京張高鐵線路走向方案研究

謝翠明

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

引言

鐵路選線是一項涉及面廣、技術性強、關系全局的綜合性工作[1]。在鐵路選線中,需結合多個控制因素進行技術經濟綜合比選,合理確定線路走向。已有學者進行相關研究,杜建軍結合路網適應性和匹配性、運輸需求、地形地質條件、環境敏感區、重點工程選址、重大風險防控等因素,對沿江高鐵宜昌至涪陵段規劃選線進行研究[2];朱濤從與城市規劃銜接、經濟據點及吸引客流、占用礦產資源、環境敏感點、水利設施、線路長度以及工程投資等方面,對鄭州至濟南高速鐵路3個走向方案進行經濟技術綜合比選[3];張翔等從工程地質、環境敏感區影響、工程投資、工程實施難易程度及工程可實施性5個方面出發,對渝昆高速鐵路會澤至蒲草塘段線路走向進行研究[4];梁棟在中尼過境通道方案研究中以“規劃選線、環保選線、地質選線、減災選線”為主線,經多因素綜合比選分析,推薦吉隆口岸通道作為中尼鐵路跨境通道[5];陳學賢從路網覆蓋、巖溶地質、工程設置、環境敏感區影響、運營、工程投資等方面對渝宜高速鐵路宜昌—恩施段線路走向進行研究,推薦經建始北方案為貫通方案[6];任志偉結合渝昆高鐵高縣至昭通段線路工程設計實例,從設計方案比選和長大坡道設計問題2個方面開展研究[7];楊暉結合沿線區域經濟發展、交通需求、工程地質、生態保護及路網條件、工程投資等因素,綜合應用環保選線、地質選線、工程選線等方法對蘭渝高鐵線路走向方案進行綜合比選分析[8]。

以上研究多結合項目線路走向的特點及影響因素進行綜合比選,有的強調路網匹配性和客流吸引,有的突出工程地質選線、環保選線和工程選線,有的結合沿線經濟據點分布及總體規劃,有的重大風險防控、減災防災,各有特色。但在人文選線、站城融合選線方面尚有所欠缺。以京張高鐵昌平至沙城段、沙城至張家口段、北京城區段為例,對京張高鐵在線路走向選擇進行深入研究。

1 項目概述

1.1 項目功能定位

京張高鐵是國家“八橫八縱”高速鐵路之京蘭通道的重要組成部分[9],是2022年北京冬奧會的交通保障線,是促進京津冀地區一體化協同發展的經濟服務線[10]。

1.2 項目地理位置與徑路

京張高鐵起自北京北站,途經北京市海淀區、昌平區、延慶區,河北省張家口市懷來縣、下花園區、宣化區,終至張家口站,線路全長174 km,橋隧比66%,設車站10座。

1.3 項目特點

(1)集多功能定位于一身,承擔重要歷史使命。京張高鐵是京蘭通道的重要組成部分,是北京申辦2022年冬奧會的一項重要交通配套設施,是京津冀一體化的一條重要交通動脈,是集冬奧會交通保障線、經濟服務線、歷史文化線、創新示范線、政治使命線等多功能于一身的標桿工程。

(2)沿線外部環境復雜,技術難度大。京張高鐵在北京段需穿越繁華建成區,建構筑物密集,地下管網密布,翻越八達嶺中低山區,山勢險峻、地質條件復雜,河北段途經低山丘陵區,溝谷縱橫,盆地區路網交織、河流密布,礦區采空區分布廣泛,要求采取特殊處理的工點多,技術難度大。

(3)沿線環境敏感點分布多,環保要求高。線路沿線分布有多處風景名勝區、自然保護區、飲用水源保護地和文物保護等環境敏感區,環保要求高。如在北京市五環內途經包括眾多高等學府及高檔居民小區等幾十處聲環境敏感點,在八達嶺越嶺段穿越八達嶺風景名勝區,在懷來穿越官廳水庫國家一級水源保護區等。

(4)首條智能鐵路,技術創新程度高。在京張高鐵設計過程中,國鐵集團即提出打造智能高鐵的總體要求,所謂智能高鐵是指廣泛應用新一代信息技術,實現全生命周期一體化管理的新一代高速鐵路系統[11]。

(5)沿線文化底蘊深厚,肩負文化傳承責任大。京張高鐵起于北京北站,止于張家口站,與百年老京張鐵路在同一個起點、同一個終點、同一條路徑相伴而行,尤其是在北京市城區段,對老京張鐵路進行提速改造,賦予老京張鐵路新的生命。京張高鐵是弘揚老京張鐵路文化的載體,同時也是展現中國歷史文化的窗口,肩負巨大的文化傳承責任。

1.4 影響線路走向的主要因素

(1)經濟據點和城市規劃

京張高鐵途經北京市西城區、海淀區、昌平區、延慶區,張家口市懷來縣、下花園區、宣化區、橋東區等多個經濟據點,沿線城鎮的總體規劃、空間發展、產業布局影響線路走向。

(2)環境敏感區分布

線路所經區域風景名勝區、自然保護區、飲用水源保護區、文物古跡等眾多,線路吸引范圍內有八達嶺、十三陵等8處風景名勝區,野鴨湖自然保護區、松山國家級自然保護區等2處自然保護區,官廳水庫、京密引水渠等8處飲用水源保護區,八達嶺、宣化城墻等17處文物古跡。

(3)地形地質條件

沿線大的地貌單元主要有平原區和山岳區,其中在山岳區中又分布較大的山間河谷盆地,主要有懷來盆地、宣化盆地和張家口盆地。北京段途經八達嶺中低山區,山勢險峻、地質條件復雜;河北段途經低山丘陵區,溝谷縱橫,盆地區路網交織、河流密布。主要不良地質類型有崩塌落石,地震液化、采空區、活動斷裂等。沿線經過的采空區為煤礦及鐵礦采空區,主要分布在懷來、下花園和宣化區域。本工程近場區內主要斷裂有15條,其中,有4條全新世活動斷裂與線路相交。

(4)交通

沿線分布有京張線、京通線、宣龐線、大秦線、豐沙線、唐包線、康延支線、東北環線、西北環線等鐵路,S2線、13號線、10號線等城市軌道交通,有京張高速、京藏高速、八達嶺高速、丹拉高速、張承高速等高速公路,G110、G112、G234、G239、S216、S321、S324、S342、S346等國省道。

1.5 選線原則

基于京張高鐵功能定位高、沿線外部環境復雜、環境敏感點分布多、技術創新程度高、肩負文化傳承責任大的特點,結合影響線路走向的主要因素,線路走向應途經主要城鎮,與城市總體規劃、空間發展、產業布局相適應;線路應繞避環境敏感區,難以繞避時采取相關措施將影響降至最低;應結合地形地質水文條件繞避各類不良地質,合理確定工程類型和處理措施[12];充分考慮與既有鐵路、公路,采用合理的交叉跨越方式;站位選址應充分考慮與其他交通方式的銜接,最大限度地吸引和方便乘客。

選取昌平至沙城段、沙城至張家口段、北京城區段這3處有代表性的線路走向方案進行研究,貫徹“規劃選線、環保選線[13-14]、地質選線[15-17]、人文選線、站城融合選線[18]”的理念,并按照上述選線原則結合各種控制因素進行綜合比選。

2 昌平至沙城段方案研究

該段線路需穿越軍都山,結合城市規劃和客流吸引、環境敏感區分布、地形地質條件、站位條件、越嶺隧道長度和工期、工程投資和運營費用等因素,研究八達嶺設站、龍潭越嶺、南口取直和繞避八達嶺景區4個方案。

2.1 方案說明

線路自比較起點引出后,緊鄰既有線設昌平西站,經南口鎮東北側上跨高速公路,穿越軍都山,設八達嶺站,后經東花園沿高速公路跨官廳水庫至比較終點,同時修建聯絡線及康延支線。

(2)龍潭越嶺方案(方案Ⅱ)

線路自比較起點引出,經南口北側上跨既有鐵路與高速公路,于龍潭穿越軍都山,于羊兒嶺出洞,上跨京包高速公路設東花園南站后越官廳水庫至比較終點,同時修建聯絡線溝通延慶。

(3)南口取直方案(方案Ⅲ)

線路出比較起點后,沿既有線通道經南口鎮南側上跨既有線,于響潭處以20.74 km隧道越嶺,于羊兒嶺出洞后設東花園南站,后與方案Ⅱ走向一致,同時修建聯絡線溝通延慶。

(4)繞避八達嶺景區方案(方案Ⅳ)

該方案自比較起點至響潭與方案Ⅲ走向一致,以25.56 km長隧道南繞八達嶺風景名勝區越嶺,于大山口北出洞,設東花園南站,上跨京包高速公路接入方案Ⅰ至比較終點。該方案完全繞避八達嶺風景名勝區,雖然線路長度最短(縮短11.1 km),但在南口段約10 km范圍內以高架形式通過,且以25.56 km長隧道越嶺,不但工程大、工期長,而且無法溝通延慶,不利于地方經濟發展,研究后予以放棄,以下重點對其他3個方案進行比較(圖1)。

圖1 昌平至沙城段方案比較示意Fig.1 Compare diagram of the Changping-Shacheng section scheme

2.2 主要工程數量及技術經濟比較

各方案主要工程數量及技術經濟比較見表1。

表1 昌平至沙城段方案主要工程數量及技術經濟比較

2.3 優缺點分析

(1)工程地質條件

“中國企業走出去，更多注重對當地商務的考察，風險意識不足。”長期關注中國企業在海外發展現狀，謝清森做出一個決定，七兵堂也要“走出去”，為身在異鄉的中資企業保駕護航。

方案Ⅰ所經地區以花崗巖為主,巖體較完整,圍巖級別較高,方案Ⅱ與方案Ⅲ所經地區以火山碎屑巖及白云巖等為主,圍巖相對較差。

(2)與環境敏感區關系

3個方案均需穿越八達嶺景區核心區,穿越長度分別為17.5,3.5,3.5 km,雖然方案Ⅰ穿越景區范圍最長,但基本以隧道形式通過且埋層較深,對景區的影響不大。

(3)城市規劃匹配性和客流吸引

方案Ⅰ距延慶最近,且車站設置既有利于吸引客流,聯絡線工程最小,與城市規劃配合最好;方案Ⅱ與方案Ⅲ均在河北境內新設車站,距延慶較遠,不利于吸引延慶的客流,且需隧道內設線路所,工程可實施性較差。

(4)從工程規模和投資方面

方案Ⅰ距延慶較近,正線長度較方案Ⅱ、Ⅲ分別多7.311 km、13.399 km,但康延支線聯絡線較短;方案Ⅰ、Ⅱ最長隧道均小于15 km,可采用單洞雙線形式,且可以有效控制工期;方案Ⅲ最長隧道大于15 km,需采用雙洞單線形式,工程造價增幅為20%左右,工期也明顯延長,方案Ⅰ較方案Ⅱ、Ⅲ換算工程運營費分別少38 311萬元、37 468.4萬元。

2.4 推薦意見

綜上分析,八達嶺設站方案(方案Ⅰ)雖然線路最長,但距離延慶最近,設站條件最好,有利于地方經濟發展和吸引客流,工程規模適中,可有效控制工期,故予以推薦。

2.5 站位方案研究

推薦方案采用隧道的形式穿越八達嶺景區,為降低對景區的影響,方便旅客出行,研究滾天溝地下站站址方案和程家窯地面站站址方案2個方案(見圖2)。八達嶺越嶺段車站站位方案優缺點分析見表2。

表2 八達嶺越嶺段車站站位方案優缺點分析

圖2 八達嶺站站址方案示意Fig.2 Badaling station site scheme

圖3 沙城至張家口段方案比較示意Fig.3 Compare diagram of the Shacheng-Zhangjiakou section scheme

綜上分析,滾天溝地下站站址方案車站出站口距離八達嶺步行入口僅500 m,距離北索道僅300 m,旅客可步行直達長城路口,分流了景區內部分公路交通,有效降低了景區內公路尾氣的污染,同時也為旅客提供了舒適、便捷的交通運輸服務,故予以推薦。

3 沙城至張家口段方案研究

該段沿線分布有懷來縣(沙城)、下花園區、宣化縣等經濟據點,鐵路、公路網密集,沿線礦區、采空區、控制區分布眾多,本次研究充分考慮以上因素,并結合沿線城鎮規劃及宣化站位、下花園站位的選擇,并研究5個走向方案。

3.1 方案說明

(1)北線方案(方案Ⅰ)

線路自沙城站引出,上跨京張高速公路,經西黃莊下穿高速公路,于下花園出口匝道處設下花園北站,后經宣化縣正北方緊鄰高速公路設宣化北站,向西北行以隧道穿越草帽山至比較終點。

(2)大洋河南岸方案(方案Ⅱ)

該方案自比較起點至下花園北與方案Ⅰ一致,之后沿宣東二礦南側上跨既有京張線、宣大高速公路,再上跨大洋河于其南岸設宣化南站,出站后連續跨越洋河、既有京張線、G110國道、京張高速公路,于草帽山處接入方案Ⅰ至比較終點。

(3)繞避礦區方案(方案Ⅲ)

線路自比較起點引出后直向西上跨大洋河,南繞下花園興隆山煤礦,于河南房處二次跨越大洋河接入方案Ⅱ。

(4)引入既有下花園站方案(方案Ⅳ)

線路自比較起點引出,經東八里、辛莊子,于西八里南側上跨既有京張線,穿越下花園區前山煤礦引入既有下花園車站,出站后向西北行上跨京張高速公路,之后接入方案Ⅰ至比較終點。

(5)高架宣化站方案(方案Ⅴ)

該方案自比較起點至下花園北與方案Ⅰ一致,出站后于祁家莊下穿京張高速公路,向西經顧家營橫穿宣東二礦,上跨既有京張線高架引入宣化站南側并設新站,出站后折向西北于陳家莊處接入方案Ⅰ至比較終點。

在上述方案中,方案Ⅳ為引入既有車站,拆遷工程較大且需穿越前山煤礦,由于區政府所在的下花園新區已經建于高速公路出口至G110國道區域,與下花園區規劃配合較差故予以舍棄。方案Ⅴ同方案Ⅳ類似,大面積穿越宣東二礦礦區,且高架引入城區,拆遷巨大,可實施性較差,與地方規劃不符,也不宜采用。以下重點對方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ進行比較。

3.2 主要工程數量及技術經濟比較

各方案主要工程數量及技術經濟比較見表3。

表3 沙城至張家口段方案主要工程數量及技術經濟比較

3.3 方案優缺點分析

(1)經濟據點和客流吸引

方案Ⅰ和方案Ⅱ均途經下花園區,在宣化縣設站,但是方案Ⅱ中站位與城區之間被大洋河阻隔,客流吸引條件相對方案Ⅰ略差;方案Ⅲ南繞下花園興隆山煤礦,在下花園區無設站條件,客流吸引條件最差。

(2)城市規劃適應性

作為冬奧會重要交通配套基礎設施,崇禮鐵路與本線在下花園接軌,之后向北至太子城奧運村,方案Ⅰ和方案Ⅱ設下花園北接軌站與奧運規劃結合較好;方案Ⅲ與奧運規劃結合較差。宣化縣總體規劃方向為沿大洋河兩岸發展,方案Ⅰ走行于城區北側,與城市規劃匹配性較好;方案Ⅱ與方案Ⅲ走行于城區南側,對既有城區現狀和規劃切割干擾略大,與規劃配合較差。

(3)征地拆遷

方案Ⅰ穿越山區較多,征地拆遷較少,占用耕地和基本農田較少;方案Ⅱ、Ⅲ大部分沿大洋河兩岸走行,征地拆遷較多,占用耕地和基本農田較多。

(4)施工和協調難度

方案Ⅲ沿線礦區、采空區、控制區最少,方案Ⅱ次之,方案Ⅲ沿線礦區、采空區、控制區最多,且與京藏高速公路2次小角度交叉,施工和協調難度最大。

(5)工程投資

方案Ⅰ線路最短,較方案Ⅱ、Ⅲ分別短4.459,3.297 km,橋隧總長較方案Ⅱ、Ⅲ分別短5.469,4.325 km,工程投資分別省23 428.93萬元、19 184.67萬元。

3.4 推薦意見

綜上分析,方案Ⅰ(北線方案)經過了沿線的下花園和宣化2個經濟據點,客流吸引條件較好,車站站位與奧運規劃、城市規劃配合較好,繞避礦區、采空區等不良地質,沿線征地拆遷較少,占用耕地和基本農田較少,且線路較為短直,工程投資較省。因此,沙城至張家口段線路走向方案推薦方案Ⅰ(北線方案)。

4 北京城區段站位方案研究

4.1 車站布局方案

結合北京鐵路樞紐總圖規劃、城市規劃,從規劃角度,重新審視“站”與“城”的關系,通過鐵路線網布局與站房布局新思維,實現“站城融合”,以解決北京城市交通問題和北京北站客流疏解難題為目標。從與規劃符合性、服務效果、交通接駁條件、工程可實施性方面進行綜合研究,選擇在老京張鐵路沿線布局雙客站(北京北站+清河站)的方案(見圖4)。在城區北部,利用老京張鐵路既有清河車站的土地資源新建了清河站。京張高鐵引入北京樞紐,打破了在一個城市內“一線一站”的傳統樞紐布局,在五環外增設了清河客站,形成“兩站新布局”,避免特大城市1條鐵路線只設1個始發站、客流過度集中造成的疏解難題,有效緩解西直門地區巨大交通壓力,方便北京北部城區旅客的出行,也減輕城市軌道交通壓力。

圖4 京張高鐵北京城區車站布局示意Fig.4 Beijing-Zhangjiakou High-speed Railway Station layout in Beijing

4.2 清河站方案

清河站西側緊鄰地鐵13號線及京新高速公路,東側周邊為密集的高層建筑及辦公樓,建設用地極為緊張(見圖5)。結合北京樞紐內客站分布及運量情況合理確定車場規模,對既有地鐵13號線進行改造,將地鐵13號線與京張高鐵并場設置,將地鐵昌平南延線、19號支線設置于國鐵站臺層下方(見圖6)。在極其有限的空間內,合理布置國鐵、地鐵的各項功能空間,在國鐵、地鐵線形簡潔、暢通、不交叉的前提下,在地下一層實現國鐵與地鐵的“零換乘”,并且實現車站東西兩側居民的自由通行,使清河站與周邊城市空間完美結合,達到暢通融合的目的。

圖6 清河站剖面示意Fig.6 Profile diagram of Qinghe Station

5 結語

基于京張高鐵功能定位高、沿線外部環境復雜、環境敏感點分布多、技術創新程度高、文化傳承責任大等特點,結合影響線路走向的主要因素,提出鐵路選線原則。選取昌平至沙城段、沙城至張家口段、北京城區段這3處有代表性的線路走向方案進行研究和綜合比選,貫徹“規劃選線、環保選線、地質選線”的理念,以及尊重自然歷史景觀、以乘客為本的“人文選線、站城融合選線”的新理念。

在昌平至沙城段,結合客流吸引、城市規劃、環境敏感區分布、地形地質條件、工程投資等因素進行綜合比選,推薦設站條件好、有利于地方經濟發展和吸引客流的八達嶺設站方案。八達嶺越嶺段,考慮對景區環境影響、旅客服務水平、運營安全風險、工程經濟性等因素,推薦對長城的景觀影響小、最大限度方便旅客出行的滾天溝地下站站址方案。昌平至沙城段,考慮經濟據點分布、城市規劃、礦區和采空區分布、征地拆遷等因素,推薦客流吸引條件較好、與奧運規劃配合較好,繞避不良地質、征地拆遷較少的北線方案。