十堰至神農(nóng)架至宜昌鐵路線路走向方案研究

董賢凱

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

鐵路線路走向方案研究集總體性、決策性、智慧性、經(jīng)驗性于一體,是一項系統(tǒng)性、綜合性、復(fù)雜性的工作[1]。

關(guān)于鐵路線路走向方案的研究,已有眾多學(xué)者進(jìn)行大量研究,一般的方案比選方法是根據(jù)項目的特點,在對技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的分析基礎(chǔ)上,并結(jié)合路網(wǎng)布局、社會經(jīng)濟(jì)作用、技術(shù)條件,環(huán)境影響等方面進(jìn)行定性的綜合分析,從而推薦經(jīng)濟(jì)合理的最優(yōu)方案。

在復(fù)雜山區(qū)鐵路選線方面,王爭鳴提出應(yīng)貫徹“規(guī)劃選線、重點工程選線、地質(zhì)選線、安全選線”的思路及 “舍小求大”綜合比選分析的原則[6];胡子平提出復(fù)雜巖溶地區(qū)應(yīng)采用“大坡度”的地質(zhì)選線思路[7-8];宋章等在滇藏鐵路三江并流區(qū)工程地質(zhì)減災(zāi)選線研究中,提出“內(nèi)動力地質(zhì)作用的圍巖穩(wěn)定性及減災(zāi)選線、熱液地質(zhì)作用及減災(zāi)選線”的選線原則[9]。

以下基于前人的研究,針對十堰至神農(nóng)架至宜昌鐵路工程風(fēng)險較高的特點,運(yùn)用風(fēng)險評估體系,對典型的地質(zhì)風(fēng)險進(jìn)行評估,并提出防范風(fēng)險的具體措施[10-11]。

1 項目概況

十堰至神農(nóng)架至宜昌鐵路是湖北省旅游交通快速鐵路環(huán)線的重要組成部分,是串聯(lián)湖北省旅游精品線路“一江兩山”旅游景區(qū),并兼顧國土開發(fā)的客貨共線鐵路。

十堰至神農(nóng)架至宜昌鐵路位于鄂西北地區(qū),北起襄渝線白浪站,從白浪站引出后往南經(jīng)房縣、神農(nóng)架林區(qū)、興山、三峽壩區(qū)、引入漢宜鐵路宜昌東站,線路全長256.9km。橋隧比92.8%[12]。

2 區(qū)域自然特征

2.1 地形條件

線路自北向南依次穿越武當(dāng)山、黑山、神農(nóng)架、大老嶺等中山區(qū),峰頂高程為1200～2100m,峰谷相對高差300～1200m,地勢高峻,山巒疊嶂,河谷深切,峽谷縱橫。部分地區(qū)可溶巖大面積出露,呈現(xiàn)溶蝕溝谷、峰丘洼地等巖溶地貌。

2.2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件

(1)地層巖性

沿線各時代地層分布比較齊全,自元古界至第四系地層均有出露,部分地區(qū)可溶巖大面積出露,巖溶強(qiáng)烈發(fā)育地段的隧道工程風(fēng)險較高。

(2)地質(zhì)構(gòu)造

以房縣附近的東西向青峰斷裂為界,線路穿越秦嶺褶皺系和揚(yáng)子準(zhǔn)地臺兩大構(gòu)造單元,褶皺和斷裂發(fā)育,且規(guī)模宏大,構(gòu)造形態(tài)極其復(fù)雜。主要構(gòu)造有武當(dāng)山復(fù)式背斜、五臺山復(fù)式向斜、中嶺沖斷向斜、黎花坪背斜、秭歸向斜、姚家溝向斜、黃陵背斜以及陽日斷裂、新華斷裂等。

(3)水文地質(zhì)

區(qū)域碳酸鹽巖分布區(qū)泉水、暗河較發(fā)育,多屬水量豐富區(qū),尤其是仙女山地區(qū)發(fā)育有多處巖溶暗河及巖溶大泉。義渡-黑山復(fù)式向斜、興山縣東北側(cè)的姚家溝復(fù)式向斜巖溶富水構(gòu)造對線路方案的影響較大。

2.3 環(huán)境敏感區(qū)分布

線路所經(jīng)地區(qū)分布有武當(dāng)山風(fēng)景名勝區(qū)、賽武當(dāng)自然保護(hù)區(qū)、房縣野人谷旅游區(qū)、神農(nóng)架自然保護(hù)區(qū)、宜昌大老嶺自然保護(hù)區(qū)等眾多國家級和省級保護(hù)文物,東線方案、經(jīng)保康、神農(nóng)架方案以隧道穿越了武當(dāng)山風(fēng)景名勝區(qū),其他方案均予以繞避。

3 線路走向方案研究

3.1 方案構(gòu)成

十堰至神農(nóng)架至宜昌鐵路總體呈南北走向,十堰至宜昌航空距離223km,航空線以東分布有保康和遠(yuǎn)安兩個縣域經(jīng)濟(jì)據(jù)點;航空線以西分布有房縣、神農(nóng)架林區(qū)、興山等市縣域經(jīng)濟(jì)據(jù)點。域內(nèi)有著名的道教圣地武當(dāng)山、神農(nóng)架原始森林,長江三峽之西陵峽等。根據(jù)線路走向方案研究理論[13],結(jié)合區(qū)域經(jīng)濟(jì)據(jù)點分布、旅游資源、地形、地質(zhì)、水文等自然條件、礦區(qū)和采空區(qū)、環(huán)境敏感區(qū)分布等影響線路走向方案的關(guān)鍵因素,研究了東線方案(方案一),中線方案(方案二)、西線方案(方案三)以及經(jīng)房縣、保康方案(方案四)和經(jīng)保康、神農(nóng)架方案(方案五),見圖1。

圖1 十堰至神農(nóng)架至宜昌鐵路線路走向方案示意

3.2 定性指標(biāo)分析

(1)經(jīng)濟(jì)據(jù)點分析

吸引范圍內(nèi)各區(qū)縣人口及經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平統(tǒng)計見表1。

表1 2019年度吸引范圍內(nèi)各區(qū)縣人口及經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平統(tǒng)計

從表1可以看出,東線方案所經(jīng)的保康縣2019年總?cè)丝?5萬,GDP總額126.9億元,4A級景區(qū)2個,接待游客259.5萬;中線方案所經(jīng)的房縣、興山2019年總?cè)丝?5.0萬,GDP總額250.2億元,4A級景區(qū)4個,接待游客1132萬;西線方案所經(jīng)的房縣、神農(nóng)架、興山2019年總?cè)丝?3.8萬,GDP總額283.1億元,4A級景區(qū)13個,5A級景區(qū)1個,接待游客2960.5萬;經(jīng)房縣、保康方案所經(jīng)的房縣、保康2019年總?cè)丝?3.8萬,GDP總額246.5億元,4A級景區(qū)5個,接待游客952.5萬;經(jīng)保康、神農(nóng)架方案所經(jīng)的保康、神農(nóng)架、興山2019年總?cè)丝?0萬,GDP總額290.4億元,4A級景區(qū)12個,接待游客2528萬。

經(jīng)分析,西線方案和經(jīng)保康、神農(nóng)架方案人口、經(jīng)濟(jì)水平、旅游景區(qū)數(shù)量、接待游客數(shù)量優(yōu)勢較為明顯,吸引客貨流能力較強(qiáng)。

(2)對環(huán)境敏感區(qū)的影響分析

各方案對主要環(huán)境敏感區(qū)均予以繞避,對于無法繞避的段落,均繞避其核心區(qū)域,且多以隧道、橋梁的形式穿越,并得到了當(dāng)?shù)刂鞴懿块T的認(rèn)可。

東線方案并行襄渝線穿過國家級武當(dāng)山風(fēng)景區(qū)以及宜昌市水源保護(hù)區(qū)的二級保護(hù)區(qū);經(jīng)保康、神農(nóng)架方案亦并行襄渝線穿過國家級武當(dāng)山風(fēng)景區(qū),環(huán)境影響程度相對較大。

經(jīng)房縣、保康方案穿過了宜昌市水源保護(hù)區(qū)的二級保護(hù)區(qū),采取措施后環(huán)境風(fēng)險較小。

中線方案、西線方案、經(jīng)保康、神農(nóng)架方案均穿越宜昌大老嶺省級自然保護(hù)區(qū),穿越段線路長約7km,其中隧道段長約6.8km,橋梁段長約0.2km。

(3)工程地質(zhì)條件對比分析

對線路方案影響較大的主要工程地質(zhì)問題為巖溶、巖溶水和富水構(gòu)造問題,其次是高地應(yīng)力、煤層瓦斯、構(gòu)造破碎帶以及廣泛存在的崩塌落石、滑坡、巖堆等不良地質(zhì)。其中高地應(yīng)力、崩塌落石、滑坡、巖堆等不良地質(zhì)各方案相差不大,可溶巖地段長度相差較大。各方案可溶巖地段分布長度見表2。

表2 各方案可溶巖地段分布

由表2可知,方案一通過可溶巖地段最短,工程地質(zhì)條件相對較好,方案四次之,方案二最差。

3.3 定量指標(biāo)分析

(1)線路長度、工程投資分析

東線方案線路長251.5km,投資227億;中線方案線路長257.7km,投資234億;西線方案線路長256.95km ,投資232.4億;經(jīng)房縣、保康方案線路長266.7km,投資249億;經(jīng)保康、神農(nóng)架方案線路長288km,投資263億。

經(jīng)分析,東線方案線路長度最短,投資最省,西線方案次之,經(jīng)保康、神農(nóng)架方案最差。

(2)決策矩陣分析

為直觀的判斷各方案的優(yōu)劣,引入決策矩陣方法進(jìn)行分析[14]。

①決策矩陣的建立

根據(jù)影響線路走向方案的主要因素和研究的線路走向備選方案,建立相關(guān)決策矩陣模型。

表3 決策矩陣模型

②分值確定

對每一項影響線路走向方案的主要因素進(jìn)行打分。每項分值為1至5分,1為最低分,5為最高分。

經(jīng)濟(jì)據(jù)點:根據(jù)各方案吸引范圍的經(jīng)濟(jì)分析,方案一分值為1分,方案二分值為3分;方案三分值為5分、方案四分值為2分,方案五分值為4分。

環(huán)境影響:根據(jù)各方案環(huán)境影響程度的分析,方案二、三、四的環(huán)境影響程度較小,分值為3分,方案一、方案五的環(huán)境影響較大,分值為2分

工程地質(zhì):根據(jù)各方案的工程地質(zhì)條件的分析,方案一分值為5分,方案二、方案三基本相當(dāng),分值為2分,方案四分值為3分,方案五分值為4分。

工程投資:方案一線路長度最短,投資最少,分值為5分,方案二、三次之,分值為4分,方案四、五線路展長較多,投資較高,分值為1分。

③權(quán)重設(shè)置

影響線路走向方案的每一項因素并不是同等重要的。因此,應(yīng)對每一項影響因素設(shè)定相應(yīng)的權(quán)重。

根據(jù)本線旅游線路的功能定位,線路走向應(yīng)盡可能串聯(lián)湖北省“一江兩山” 旅游景區(qū),是本線重點考慮的關(guān)鍵因素,其權(quán)重設(shè)置為5;本線地質(zhì)條件極為復(fù)雜,尤其是巖溶地質(zhì)具有風(fēng)險重大性,其工程地質(zhì)的權(quán)重設(shè)置為4;環(huán)境影響也較為重要,權(quán)重設(shè)置為3;線路長度、工程投資的重要性在本項目中有所減弱,權(quán)重設(shè)置為2。決策矩陣分值、權(quán)重見表4。

表4 決策矩陣分值、權(quán)重

④決策矩陣分?jǐn)?shù)計算

用分?jǐn)?shù)乘以權(quán)重,得出每一個方案在不同因素下的權(quán)重分?jǐn)?shù),最后得出總分,結(jié)果見表5。

表5 決策矩陣分?jǐn)?shù)計算

⑤決策矩陣分析結(jié)果

通過決策矩陣分?jǐn)?shù)計算可見,分?jǐn)?shù)最高的為方案三,其次為方案五,其結(jié)果與定性分析相吻合,即經(jīng)由神農(nóng)架的線路走向方案較優(yōu)。

3.4 方案比選結(jié)論

通過對擬定的線路走向方案的定性分析和工程投資、決策矩陣定量相結(jié)合的綜合分析,西線方案(方案三)經(jīng)由沿線主要經(jīng)濟(jì)據(jù)點,并串聯(lián)起湖北省旅游精品線路“一江兩山”旅游景區(qū),能充分吸引沿線客貨流及旅游客流,有利于推動鄂西生態(tài)文化旅游圈等旅游業(yè)快速發(fā)展,有利于促進(jìn)鄂西北貧困地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展及礦產(chǎn)資源的開發(fā),而且可及時解決三峽大壩北岸的翻壩運(yùn)輸問題,工程投資適中,故推薦西線方案(方案三)。鑒于推薦方案的地形、地質(zhì)條件相對復(fù)雜,工程相對艱巨,有必要對其工程風(fēng)險進(jìn)行評估,并加以防范。

4 工程風(fēng)險防范

4.1 工程風(fēng)險對比分析

宜萬鐵路通過可溶巖地段與本線通過可溶巖地段的對比見表6。

表6 宜萬鐵路與本線通過可溶巖地段對比表

與建成的宜萬鐵路相比,本線通過可溶巖地段的累計長度97km,約占全線長度的38%,明顯低于宜萬鐵路通過可溶巖的長度(265km)和比例(約70.3%)。

不難看出,本線巖溶發(fā)育程度總體稍弱,地質(zhì)條件總體相對較,其風(fēng)險程度也相對有所降低。

4.2 工程風(fēng)險評估

(1)風(fēng)險辨識

按照可研階段的風(fēng)險管理內(nèi)容[15-16],本線主要典型風(fēng)險因素為地質(zhì)風(fēng)險,包括軟巖大變形、突水突泥、巖爆、危巖落石、滑坡等風(fēng)險。

(2)風(fēng)險評價與分析

根據(jù)風(fēng)險辨識和風(fēng)險估計,工程風(fēng)險評價見表7。

表7 工程風(fēng)險評價

由表7可以看出,本線地質(zhì)風(fēng)險等級為極高:①巖溶、巖溶水發(fā)育區(qū)發(fā)生的突水突泥風(fēng)險,典型隧道如陽日隧道、神農(nóng)架隧道、仙女山隧道、兆吉坪隧道等;②深埋隧道高地應(yīng)力發(fā)生的巖爆風(fēng)險,典型隧道如陽日隧道、神農(nóng)架隧道、仙女山隧道、大老嶺隧道、兆吉坪隧道等;③大型富水?dāng)鄬右桩a(chǎn)生突水、突泥、支護(hù)變形、坍塌、沉降等危害,典型隧道如陽日隧道、神農(nóng)架隧道、仙女山隧道等。上述極高風(fēng)險地段易造成人員傷亡、穩(wěn)定影響、環(huán)境影響、工期延誤、功能缺失和經(jīng)濟(jì)損失等重大風(fēng)險事件,必項高度重視并規(guī)避,否則必須采用有效措施處理,應(yīng)充分吸取宜萬鐵路、蘭渝鐵路、在建鄭萬鐵路等眾多巖溶隧道施工的相關(guān)經(jīng)驗。

本線地質(zhì)風(fēng)險等級為高的有高地應(yīng)力引起的軟巖大變形、危巖落石、滑坡等風(fēng)險,應(yīng)重視并采取有效措施處理,加強(qiáng)風(fēng)險監(jiān)測。

4.3 風(fēng)險防范的對策及措施

(1)風(fēng)險防范原則

對極高風(fēng)險進(jìn)行規(guī)避;對高度風(fēng)險盡量規(guī)避,不能規(guī)避的,必須采取風(fēng)險處理措施降低風(fēng)險,且滿足降低風(fēng)險的成本不高于風(fēng)險發(fā)生后的損失。

(2)風(fēng)險防范措施

①深化地質(zhì)選線

選擇合理的線位減少通過可溶巖地段的長度:線路選擇東移以隧道形式通過大老嶺自然保護(hù)區(qū),減少西側(cè)屈原廟一帶穿越可溶巖長度約19km,取消了刀嶺頭隧道(長12767m)、獅子山隧道(長7496m)兩座長大巖溶隧道。

選擇合理線位繞避巖溶及巖溶水強(qiáng)烈發(fā)育區(qū):線路通過神農(nóng)架林區(qū)巖溶弱發(fā)育地段,繞避姚家溝巖溶富水向斜,減少巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)段長度約22km。

選擇合理線位繞避大型滑坡、崩塌等不良地質(zhì)體:線路繞避東蒿坪滑坡(位于神家架林區(qū)松柏鎮(zhèn),滑坡規(guī)模巨大)、劉家灣滑坡(位于興山縣古夫鎮(zhèn)北斗坪村劉家灣,滑坡面積和體積均較大)、高白崖危巖體(位于神家架林區(qū)新華鎮(zhèn),危巖體積較大)等大型不良地質(zhì)體。

選擇合理線位繞避區(qū)域構(gòu)造:新華斷裂兩側(cè)巖層擠壓強(qiáng)烈,往往形成幾十米寬的壓碎巖帶,線路選擇西移繞避。

②加深地質(zhì)工作

本線地形、地質(zhì)條件極其復(fù)雜,線路存在多種方案可能,地質(zhì)條件很大程度上控制著線路方案。只有開展加深地質(zhì)工作,查明線路方案可能涉及的大范圍地質(zhì)背景,查清控制線路方案選擇的重大地質(zhì)問題,才能優(yōu)選線路方案,保證選線質(zhì)量。

房縣-香溪河段穿越神農(nóng)架山脈,可溶巖分布范圍廣,重大工程地質(zhì)問題突出且工程艱巨,線路方案存在較大的不確定性。經(jīng)研究,選擇該段開展加深地質(zhì)工作,以選擇合理的線位方案,繞避重大不良地質(zhì)分布區(qū)段,規(guī)避或降低工程風(fēng)險。

③開展專項地質(zhì)工作

沿線長大深埋隧道工程地質(zhì)問題復(fù)雜且突出,需采用超常規(guī)的勘察手段,如勘探深度達(dá)千米以上的大地音頻電磁法、深孔及孔內(nèi)測井、地應(yīng)力測試、瓦斯測試、水文地質(zhì)試驗、長期水文地質(zhì)觀測等,以查明長大深埋隧道的巖溶、巖溶水、高地應(yīng)力、深部的構(gòu)造破碎帶等問題,為設(shè)計和施工提供較為充分的基礎(chǔ)資料,降低或避免施工風(fēng)險。

④加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報

針對風(fēng)險隧道應(yīng)加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報工作,將TSP、HSP、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探水、超前探孔、洞周的釬探及鉆探等納入施工工序,探明掌子面前方及洞周可能存在的突水突泥、溶腔空洞等,以降低施工及運(yùn)營風(fēng)險。

4.4 小結(jié)

十堰至神農(nóng)架至宜昌鐵路主要工程風(fēng)險是地質(zhì)風(fēng)險,風(fēng)險程度為高度-極高,采取對策及措施后為低-中度,工程風(fēng)險較宜萬線有所降低。

建設(shè)風(fēng)險包括施工安全、投資和工期,風(fēng)險程度為中-高度,采取對策及措施后為低-中度,建設(shè)風(fēng)險與宜萬線基本相當(dāng)。

5 結(jié)論

通過對影響十堰至神農(nóng)架至宜昌鐵路線路走向方案的區(qū)域經(jīng)濟(jì)據(jù)點分布、旅游資源、礦產(chǎn)資源、地質(zhì)條件、環(huán)境敏感區(qū)等主要因素的定性指標(biāo)分析,并結(jié)合線路長度、工程投資等定量指標(biāo),推薦經(jīng)由了沿線主要經(jīng)濟(jì)據(jù)點,并串聯(lián)起湖北省旅游精品線路“一江兩山”旅游景區(qū),能充分吸引沿線客貨流及旅游客流,有利于推動鄂西生態(tài)文化旅游圈等旅游業(yè)快速發(fā)展,,且工程投資適中的西線方案為本線的線路走向方案。另外,引入決策矩陣定量分析工具,可較為直觀的判斷各方案的優(yōu)劣,為方案決策提供一定的依據(jù)。