鄭萬鐵路羅家山至楚烽段綜合選線研究

張 爽

(中鐵二院成都勘察設計研究院有限責任公司，四川成都 610081)

在鐵路工程設計與建設中，選線是一項兼具綜合性與復雜性的系統工程，是影響全局的總體工作，選線的質量直接影響鐵路工程建設和運營的安全性、技術可行性和經濟合理性。在我國西部地形地質復雜山區高速鐵路建設中，綜合選線研究的重要性更為突出。

朱穎提出了堅持地質選線、重大工程優先選址、環保選線、規劃選線、資源選線、橫斷面選線六位一體的鐵路選線理念[1]；王子江等揭示了復雜巖溶區高速鐵路選線的巖溶致災因子及災害風險類型并創立了減災選線理論[2]，樂重對綜合選線的原則進行了探討并提出了相應的規劃選線、地質選線、安全選線等原則[3]；王爭鳴提出了部分復雜山區鐵路選線思路及理念并要求按照“舍小求大”的原則進行綜合比選，以確定最優方案[4]；李光偉提出巖溶區地質選線的8條觀點和建議[5]；白孝勇等也對復雜山區鐵路選線進行了分析與總結[6-9]。結合以上研究與實踐，以鄭萬鐵路的勘察設計為例，因地制宜地制定選線指導原則，應用于羅家山至楚烽段的選線，為巖溶發育、危巖落石等不良地質區域的高速鐵路減災選線成套技術積累了寶貴的經驗。

1 工程概況

鄭萬鐵路羅家山至楚烽段(DK514～DK537)線路位于荊山山脈西北端和神農架林區東部，為溶蝕、侵蝕中低山區，地面高程450～2000 m。本段位于神農架穹隆構造東部，斷層及褶皺較發育，主要構造為新華斷裂和聚龍山復式向斜。區域內奇峰異嶺、層巒疊嶂、山高谷深、峽谷眾多，形成溶蝕洼地、溶洞、落水坑等各種類型的巖溶地貌。本段控制線路方案的地質問題主要有巖溶及巖溶水、危巖落石、壓覆磷礦及采空、斷層、滑坡、巖堆等[10]。本段所處位置見圖1。

圖1 研究段在鄭萬鐵路的位置

2 研究重點

2.1 不良地質[11]

(1)可溶巖：本線可溶巖分布范圍較廣，線路應盡量避開巖溶強烈發育地區，若無法繞避，線路應盡量靠近巖溶水排泄區(靠近河流)或盡量抬高線路設計高程，使線路走行在巖溶水水平循環帶之上。

(2)斷裂帶：本段線路斷裂構造發育，主要有白果樹溝斷層、兩河口斷層、新華斷裂，線路應盡量少穿斷層，走行于巖性較好的區域。

(3)采空區：白竹磷礦、保烽磷礦、楚烽磷礦均分布于研究范圍內，線路應繞避采空區，并盡量不壓礦藏。

2.2 橋梁工程

結合工點的具體情況，對橋梁工程的墩高、跨度進行專題研究，同時對高墩大跨橋梁豎向變形控制、橋-軌相互作用形式進行具體分析。研究結論為：減少高墩現澆簡支梁的數量并將溫度聯長控制在200 m以內，以滿足無碴軌道的鋪設要求，并按此指導線路方案的選擇。

2.3 重大工程優先選址

沿線危巖落石強烈發育，且線路均以橋隧相連形式通過，需先進行多方案比選，確定重大橋梁橋位、隧道進出口位置，再考慮其兩端連接線路方案的綜合性技術經濟指標比選。

2.4 平、縱斷面系統優化

根據長大坡度、高墩大跨橋梁和長大隧道分布，運用“頂層設計、系統優化”的理念，將平面和縱斷面同時進行系統設計，制定了“適應自然環境、降低工程風險、縮短線路長度、減小工程量”4個頂層目標，詳細研究各種坡度方案，以達到高速動車組與自然環境、線路平縱面設計三者的協調融合。

3 線路方案

3.1 方案介紹

(1)新華取直方案

線路長度較短，埋深較大，大部分線路位于巖溶發育區，較長的地段位于水平流動帶以下。

(2)馬橋繞行方案

可溶巖段線路長度較長，線路壓覆白竹磷礦(儲量約3 650×104t)。

可研階段線路方案如圖2所示。

圖2 可研階段線路方案平面示意

(3)有待進一步解決的問題

經綜合分析可知：線路通過巖溶及巖溶強烈發育區均較長，危巖落石等不良地質體的處理較困難。此外，還涉及采空區及壓覆礦等問題，有必要對線路方案進一步優化。

3.2 方案剖析

(1)外在分析

①面狀分析

開展大面積地質調繪，分析研究其水文地質條件，繪制本區域內巖溶水單元及巖溶水文地質圖(見圖3)，收集、核實磷礦采空區及礦產儲量，從宏觀層面分析研究線路走向。

②線狀研究

羅家山至楚烽段線路起、終點高程分別為834 m和860 m，中部隧道之間均由處于“V”形峽谷處的橋梁連接，從橋位、橋高、通過巖溶段落、危巖落石、磷礦及采空區、人字坡隧道設置條件等多方面進行研究，主要對四組方案進行綜合比較。方案一：經白竹磷礦北側方案；方案二：下穿白竹磷礦方案；方案三：線路取直方案；方案四：經兩河口方案。各方案示意見圖4。

圖4 羅家山—楚烽段線路方案示意

對羅家山—楚烽段各線路方案進行地質條件的綜合比較，見表1。

表1 羅家山—楚烽段線路方案地質條件比較

各方案穿越可溶巖長度、地層巖性、巖溶發育程度大致相當，但“方案三”(取直方案)隧道洞頂分布有常年水溝，隧道埋深大，故其位于水平徑流帶長度最長，最大水頭高度最大，水文地質條件最差，涌突水的風險最高。“方案四”(經兩河口方案)水頭高度較小，水文地質條件較好。“方案二”和“方案三”均穿越了保康最大礦區—白竹磷礦，壓覆磷礦超過3 000×104t，且“方案二”存在采空問題；除“方案一”外，各方案均對沿線十分發育的不良地質(滑坡、巖堆、泥石流)進行了繞避，線路穿過的巖堆規模相對較小，易于處理。

經綜合分析，方案四(經兩河口方案)地質條件最優，為推薦方案。

在“方案四”(經兩河口繞行方案)的線位基礎上開展深入研究，需首先落實兩河口特大橋的選址及躲避危巖落石的可行性。

經分析研究，總結出“兩河交匯處必有山脊可利用”的選線設計經驗，進而快速定位重大工程(隧道進出口、橋址)，利用自然形成的山脊躲避危巖落石。

(2)內在分析

①水文地質縱斷面

利用定測階段的鉆探和物探成果，開展巖溶水文地質、工程條件分析評價，分析隧洞與地下水文地質單元之間的水力聯系，預測線路施工可能引發的工程地質問題，巖溶水單元的地下水流向示意見圖5。

圖5 魚頭河巖溶水單元地下水流向示意

由水文地質縱斷面控制線路高程，隧道盡量處于巖溶水平循環帶以上，以減少巖溶及巖溶水對工程的影響。

②坡度方案研究

本線為速度目標值350 km/h的復雜山區客運專線，對于無法繞避的可溶巖地區，應盡量抬高線路設計高程，創造巖溶隧道“人字坡”的設置條件。縱斷面設置情況見圖6。

圖6 縱斷面示意

現行高速鐵路設計規范[12]規定：“最大設計坡度采用30‰時，坡段長度不宜大于3 km”，考慮到本線實際情況和動車組的性能，以及配套養護設備的改進[13]，對行車檢算、長大坡度電分相檢算及動車組列車對坡度的適應性進行了專題研究[14]。研究結果表明，30‰的長大坡段可滿足本線安全運營的相關要求。30‰的長大坡段可抬高線路設計高程，改善了工程地質條件，降低了施工風險。

4 結束語

在鄭萬鐵路羅家山—楚烽段線路方案的研究過程中，成功地運用了多年來總結出的山區鐵路選線設計指導性原則，根據該客運專線的特點，結合線路地形、地質條件，采用大范圍選線、多方案比較，推薦了地質及工程條件相對較好，施工及運營風險可控的經兩河口繞行方案。

本段綜合選線設計經驗可總結為如下幾點。

(1)堅持巖溶地區選線的十一字方針“繞避、抬高、靠河、接近、人字坡[15]”。

(2)大坡度的使用—抬高線位，解決巖溶水的風險。

(3)重大工程選址—兩河口特大橋采用了主跨為(56+3×96+56) m的連續梁剛構組合跨越峽谷，減少了高墩現澆簡支梁的數量，并將溫度聯長控制在200 m以內，以滿足軌道設計溫長，達到不限速的目的。

(4)危巖落石選線—利用山脊出洞，躲避大規模危巖落石。