明,在此说明,特别致谢!感谢湖北省交通规划勘察设计院刘章捷,数次项目评审与晚辈交流,给了很多关于宜万铁路、沪蓉西高速等项目有价值的提示。最后向十年前的参建人员致敬!向付出了生命的铁军壮士致以最崇高的敬意!

 陈仁全,2019.7.22



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