山西中南部鐵路通道呂梁山越嶺段方案研究

曹 祥

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司線站處，天津 300142)

1 概述

山西中南部鐵路通道西起瓦塘，東至日照，線路全長1 322 km，橋隧比例49%，配套建設與岢瓦線、南同蒲線、太焦線、京廣線、京九線、京滬線的聯(lián)絡線。線路先后翻越呂梁山、太岳山、太行山及沂蒙山，途徑山西省呂梁市、臨汾市、長治市，河南省安陽市、鶴壁市、濮陽市，山東省濟寧市、泰安市、萊蕪市、淄博市、臨沂市、日照市等3省12市。山西中南部鐵路通道的修建，有利于推進山西中南部地區(qū)煤炭資源開發(fā)、確保國家能源安全供應，同時對密切山西、河南、山東三省區(qū)域經(jīng)濟協(xié)作，加快沿線經(jīng)濟社會發(fā)展具有十分重要的意義。

山西中南部鐵路通道呂梁山越嶺段地形復雜，由蒲縣喬家灣鎮(zhèn)昕水河河谷(海拔1 220 m)至洪洞汾河河谷(海拔440 m)，直線距離僅30 km，高差達780 m;本段處于汾西國家規(guī)劃礦區(qū)及鄉(xiāng)寧煤炭國家規(guī)劃礦區(qū)，煤炭埋藏深度1 100～900 m不等。其中北起克城經(jīng)喬家灣、黑龍關(guān)至鄉(xiāng)寧縣長約100多km、寬20多km范圍內(nèi)煤炭開采已達到一定規(guī)模，采空區(qū)分布較廣且多無詳細統(tǒng)計資料，正確處理線路與規(guī)劃礦區(qū)和采空區(qū)間的關(guān)系為本段線路方案選擇的又一重要因素;另龍子祠泉域位于山西省臨汾市西北13 km西山山前，泉域所處地理位置屬呂梁山脈，泉水出露于西山與臨汾盆地交接處的坡積物中，泉水大多以散流形式溢出地表，泉水流向臨汾盆地，棄水入汾河，是臨汾市工業(yè)及飲用的主要水源。

除上述三大控制因素外，本段范圍內(nèi)還有五鹿山國家級自然保護區(qū)一處，位于蒲縣北部，線路應繞避該保護區(qū);線路引入洪洞地區(qū)之前需跨越汾河，線路跨越汾河應滿足法向角不大于5°。

綜合以上控制因素，本線對呂梁山段越嶺方案進行了深入研究。

2 線路走向的選擇

呂梁山東側(cè)為汾西規(guī)劃礦區(qū)，西側(cè)為石隰規(guī)劃礦區(qū)及鄉(xiāng)寧規(guī)劃礦區(qū)。其中汾西規(guī)劃礦區(qū)煤層埋深最淺(100～400 m)，煤炭資源開發(fā)較早，一方面既有108國道及南同蒲鐵路南北向貫穿礦區(qū)，交通運輸條件便捷，另一方面由于煤炭開采相對簡易，長期的無序開發(fā)也在該地區(qū)形成了大范圍的采空區(qū)，特別是解放前形成的大量古窯采空區(qū)，由于無法獲得準確的采空區(qū)資料，為線路方案的確定造成了一定的困難。石隰規(guī)劃礦區(qū)及鄉(xiāng)寧規(guī)劃礦區(qū)煤層埋深較深(900～1 200 m)，加之沿線交通運輸條件的落后，煤炭資源開發(fā)較為滯后，特別是石隰規(guī)劃礦區(qū)，截止目前基本尚未開發(fā)。

經(jīng)詳細勘察，蒲縣至洪洞呂梁山越嶺地段煤層高程位于1 100～900 m，對應區(qū)段龍子祠巖溶水位線高程位于867～492 m范圍。考慮到煤層范圍可能存在的采空對隧道工程形成的安全隱患，線路設計高程應滿足距離煤層底部50 m以上;為保證長隧道的建設不致對泉域造成破壞，線路設計高程應至少距離巖溶地下水位線70 m以上?；谏鲜鰲l件，經(jīng)分析，其中煤層與泉域地下水位共同制約線路高程的15 km范圍內(nèi)，線路設計高程仍有119～402 m的空間可供選擇，即由蒲縣至洪洞越嶺，越嶺隧道選擇合適的高程可保障既不穿越煤層又不影響龍子祠泉域地下水。

結(jié)合區(qū)域內(nèi)自然地形條件，呂梁山西側(cè)可供選擇的主要河谷為東川河及昕水河，呂梁山東側(cè)汾河河谷的山前洪積扇可供線路走行，綜合沿線自然地形條件以及礦區(qū)及采空區(qū)分布情況，呂梁山越嶺段主要研究了平面繞避采空區(qū)的經(jīng)克城方案與高程避讓采空區(qū)的經(jīng)蒲縣方案。如圖1所示。

圖1 山西中南部鐵路通道呂梁山越嶺段方案示意

2.1 經(jīng)克城方案

線路自隰縣站外始，折向東進入東川河，沿黃土至佃坪方向向東越嶺，設佃坪站后折向東南二次越嶺，而后沿呂梁山東側(cè)汾河河谷山前洪積扇展線后跨越汾河。經(jīng)克城方案走行于五鹿山國家級保護區(qū)北部邊緣，采用平面繞避的方式消除線路與采空區(qū)的相互干擾。

本方案線路長度102.650 km，沿途設黃土、佃坪(萬噸)、萬安(萬噸)3座車站，其中含橋梁工程23.068 km，隧道工程38.788 km，橋隧比例60.3%，越嶺隧道長17.245 km，工程投資838 324萬元。

2.2 經(jīng)蒲縣方案

線路由隰縣起，沿城川河河谷向南至水堤，向南越嶺，于井溝東側(cè)至昕水河河谷，順昕水河河谷沿東南方向行進，于肖家溝村設站后向東越嶺，利用回頭曲線展線后設龍馬站，順地勢向北至登臨村南側(cè)折向東跨越汾河，采用立面避讓的方式消除線路與采空區(qū)的相互干擾。

本方案線路長度78.896 km，沿途設蒲縣(萬噸)、龍馬(萬噸)2座車站，其中含橋梁工程12.583 km，隧道工程56.382 km，橋隧比例 87.4%，越嶺隧道長23.441 km，工程投資711 254萬元。

2.3 小結(jié)

項目修建意義方面，經(jīng)克城方案無法兼顧蒲縣地區(qū)煤炭的開發(fā)及外運，有悖于本線修建的初衷。

工程風險方面，經(jīng)蒲縣方案采取立面避讓煤層的方式避讓采空區(qū)，同時兼顧了對龍子祠泉域地下水的保護，徹底消除了安全隱患;經(jīng)克城方案采取平面繞避的方式繞避采空區(qū)，考慮到區(qū)域內(nèi)煤炭資源長期的無序開發(fā)及資料的缺失，古窯采空區(qū)的不確定性對線路方案的穩(wěn)定仍存在不利影響。

工程經(jīng)濟方面，經(jīng)蒲縣方案較經(jīng)克城方案縮短線路長度23.754 km、節(jié)省工程投資127 070萬元，無論從運營角度，還是工程投資角度，經(jīng)蒲縣方案具備明顯的優(yōu)勢。

綜上，呂梁山越嶺地段線路走向選擇經(jīng)蒲縣方案。

3 越嶺隧道長度的確定

在越嶺走向方案采用經(jīng)蒲縣方案的基礎(chǔ)上，分析沿線自然地形條件可知，越嶺隧道出口側(cè)山前陡壁與洪積扇的分界高程為740 m，也就是說越嶺隧道出口最大高程應為740 m，否則越嶺隧道出口側(cè)將出現(xiàn)線路懸空。經(jīng)分析，越嶺隧道出口端山前陡壁與洪積扇分界線距離越嶺埡口間距離為25 km，按輕車上坡方向13‰的限制坡度推算，考慮越嶺埡口變坡等因素，越嶺埡口高程應在1 060 m左右。

越嶺埡口肖家溝附近區(qū)段昕水河河底高程為1 050 m，考慮昕水河水位的影響，線路設計高程應為1 060 m左右。肖家溝附近分別向東、向南發(fā)育兩條昕水河支流，其中向南發(fā)育的支流河底自然縱坡為10‰，向東發(fā)育的支流河底自然縱坡為11‰。如考慮越嶺埡口高程的調(diào)整，越嶺隧道進口方向每縮短1 km的隧道長度，越嶺埡口高程則需抬高10 m左右，同時結(jié)合越嶺隧道出口方向展線條件，相應出口側(cè)需增加1 km的隧道工程展線。綜上分析，呂梁山越嶺埡口高程確定為1 060 m左右。

3.1 越嶺長隧道方案

蒲縣站采用肖家溝站位，越嶺點高程1 061 m，越嶺隧道沿大洪峪澗河方向出洞，出洞高程769 m，越嶺隧道長度23.441 km。

本方案隧道洞身距離最近煤層83 m，距離龍子祠泉域巖溶地下水位線最近125 m，對應段落為馬家溝組第三段地層，巖性為灰?guī)r到泥質(zhì)白云巖，局部發(fā)育膏溶角礫巖，巖體較完整。線路長度56.138 km，其中含橋梁工程12.267 km，隧道工程27.453 km，橋隧比例70.8%，工程投資450 886.4萬元。

3.2 越嶺短隧道方案

蒲縣站采用肖家溝站位，越嶺點高程1 067 m，越嶺隧道沿老虎溝方向出洞，出洞高程769 m，越嶺隧道長度20.500 km。

本方案隧道洞身距離最近煤層63 m，距離龍子祠泉域巖溶地下水位線最近140 m，對應段落為馬家溝組第三段地層，巖性為灰?guī)r到泥質(zhì)白云巖，局部發(fā)育膏溶角礫巖，巖體較完整。線路長度63.842 km，其中含橋梁工程17.494 km，隧道工程30.115 km，橋隧比例74.6%，工程投資500 712.6萬元。

3.3 小結(jié)

呂梁山越嶺長、短隧道兩方案均采取立面避讓的方式消除線路與煤礦采空區(qū)的關(guān)系，同時均能夠保障越嶺隧道的建設不致對泉域造成破壞，由以上兩個方面分析長、短隧道方案無明顯差異。

越嶺短隧道方案為盡早出洞，隧道出口選擇于溝底自然高程更低的老虎溝，而為縮短線路跨越汾河橋長、降低橋梁高度，汾河橋位選擇于登臨附近，由此導致越嶺短隧道方案不可避免的向南展長了線路，此外因呂梁山東側(cè)769～740 m的高程范圍內(nèi)無適宜的地形條件可供走行，從而造成展長線路部分均為隧道工程。故由工程經(jīng)濟方面分析，越嶺短隧道方案較長隧道方案增加工程投資49 826.2萬元，增加工程投資顯著。

綜上，呂梁山越嶺采用長隧道方案。

4 展線位置的確定

綜合分析越嶺隧道出口至汾河橋間自然地形條件，呂梁山越嶺隧道出口端高程740 m，汾河河谷西側(cè)山前廣泛發(fā)育的山前洪積扇高程位于740～540 m，為適當降低本線跨越汾河橋梁高度、節(jié)省工程投資，無論在越嶺隧道出口提前展線，還是在汾河橋前展線，由自然地形方面分析均具備良好的展線條件。

結(jié)合越嶺隧道出口至汾河橋位間分布大洪峪澗河、趙凹溝、漫底溝、石止?jié)竞拥壬钋袥_溝的具體情況，于越嶺隧道出口灰?guī)r區(qū)展線，展線范圍內(nèi)大部分為隧道工程，但提前展線后線路設計高程與沿線自然地形的適應性更強，跨越沿線溝谷的橋梁高度明顯降低，工程條件明顯改善;于汾河橋前順地勢展線，大部分可利用路基工程展線，但為達到降低汾河橋梁高度、節(jié)省工程投資的目的，汾河橋由登臨橋位局部向北平移至安定堡橋位，但受跨越汾河角度限制，造成汾河橋后部分展長線路的浪費。

經(jīng)統(tǒng)計，長隧道口展線方案線路長度30.464 km，其中含橋梁工程14.768 km，隧道工程2.900 km，橋隧比例58%，工程投資217 441.4萬元;汾河橋前展線方案線路長度31.413 km，其中含橋梁工程16.927 km，隧道工程 2.052 km，橋隧比例 60%，工程投資227 494.2萬元。

綜合技術(shù)經(jīng)濟比較，長隧道口展線方案線路設計高程與沿線地形適應更強，跨越沿線溝谷橋梁高度顯著降低，較汾河橋前展線方案節(jié)省工程投資10 052.8萬元，越嶺隧道東側(cè)展線采用長隧道口展線方案。

5 長隧道與隧道群的選擇

綜合分析呂梁山越嶺隧道西側(cè)引線條件可知，隰縣至蒲縣站區(qū)間線路基本沿昕水河走行，隰縣站設站高程949 m，蒲縣站設站高程1 054 m，兩車站間航空距離37.1 km，要求平均設計縱坡為2.9‰，對應區(qū)段為本線重車上坡方向，線路限制坡度為6‰，線路具備裁彎取直條件。

區(qū)段內(nèi)線路通過黃土梁、峁和深切沖溝的黃土丘陵區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造簡單，巖層呈單斜構(gòu)造，地層平緩，巖性主要為第四系新黃土、老黃土、第三系粉質(zhì)黏土、黏土、三疊系砂巖和泥巖。線路行經(jīng)地區(qū)溝深壁陡、且溝型大部垂直于線路方向，即使局部展長線路仍無法有效增加路基工程長度。

根據(jù)勘探成果資料統(tǒng)計，裁彎取直的長隧道方案重點工程(隰縣隧道)洞身位于基巖段落約9.0 km，位于土層中1.4 km，洞身發(fā)育孔隙潛水及基巖裂隙水，隧道圍巖Ⅲ～Ⅴ，以Ⅲ～Ⅳ級為主;短隧道方案工程地質(zhì)條件較取直方案略差，但無明顯差異。

經(jīng)統(tǒng)計，長隧道方案線路長度24.200 km，其中含橋梁工程0.917 km，隧道工程22.205 km，橋隧比例96%，最長隧道10.505 km，工程投資205 957.3萬元;隧道群方案線路長度24.814 km，其中含橋梁工程1.174 km，隧道工程22.686 km，橋隧比例96%，最長隧道6.810 km，工程投資210 769.0萬元。

綜合技術(shù)經(jīng)濟比較，長隧道方案跨越沿線溝谷橋梁高度顯著降低，隧道進出口條件明顯改善，便于施工組織，同時較隧道群方案節(jié)省工程投資4 811.7萬元，故呂梁山越嶺隧道西側(cè)引線采用裁彎取直的長隧道方案。

6 越嶺隧道內(nèi)設計縱坡的確定(圖2)

圖2 山西中南部鐵路通道呂梁山越嶺隧道設計高程與煤層及龍子祠泉域地下巖溶水位線間關(guān)系剖面

山西中南部鐵路通道瓦塘至長治段為本項目的集運區(qū)段，其中南呂梁山隧道以西的貨物運量構(gòu)成為近期下行7 654萬t、上行235萬t，遠期下行10 855萬t、上行326萬t，貨物流向具有明顯的不均衡性，且上行貨物主要為白貨。結(jié)合項目的具體特點，對呂梁山越嶺隧道輕車上坡是否折減研究如下。

兩方案越嶺長隧道范圍線路走向一致，長隧道進口設計高程一致，越嶺長隧道范圍輕車上坡未折減(曲線范圍考慮曲線折減)方案采用12.6‰的設計縱坡，折減方案采用11.8‰的設計縱坡。折減方案出口高程較不折減方案抬高18 m，此后兩方案至汾河橋基本走行同一通路，適應線路設計高程展線;為降低汾河橋高，折減方案較不折減方案汾河橋位向北平移約1 km，受跨越汾河交叉角度制約，造成橋后部分展長線路的浪費。

經(jīng)統(tǒng)計，長隧道輕車上坡不折減方案隧道洞身距離最近煤層91 m，距離龍子祠泉域巖溶地下水位線最近71 m，線路長度 54.664 km，其中含橋梁工程15.483 km，隧道工程26.341 km，橋隧比例77%，工程投資428322.6萬元;長隧道輕車上坡折減方案隧道洞身距離最近煤層88 m，距離龍子祠泉域巖溶地下水位線最近73 m，線路長度56.595 km，其中含橋梁工程20.235 km，隧道工程26.564 km，橋隧比例83%，工程投資465 742.6萬元。

綜上，長隧道輕車上坡不折減與折減方案工程條件相當，結(jié)合本項目貨物流向明顯不均衡的特點，考慮到不折減方案較折減方案節(jié)省工程投資37 420萬元，節(jié)省工程投資顯著，故越嶺隧道內(nèi)設計縱坡采用輕車上坡不折減方案。

7 結(jié)論

(1)采取從大面積著手，多方案比較，由面到線，由線到段，逐步接近的方法，是選擇線路走向和重大方案的有效方法。

(2)越嶺方案是山區(qū)鐵路選線的重要組成部分，而越嶺埡口的位置、隧道長度和高程的選定，又是越嶺方案中的重點，它常與限制坡度及越嶺兩側(cè)引線條件等密切相關(guān)，并互相制約。

(3)對于礦區(qū)選線，線路的選擇應充分考慮鐵路的修建對周邊煤炭資源開發(fā)的重要意義，同時必須高度重視采空區(qū)對于工程建設及運營安全造成的不利影響，處理方法上，既可通過平面繞避，也可通過立面避讓的方式消除線路與采空區(qū)間相互干擾。

(4)展線位置的選擇應充分結(jié)合線路沿線的自然地形條件，對于線路沿線存在大量橋梁工程、特別是高橋較為集中的地段，原則上應提前進行展線。

(5)沿河傍山線路設計的重點問題之一是長隧道與短隧道群的比選，應綜合考慮自然地形地質(zhì)條件、隧道進出口施工條件以及工期等相關(guān)因素合理確定。

［1］鐵道部第一勘測設計院.鐵路工程設計技術(shù)手冊·線路［M］.北京:中國鐵道出版社，1994.

［2］成昆鐵路技術(shù)總結(jié)委員會.線路、工程地質(zhì)及路基［M］.北京:人民鐵道出版社，1980.

［3］王杰.艱險山區(qū)鐵路西安至成都客運專線陜西境內(nèi)段綜合選線設計［J］.鐵道標準設計，2013(8):28-31.

［4］趙永紅.西安至平?jīng)鼍€永壽梁越嶺地區(qū)綜合線路方案研究［J］.鐵道標準設計，2013(12):27-31.

［5］張雅琴.山西中南部鐵路呂梁山越嶺方案研究［J］.鐵道標準設計，2011(2):32-34.

［6］GB50090—2006，鐵路線路設計規(guī)范［S］.