沿江高鐵宜昌至涪陵段規(guī)劃選線設(shè)計(jì)研究

杜建軍

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

沿江高鐵的建設(shè)是落實(shí)“一帶一路”倡議、長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展、新時(shí)代西部大開發(fā)、成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈等多重國(guó)家戰(zhàn)略的重大支撐性項(xiàng)目。其中，宜昌至涪陵段位于武陵山區(qū)腹地、云貴高原東北緣，山高壁陡、河谷深切，工程地質(zhì)特征具有“四多、四風(fēng)險(xiǎn)”的特點(diǎn)。“四多”即碳酸鹽巖多、重力不良地質(zhì)多、煤礦采空區(qū)多、緩傾“紅層”軟巖多；“四風(fēng)險(xiǎn)”即巖溶水風(fēng)險(xiǎn)、危巖落石和崩塌風(fēng)險(xiǎn)、煤層瓦斯和天然氣風(fēng)險(xiǎn)、緩傾“紅層”基底上拱風(fēng)險(xiǎn)。為典型的艱險(xiǎn)困難山區(qū)高速鐵路。

1 項(xiàng)目自然特征

1.1 地形地貌

本項(xiàng)目位于川東平行嶺谷區(qū)和鄂西南山區(qū)，行走于我國(guó)第二、第三級(jí)地形階梯。湖北段位于云貴喀斯特高原之東北緣，總體上呈自西向東階梯狀傾斜的斜坡地貌，斜坡陡峻，河流切割深度大，相對(duì)高差200～800 m。重慶段位于云貴高原東北麓向四川盆地東緣過渡地帶平行嶺谷區(qū)，地形受地質(zhì)構(gòu)造控制，背斜成條狀中低山，向斜成寬緩低山丘陵谷地，山脊與構(gòu)造線一致，呈北東向展布，相對(duì)高差20～500 m[1]。

1.2 不良地質(zhì)條件

復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造和地形地貌條件決定了宜昌至涪陵鐵路工程沿線不良地質(zhì)問題種類繁多，主要的不良地質(zhì)有巖溶及巖溶水、危巖落石、滑坡、錯(cuò)落、巖堆、崩塌、泥石流、順層、采空區(qū)、有害氣體(天然氣、煤層瓦斯)等，特殊巖土有膨脹(巖)土、軟土及松軟土、鹽溶角礫巖等。控制工程的最主要地質(zhì)問題為巖溶及巖溶水[2]。

1.2.1 巖溶及巖溶水

研究區(qū)可溶巖發(fā)育，主要集中在方斗山和鄂西山區(qū)，可溶巖長(zhǎng)度約為230.8 km，占線路總長(zhǎng)的50.9%。湖北境內(nèi)可溶巖占比達(dá)69.58%，對(duì)線路安全及選線設(shè)計(jì)影響最大。

1.2.2 重力不良地質(zhì)

研究區(qū)內(nèi)地形切割強(qiáng)烈，加之地層古老，受多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，巖體破碎，節(jié)理發(fā)育，密布有大小不一的危巖落石、崩塌、滑坡、錯(cuò)落、巖堆、泥石流等重力不良地質(zhì)。

1.2.3 采空區(qū)

研究區(qū)礦產(chǎn)較豐富，以煤礦為最，石煤、釩礦、錳礦次之。川東地區(qū)隔擋式背斜核部、兩翼及鄂西的三疊系須家河組、二疊系龍?zhí)督M為主要優(yōu)質(zhì)含煤地層，分布大量密集采空區(qū)，局部地區(qū)分布較多石煤、釩礦、錳礦。采空區(qū)對(duì)線路選擇制約性較大。

1.2.4 特殊地質(zhì)條件

研究區(qū)可溶巖地段坡洪積、坡殘積層多具膨脹性，地勢(shì)低洼地段不同程度地分布有軟土、松軟土，三疊系下統(tǒng)嘉陵江組地層夾鹽溶角礫巖，巖體質(zhì)軟、破碎，地下水常具強(qiáng)腐蝕性。

1.3 沿線水系及水電樞紐

區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)江流域，主要有長(zhǎng)江及其支流清江、龍河、烏江等，水電樞紐有三峽水電站、葛洲壩水利樞紐及支流上的水力發(fā)電站等，裝機(jī)總量約達(dá)82億kW。

1.4 環(huán)境敏感區(qū)

線路所經(jīng)區(qū)域自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)、飲用水源保護(hù)區(qū)等眾多，分布有各級(jí)自然保護(hù)區(qū)88處、各級(jí)風(fēng)景名勝區(qū)18處、各級(jí)地質(zhì)公園8處、各級(jí)濕地公園15處、各級(jí)森林公園54處，水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū) 4處，水源保護(hù)區(qū)(含鄉(xiāng)鎮(zhèn)水源)196處。

2 規(guī)劃選線決策因素

高速鐵路規(guī)劃選線需考慮的因素繁多，如線路的政治、經(jīng)濟(jì)、國(guó)防意義及在路網(wǎng)中的作用，運(yùn)輸需求，所采用的鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及與相鄰線路標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)，行經(jīng)地區(qū)的地形、地質(zhì)條件，環(huán)境敏感區(qū)，沿線城鎮(zhèn)、交通、通信和電力、水利建設(shè)、軍事區(qū)等的分布及規(guī)劃協(xié)調(diào)等[3-5]。

3 規(guī)劃選線設(shè)計(jì)原則

規(guī)劃選線應(yīng)堅(jiān)持地形地質(zhì)選線、減災(zāi)選線、重大工程優(yōu)選選址、環(huán)境選線、與既有構(gòu)筑物協(xié)調(diào)的安全選線、工程選線等理念，應(yīng)用全壽命周期、風(fēng)險(xiǎn)管理和系統(tǒng)工程的原理，通過識(shí)別、評(píng)估地質(zhì)災(zāi)害及其風(fēng)險(xiǎn)，從工程設(shè)計(jì)源頭做好地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的規(guī)避、防控、監(jiān)測(cè)工作，以保證鐵路的設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)安全，最終選擇出全壽命周期風(fēng)險(xiǎn)可控、系統(tǒng)最優(yōu)的線路方案。

4 典型案例

規(guī)劃選線設(shè)計(jì)的方案取舍，除受多種自然條件因素影響外，還受路網(wǎng)適應(yīng)及匹配性、重點(diǎn)工程選址、重大風(fēng)險(xiǎn)防控措施等影響，需要權(quán)衡利弊，避重就輕，進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，優(yōu)選出安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的線路方案。在沿江高鐵宜昌至涪陵段規(guī)劃選線設(shè)計(jì)中，依據(jù)上述原則，針對(duì)不同的影響因素，進(jìn)行了大量的方案比選。

4.1 宜昌至恩施(利川)段線路走向方案研究

結(jié)合區(qū)域路網(wǎng)、經(jīng)濟(jì)據(jù)點(diǎn)分布、地形地質(zhì)條件、環(huán)境敏感區(qū)、長(zhǎng)江橋位等因素，研究了經(jīng)巴東、經(jīng)秭歸、沿既有線、經(jīng)長(zhǎng)陽(yáng)沿清江北岸、經(jīng)五峰沿清江南岸、經(jīng)五峰取直和經(jīng)鶴峰7個(gè)方案，如圖1所示。其中，經(jīng)巴東方案臨近在建宜昌至鄭萬高速鐵路聯(lián)絡(luò)線，路網(wǎng)布局不合理，且巴東至建始巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，風(fēng)險(xiǎn)極高；經(jīng)秭歸方案的秭歸至野三關(guān)段地質(zhì)條件差，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，隧道埋深大，無輔助坑道條件，巖溶水及工期風(fēng)險(xiǎn)大；經(jīng)鶴峰方案線路繞長(zhǎng)，不利于構(gòu)建高質(zhì)量的沿江高速鐵路通道；經(jīng)五峰取直方案線路走行于武陵山區(qū)腹地，隧道規(guī)模大，巖溶水風(fēng)險(xiǎn)高。研究決定對(duì)以上4個(gè)方案予以放棄，重點(diǎn)比選經(jīng)五峰沿清江南岸、經(jīng)長(zhǎng)陽(yáng)沿清江北岸和沿既有線3個(gè)方案。

圖1 宜昌至利川段線路方案示意圖

4.1.1 方案說明

(1)經(jīng)五峰沿清江南岸方案

線路自宜昌北站引出，經(jīng)長(zhǎng)陽(yáng)、五峰、景陽(yáng)、恩施北至利川，線路全長(zhǎng)281.0 km。

(2)經(jīng)長(zhǎng)陽(yáng)沿清江北岸方案

線路自宜昌北站引出，至長(zhǎng)陽(yáng)后沿清江北岸走行，依次經(jīng)過資丘、景陽(yáng)、恩施北至利川，線路全長(zhǎng)261.83 km。

(3)沿既有線方案

線路自宜昌北站引出，沿既有宜萬鐵路經(jīng)賀家坪、野三關(guān)、建始、恩施北至利川，線路全長(zhǎng)263.74 km。鑒于宜萬鐵路突水、突泥致使施工期重大事故及運(yùn)營(yíng)期中斷行車的教訓(xùn)，對(duì)既有線的野三關(guān)、大支坪隧道方案做了詳細(xì)研究，最終選取盡量靠近既有線降落漏斗、標(biāo)高高于既有線的方案。沿既有線水文地質(zhì)斷面示意如圖2所示。

4.1.2 工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比選

主要工程數(shù)量及投資比較如表1所示。

表1 主要工程數(shù)量及投資比較表

(1)線路長(zhǎng)度及投資分析

經(jīng)五峰沿清江南岸方案較經(jīng)長(zhǎng)陽(yáng)沿清江北岸、沿既有線方案線路長(zhǎng)度分別為19.18 km、17.26 km，投資分別多34.509億元、33.708億元。經(jīng)五峰沿清江南岸方案雖有所繞長(zhǎng)，但線路經(jīng)過的五峰、長(zhǎng)陽(yáng)兩縣均為呼南通道原規(guī)劃經(jīng)過的主要經(jīng)濟(jì)據(jù)點(diǎn)，客觀上為呼南通道的路網(wǎng)布局優(yōu)化創(chuàng)造了條件。

呼南通道優(yōu)化前經(jīng)宜昌，線路自襄陽(yáng)起，經(jīng)由荊門、宜昌、長(zhǎng)陽(yáng)、五峰、石門、臨澧等9個(gè)縣市，全長(zhǎng)413.512 km。在此情況下，湖北省擬修建荊門至荊州城際鐵路，兩條鐵路新建總長(zhǎng)485.112 km，投資868.350億元。

呼南通道優(yōu)化后經(jīng)荊州，線路自襄陽(yáng)起，經(jīng)由荊門、荊州、宜城、津市、臨澧等7個(gè)縣市，全長(zhǎng)351.810 km。在此情況下，荊門至荊州城際鐵路功能可由沿江高鐵通道代替，新建總長(zhǎng)351.810 km，投資598.077億元。優(yōu)化后線路長(zhǎng)度減少133.302 km，投資節(jié)省270.273億元。呼南通道優(yōu)化前后綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較如表2所示。

表2 呼南通道優(yōu)化前后綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表

呼南通道優(yōu)化后，原呼南通道所經(jīng)行的五峰土家族自治縣、長(zhǎng)陽(yáng)土家族自治縣可由沿江通道覆蓋，綜合分析，繞長(zhǎng)約19.2 km經(jīng)五峰沿清江南岸方案在路網(wǎng)布局上更具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

在哲學(xué)常識(shí)課的教學(xué)過程中，如何做到哲理教育與情趣教育的有機(jī)結(jié)合呢?在教學(xué)實(shí)踐中，我主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了嘗試，收到了較好的教育、教學(xué)效果。

(2)從工程地質(zhì)條件分析

經(jīng)五峰沿清江南岸方案可溶巖段落長(zhǎng)度127.6 km，線路主要敷設(shè)與垂直循環(huán)帶內(nèi)，巖溶水風(fēng)險(xiǎn)小。

經(jīng)長(zhǎng)陽(yáng)沿清江北岸方案可溶巖段落長(zhǎng)141.6 km，線路主要敷設(shè)與垂直循環(huán)帶內(nèi)，整體巖溶水風(fēng)險(xiǎn)小。但資丘隧道長(zhǎng)18.3 km，穿越“酒杯”型含水構(gòu)造，核部為三疊系灰?guī)r，為主要的集水層，其下的隔水層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)?吳家坪含煤地層，厚104 m，受斷層和向斜構(gòu)造影響，隔水層易失去隔水效果，隧道施工過程中可能襲奪上層巖溶含水層，巖溶水風(fēng)險(xiǎn)較高。資丘隧道水文地質(zhì)斷面如圖3所示。

圖3 資丘隧道水文地質(zhì)斷面圖

沿既有線方案可溶巖段落長(zhǎng)131.24 km，越嶺段線路靠近分水嶺，遠(yuǎn)離清江及長(zhǎng)江，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，地下水位高，隧道主要走行于水平循環(huán)帶內(nèi)，巖溶水風(fēng)險(xiǎn)極大。

綜上所述，經(jīng)五峰沿清江南岸方案工程地質(zhì)條件最好，其次為經(jīng)長(zhǎng)陽(yáng)沿清江北岸方案，沿既有線方案最差。

(3)從經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的帶動(dòng)作用分析

經(jīng)五峰沿清江南岸方案和經(jīng)長(zhǎng)陽(yáng)沿清江北岸方案開辟了新徑路，路網(wǎng)布局更為合理；經(jīng)五峰沿清江南岸方案在沿線覆蓋人口總量、GDP總量、旅游資源方面均高于另外兩方案，更有利于帶動(dòng)旅游資源開發(fā)和沿線經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

(4)從重點(diǎn)隧道工程條件及風(fēng)險(xiǎn)分析

各方案重點(diǎn)工程概況如表3所示。從表3可以看出，經(jīng)五峰沿清江南岸方案的工程風(fēng)險(xiǎn)最小。

綜上所述，經(jīng)五峰沿清江南岸方案雖線路較長(zhǎng)，工程投資較多，但可為呼南通道優(yōu)化調(diào)整創(chuàng)造條件，綜合經(jīng)濟(jì)效益最佳，且工程地質(zhì)條件最好，工期最短，服務(wù)范圍更廣，能更多地帶動(dòng)沿線旅游資源開發(fā)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，助力脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)略，更加有利于生態(tài)環(huán)境保護(hù)，故推薦采用經(jīng)五峰沿清江南岸方案。

表3 各方案重點(diǎn)工程概況表

4.2 涪陵長(zhǎng)江橋位方案

結(jié)合沿線地質(zhì)地形條件、跨越長(zhǎng)江橋位等因素研究了永柱橋位、新韓家沱橋位、清溪橋位3個(gè)方案。方案示意如圖4所示。

圖4 跨越長(zhǎng)江橋位方案示意圖

(1)從線路技術(shù)條件分析

永柱橋位方案引入涪陵北站不限速；新韓家沱橋位方案受地形條件及既有鐵路影響，有2個(gè)半徑 4 500 m曲線，需限速；清溪橋位方案引入涪陵北站不限速，但跨江后連續(xù)采用2個(gè)半徑 6 000 m曲線，線形條件較差。因此，永柱橋位方案線路技術(shù)條件最好。

(2)從長(zhǎng)江橋位比較分析

永柱橋位河段順直，常水位江面寬約440 m，主跨采用450 m斜拉橋，主橋總長(zhǎng)786 m；新韓家沱橋位靠近既有渝利鐵路韓家沱長(zhǎng)江大橋布置，河道微彎，常水位水面寬度420 m，主跨采用450 m斜拉橋，主橋總長(zhǎng)830 m；清溪橋位河道微彎，常水位水面寬度550 m，主跨采用550 m斜拉橋，主橋總長(zhǎng) 1 110 m。因此，永柱橋位最好。

綜上所述，永柱橋位方案線路技術(shù)條件好，跨越長(zhǎng)江橋位好，橋梁工程規(guī)模小，投資適中，故推薦采用永柱橋位方案。

4.3 恩施至利川巖溶風(fēng)險(xiǎn)防控方案研究

既有鐵路宜萬線在施工及運(yùn)營(yíng)期間出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的巖溶突水突泥事故，沿江高鐵宜昌至涪陵段與其在同一廊道內(nèi)，因此在規(guī)劃選線設(shè)計(jì)時(shí)，采用“先繞避、短通過、抬高程、傍河邊、靠既隧、順坡排、淺覆蓋、防崩滑” 巖溶區(qū)選線二十四字原則對(duì)巖溶風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了重點(diǎn)防控。

恩施至利川段巖溶洼地、落水洞、漏斗廣為分布，宜萬鐵路馬鹿箐隧道施工及運(yùn)營(yíng)期間多次發(fā)生特大突水災(zāi)害，造成巨大損失。鑒于此，該段線路方案根據(jù)巖溶區(qū)風(fēng)險(xiǎn)防控選線原則，結(jié)合地形地質(zhì)條件，重點(diǎn)比選了靠清江、長(zhǎng)隧取直和沿既有線3個(gè)方案，如圖5、隧道水文地質(zhì)示意如圖6所示。

圖5 恩施至利川段線路方案示意圖

圖6 恩施至利川段隧道水文地質(zhì)示意圖

經(jīng)研究，沿既有線方案雖可利用既有隧道的降落漏斗，符合“靠既遂”原則，但線路仍位于巖溶水水平循環(huán)帶、暗河下方，突水突泥風(fēng)險(xiǎn)大，且施工期間對(duì)既有線影響大，因此推薦采用“傍河邊”的靠清江方案。

5 結(jié)束語(yǔ)

艱險(xiǎn)困難山區(qū)高速鐵路規(guī)劃選線設(shè)計(jì)的方案取舍除受自然特征影響外，還受路網(wǎng)適應(yīng)及匹配性、重點(diǎn)工程選址、重大風(fēng)險(xiǎn)防控措施等影響，需權(quán)衡利弊，進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，優(yōu)選出安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的線路方案。