提速山區鐵路增建第二線設計思路

柳世輝

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

《中長期鐵路網規劃》已將“加強路網既有線改造,強化既有路網通道”作為今后 20年鐵路發展三大任務之一,規劃增建二線 1.9萬 km,既有線電氣化改造 2.5萬 km。

目前,既有鐵路已經歷了 6次大提速,以京廣、京哈、京滬、隴海為重點的鐵路主要繁忙干線均實現了旅客列車速度 140～160km/h,貨物列車速度 80～90 km/h;為今后既有線達到客運200km/h,貨運 120km/h的提速目標,在線路、路基、橋梁、牽引供電接觸網、通信信號等技術設計,以及運營管理、運輸組織和行車安全措施等各個方面積累了較為豐富的經驗。

既有鐵路提速到 200km/h是世界發達國家提高鐵路運輸能力的普遍做法,是構建我國快速客運網絡的捷徑,是提高既有鐵路運輸能力的重要措施之一。

既有線提速改造不同于新建鐵路,必須充分考慮既有線現狀、施工期間對既有線運營的行車干擾和既有設備利用。要根據提速改造的總體要求和客貨運量的增長幅度,確定改造方案和技術標準。本文擬結合南疆線、蘭武線、寧西線、西康線、陽安線等山區鐵路改建及增建第二線工程,闡述山區鐵路提速條件下增建第二線的設計思路和方法。

1 山區鐵路增建第二線設計的主要制約因素分析

1.1 既有鐵路功能定位

影響鐵路選線的因素繁多,如線路的政治、經濟、國防意義及其在路網中的作用,運輸需求與所承擔的客貨運量及其性質,所采用的鐵路主要技術標準及與鄰線標準的協調,經行地區的地形、水文、地質等自然條件,沿線城鎮、工礦企業、交通、通信和水利建設等相關部門的分布及規劃協調等,這些因素都直接影響鐵路選線決策。

我國大部分單線鐵路始建于 20世紀 70年代初至90年代末,受當時經濟社會發展水平、鐵路設計理念限制,既有鐵路的功能定位,路網意義具有一定的局限性,致使選擇的技術標準偏低。隨著鐵路開通運營,進而帶動沿線地區經濟的發展,運量及運輸功能的改變使得鐵路功能定位發生變化。如:南疆鐵路吐魯番至庫爾勒段始建于 20世紀 70年代,基于當時的國際形勢和軍事戰略思想,以軍事戰備和三線建設需要為目的,選擇進入阿拉溝翻越天山腹地的方案而修建,致使南疆鐵路吐庫段自通車以來,水害不斷,特別是魚兒溝至和靜段技術標準低、運輸能力小、抵御自然災害能力弱、運營成本高,加上沿線復雜的地形、地質條件,改造極其困難,成為制約南疆線通行能力的“瓶頸”地段。隨著西部大開發戰略的實施,南疆地區已成為我國糧棉油生產、石油天然氣大型化工、礦產資源開發的重要戰略基地之一。南疆線作為南疆地區通往北疆和內地的唯一鐵路通道,第二亞歐大陸橋南部通道的重要組成部分,該段鐵路在我國鐵路運輸網中的地位和作用重大,增建二線后將成為西北鐵路網重要的干線通道。

經分析研究,南疆鐵路魚兒溝至和靜段是整個南疆鐵路的“盲腸”地段,自身存在著標準低、路況差、高海拔、大坡度、水害不斷、運營成本高等先天不足的缺陷,與南疆鐵路作為南疆經濟大動脈和將來歐亞第二大陸橋的路網地位無法匹配,無論采用何種改建或沿既有線的增建二線方案,均不能滿足運輸質量和日益增長的運輸需求。因此,增建第二線時,除兩端的吐魚段和焉庫段第二線與既有線可并行外,魚兒溝至焉耆段應按新建雙線建設,采用中天山東部烏蘇通越嶺的長隧道取直方案。

1.2 既有鐵路現狀技術標準

我國早期建設的山區單線鐵路,受當時鐵路設計理念和施工建設能力的制約,一般技術標準較低;尤其是地形復雜山區鐵路,為減小橋隧工程,節省投資,線路走向曲折,坡度大,曲線半徑小。如蘭新線蘭武段是西北東通路主通道的一部分,也是亞歐大陸橋的組成部分。蘭武段增建二線后將與寶蘭雙線、蘭新雙線為主通道的路網格局相匹配,使亞歐大陸橋形成雙線大能力通道,對發展西北地區經濟、實施西部大開發戰略、擴大對外開放、完善陸橋運輸通道、提高路網整體能力、旅客列車提速、改善隴海、蘭新線的客運服務質量、提高鐵路競爭能力、降低鐵路運營支出等方面起到重要作用。

但蘭新線蘭武段既有線技術標準低,尤其打柴溝至黃羊鎮間既有(單線)線路長 103.20km,設有車站13處。到發線有效長度 650m,雙機坡 20‰,最小曲線半徑 300m。設有曲線 95處,長度為 40.437km。其中曲線半徑 R＜600m45處,長 21.562km;R＜800m 63處 ,長 29.052km;R＜1200m79處 ,長 34.625km。打柴溝至黃羊鎮為翻越祁連山東脈烏鞘嶺,穿青河、龍溝河、古浪峽地段,地形、地質條件復雜。打柴溝至烏鞘嶺埡口(既有)間,線路長 25.4km,線路拔高(下行)322.0m,河床縱坡平均達 14.6‰;從烏鞘嶺埡口至黃羊鎮間,線路長 77.8km,線路拔高(上行)1123m,既有線平均坡度 14.4‰。局部地段青河河床縱坡達35‰,龍溝河達 25‰,古浪峽達 15‰,古浪峽口山前洪積平原縱坡達 20‰。既有線采用雙機坡 20‰,線路展線系數仍為 1.62。

若增建第二線,仍沿既有線布設,無論采用哪個限坡方案,其適應地形能力差,線路迂回展線長,線路走向將更多偏離航空直線距離,改建工程更為艱巨。為此,本段增建第二線越嶺方案,根據嶺南、嶺北兩坡區域地形條件、工程情況,利用不同越嶺隧道位置、高程、長度結合不同限坡,在既有鐵路、公路越嶺埡口位置至打柴溝至龍溝間航空直線距離(石板溝)左右的大范圍內,選擇特長越嶺隧道穿越烏鞘嶺,并進行不同越嶺位置、不同限坡等多種組合方案的研究比選。最終確定采用 13‰限坡,主要技術標準與陸橋通道前、后方均取得一致,運輸能力可長期適應通道客貨運量增長的需要,并有較大的富余;線路平、縱斷面條件和技術裝備得到根本的改善和提高,旅客列車提速效果十分顯著,并隨著機車、車輛移動設備和行車運輸管理現代化技術的提高,技術優勢將更加突出的 20.5km特長烏鞘嶺雙單線越嶺隧道方案。

1.3 沿線地形、地貌及既有線工程技術條件

既有單線鐵路一般未考慮預留第二線的位置。既使考慮了預留二線,隨著鐵路建設技術標準的提高,原預留位置也已不能適應二線的選線要求。且山區鐵路一般地質復雜,不良地質地段分布較多,路基防護工程巨大,橋隧工程較多。這些具體因素,在增建第二線時,必須認真加以考慮。如:寧西線行經渭河盆地區、秦嶺中山區、丹江河谷區和秦嶺低山區。既有線西起海拔 400m左右的渭河沖積平原,經秦嶺山前(海拔500～900m)迂回展線,在秦嶺中山區引線穿越海拔1600～2000m左右的秦嶺道溝山谷埡口,沿丹江東行至海拔 150m左右的南陽盆地。零口至西峽段受地形、地質、工程和站位條件限制,平面標準較低,速度目標值 100～120km/h。該段共有曲線 209個,總長127.15km,占線路總長的 43%;限制坡度 13‰。其中:花園至蔡家河段位于秦嶺北麓山前引線地段,地處渭河盆地南緣渭南黃土臺塬,自然縱坡 50‰,為克服高程障礙,既有線以 13‰坡度在山前迂回展線,展線線路長達 31.40km,展線系數 3.11,展線地段共設 8處 600m、1處 700m的曲線;該段橋隧工程集中,橋隧比重達 38%。因此,增建第二線應結合沿線地形、地貌,工程地質條件,既有線路基防護、橋隧工程,增建二線后車站分布和既有車站引入條件等工程技術條件;遵循客貨列車運行速度及開行方案,機車類型及牽引質量與既有線主要技術標準相匹配的原則,分路段選取速度目標值和限制坡度,作好線路方案選擇。

2 山區鐵路增建第二線的設計思路

2.1 結合動態路網布局,論證其在路網中的功能定位,合理確定既有線擴能提速方案

(1)改建鐵路與新線建設不同,首先應認真研究本線與周邊既有和規劃路網的關系;結合沿線資源開發和在路網中的功能、作用,分析既有線運量增長適應性;合理確定本線的功能定位,確定可能的建設方案。如,陽安鐵路橫貫陜西南部的漢中和安康地區,區域路網隨著蘭渝鐵路修建,襄渝、西康增建二線及西成客運專線的逐步建成,西南地區北通路將形成蘭渝、寶成、西康—襄渝、西康—陽安—南寶成及西成客運快速通道等五大通路,陽安鐵路通過蘭渝陽安聯絡線,西接蘭渝,東聯西康、襄渝增建二線,可形成溝通西北華中地區,疆煤外運,以貨為主,兼顧周邊中短途、中低端客流運輸的便捷東出通道。

(2)在科學定位的基礎上,合理確定相關路網建設關系及分工,分析本線擔負的任務及性質,同時深入研究線路吸引地區社會經濟發展現狀和規劃,預測客貨運輸需求和發展趨勢,合理確定本線應承擔的客貨運量,深入論述項目建設的必要性。

(3)根據沿線經濟據點分布與城鎮體系發展規劃、結合沿線地形、地質和環境敏感點的分布情況,對線路走向方案、二線引入既有站區方案等進行大范圍多方案比選,科學合理確定項目建設方案和工程內容。

(4)按統籌規劃、合理銜接、分期實施的原則,系統研究增建第二線與既有線的過渡和銜接問題。結合沿線既有工程特點及建設環境,遠近結合,科學選定項目建設標準及規模。

(5)特殊情況下,若既有線標準較低,改建提高標準將長段落廢棄既有鐵路時,宜選擇新建鐵路方案;當速差不大時,可與既有鐵路形成雙線能力;速差大時,也可各自組織運輸,形成雙單線能力。

2.2 充分搜集和分析研究既有線現狀資料,合理確定既有線改建提速方案及增建第二線速度目標值

既有線提速改造不同于新建鐵路,必須充分考慮既有線現狀、施工期間對既有線運營的行車干擾和既有設備利用,根據提速改造的總體要求和客貨運量的增長幅度,確定改造方案和技術標準。一般既有線改造標準可略低于新建線路。如最小曲線半徑,《既有線提速 200km/h技術條件》規定:“改建或新建地段最小曲線半徑3500m、困難條件下2800m,既有線保留地段最小半徑2500m的曲線通過速度可為 200km/h”。也就是說,改建或新建繞行地段按新建鐵路標準,既有線保留地段通過技術經濟比選能夠顯著節省工程投資,可適當降低標準。

改建既有線或增建第二線時,考慮到既有鐵路,尤其是山區既有鐵路,曲線半徑標準大多較低,若按新線建設標準的規定改大半徑,勢必引起大量廢棄工程,并嚴重干擾運營。最小曲線半徑應結合既有線特征和工程條件比選確定。困難條件下,按上述標準改建將引起巨大工程的小半徑曲線可經技術經濟比選確定適應和合理的改建方案,并根據線路具體情況,經詳細的比選研究,分路段選定旅客列車設計行車速度。

提速效果分析是選擇既有線提速技改技術標準的基本方法。在分路段不同提速目標值條件下,可利用價值工程理論,對提速效果與投資進行效益分析,選定路段速度目標值。

如陽安線,行經漢江低山峽谷區,丘陵區和盆地平原區,低山峽谷區地段,既有線橋隧相連,線形曲折,全線共設曲線 316處,占線路總長的 44.4%。其中半徑小于 600m曲線占線路總長的 14.5%,最小曲線半徑為 450m,最短夾直線長 28.64m,最短圓曲線長 16.71 m。既有線路允許速度 85～105km/h,現狀旅客列車的平均旅行速度 50～70km/h,貨物列車平均旅行速度只有 30km/h左右,列車運行速度無法適應快速通道的要求。

根據既有線的平縱斷面條件,增建二線左右側選擇,沿線的地形、地貌單元特征,改建工程大小,達速路段的最小長度要求,車站引入情況及樞紐地區的規劃要求等,將全線劃分為陽平關東至勉西、勉西至洋縣、洋縣至漢陰、漢陰至安康四個速度段落進行方案研究。結合既有線工程,經多方案比選,提速效果分析,最終確定了四個段落的速度目標值。

2.3 結合既有線車站分布及增建二線車站引入條件,合理確定提速方案

山區鐵路樞紐和地區一般地形地貌、地質條件復雜,溝谷縱橫,地域狹窄。引入樞紐和地區線路方案的選擇要考慮接軌點,編組站站型,既有樞紐和地區內各車站類型、性質及作用;樞紐內線路銜接引入徑路,樞紐近遠期規劃等各有關因素,根據樞紐總圖規劃,并結合增建第二線引入疏解條件,綜合分析比選確定。

增建二線在滿足地方經濟發展對鐵路運輸的需要及鐵路自身運輸需求,考慮區間通過能力的均衡性的前提下,宜封閉部分會讓站;改線地段宜盡量利用既有車站,以減少廢棄工程,對引入既有站將引起巨大工程的,可分設或局部分設車站。如寧西線鐵峪鋪站,既有站為曲線站,位于鐵河河谷北側階地上,3股道,到發線有效長為 880m,站坪長為1390m;由于增建二線的引入及進站端與既有隧道施工間距的影響,現有的站坪長無法滿足設計需要,故本次針對站位結合二線的引入及該段的地形、地質、工程設置,研究了鐵河北岸局部分設站位及鐵河南岸第二線獨立分設站位方案。經比選分析,采用了站位選址條件好、運營管理方便、工程投資省的鐵河北岸局部分設站位,詳見圖1。

圖1 鐵河北岸局部分設站位方案

2.4 調查分析既有工程病害的性質、類型及危害程度,結合既有線路走向,合理確定第二線位置

我國系多山國家,山區占國土總面積的 65%以上。特別是西北和西南地區地形尤為復雜,西北地區東部為黃土高原,西部高山重疊,海拔高,屬高山高原地貌;西南主要以高山重嶺與內陸盆地相間,四周高山、丘陵環抱,山嶺起伏大,相對高差大;早期修建的山區鐵路,為節省工程投資,鐵路選線多以河谷線與越嶺線組成。如成昆、川黔、陽安、寧西、安康等線約 70%以上屬河谷線。

山區河谷一般狹窄多彎,坡岸陡峭;河床自然縱坡一般較大,水流湍急,沖刷嚴重;地質構造復雜,廣泛分布斷層、滑坡、巖堆、崩塌、溜坍、泥石流、巖溶、水庫塌岸等嚴重不良地質地段,進而造成既有運營線路大量的工程病害,使維修困難,甚至危及行車安全。

增建第二線應注重既有工程病害的調查,分析研究其性質、類型及危害程度。對病害嚴重、較為集中地段,結合既有線路走向和增建二線方案考慮一并改建。如陽安線陽平關東至響水段為嘉陵江及其支流黑水河峽谷區。既有線出陽平關東后溯嘉陵江北上至黑水河溝口,東折逆黑水河谷而上,于蔣家河南折至代家壩回頭展線溯響水河至嶺頂,本段既有線長 25.3km。區內山高谷深,溝梁相間,河流蜿蜒曲折,自然山坡陡峭,植被茂密,基巖裸露,相對高差在 50～250m。響水為分水嶺。本段為秦嶺褶皺帶和揚子地臺的接壤地區,地質構造復雜。廣泛分布滑坡、巖堆、崩塌、溜坍等嚴重不良地質現象,經多方案比選采用了長隧取直雙繞方案。如圖2所示。

圖2 陽安線陽平關東至響水段增建二線方案比選

隨著高橋、長隧修建技術的提高,鐵路選線理念發生了較大變化,鐵路選線設計更加注重環境,城鎮規劃,資源開發,交通、農田、水利設施間的協調,要求總體上相互配合,全局上經濟合理,更多地采用高新技術。

2.4.1 地質復雜地段增建第二線應結合既有線路走向、車站設置,避免線路通過嚴重地質不良地段

在地形地質復雜地段,鐵路選線更應堅持“地質選線”原則,即堅持線路應繞避全新活動斷裂或在斷裂較窄處以大交角通過,重點工程必須置于“安全島”內和繞避嚴重不良地質地段三大地質選線原則。具體如下:

(1)線路應選在地基比較穩定、地下水埋藏較深地區或地形開闊、平緩和穩定的山坡上。

(2)線路應盡量以簡單工程通過全新世活動斷層,避免以高路堤、深路塹、陡坡路基或高橋通過之;如以長隧道穿越全新世活動斷層,宜選擇最窄部位以大角度通過;且最好在洞口附近,能順坡排水。

(3)盡可能控制橋高和路基填方及切坡高度。不設傍山短隧道群,減少展線,預留限坡調整余地,最大限度地減輕地震次生災害的危害并有搶修條件。

(4)隧道應“早進晚出”,確保在山坡穩定部位設置洞口,并綜合考慮地形和巖土的地震動放大作用,合理定位和設防隧道出口,路基高程應高出可能出現的堰塞湖水面最大高程,避免被淹沒。

(5)隨著高橋、長隧修建技術的提高,多年來形成的沿河選線原則需重新思考,可采用靠山長隧或改走山脊線,以繞開沿河的大量不良地質現象,也可降低以后運營中可能出現的山區鐵路常見病害風險。

2.4.2 增建第二線應注重環境保護,盡量避免通過風景名勝、自然保護區等影響線路走向的重點區域

對于工程建設,在《風景名勝區管理暫行條例》和《中華人民共和國自然保護區條例》中都有具體而明確的規定:要求“在自然保護區的核心區和緩沖區內,不得建設任何生產設施。在自然保護區的試驗區內,不得建設污染環境、破壞資源或者景觀的生產設施”。

一般情況下,線路選線時應盡量避開自然保護區和風景名勝區。由于自然保護區和風景名勝區的覆蓋面積小則幾平方千米,大則達到幾百或上千平方千米,當線路確實無法避開這個區域時,首先要保證線路位置必須避開它的核心區和緩沖區部分;在試驗區內雖然可以通過,但是也必須考慮適應諸如不得設車站、不準鳴笛、工程建設必須與周圍景觀相協調等限制性條件。

在增建第二線選線過程中,要避開文物保護區域,特別是全國重點文物保護單位。對省、市和縣級的文物保護單位,當線路確實無法避開時,要進行經濟技術比較。因為經過這些區域,要經過該文物保護單位的行政管理機構嚴格而復雜的審批,整個審批和文物發掘或遷移過程漫長,勢必影響鐵路工程審批和實施的進度。通過此類區域線路一般宜繞避。

噪聲污染是鐵路運營后的頭號環境問題,也是目前遭受投訴最多的。隨著鐵路的提速,噪聲污染影響更為突出。對穿越文教區、大規模的居民住宅區等敏感點的鐵路,若采取整體拆遷,投資費用巨大;采用建聲屏障等其他降噪措施,對機車鳴笛的降噪效果明顯,但遺留環境污染后患,如電磁污染和振動污染,不利于以后的運營管理。因此,對經過這類區域線路方案應進行認真研究。對線路改線增加的投資和進行噪聲治理的投資,應進行經濟、技術比較后確定合理的線路方案。

3 結論

改建既有線及增建第二線線路設計制約因素多,尤其是早期建設的山區單線鐵路擴能改造項目,受當時經濟發展水平和設計、施工能力的限制,一般既有線標準較低,長期超負荷運營,致使線路工程病害較多,運營速度低,運輸能力小、抵御自然災害能力弱、運營成本高。因此增建第二線及提速改造是提高線路運輸能力和鐵路服務質量的必由之路。

增建二線設計應貫徹“強本簡末”的理念?！皬姳尽笔菍τ诮ǔ珊蟛灰烁慕ㄇ覍窈筇岣呒夹g標準有制約性的工程,要下決心一次性建成、建好;“簡末”是一些鐵路運營的輔助設施和設備,要在滿足運營基本需要的前提下盡量簡化。在增建第二線選線工作中,該理念體現在對既有工程的合理利用,在充分研究既有線路條件的基礎上,結合沿線既有工程特點及建設環境,遠近結合,科學選定第二線建設標準及規模,避免大量廢棄既有線路和既有設施。同時,應注重既有工程病害的調查分析,認真研究其性質、類型及危害程度,對既有線病害嚴重且較為集中地段,結合既有線路走向和增建二線方案,宜考慮一并改建,以期達到提高列車運行速度和運輸能力的總體目標。

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[5]鐵建設函[2003]439號,新建時速 200km客貨共線鐵路設計暫行規定[S].

[6]錢立新.世界高速鐵路技術[M].北京:中國鐵道出版社,2003.

[7]柳世輝.《鐵路線路設計規范》修訂的主要特點及內容[J].鐵道標準設計,2006(3).