綜合選線技術在寶麟鐵路勘察設計中的應用

陶 瑋

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

隨著我國鐵路建設的發展，鐵路設計施工技術水平的提高，鐵路選線設計中遇到的問題也越多越復雜，若在選線時沒有處理好線路與諸多客觀因素的協調配套關系，就容易引起決策失誤導致巨大經濟損失[1]，因此鐵路選線更多地需要應用綜合選線技術來解決多方面、多層次的問題和矛盾。筆者根據多年的鐵路選線及項目管理經驗，就鐵路綜合選線技術在寶麟鐵路勘察設計過程中的實踐進行分析和探討。

1 寶麟鐵路項目概況

寶麟鐵路(麟游礦區至寶雞二電廠)在行政區劃上隸屬陜西省寶雞市，線路自寶中線鳳翔站Ⅱ場南端引出，地跨鳳翔、岐山、麟游三縣，終點至麟游礦區郭家河裝車站，線路全長87.10 km，設計標準為地方Ⅰ級內燃單線鐵路，牽引質量4 000 t。于2011年7月開工，計劃2014年建成投入運營。

線路東北部范圍屬渭北黃土溝梁低中山南部邊緣地帶，高程900～1 500 m，總的地貌形態呈北高南低之勢，為溝嶺相間的殘塬溝壑地貌；線路西南部范圍屬渭北平原，高程635～850 m。線路由南向北經過了千河階地區、渭北黃土臺塬區、黃土溝梁低中山區3個地貌單元。

線路前21 km范圍內地震動峰值加速度為 0.20g，地震動反應譜特征周期為0.47 s，相當于地震基本烈度Ⅷ度；后66 km范圍內地震動峰值加速度為 0.10g～0.15g，地震動反應譜特征周期為0.47 s，相當于地震基本烈度Ⅶ度。

沿線主要不良地質問題有滑坡、巖溶、人為坑洞等，全線探明古滑坡共有37處，沿線特殊巖土主要濕陷性黃土、膨脹(巖)土。

線路沿線水利設施主要有白荻溝水庫，為鳳翔縣飲用水源保護區，壩址以上控制流域面積234 km2，總庫容1 465萬m3。

2 寶麟鐵路選線的技術復雜性特點

2.1 沿線自然地形的復雜性

鐵路所經黃土溝梁中低山區，溝深坡陡，植被茂密，逾10 km陡坡掛線地段，線路穿越川口河、白荻溝2座特大橋墩高逾70 m，線路整體上呈越嶺線特點，全線橋隧比例達到40%。

2.2 沿線地質條件的復雜性

線路約21 km地段位于地震烈度Ⅷ度區，沿線探明大小滑坡及滑坡群37處，不良地質分布主要有濕陷性黃土、膨脹(巖)土等。

2.3 地面構造物的復雜性

線路在鳳翔縣雍城變電站附近穿越8條330 kV電力線，穿越川口河范圍兩岸采礦區密布，先后與2條蘭鄭長成品油管道交叉，與寶雞市馮家山水庫自來水供應主管道交叉，與寶雞二電廠污水管道交叉，與寶平高速公路及其連接線多次交叉，與省道S104、S210、S306以及十幾條縣道交叉，線路走向選擇需考慮服務麟游礦區諸多煤礦等。

3 綜合選線技術特點

面對復雜的客觀條件及協調因素，單一鐵路選線手段、經濟評價指標往往難以選擇出最佳線路方案，需要綜合應用各種選線技術及評價指標比選出一條經濟、合理、可行的最佳線路方案。綜合選線技術就是根據線路所處的不同外部條件和控制因素，合理地利用各學科知識、各種勘察、設計技術手段，對鐵路項目采用綜合選線技術和建立綜合評價體系，或者對于同一鐵路不同段落根據其控制因素分段采用相應適宜的主要選線方法和主要方案評價指標。

3.1 地質選線[2]

復雜地質條件主要指滑坡、巖堆、泥石流、沖溝、卡斯特地貌、沼澤、凍土、沙漠、高地震烈度區、水庫、巖溶等區域，線路所經地區的工程地質條件是線路走向和具體位置的重要考慮依據，對鐵路建筑物的穩定性、合理性有決定性影響。在不良地質段宜采用地質選線，其方案評價指標主要有鐵路線路穩定性、主要工程費以及不良地質整治費用所占工程費用百分比等。

3.2 安全選線[3]

線路穿越采礦區、采空區、高壓廊帶區、易燃易爆物儲存區、高墩橋(50 m以上)、高邊坡(40 m以上)、暴風區等危險隱患段落，鐵路施工、運營期間的安全性應放在首要位置，方案評價往往根據工程安全性、工程投資等綜合確定。

3.3 經濟選線[4]

在一般自然因素條件下，以較低的投資實現所要求的運輸能力是鐵路選線的首要目的，方案評價技術指標主要有工程費、靜態投資、動態投資、換算工程運營費，投資回收期、凈現值、內部收益率等。

3.4 三維選線[5]

在地形復雜段落，如自然坡面較陡、沖溝發育等地段線路中心填挖高度不能很好地控制工程規模，為使線路橫斷面設計與自然地形更好地適應，減少深挖高填，選線時可利用各種地形來源數據資料，建立數字地形模型(Digital Terrain Model，簡稱“數模”或DTM)，根據數模對線路進行三維立體設計，可清晰精確地明確路線填挖高度、坡腳坡頂位置，可制作出線路三維帶狀模型，也可進一步渲染制作出線路沿線動畫，從而實現對路線方案的“可視化”、“3D化”評價。

三維選線技術可用于鐵路勘察設計的各階段、全過程，具有廣闊的應用前景和良好的技術價值，是未來鐵路選線技術發展的必然趨勢。其核心技術模塊主要包括原始地形的數據采集、地面數模DTM的建立、線路縱斷面橫斷面地面線的切取、線路三維模型的輸出與渲染、線路全景漫游動畫的成型等。

原始地形的數據采集是三維選線的技術基礎，采集方法主要有使用大比例軍用地形圖、人工地形測量、航空攝影地形測量、利用google earth提取地形高程等。人工測量、航空攝影測量技術目前我國已成熟掌握，并可方便提供各種計算原理的DTM建模數據格式。

3.5 環境選線[6]

鐵路環境選線亦稱環保選線或綠色選線，隨著我國經濟發展對環境保護愈發重視，環境因素在線路方案選取中日趨重要，環境選線在鐵路選線中主要涉及有自然環境、人文環境、景觀環境、生態環境等，在線路方案評價中常用指標有占地面積、土方開挖數量、砍伐樹木數量、環保投資、水土流失、噪聲污染程度等，環境評價指標在各種方案評選時均可反映，其重要性在方案取舍中的權重程度需要進一步加強。

3.6 其他選線手段

其他選線技術還有路網選線[7]，節能選線[8]，景觀選線[9]，Goole earth 選線[10]，多媒體技術選線[11]，Global Mapper選線[12]等。

4 綜合選線技術在寶麟鐵路選線中的應用

根據對寶麟鐵路沿線自然地形、地質條件、控制因素的深入調查分析，研究總結出全線區段選線復雜性特點，針對區域內各區段所呈現的需解決的不同問題，靈活運用相應的選線技術手段和方案評價指標，以期遴選出最佳線路方案。本文側重論述4種選線技術在寶麟鐵路設計中的實際運用。

4.1 楊家河不良地質區域地質選線應用

針對線路在楊家河段工程地質條件較復雜，隱蔽性古滑坡較多的特點，根據地質條件設計提出了在滑坡前緣低填淺挖的沿溝穿越方案和繞避滑坡群的長隧道方案。如圖1、圖2所示。

圖1 滑坡區域線路方案示意

圖2 12號滑坡線路位置

沿溝方案線路自比較起點由澗曲河拐入支溝，于支溝西岸設楊家河車站，而后繼續沿支溝展線布設，至溝尾以2 600 m隧道上升至招賢河谷，比較范圍線路長8.2 km。繞避方案則選擇線路自比較起點向北設楊家河車站后折向東北，以5 045 m長隧道至招賢河谷，比較范圍線路長8.6 km。

沿溝方案雖然線路長度較短，但線路從古滑坡群中通過，滑坡規模大，2 600 m短隧道進口端洞身位于滑坡體中，工程地質條件與水文地質條件均較差；從滑坡治理角度出發，治理范圍廣，難度大，不僅要考慮鐵路通過滑坡的滑體治理，同時須考慮楊家河河岸及對岸滑坡對本工程的影響，初步估列治理費用約1.7億元以上，且工程實施風險高，在極端氣候暴雨及地震等因素影響下易產生滑動，存在運營安全隱患。繞避滑坡群的長隧道方案雖然線路較長，但工程地質條件好，施工、運營安全，因此推薦長隧道方案。

4.2 川口河采礦區范圍安全選線應用

線路由渭北臺塬區跨越川口河后進入黃土溝梁中低山區，川口河為線路重要節點位置。由于川口河兩岸采礦區密布，兩岸天然地形已被采掘為懸崖峭壁，根據河兩岸既有地形條件，以及采礦區現狀與規劃，經對川口河兩岸詳細踏勘研究，提出3種線路方案：川口河北方案、中方案、南方案。

北方案線路自比較起點靡桿橋車站尾端引出，折向北以長2 525 m隧道至川口河上游位置，跨越川口河后向西以短隧道群至比較終點，比較范圍線路長6.881 km。該方案跨越川口河設8-32 m簡支梁橋，橋高約50 m，比較范圍橋梁總長489.4 m/2座，設隧道5 290 m/6座。

中方案線路自比較起點靡桿橋車站尾端引出，向東北以長2 130 m隧道至川口河冀東水泥廠采礦區北側通過，之后以3 400 m長隧道至比較終點，比較范圍線路長6.87 km。該方案跨越川口河設13-32 m簡支梁，橋高約50 m。比較范圍共設橋梁783.5 m/2座，設隧道5 530 m/2座。

南方案線路自比較起點靡桿橋車站尾端引出，向東以明線走行于羅家坡村北側山坡至川口河溝口，于冀東水泥廠與其采礦區間跨越川口河，之后向北以3 575 m長隧道至比較終點，比較范圍線路長7.600 km。該方案川口河橋長563.3 m，橋高約70 m。比較范圍共設橋梁940.5 m/3座，設隧道3 575 m/1座。如圖3、圖4所示。

圖3 川口河采礦區線路方案示意

圖4 南方案DK38+040最不利處剖面

工程安全性分析:川口河兩岸布滿采礦區，規模最大的為冀東水泥廠采礦區，兩岸天然地形已被采掘成陡崖峭壁。北方案河西山嘴兩側實際已被采空，東岸鄰采礦廠；中方案河道西側被采掘成陡崖，隧道出口位于50 m立壁上空，施工難度大，河東側線位距冀東水泥采礦區近，未避讓開其安全界限范圍；南方案位于河口處，線路基本避開采礦區，并繞避至冀東水泥采礦區安全界限以外。從鐵路施工、運營期間安全保障而言，北方案、中方案附近為小型開放式采礦廠，協調、管理難度較大，對于鐵路今后運營安全保障存在一定風險。而南方案鐵路運營安全相對較易保障。綜合工程安全、工程可實施性等因素，設計推薦川口河南方案

4.3 郭家河裝車站經濟選線應用

本線終點設郭家河車站，根據線路所處地形特點，結合郭家河煤礦位置、儲煤倉的建設、裝車站高程以及裝車方式，研究了4種方案。

DK方案：該方案自比較起點預留西川站尾端引出后，便跨越西川溝，以2座短隧道至長宜川，跨越長宜川后又以隧道至菜子溝，之后以明線走行于菜子溝北岸，至長宜川折向北設郭家河車站，站坪高程約1 176 m。比較范圍線路長10.70 km，橋隧總長5 341.4 m。

D1K方案：該方案自比較起點引出后，繼續沿西川溝布線，至西川溝口處折向西，以“燈泡”形展線至長宜川，之后以明線走行長宜川西岸至比較終點，該方案郭家河站坪高程約1 165 m。比較范圍線路長12.00 km，橋隧總長6 006.6 m。

D2K方案：該方案在菜子溝以前同DK方案，線路出菜子溝口后，為進一步降低郭家河站位高程，線路以“S”形迂回至長宜川設郭家河車站，站坪高程約1 165 m。比較范圍線路長11.90 km，橋隧總長7 141.4 m。

D3K方案：該方案自比較起點引出后，便跨越西川溝，以“燈泡”形展線至長宜川，之后以明線走行長宜川西岸至比較終點，該方案郭家河站坪高程約1 166 m。比較范圍線路長12.20 km，橋隧總長5 134.2 m。郭家河站位線路方案示意見圖5。

圖5 郭家河站位線路方案示意

方案比選如下。

就線路而言，DK方案最短，較其他方案短1.2～1.5 km，線形較好，運輸距離最短；D1K、D3K兩方案“燈泡線”位于隧道范圍，線形惡化，運營期間隧道內通風條件差；就工程投資而言，DK方案線路最短，投資最省；D2K方案橋隧總長最長，工程投資最大；就與煤礦裝車協調性而言，各方案均能滿足煤礦裝車要求，其中 D1K、D2K、D3K車站高程展線至1166 m左右，站坪高程較低，車站中心距裝車點略近，與煤礦裝車協調性較好。而DK車站高程位于1176 m左右，站坪較高，與煤礦裝車協調性相對較差。綜上所述，本次設計推薦投資最省的DK方案。各方案經濟技術比較見表1。

表1 郭家河裝車站技術經濟比較

4.4 陡坡段落三維選線應用

寶麟鐵路全線計有39.3 km線路位于復雜山區地段，占線路總長的45.08%。針對寶麟鐵路經由姚家溝、招賢、郭家河等段落自然地形復雜、邊坡陡峻、沖溝發育的特點，線路中心填挖高程與邊坡高程差距甚遠，為減少路基填挖方邊坡高度，同時使因工程實施而對自然環境引起的破壞程度降低到最小，保障施工及運營安全，提高選線質量，本線應用了三維選線方法來優化線路方案。

根據本項目航空測量影像數據資料，首先建立了全線DTM三維數模地形，利用交通選線、緯地等軟件輔助設計手段進行線路選線，實現了根據線路平面位置自動獲取線路縱、橫斷面地面線。在完成路基橫斷面 “帶帽子”、橋涵、隧道工點布置后，創建線路三維模型，精確輸出路基各位置的空間坐標，其邊溝、邊坡、排水溝等同樣是精確的空間坐標。將線路三維模型嵌套入地面三維模型便可得到線路三維全景模型，其是線路帶狀構成最直觀、最準確的體現，真正做到了對線路的填挖方、邊坡高度、工程數量“一目了然”和“心中有數”。

寶麟鐵路勘察定測期間對線路調整、改線共計450 m，僅占87.10 km線路總長的0.51%，充分體現了三維選線技術的運用極大程度地提高了選線精度和質量，同時縮短和節省了設計周期。郭家河車站三維選線示意見圖6、圖7。

圖6 郭家河車站三維設計平面

圖7 郭家河車站三維設計立體

5 結語

在寶麟鐵路勘察設計期間，針對線路經由的不同區域特點，通過對自然地形、地質條件、建筑等外部控制因素深入分析研究，在線路穿越不良地質區側重采用地質選線，穿越采礦區時側重采用安全選線，礦區站位區域采用經濟選線，地形復雜區域采用三維選線等手段和方法，充分做到了鐵路選線的精細化、深入化，對最佳線路方案的選取有了綜合技術保證。通過在寶麟鐵路勘察設計中的實踐應用表明，采用綜合選線技術可有效提高選線質量和精度，保證了推薦、實施線路技術方案的安全和穩定，且經濟、合理。

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