錦州港至白音華鐵路天河梁越嶺段線路方案研究

李 博

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600）

1 引言

山區鐵路越嶺段的線路選線事關線路走向、投資節省、運營安全等，是線路選線中的重點、關鍵。在我國發展進入新時代，鐵路選線技術也取得了長足發展，減災選線理念貫穿鐵路勘察設計始終，越嶺段的線路選線以減災理念為指引，需要更加注重地質、地災因素，充分考慮運輸需求、運營實踐，在安全可靠的前提下節約投資[1-2]，選取科學和合理的越嶺線路方案。錦州港至白音華鐵路(簡稱錦白鐵路）由赤峰越天河梁進入錫林浩特界[3]，該段選線綜合了災害防治、綠色環保、運營通風、運輸實踐、投資節省等因素綜合確定。

2 錦白鐵路概況

2.1 項目地理位置和徑路

錦州港至白音華鐵路，位于內蒙古自治區東部地區和遼寧省的西南部，線路起于渤海西北部的錦州港，向北經遼西南錦州市、葫蘆島市，遼西朝陽市、內蒙古東部的赤峰市和錫林郭勒盟，止于錫盟白音華礦區，橫跨兩省(區）五市(盟）十五區縣(旗）[4]，線路全長約605 km，是蒙東煤炭下水的便捷通道之一。

2.2 項目建設背景

我國煤炭資源分布極不均衡，北方富集，南方匱乏，北煤南運是我國煤炭運輸的顯要特征，也是我國發展進步的必然需求。內蒙古自治區東部的錫林郭勒盟，煤炭資源富集，進入新世紀后國家批復建設白音華煤田，目前已建成4個露天礦，其中二、三號礦由國家電力投資集團(簡稱國電投）建設、開采，國電投配套建設的赤大白鐵路已運營近10年。同時，國家為解決東北地區的物資出海通道，在遼寧、河北沿海地區建設了大連、營口、盤錦、錦州、葫蘆島、秦皇島、曹妃甸等港口，其中錦州港是蒙東煤炭資源出海的便捷港口，2010年前后，國家批復的港口擴建計劃，在原有碼頭的基礎上新建煤炭碼頭1處，由國電投集團投資新建。隨著白音華礦區的擴能，及周邊五間房、巴彥胡碩、烏尼特、浩沁、高力罕、巴其北等煤田的相繼規劃、建設，蒙東煤炭資源鐵路外運徑路運輸能力不足成為限制資源開發的瓶頸，錦州港新建碼頭后方通路不暢成為港口發展的約束，路港聯運，礦路聯合，鐵水互補是促進產業發展，助力經濟騰飛的必然需求。至2035年，錦白鐵路沿線的運量近億噸，既有鐵路已無法滿足運輸需求，所以國電投集團戰略決策，擬對既有線進行擴能改造[5]。

2.3 擴能方案

既有線沿線運量大幅增長，通過運輸組織調整，自閉改造，提高牽引質量，雙插，局部雙線等擴能措施均無法滿足運輸需求[6-7]，通過研究，未來單線鐵路已不能適應運輸需求，所以采用的擴能方案是全線增建二線。

2.4 主要技術標準

既有線為地方鐵路Ⅰ級，內燃牽引，大板至赤峰段最小曲線半徑為一般1 200 m，困難600 m，限制坡度重車方向6‰、輕車方向12‰。研究年度擴能以后，確定了鐵路主要技術標準。

鐵路等級:國鐵Ⅰ級；正線數目:雙線；限制坡度:重車方向6‰、輕車方向12‰；最小曲線半徑:一般1 200，困難800 m，個別700 m；牽引種類:內燃；機車類型:DF4D；牽引質量:5 000 t；到發線有效長度:1 050 m；閉塞類型:自動閉塞。

3 天河梁越嶺段自然特征

3.1 地形

該段線路位于內蒙古東部，屬于內蒙古昭烏達高原的大興安嶺東坡低山區，起伏較大。天河梁山頂海拔約1 385 m，南北坡的海拔約1 140 m。

3.2 地層巖性及地質構造

既有天河梁隧道進口側上覆第四系坡洪積粉土、粉質黏土、細角礫土等，下伏石炭系上統林西組變質砂巖夾板巖地層，受構造影響，節理裂隙發育，巖體較破碎，上部強風化層厚3～5 m。出口側地層為石炭系上統林西組砂巖夾板巖，強風化，巖體極破碎，多呈碎塊狀。洞身地表局部覆蓋第四系坡洪積粉土(含礫），基巖主要為石炭系上統林西組變質砂巖夾板巖，薄～厚層狀構造，強風化～弱風化，傾角較陡；隧道淺埋段為燕山期侵入流紋巖，強風化～弱風化，隱晶質結構，流紋構造，受構造影響，節理裂隙發育，巖體破碎～較完整；洞身地面處發現兩處小斷層，斷裂帶寬分別為0.2 m與0.5 m。未發現較大規模的斷裂。隧道出口側山間寬緩溝谷發育有季節性流水，受冬季積雪融水及大氣降水補給；地下水主要為基巖裂隙水，其補給來源貧乏，水量小。預計全隧最大涌水量約為7 238 m3，地下水對混凝土結構不具侵蝕性。

3.3 氣象

線路位于錫林郭勒西烏珠穆沁旗，按照對鐵路工程影響氣候分區該段為嚴寒地區，氣象條件差，雪害、凍害嚴重。根據2000～2010年10年的觀測數據，區域歷年平均氣溫2.1℃，歷年極端最高氣溫37.3℃，歷年極端最低氣溫-33.6℃，歷年最冷月平均氣溫-18.3℃，歷年年平均降水量375.1 mm，歷年年平均蒸發量1 673.5 mm，歷年年平均風速2.9 m/s，歷年最大風速20 m/s，主導風向 WSW、W，歷年平均相對濕度60%，最大積雪深度28 cm，土壤最大凍結深度2.2 m[8]。

3.4 環保

天河梁越嶺段線路位于古日格斯臺自然保護區的試驗區。該保護區地處大興安嶺南部山地余脈的西麓，西烏珠穆沁旗巴拉嘎爾高勒鎮東南部55 km處，設立于1998年，保護區面積為98 931公頃。主要保護對象是大興安嶺南部山地北麓森林-草原生態系統及其所包容的物種多樣性。本線在該段應盡量采用埋深較大的隧道通過，有利于環境保護。

4 天河梁越嶺段既有線病害

線路所處地區雪期長達7個月，雪量大，氣候嚴寒，長時間堆積，受大風的吹蝕，極易侵入鐵路路塹及路堤，同時，位于低洼處的隧道進入口也經常遭受雪害(見圖1）。既有線在該段主要的病害是雪害，尤其是天河梁隧道的進口，位于山谷前緣洼地，洞口極易積雪，形成病害，工務養護量很大，很難，是困擾沿線鐵路運維人員養護工作的頑疾。同時，隧道襯砌背后存在回填不密實或空洞，造成隧道滲水和襯砌裂損，洞口護坡受凍脹及雨水沖刷影響，導致坡面鋪砌開裂或溜塌。

圖1 天河梁越嶺段既有線路病害

5 天河梁段越嶺線路方案研究

5.1 線路總體走向

該段既有線自赤峰市大板鎮經望山、巴彥、白塔、紅衛越天河梁進入錫林郭勒界，然后經呼斯圖、太本廟、哈日根臺達白音華。

既有線在經紅衛后主要以布其溝隧道(475 m）、羊草溝隧道(416 m）、天河梁隧道(5 880 m）越嶺。其中天河梁隧道里程范圍為K275+188.36～K281+069.86，為全線最高點。

5.2 二線方案比較范圍及方案構成

5.2.1 方案比較范圍

既有線布其溝隧道進口至天河梁隧道出口，里程范圍為K271+400～K281+503.05，比較段線路總長約10 km。

5.2.2 方案構成

既有隧道赤峰端進口靠近溝谷，埋深較淺，根據運營實踐，隧道進口雪害嚴重。二線在此段進口條件差，如并行增二線，隧道口即位于溝心，水害雪害處理將非常困難，二線線路方案應避開溝心，本次主要研究了二線位于既有線左側方案與二線位于既有線右側方案(見圖2）。

圖2 線路方案構成

既有線在此段羊草溝隧道、天河梁隧道相連，羊草溝隧道進口至天河梁隧道出口之間的平面線位呈S形，平面條件較差，天河梁隧道為曲線隧道，不利于通風。綜合隧道進口條件以及線路平面條件優化，二線位于既有線右側方案又研究了短隧道方案和長隧道方案。

5.3 二線位于既有線左側方案

結合既有線左側地勢高的特點，二線在隧道出、入口利用曲線換側，新天河梁隧道位于既有隧道左側。該方案隧道長度較短，但增加了兩次換側，施工期間對既有線干擾較大，同時該方案既有線作為重車線，需將既有線50 kg/m鋼軌換成60 kg/m鋼軌，隧道內施工嚴重影響既有線運營，安全風險大，同時由于軌道結構高度不同導致隧道凈空變化，預留電化工程需要特殊設計，電化工程投資增加近一倍，不經濟，不推薦。

5.4 二線位于既有線右側方案

5.4.1 長隧道方案

線路自K271+400并行既有線引出，跨布其溝，以590 m的布其溝隧道和7 870 m天河梁特長隧道下穿山體，出隧道后并行既有線至比較終點，線路總長10.146 km。

5.4.2 短隧道方案

線路自K271+400并行既有線引出向西，跨布其溝，以三個短隧道穿越山體后右折以6 565 m特長隧道下穿天河梁，出隧道后并行既有線至比較終點，線路總長10.382 km。

5.5 方案經濟技術比選

5.5.1 工程經濟比較

天河梁越嶺段方案中，長隧道方案投資約43 678.51萬元，短隧道方案投資約45 121.22萬元，長隧道方案較短隧道方案投資節省1 442.71萬元(見表1）。

表1 天河梁越嶺方案工程經濟比較

5.5.2 地質條件比較

兩方案地層均為石炭系上統砂巖夾板巖，燕山期侵入花崗巖、花崗斑巖、英安質流紋巖，洞口有第四系地層覆蓋，隧道圍巖級別Ⅲ～Ⅴ級。既有天河梁隧道進口段位于山間沖溝內，淺埋段長、巖體較破碎，洞口位置較差，兩隧道方案進口均改至右側山丘處，進口處工程地質條件有所改善。從圍巖對比分析，長隧道方案Ⅴ級圍巖的比例要低于短隧道方案，長隧道方案地質條件好于短隧道方案。

5.5.3 工程技術比較

5.5.3.1 長隧道方案

該方案的優點在于:隧道出入口條件較好，較適應區域高寒、雪大的環境，基本可以避免雪害的發生，運維養護工作量大幅減少；取消了新建天河梁隧道中間的曲線，平面條件得到改善，有利于運營通風；線路長度短，避免了短隧道相連，投資節省；隧道埋深大，工程地質條件相對較好，有利于施工及運營；線路大部分為深埋隧道，有利于古日格斯臺自然保護區的保護。缺點在于隧道較長，初期內燃運營期間通風設施需加強。

5.5.3.2 短隧道方案

該方案的優點在于:天河梁隧道長度較短，內燃運營期間通風相對較好。缺點在于隧道進口雪害嚴重，后期運維工作量大；隧道位于曲線上，雖然長度短但由于曲線影響通風依然不是很好；線路長度增加了236 m，短隧相連，投資增加約1 500萬元；明線多，暗線少，隧道埋深淺，不利于古日格斯臺自然保護區的保護。

5.6 天河梁越嶺方案研究結論

長隧方案線路長度短、工程投資省、工程地質條件好，平面條件優。新天河梁隧道為重車下坡方向，近期通過設置通風設備，可以解決隧道通風問題，遠期實施電化工程，通風更不成問題，另外通過增加隧道斜井可以解決工期問題，因此研究后認為長隧道方案綜合較優。

6 結束語

越嶺段線路選線是山區鐵路勘察設計中的難題，越嶺線路選擇的優劣直接關系到線路的走向、重點工程實施難度、建設工期、工程投資、建設及運營安全等，選線過程中要因地制宜、因線制宜，綜合考慮建設、運營期間的方方面面問題進行系統研究，將減災理念貫穿始終。