師宗至文山鐵路南盤江深切河谷段選線研究

毛 杰

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川成都 610031)

師宗至文山鐵路南盤江深切河谷段選線研究

毛 杰

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川成都 610031)

西南山區(qū)地帶河谷深切的情況較為多見(jiàn)，河谷的深切往往還伴隨著與活動(dòng)斷裂的重合、兩岸不良地質(zhì)發(fā)育，這樣的段落往往成為鐵路或公路建設(shè)的控制性段落。如何在地形起伏劇烈、地質(zhì)條件不良的情況下選擇合理線路方案成為鐵路或公路選線設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。文章以師宗至文山鐵路跨越南盤江深切河谷段選線為實(shí)例，以地質(zhì)選線為基礎(chǔ)，對(duì)不同的橋位方案、橋式方案、坡度方案從大跨度橋梁可實(shí)施性、經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)營(yíng)及工程風(fēng)險(xiǎn)等方面進(jìn)行分析、比選，確定合理的線路方案。

鐵路； 深切河谷； 選線

1 概述

1.1 項(xiàng)目概述

師宗至文山鐵路位于云南省東部的曲靖市和文山州，北起南昆線師宗站，經(jīng)文山州丘北、硯山縣至文山市。項(xiàng)目已列入《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，北接南昆鐵路，中與云桂鐵路銜接，南連西南沿邊鐵路，是云南省滇東縱向客貨運(yùn)主通道。此項(xiàng)目建設(shè)將填補(bǔ)路網(wǎng)空白，形成我國(guó)西南地區(qū)至越南及東南亞地區(qū)出境新通道，定位為一條客貨運(yùn)輸兼顧的區(qū)域鐵路干線。

1.2 地形地貌及地質(zhì)概況

線路穿越云貴高原東南部斜坡地帶，地勢(shì)北高南低，群峰高聳，海拔1 600～2 300 m，相對(duì)高差100～800 m，南盤江流域切割劇烈，谷深坡陡，線路所經(jīng)南盤江河谷最低，海拔800 m，整個(gè)高原面在外應(yīng)力的長(zhǎng)期侵蝕、溶蝕作用下被切割得支離破碎。沿線通過(guò)三大地貌單元，新安至雙龍營(yíng)屬構(gòu)造侵蝕溶蝕中山區(qū)，雙龍營(yíng)至文山屬侵蝕溶蝕低中山區(qū)，其間分布硯山、文山兩處盆地，沿線以溶蝕地貌最為發(fā)育。

本線南盤江流域在大地構(gòu)造上屬華南褶皺系的滇東南褶皺帶，位于文山巨型旋扭構(gòu)造與云南山字型構(gòu)造的復(fù)合部位，區(qū)域內(nèi)構(gòu)造線呈北東向展布，分布廣泛的三疊系碎屑巖地層。南盤江則多沿構(gòu)造線發(fā)育，河谷寬闊，兩岸斜坡巖體破碎，滑坡、溜坍等重力不良地質(zhì)問(wèn)題突出。

2 南盤江深切河谷選線研究

本段線路走向與控制性工程南盤江大橋的橋位、橋高、橋式方案密切相關(guān)，選線過(guò)程要充分考慮工程地質(zhì)條件、水文、地形條件、兩端線路巖溶隧道風(fēng)險(xiǎn)等，也要結(jié)合國(guó)內(nèi)鐵路橋梁較為成熟的孔跨結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)參考國(guó)內(nèi)外正在研究或設(shè)計(jì)的大跨橋梁的適用性，可以說(shuō)本段線路集中了本線難點(diǎn)、重點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)。

本段線路長(zhǎng)約87 km，占全線總長(zhǎng)46 %，北端即南昆線接軌點(diǎn)新安高程1 881 m，南端雙龍營(yíng)1 485 m，中間跨越南盤江，該段南盤江平均高程782 m，河床平均坡降1.37 ‰。沿兩點(diǎn)航空線新安至南盤江33 km，高差1 099 m，計(jì)算坡度33.3 ‰；南盤江至雙龍營(yíng)29 km，高差703 m，計(jì)算坡度24 ‰。由此可見(jiàn)該段線路特點(diǎn)是(1)典型的兩頭高，中間低地勢(shì)，南盤江北岸克服高差的條件更為困難；(2)緊坡地段通常用足最大坡度定線，以便爭(zhēng)取高度，不額外展長(zhǎng)線路[1]。較高的跨江標(biāo)高可縮短線路長(zhǎng)度但需加大橋跨，較低的跨江標(biāo)高可減小橋跨但需要更長(zhǎng)的線路長(zhǎng)度。

2.1 橋位方案比選

受局部應(yīng)力作用，黑耳一帶形成弧形構(gòu)造，北西、南北向兩條斷裂構(gòu)造夾持寬度約3 km的三疊系碳酸鹽巖地層，是本段南盤江通過(guò)區(qū)唯一的灰?guī)r峽谷區(qū)域。

2.1.1 黑耳橋位

黑耳村上游約2.5 km，南盤江江面高程805 m，兩岸陡峻，河谷深切，屬深“V”地形，橋位上游2.5 km處為云鵬大壩，壩頂高程905 m，裝機(jī)容量210 MW。該橋位附近約3 km的三疊系碳酸鹽巖地層，是本段南盤江通過(guò)區(qū)唯一的灰?guī)r(硬質(zhì)巖)峽谷區(qū)域。

2.1.2 上游庫(kù)區(qū)橋位

黑耳上游橋位位于云鵬水電站蓄水區(qū)范圍，河面寬闊，以碎屑巖為主，構(gòu)造發(fā)育、巖體破碎。因上游橋址為寬谷，方案在與黑耳橋位跨度相同時(shí)，線路標(biāo)高較低，線路展長(zhǎng)較多，投資較高。與黑耳橋位標(biāo)高相同時(shí)跨度更大，如采用長(zhǎng)隧取直，可溶巖地區(qū)巖溶隧道風(fēng)險(xiǎn)難以控制，順河展線則線路增長(zhǎng)較多，投資較高，故上游橋位經(jīng)研究后予以放棄。

2.1.3 下游橋位

(1)下游阿拉黑橋位。阿拉黑村上游約2.6 km，南盤江江面高程788 m，兩岸山勢(shì)較緩和，河谷較寬。地層巖性為三疊系中統(tǒng)蘭木組中段(T2lb)石英細(xì)砂巖夾粉砂巖、泥巖，下段(T2la)泥巖夾粉砂巖、泥灰?guī)r，南盤江沿南崖斷裂發(fā)育，受構(gòu)造影響，兩岸斜坡巖體破碎，師宗端岸坡順層，巖層傾角40°～50°。

(2)下游壩達(dá)橋位。壩達(dá)渡口上游約3.0 km，南盤江江面高程778 m，兩岸山勢(shì)較緩和，河谷較寬。地層巖性為三疊系中統(tǒng)蘭木組下段(T2la)泥巖夾粉砂巖、泥灰?guī)r，拖味組下段(T2ta)白云巖夾泥質(zhì)白云巖，南盤江沿南崖斷裂發(fā)育，受構(gòu)造影響，兩岸斜坡巖體破碎，師宗端巖溶發(fā)育，同時(shí)岸坡順層，巖層傾角35°。

2.1.4 橋位方案比選及推薦意見(jiàn)

以黑耳橋位520 m拱橋；下游阿拉黑橋位580 m斜拉橋、928 m斜拉橋；下游壩達(dá)橋位1 000 m懸索橋進(jìn)行橋位方案比選分析(圖1)。

圖1 南盤江橋位方案比選示意

各方案的主要工程數(shù)量及投資比較見(jiàn)表1。

表1 主要工程數(shù)量及投資比較

從上面的比較分析可知黑耳橋位地形狹窄，岸坡陡峻，采用較小的橋梁跨度即可獲得較大的標(biāo)高抬升，在降低橋梁造價(jià)、縮短線路長(zhǎng)度、工期、降低施工風(fēng)險(xiǎn)等方面均極具優(yōu)勢(shì)；下游橋位雖靠近航空線，但地形開(kāi)闊，岸坡較緩，采用較小跨度橋梁高程太低，需通過(guò)線路長(zhǎng)度彌補(bǔ)跨江標(biāo)高的不足，加大跨度所獲得標(biāo)高抬升非常有限，而橋梁造價(jià)呈幾何級(jí)數(shù)增加。除非下游有河谷更為狹窄陡峻的橋位，地質(zhì)條件更佳，否則下游橋位相對(duì)黑耳橋位具明顯劣勢(shì)，線路應(yīng)集中在黑耳橋位進(jìn)行橋式比選。

2.2 橋式方案比選

在明確黑耳橋位的基礎(chǔ)上，在深“V”型的峽谷地貌中，改變橋式加大跨度所獲得的標(biāo)高抬升優(yōu)勢(shì)明顯，但隨著敞口的不斷加大，這一優(yōu)勢(shì)也呈向上收斂態(tài)勢(shì)，存在最佳跨度(橋式)與線路長(zhǎng)度的組合。

以黑耳橋位主跨400 m拱橋、主跨520 m拱橋、主跨900 m懸索橋、主跨980 m懸索橋進(jìn)行橋式比選分析(圖2)。

各方案的主要工程數(shù)量及投資比較見(jiàn)表2。

研究表明主跨400 m拱橋方案線路長(zhǎng)度最長(zhǎng)，相對(duì)主跨520 m拱橋方案，其南盤江橋節(jié)約的投資不足以彌補(bǔ)線路長(zhǎng)度增加所引起的工程及運(yùn)營(yíng)費(fèi)用的增加；主跨520 m拱橋方案線路長(zhǎng)度較短，工程投資最省，工程風(fēng)險(xiǎn)總體可控；主跨900 m懸索橋方案線路長(zhǎng)度最短，采用長(zhǎng)隧取直，單面坡巖溶隧道長(zhǎng)達(dá)24.2 km，且無(wú)輔助坑道條件，工程風(fēng)險(xiǎn)及工期風(fēng)險(xiǎn)巨大，投資多；主跨980 m懸索橋方案線路長(zhǎng)度較短，單面坡巖溶隧道隧道長(zhǎng)達(dá)13 km，工程風(fēng)險(xiǎn)較大，980 m懸索橋較520 m拱橋投資增加12.4億元，而線路僅縮短1.9 km，經(jīng)濟(jì)合理性差。故南盤江橋式推薦采用經(jīng)濟(jì)性最好的520 m混凝土拱橋方案。

圖2 南盤江橋式方案比選示意

表2 主要工程數(shù)量及投資比較

2.3 局部坡度比選

坡度比選應(yīng)從全線出發(fā)，結(jié)合相鄰路網(wǎng)適應(yīng)性、運(yùn)輸組織(機(jī)車交路、機(jī)力配置)、工程經(jīng)濟(jì)和工程風(fēng)險(xiǎn)等因素綜合比選。本段條件困難，也是本線的控制性段落，大坡度方案對(duì)縮短線路長(zhǎng)度、降低工程難度和工程風(fēng)險(xiǎn)有利，工程投資也有一定的節(jié)省，對(duì)全線坡度的選取有重大影響，有必要就本段不同的坡度方案進(jìn)行研究。

(1)13 ‰加力坡方案。受南盤江深切影響，13 ‰加力坡如采用400～500 m跨度拱橋，線路較同等跨度18.5 ‰加力坡方案需展長(zhǎng)22～27 km，劣勢(shì)明顯。需采用大跨度橋梁提高跨江標(biāo)高，縮短線路長(zhǎng)度。采用13 ‰坡度988 m主跨懸索橋方案納入坡度比選。

(2)18.5 ‰加力坡方案。在前述南盤江特大橋橋位及橋式方案的研究中，推薦采用520 m鋼筋混凝土拱橋方案納入坡度比選。

(3)24 ‰加力坡方案。采用大坡度后，爬坡能力增強(qiáng)，可降低南盤江特大橋高度，同時(shí)線路能盡量向航空線靠攏，縮短線路長(zhǎng)度。24 %坡采用高橋取直南盤江北岸單面坡巖溶隧道風(fēng)險(xiǎn)較高，故采用24 ‰加力坡(100+192+100) m鋼筋混凝土連續(xù)梁方案納入坡度比選(圖3)。

圖3 南盤江段坡度方案比選示意

(4)主要工程數(shù)量及投資比較見(jiàn)表3。

從以上分析可見(jiàn)，采用不同跨度的南盤江橋后，不同的坡度方案線路長(zhǎng)度基本一致，但南盤江橋建造費(fèi)用差距明顯，工程投資差額也主要體現(xiàn)在該橋的造價(jià)上。從比較的結(jié)果看大坡度方案確實(shí)對(duì)降低工程造價(jià)、工程難度以及巖溶隧道風(fēng)險(xiǎn)均有優(yōu)勢(shì)，但前已述及坡度應(yīng)從全線及路網(wǎng)的角度綜合分析比選。

(1)13 ‰加力坡方案雖線路長(zhǎng)，工程量大，南盤江橋技術(shù)難度大、造價(jià)高，但方案與相鄰路網(wǎng)銜接較好，滿足牽引質(zhì)量及長(zhǎng)交路運(yùn)行要求。

(2)18.5 ‰加力坡方案能較好適應(yīng)地形，牽引質(zhì)量與區(qū)域路網(wǎng)匹配，滿足長(zhǎng)交路運(yùn)行要求，工程可實(shí)施性強(qiáng)，工程風(fēng)險(xiǎn)小。

(3)24 ‰加力坡方案雖工程投資少于18.5 ‰加力坡方案，但牽引質(zhì)量低，與相鄰路網(wǎng)不匹配，不滿足長(zhǎng)交路運(yùn)行要求，且增加了列車換重作業(yè)，運(yùn)營(yíng)成本高，其30年換算工程運(yùn)營(yíng)費(fèi)總和(折現(xiàn)值)與18.5 ‰方案持平。

本段局部坡度研究從降低南盤江橋技術(shù)難度和工程風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)省投資的角度出發(fā)，暫推薦采用牽引質(zhì)量與相鄰路網(wǎng)匹配較好的18.5 ‰加力坡方案。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)師宗至文山鐵路南盤江深切河谷段選線研究，對(duì)復(fù)雜山區(qū)鐵路深切河谷段選線的一些經(jīng)驗(yàn)總結(jié)如下：

表3 南盤江段坡度方案工程數(shù)量及投資比較

(1)我院前輩專家對(duì)復(fù)雜山區(qū)鐵路設(shè)計(jì)中總結(jié)的“晚展不如早展、硬展不如順展、小范圍展不如大范圍展”以及順河流追坡展線的展線原則在本線選線中再一次成功的指導(dǎo)了深切河谷段的選線工作。

(2)在河流深切地段的選線應(yīng)盡量選擇靠河流上游地形狹窄，岸坡陡峻，地質(zhì)穩(wěn)定的峽谷，除非下游有峽谷可使用合適的橋跨跨越且線路設(shè)計(jì)標(biāo)高還高于上游橋位。

(3)橋式的選擇應(yīng)盡量參考同類橋梁設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合技術(shù)升級(jí)適度創(chuàng)新，同類橋梁有滬昆客專北盤江特大橋(跨徑445 m)、云桂鐵路南盤江特大橋(跨徑416 m)，對(duì)本段橋式選擇有重要的借鑒意義。

(4)兩端線路尤其是北端線路還存在巖溶隧道問(wèn)題，定線過(guò)程中應(yīng)查明巖溶水平循環(huán)帶高程，避免線路在水平循環(huán)帶中或之下穿行。

(5)對(duì)緊坡地段的選線，大坡度方案對(duì)縮短線路長(zhǎng)度、降低工程難度和工程風(fēng)險(xiǎn)有利，工程投資也有節(jié)省，但對(duì)坡度的選擇應(yīng)審慎，應(yīng)從全線角度出發(fā)，結(jié)合相鄰路網(wǎng)適應(yīng)性、運(yùn)輸組織(機(jī)車交路、機(jī)力配置)、工程經(jīng)濟(jì)和工程風(fēng)險(xiǎn)等因素綜合比選。

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毛杰(1985～)，工程師。

U212.1

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[定稿日期]2016-09-07