京張城際鐵路八達嶺車站方案研究比選

白孝勇

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司, 北京 100055)

新建京張城際鐵路線路穿越軍都山段,針對地形、地質、八達嶺景區等影響,考慮更好地兼顧市郊和旅游列車的開行,進行多個越嶺方案綜合分析研究比選。

為帶動延慶縣社會經濟發展,改善北京市西部市民出行條件,目前已開通北京北至延慶市郊鐵路S2線。市郊S2線由既有京張鐵路和康延支線組成。京張鐵路八達嶺站距長城入口1.1 km,交通接駁條件差,加之列車開行間隔時分和運行時分長,大多數游客不選擇乘火車去長城。S2線開通以來只有21.36萬人在八達嶺站上下車,而同期與S2線列車相同路線的919路公交車,因在景區汽車停車場(滾天溝)停靠,距長城入口約600 m,可以方便景區旅客,上下車人數達116.6萬人。景區相關設施如圖1所示,圖中紅線為擬建鐵路線位。

受地形條件控制,京張城際鐵路采用25‰坡度需連續設3座隧道越嶺,最長隧道近11.59 km,在八達嶺長城地下通過,隧道出口端距長城入口較近。長城入口地面高程約635 m,線路位于長城地下100 m，以隧道通過。

根據規劃,長城景區游客接待能力上限為800萬人。運輸方式有京包線(S2線)、旅游巴士、公交車、自駕車等。京張城際鐵路若經八達嶺并設站,預測近、遠期通過鐵路運輸的游客分別為416萬、525萬人。從運輸能力和景區環境保護等進行技術經濟分析看,京張城際兼顧景區游客運輸是合理的。八達嶺車站設置應考慮方便乘客便捷、快速到達景區入口購票游覽,為此,需研究地面設站、地下設站站位方案比選(如圖2所示)。在地下站方案中需研究延慶方案聯絡線出線方式、車站有效長、車站埋深、車站結構形式等方案,向決策部門提供全面詳實的決策數據。

圖2 八達嶺站位比較方案示意

1 站位方案研究

1.1 地面設站方案

本方案出八達嶺隧道后在程家窯設地面站。距長城入口平面距離4 km,需修建高標準公路(路線長5 km,按二級混凝土路面考慮,估算投資1億元)和停車場等附屬設施,由大量公交車轉運至長城入口。該方案景區內修建公路因占地，破壞現有植被,公路運輸消耗燃油并排放大量廢氣,不利于景區環境保護。

解決延慶縣客流運輸,自車站張家口端設計修建聯絡線接康延支線,然后利用并改建康延支線進既有延慶站。

1.2 地下設站方案

本方案線路平面與地面站方案比,主要是地下車站平面位置有局部調整,車站設于滾天溝地下,距滾天溝地面約100 m,需設電扶梯將游客運至地面。解決延慶縣客流運輸,也需設計修建聯絡線接康延支線,存在康延支線聯絡線自地下站或區間引出的方案。

若自車站引出,出站后兩條聯絡線與正線分離并逐漸由一個隧道面過渡為三個隧道面,線路總長增加5.3 km,折算單線隧道總長較方案Ⅰ多5.7 km,工程投資估算多約5.4億元(見圖3)。地下車站主體范圍外的四線隧道段約815 m,跨度約26.6 m,隧道跨度大,設計及施工難度高,工程造價較高。出口段為第四系黃土層,洞身及基礎均位于黃土層,洞身淺埋段下穿程家窯村莊,三洞并行施工,風險較大。聯絡線與正線分開后形成三洞隧道,隧道運營通風組織比較困難,且聯絡線內設S形曲線,后期的運營養護及維修比較困難,故在區間引出接康延支線。

圖3 地下設站方案比選

1.3 方案綜合分析與推薦意見

方案主要工程數量及技術經濟比較見表1。

表1 八達嶺站位方案比較(CK35+500～CK85+500)

注:地下站方案工程車站到發線有效長按450 m長計列。

地下站與地面站方案相比,車站設于地下100 m左右,由此引起的隧道開挖工程量、照明設施、通信設施、牽引變電設施、給排水系統、排風換氣系統、疏散系統、消防設施、安裝費用等其他相關投資大幅增加,工程投資多7.8億元。地下設站年運營維護成本較地面站比增加1 900萬元。地面設站方案施工簡單,地下設站方案施工復雜,難度較大,國內無先例,國際上也無如此規模地下站工程,需開展綜合性技術專題研究。

考慮地面站方案離景區遠,游客需轉換公交車方可達目的地,且需在景區建公路及相關設施,對環境影響大,采用地下站為宜。

2 地下車站到發線有效長方案比選

地下設站方案僅考慮旅游運輸,車站到發線可選用450 m,若考慮長途、城際列車也停靠,到發線有效長需采用650 m。兩方案工程比較情況如表2。

表2 八達嶺地下站到發線有效長方案工程比較

由表2可見,到發線有效長按650 m設計,投資估算比到發線有效長450 m增加約3.16億元,年運營成本多193.9萬元。

到發線有效長650 m方案雖工程大,投資和運營、維護成本高,實際運營中不可排除張家口及以遠方向到京長途車需在八達嶺地下站停靠,以便長城游客上下,故該站宜按到發線有效長650 m進行設計。

3 地下站不同埋深方案比選

車站埋深不同,工程量和施工風險、工期不同,需研究不同埋深方案。車站埋深大小與越嶺坡度和縱斷面設計有關,為此研究了不同埋深方案比選。

3.1 線路平面控制因素

主要為水關長城處既有鐵路、滾天溝地下站位。保證既有線安全,線路距既有鐵路東側大于23 m控制設計線路平面。地下站位經與景區管理部門多次現場踏勘溝通,地面廳以設于長城博物館北側為佳。

3.2 方案構成

昌平西高架站至隧道進口段約7.2 km地段地勢平緩,線路跨越G110國道、京張高速公路,設計應盡量控制橋高。進隧道后,線路高程主要受青龍橋“人”字形展線處既有鐵路和地下站埋深影響。與既有鐵路兩處交叉,既有軌面高程為564.6 m、581.2 m；滾天溝地面高程為635 m。考慮工程規模和景區要求,車站主體不露于地面,據此進行縱斷面設計而派生不同埋深方案。

共有七個可能方案,各方案縱斷面主要特點見表3。

表3 地下站不同埋深方案縱斷面特征

方案Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ均上跨青龍橋處既有線,線路出昌平站都直接采用了大坡度抬升高度,導致南口特大橋橋高大于50 m的地段總長分別為6.8 km、4.15 km、2.43 km,最大橋高分別為110 m、85 m、70 m,工程投資大量增加之外,地勢平緩地段設置長大高墩橋,從工程可實施性與合理性方面考慮,三個方案均不可取。方案Ⅶ下穿青龍橋既有線,車站埋深仍達71 m,地質條件并無明顯改善,線路抬高導致水關長城處450 m長線路露于地面,對景區有影響,該方案也不宜采用。重點對方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ進行比較分析。

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ方案主要工程數量及技術經濟比較見表4。

表4 地下站不同埋深方案比較

3.3 方案綜合分析與評價

(1)工程地質條件方面

危巖落石是軍都山段的主要不良地質問題,方案Ⅰ多以隧道通過,不突出,線路抬高后露頭次數增多,增加了危巖落石對工程的危害程度。線路穿過花崗巖地層,線路抬高使原來基本處于弱風化地層中的線路大多處于強風化帶中,局部埋深較淺段甚至處于全風化帶中。特別是八達嶺地下站位附近,由于巖體破碎,加之埋深淺,隧道圍巖級別以Ⅴ、Ⅳ級為主,工程地質條件較差。

綜合評價采用大坡度方案后地質條件略差。

(2)橋梁工程方面

方案Ⅱ與方案Ⅲ橋梁長度增加較多,與方案Ⅰ相比,分別增加5.024 km和1.725 km。

方案Ⅱ與方案Ⅲ橋高增加較多,與方案Ⅰ相比,平均墩高由原來的10 m分別增加至26 m、15 m；最高橋高也由原來的24 m分別增加至70 m、60 m,設計、施工的難度及工程造價均明顯增加。

另方案Ⅱ中墩高在30 m以上的橋梁連續長度約為2 km,高墩、大坡度的長大段落橋梁在客運專線鐵路的設計及施工上尚無先例,并且高橋墩的橋梁結構對于大坡度無砟軌道的適應性還需進一步的論證研究。

(3)隧道工程方面

采用大坡度后隧道總長分別短3.306 km、2.836 km,但隧道進出口數量明顯增加且大多位于半山腰上,地形陡峭,施工條件較差,施工便道較長,施工對景區的影響也較為顯著。且隧道淺埋段多位于景區核心區內,對工程施工工藝的要求相對較高,對景區的干擾也較大。

(4)線路與景區關系方面

方案Ⅰ在核心區內出露3處,總長為583 m,最大出露長度為273 m,線路均以隧道形式下穿長城,對地面植被和生物資源影響最小,全段埋深較大,對長城的影響也最小。

方案Ⅱ與方案Ⅲ在核心區內出露10處,總長分別為3 440 m、3 060 m,最大出露長度分別為1 230 m、1 190 m,均位于水關長城處,導致該段線路在此范圍內與長城平面相距約70 m的區域內與長城平行展布,對水關長城景觀的影響十分突出,并且兩個方案在八達嶺森林公園范圍內也都出露于地面,相對于環保部門的審批及方案的可實施性均較差；另由于線路埋深相對較小,對長城破壞的可能性也相應增大。

綜上分析,采用大坡度方案,雖然可以減少地下站埋深而施工、運營安全有所改善,工程投資稍有節省,長隧道變為多座短隧,線路在景區出露地段增加變長,危巖落石問題變得較為突出,較多地段工程地質條件出現惡化；高墩、大坡度的長大段落橋梁在客運專線鐵路的設計及施工上尚無先例,并且對于大坡度Ⅱ型無砟軌道的穩定性還需進一步的論證研究方可確定。考慮25‰以上坡度客運專線在我國尚無成功經驗借鑒,線路在景區出露地段增加變長,隧道淺埋段增加,隧道施工開挖面增加,方案難于獲取環保部門的審批。故宜采用長隧、低橋、景區出露次數少而車站深埋的縱斷面設計方案。

4 車站不同結構形式方案比選

八達嶺地下站位于新八達嶺隧道內,隧道長11.59 km,從結構形式分析,盡量減小結構跨度,降低施工風險,有單洞、兩洞和三洞方案比選。

4.1 方案介紹

(1)方案Ⅰ

區間正線與車站到發線不分開,到發線位于正線兩側,車站為側式站臺車站,如圖4所示。

圖4 方案Ⅰ車站形式(單位：mm)

(2)方案Ⅱ

區間正線與車站到發線分開,在車站范圍以單洞雙線獨立通過(正線線間距保持4.6 m不變),到發線位于正線兩側,車站為側式站臺車站,如圖5所示。

圖5 方案Ⅱ車站形式(單位：mm)

(3)方案Ⅲ

區間正線在車站范圍內分開,分別與到發線的左、右線合并,形成雙洞四線,正線線間距為25 m,側站臺分別布置在兩洞的外側,如圖6所示。

圖6 方案Ⅲ車站形式(單位：mm)

(4)方案Ⅳ

區間正線在車站范圍內分開,分別與到發線的左、右線合并,形成雙洞四線,正線線間距為53 m,側站臺分別布置在兩洞的內側,如圖7所示。

圖7 方案Ⅳ車站形式(單位：mm)

(5)方案Ⅴ

區間正線分至兩側,線間距57.5 m,在兩正線間設到發線(車站),車站為島式站臺,如圖8所示。

圖8 方案Ⅴ車站形式(單位：mm)

受水關長城處的既有京包線、八達嶺地下站站位的控制,以上各方案中左線平面位置均相同,在水關長城處與長城水平距離約70 m,平行走向約570 m。方案Ⅳ與方案Ⅴ右線中心線距長城僅為17 m和12.5 m,且由于此處地面高程較低,區間隧道拱頂覆土約15 m,施工過程中對長城影響太大,難以確保其安全,方案Ⅳ與方案Ⅴ無研究價值,對方案Ⅰ、方案Ⅱ與方案Ⅲ進行詳細比較。

4.2 方案分析及推薦意見

方案分析結果如表5。

表5 地下站方案綜合分析

根據分析,三個方案在車站功能上差別不大,施工難度綜合分析方案Ⅱ最優,從工程總投資上分析,方案Ⅰ較優,從施工和運營期間消防、安全方面看方案Ⅱ最優,宜采用方案Ⅱ。

5 結束語

通過八達嶺車站方案研究,對于位于特殊環境下的車站,應該在分析影響方案的各類因素基礎上,進行多層次、多方案研究分析比選,為抉擇者提供充分的決策依據。方案研究應首先分析所有可能的方案,在各可能方案中分析具有可比價值的方案,在可比方案的基礎上再進行同精度比選。在不遺漏方案的同時,能抓住重點,在有限的勘察周期內做好勘察設計工作。

[1] 中鐵工程設計咨詢集團有限公司.新建京張鐵路可行性研究報告[R].北京：中鐵工程設計咨詢集團有限公司，2009

[2] 中鐵工程設計咨詢集團有限公司.京張鐵路八達嶺(地下)站綜合技術研究報告[R].北京：中鐵工程設計咨詢集團有限公司，2009

[3] 鐵道部.新建時速300～350 km客運專線鐵路設計暫時規定[S].北京：中國鐵道出版社,2005

[4] 鐵道部.鐵路隧道設計規范[S].北京：中國鐵道出版社,2005

[5] 鐵道部.地鐵設計規范[S].北京：中國計劃出版社,2003