復雜山區鐵路宜昌萬州線綜合選線設計

胡子平

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

復雜山區鐵路宜昌萬州線綜合選線設計

胡子平

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

宜萬鐵路東起鴉宜鐵路花艷站,西止達萬鐵路萬州站,是鐵路進出川渝地區的東通道之一,也是滬漢蓉快速鐵路客運通道的重要組成部分。滬漢蓉快速鐵路客運通道途經川、渝、鄂、皖、蘇、滬6省市,聯接長江上、中、下游,是橫跨我國東中西部的重要鐵路通道。鐵路位于鄂西渝東山區,地形非常困難,地質異常復雜。針對路網規劃、宜萬鐵路功能定位、地形地質條件、環水保要求、地方經濟發展和施工運營安全等特點,對鐵路接軌點、線路走向、復雜地質地段等線路方案的選擇進行研究分析,提出復雜山區鐵路線路選擇的思路和方法,為類似工程項目選線提供參考。

宜萬鐵路;復雜山區;鐵路選線;設計

宜萬鐵路是一條以客運為主,兼顧貨運的大能力電氣化鐵路干線;是進出川渝地區的東通道之一,也是我國中長期規劃路網“四縱四橫”之一滬漢蓉快速鐵路客運通道的重要組成部分。線路位于云貴高原的東北麓長江與清江分水嶺的南側山區,沿線河谷深切,地勢陡峻,地形極其困難,線路兩次跨越長江及多次跨越深澗峽谷。地質構造位于我國東部的新華夏系第三隆起帶的中南段和長江中下游東西向構造西段延伸部分,以及兩者的交接、復合部位,沿線發育有滑坡、順層、危巖落石、巖堆等不良地質,特別是碳酸鹽巖廣泛分布,巖溶地貌發育。宜萬鐵路在勘察設計中,根據經濟分析和勘察成果,對區域路網、接軌點、線路走向、環水保、復雜地質地段、施工運營安全等方面線路方案的選擇進行了系統的研究和設計,并根據復雜的地質情況在施工地質和工程處理方面采取了加強措施,以適應滬漢蓉快速鐵路的功能定位和困難的地形條件及復雜的地質條件。

1 選線設計難點和特點

1.1 路網結構完善

在既有路網結構中,北有武康線(武漢—安康),南有湘黔線(貴陽—株洲),東有洛湛線(洛陽—湛江),西有襄渝線(襄樊—重慶)和川黔線(成都—貴陽);在這些既有鐵路間約24萬km2的地區為鐵路空白。在20世紀60年代,川漢地區研究的線路方案歸納為長江北岸、清江、桑植、澧水和沅江等五大方案。改革開放后,隨著國民經濟的快速發展,川渝地區與我國東、中部地區的客貨交流呈快速增長趨勢,既有路網川渝地區東出鐵路通道已適應不了國民經濟快速發展的需要;如何結合宜萬鐵路線路方案的選擇,進一步完善路網結構,適應國民經濟發展和社會進步,意義重大。

1.2 功能定位對技術標準選擇的影響

宜萬鐵路的功能定位,不單是一條快速客運鐵路,而且還是一條服務地方經濟發展、兼顧貨運的鐵路。快速客運鐵路要求大半徑曲線,但難以適應地形條件。客運采用動車組對線路縱坡可以選用較大坡度,有利于線路高程的起伏,適應地形地質條件;貨物運輸受機車牽引力限制,選用較小坡度更有利于提高運輸能力、運輸質量和降低運營成本。如何滿足宜萬鐵路的功能需求,有必要對主要技術標準方案選擇進行工程經濟技術比較。

1.3 環水保要求

宜萬鐵路兩跨長江,線路主要位于長江上游清江流域內的鄂西山區,環境優美,風光秀麗,但水土流失嚴重,生態脆弱。脆弱的生態環境對宜萬鐵路工程建設的環境保護和水土保持工作提出了更高的要求。

1.4 地形條件極其困難

宜萬鐵路位于云貴高原的東北麓,西部以齊岳山為界,進入四川盆地;東部則向江漢平原過渡。沿線山高壁陡,河谷深切,地形極其困難;線路所經相對高差一般在300～800m,局部近1000m。

1.5 地質條件極為復雜

線路位于我國東部的新華夏系第三隆起帶的中南段和長江中下游東西向構造西段延伸部分,以及兩者的交接、復合部位,地質構造極其復雜。線路通過約占全線70%的測區內,大面積出露灰巖地層,巖溶發育,地下水豐富,暗河系統發育。主要工程地質特征有巖溶、巖溶水、順層、滑坡、崩塌、巖堆、斷層破碎帶等。

1.6 地方經濟發展

宜萬鐵路沿線所經湖北省和重慶市所轄3地市的7個縣市,是湘鄂川黔革命根據地的重要組成部分,為我國土家族、苗族、侗族等少數民族的重要聚居地。吸引區內水力資源、礦產資源、生物資源和旅游資源極具潛力,但由于地處山區,交通設施落后,對外交通不便,經濟發展和人民生活水平相對較低,是國家重點扶貧連片地區之一。宜萬鐵路線路走向選擇、車站的設置要考慮沿線經濟據點的地理位置、城市規劃,要從根本上改變沿線交通狀況,推動和促進區域和地方經濟發展。

1.7 施工、運營安全

沿線順層、滑坡、巖堆等不良地質普遍;其中齊岳山至萬州段位于砂巖地區,易風化剝落、掉塊。這些不良地質易受氣候影響,鐵路在施工和運營期間存在山體錯位、滑坡、泥石流和崩塌落石等潛在的安全隱患。

2 綜合選線技術

在宜萬鐵路選線設計中,全面考慮其難點和特點,結合工程技術經濟,開展了綜合選線研究和比較,選取合理的線路方案。

2.1 路網結構優化選線

項目前期研究階段,繼沿海經濟帶建設后國家開發建設長江經濟帶和西部大開發戰略的實施,東、中、西部地區的社會和經濟交往日益頻繁,對鐵路運輸及服務質量的要求也日益提高。經研究,提出了沿江鐵路通道的概念,即重慶(成都)經武漢至南京(上海)鐵路通道。

沿江鐵路通道西段(武漢以西),東邊接入武漢是無二選擇,西邊需考慮重慶和成都兩大城市。宜萬鐵路作為沿江鐵路西段中的一個部分,如何充分發揮既有路網功能,以及如何完善和優化路網結構使沿江鐵路通道客貨運更為順暢便捷和更好為地方經濟發展服務,是線路方案選擇的一個重要因素。在前期研究階段,東西兩端都做了區域通道線路走向的方案研究。

2.1.1 東端接軌線路方案選擇

宜昌地區在20世紀90年代有既有焦(作)柳(州)鐵路,焦柳鐵路在宜昌枝城跨長江,設有枝城鐵路長江大橋;在既有焦柳鐵路鴉鵲嶺車站至宜昌城區設有既有鴉宜鐵路支線。研究初期,宜萬鐵路東端接軌計劃在焦柳鐵路長江以南的枝城車站接軌,以利用枝城鐵路長江大橋,減少工程投資,本項目也就有了當時“枝萬線”的建名;但線路經枝城接軌往東至武漢,運輸徑路折角繞彎。因此,在宜昌地區通過對枝城、枝江和宜昌等接軌方案在客貨運主要流向、運輸組織、區域經濟發展和路網結構等方面進行了綜合比較。推薦的宜昌花艷接軌方案需新建長江鐵路大橋,投資較大,但緩解了枝城鐵路長江大橋遠期能力不足的矛盾,所形成的沿江鐵路客貨運最為順捷,運輸組織合理,而且有利于地方經濟發展,優化和完善了路網結構。宜萬線東端接軌方案平面示意見圖1。

圖1 宜萬線東端接軌方案平面示意

2.1.2 西端接軌線路方案選擇

研究當時,項目西端既有路網有襄渝鐵路、成達鐵路、達萬鐵路和在建的渝懷鐵路。西端接軌方案,從既要利用既有鐵路,又要發展和完善路網結構出發,主要研究了萬州、涪陵和黔江接軌方案。

黔江接軌方案,重慶經黔江至恩施方案運輸徑路最長,新建沿江快速鐵路線路長,投資大。

萬州接軌方案,成都經達州、萬州至武漢運輸里程最短,初期投資最少,而且貫通了達萬盡頭鐵路,成為沿江鐵路的通道之一,有利于川渝東通路的拓展和路網布局,并提高了既有鐵路的經濟效益和社會效益。

涪陵接軌方案,重慶經涪陵、利川至武漢運輸里程最短,而且新建線路標準高,運輸質量高,符合發展需要;但初期投資較大。通過研究分析,推薦初期在萬州接軌,貫通達萬鐵路,拓展鐵路通道;之后,適時建設涪陵至利川鐵路及成都至重慶客運專線,提高沿江鐵路整體運輸質量,進一步完善路網結構。宜萬線西端接軌方案示意見圖2。

圖2 宜萬線西端接軌方案示意

2.2 環水保選線

宜昌至恩施段,線路走向系統地做了沿清江方案和越嶺方案的研究。沿清江線路方案,線路走在清江河谷岸坡,研究認為:(1)受清江水利梯級開發(高壩州、隔河巖、水布埡等水電站)的影響,線路高程抬高,鐵路橋梁高度、跨度大大增加。(2)清江岸坡地形地質條件復雜,沿線巖溶、滑坡、崩塌、堆積體等不良地質普遍;為盡量避開不良地質對工程的影響,線路多以離開岸坡設隧道通過,橋隧比達到79%,施工難度加大;大量的隧道棄砟處理困難,影響環境。(3)清江兩岸環境優美,風光秀麗,傍清江修建鐵路勢必對自然環境、生態環境造成嚴重破壞。(4)沿線人煙、工礦企業稀少,鐵路遠離巴東、建始等經濟據點,不利于地方經濟的發展。(5)其他基礎設施建設也充分考慮到了鄂西山區的工程自然條件,如318國道、已建成的中石油天然氣管道和正在建設的滬蓉西高速公路、中石化天然氣管道,都走在越嶺這條交通、管道和電力、通信走廊內,以減少工程風險和保護環境。推薦的越嶺方案,線路走在長江與清江分水嶺南側的半坡地帶,經過賀家坪、巴東、建始等經濟據點,有利于地方經濟發展,地質條件相對較好,減少對自然生態環境的破壞。

基于環水保理念,在初步設計階段,對原設計41處高填路堤、深挖路塹地段的線路方案進行了調整優化。將高填方路基調整線位改設橋梁,將深挖方路基調整線位改設隧道,大大減少了土建工程對自然環境的擾動和破壞,提高了水土保持能力;同時,提高了復雜山區鐵路整體質量和安全以及抵御自然災害的能力。

宜昌地區線路跨越長江,研究了上跨長江的橋梁方案和下穿長江的沉管隧道方案。沉管隧道方案能降低對長江黃金水道航運的影響,但其沉管槽道的爆破施工對中華鱘和水環境影響極大。橋梁方案通過科技創新,加大跨江孔跨,減少對長江航運的影響;并在橋墩基礎施工中,設置雙層鋼護筒圍堰,一是將對中華鱘的影響降低到最小程度,二是施工油污和污泥水可以留存在護筒中,及時通過船只裝運至指定位置處理,減少對長江水環境的污染。從環水保角度出發,線路最終選擇橋梁方案跨越長江。

電氣化鐵路與附近電磁敏感設施的電磁兼容性也是線位選擇需要考慮的環境問題。宜昌長江橋位的選擇,除了要考慮水文、航道和航運等方面因素,還考慮了電磁兼容性的問題。通過仿真計算、模擬測試和科研分析取得的成果,為選擇橋位方案提供了理論、技術依據。

2.3 技術標準與選線

鐵路技術標準的確定,既要滿足其在路網中的地位和功能需求,又受其所經地區地形地質條件的影響;技術標準的高低既影響著鐵路運輸能力和運輸質量,又影響著線路方案的選擇。

宜萬鐵路受極其困難和復雜的地形地質條件的影響,不同的技術標準,如限制坡度和速度目標值等,對線路選線、工點選型、工程處理措施的研究和應用以及工程投資影響極大。大坡度、低速度的技術標準相對小坡度和高速度而言,更能適合困難的地形和地質條件,減少工程量,降低工程投資。在勘察工作的基礎上,對各種不同技術標準方案進行了技術經濟和鐵路適應國民經濟發展的需要所應定位的功能和作用等綜合研究和分析,相對滬漢蓉快速鐵路客運其他段落而言,宜萬鐵路宜昌至涼霧段推薦采用較低的技術標準。

2.3.1 速度目標值與選線

滬漢蓉快速鐵路客運通道做為連接西部地區與東、中部地區一條最重要的快速鐵路客運通道,理應選用高速度的技術標準。但受地形地質條件限制,在滿足國家遠景運輸需要的前提下,經過工程技術經濟比較,適當降低宜萬線的速度目標值,以較小的曲線半徑(一般地段2000m,困難地段1600m)適應地形條件,減少工程量,降低工程投資;宜萬鐵路宜昌至涼霧段選用160km/h的旅客列車行車速度。

2.3.2 設計坡度與選線

宜萬鐵路于宜昌和萬州兩跨長江,沿線經過了堡鎮、野三關和齊岳山3個長大緊坡越嶺地段。現設計的下行方向(宜昌至萬州方向)拔起高度為2080.5m,上行拔起高度為1947.1m,上下行拔起高度總和為4027.6m;緊坡地段長度 182.6km,足坡使用率為48.5%。

受當時機車牽引力的限制,為滿足鐵路運輸能力的需要和改善運營條件,降低運營成本,選擇較緩的線路坡度,即限制坡度9‰、雙機加力坡18‰。但在宜萬鐵路橋梁修建技術中,通過科技攻關和技術創新,采用了多座在鐵路橋梁型式、跨度、高度都居世界、亞洲和國內領先地位的橋梁,鐵路適應地形條件的能力更強,能更多地抬高線路高程,減少滑坡、巖堆、崩塌落石和深部水平發育巖溶等不良地質的影響。為防范風險和災害,在施工過程中,對復雜巖溶隧道的施工地質超前預測預報進行了詳細設計,并納入了施工工序;創新開展了復雜巖溶隧道施工防災報警系統設計、氣象和水文觀測設計。同時,對巖溶隧道基底和周邊及巖溶路塹基底隱伏巖溶進行工后探查工作;并在探查、分析和研究的基礎上,提出處理措施。

2.4 工程地質與選線

在宜萬鐵路的線路方案選擇中,除完成項目建設勘察設計階段工作所必需的地質勘察工作外,還針對地質條件特別復雜地段,開展了加深地質工作和針對重大復雜工點的專項地質工作;根據地質勘察成果具體指導線路方案的選擇。

2.4.1 加深地質工作

加深地質工作主要采用綜合勘探,包括衛星遙感、大面積地質調繪、水文地質調查、物探、鉆探以及相關的測試(綜合測井、地應力、瓦斯等)、試驗(土石水樣、水文)和觀測(泉、暗河流量)等工作,以進一步查清控制線路方案的滑坡、暗河等重大工程地質、水文地質問題。

2.4.2 專項地質勘察工作

長大復雜巖溶隧道線位的選擇也是宜萬線選線工作的重點。采用先進的儀器設備和綜合勘察技術,開展了大面積水文地質測繪、探洞、物探、鉆探、綜合測井、巖溶水連通示蹤試驗、氣象和水文觀測等專項地質勘察工作,查明影響隧道施工安全的重大地質問題和誘發地質災害的復雜地質背景、形成規律和控制因素,對其產生的危害和風險進行評估,為線路方案和結構設計提供依據。

2.4.3 復雜地質地段線路方案選擇

通過初測前的地質加深工作,基本查明了榔坪至高坪、恩施至利川和齊岳山地區的地質構造、地層巖性、巖溶發育的基本特征,分析了影響線路方案的暗河系統、重大不良地質等主要工程地質和水文地質條件,研究了工程技術處理措施,對多種可能的線路方案進行了工程地質、水文地質和工程經濟技術比較等綜合分析和比較,并根據專項地質工作成果,不斷完善和優化,進而選擇安全、可靠、經濟的線路方案。選擇的線路方案繞避了滑坡、順層、巖堆、暗河等多處重大不良地質體。榔坪至高坪段線路方案示意見圖3;恩施至利川段線路方案示意見圖4。

圖3 榔坪至高坪段線路方案示意

線路出賀家坪車站后,于堡鎮越嶺設堡鎮隧道。堡鎮隧道處在灰巖與碎屑巖地層交界區域;南側為灰巖地區,主要為泥灰巖;北側為碎屑巖,主要為碳質頁巖。在地質測繪和有關勘探工作的基礎上,為避開灰巖地區巖溶問題對隧道的影響,堡鎮隧道線位最終選擇在碎屑巖一側。在隧道施工中,由于隧道深埋,高地應力軟巖大變形的問題十分突出。對于隧道高地應力軟巖大變形問題,根據科研成果,設計采取了相應的分級高地應力隧道支護及襯砌結構;施工中,采取綜合監控測試手段摸清軟巖高地應力大變形規律,根據綜合測試成果,及時調整了隧道支護及襯砌結構,但施工工期受到影響。為滿足項目總體工期需要,在隧道南側的泥灰巖區域增設近2km長的輔助導坑;由于輔助導坑地質條件較好,施工工期明顯加快,也未出現巖溶不良地質的影響。因此,從施工的結果來看,堡鎮隧道線位若往南側靠,設在泥灰巖區域內,則投資和工期的效果可能要優于現實施的方案。堡鎮隧道線位方案示意見圖5。

圖4 恩施至利川段線路方案示意

圖5 堡鎮隧道方案示意

2.5 施工、運營安全與選線

在線路方案選擇中,選擇的線路方案除要避開滑坡、巖堆、崩塌落石等不良地質對工程本身的影響外,還要考慮鐵路主體結構工程范圍以外的上述不良地質因自然天氣造成可能存在的自然地質災害對鐵路安全構成的危害。

齊岳山以西,線路所經地層多為砂巖出露,溝谷地段兩側出露的砂巖風化嚴重,受雨水侵蝕,易形成崩塌落石,危及鐵路施工和運營安全。在溝谷地段選線中,打破傍山、傍溝的傳統線位理論,多選擇隧道方案線位。

在隧道洞口和橋梁位置選擇中,盡量避開巖堆、順層等不良地質,選擇地質條件好的位置,防范自然災害,保證鐵路運營長期的安全。

3 體會和建議

復雜山區宜萬鐵路不久將建成通車,一條科學、經濟、人文、環保的鐵路,一條加快沿江經濟發展、促進沿線國土開發和社會進步的鐵路,一條沿線人民企盼了百年的鐵路就要落成在鄂西渝東山區這塊美麗的土地上。回顧宜萬鐵路線路方案的選擇,提出一些體會和建議。

(1)接軌點線路方案選擇,要考慮路網規劃,通過區域經濟調查和運輸組織分析,優化和完善路網結構,適應國民經濟發展,促進社會進步。

(2)復雜山區鐵路技術標準的選擇,不僅要考慮其地形、地質等自然條件,還要考慮其在路網中的地位、作用和功能定位,結合工程技術經濟,進行多方案的比選。

(3)積極開展科技攻關和技術創新,突破傳統設計理念,使鐵路技術水平、管理水平適應復雜山區鐵路建設,為鐵路現代化建設提供科技支撐。

(4)復雜山區鐵路線路方案選擇,應考慮地方自然環境和水土保持的要求,包括施工和運營安全等因素。

(5)復雜地質地段線路方案選擇,應采取多種勘探手段,加強地質勘察工作,深入分析地質資料,全面掌握區域和工程地質情況,對線路方案進行充分地研究和比較。

[1] 鐵道第四勘察設計院.新建鐵路宜萬線宜昌至萬州段可行性研究報告[R].武漢:2003.

[2] 鐵道第四勘察設計院.新建鐵路宜萬線宜昌至萬州段初步設計[Z].武漢:2003.

[3] 鐵道第四勘察設計院.新建鐵路宜萬線宜昌至萬州段修改初步設計[Z].武漢:2004.

[4] 呂小應,胡子平.宜萬鐵路工程特點難點分析及對策措施[J].鐵道標準設計,2006(S1):70 -72.

U212.32

A

1004 -2954(2010)08 -0033 -04

2010 -05 -05

胡子平(1964—),男,教授級高級工程師,1984年畢業于上海鐵道學院鐵道工程專業,工學學士。主要從事鐵路勘察、設計和技術管理工作。中鐵四院宜萬鐵路建設指揮部副指揮長兼總工程師。E-mail:tsyhzp@vip.163.com。