張家界至吉首至懷化鐵路鳳凰站后穿越杭瑞高速方案比選研究

李 坤

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

1 張家界至吉首至懷化鐵路概況

張家界至吉首至懷化鐵路位于湖南省西部，北起張家界市，經(jīng)湘西土家族苗族自治州，南接懷化市，銜接黔張常、懷邵衡、滬昆客運(yùn)專線等鐵路線，輻射湘西主要地市。該條線路串起張家界、鳳凰等著名風(fēng)景旅游區(qū)，對(duì)于帶動(dòng)沿線地區(qū)快速發(fā)展，落實(shí)武陵山區(qū)精準(zhǔn)扶貧攻堅(jiān)戰(zhàn)略，改變湘西片區(qū)經(jīng)濟(jì)落后現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)全省均衡發(fā)展具有重要作用。同時(shí)張吉懷鐵路的建設(shè)將構(gòu)建形成通達(dá)南北、連接?xùn)|西的中西部快速客運(yùn)新通道，緩解既有焦柳鐵路的運(yùn)輸壓力，消除路網(wǎng)干線運(yùn)輸瓶頸[1-2]。

張吉懷鐵路線路全長246.633 km，設(shè)站8座，其中張家界西站和懷化南站為在建和既有站。本線鐵路等級(jí)為客運(yùn)專線，一次新建雙線。鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)計(jì)行車速度350 km/h；最小曲線半徑一般為7 000 m，困難地段為5 500 m，局部地段限速；最大坡度2%，困難條件下3%。，到發(fā)線有效長度650 m[3-4]。

2 鳳凰站后上跨、下穿杭瑞高速方案比選

鳳凰站后上跨、下穿杭瑞高速方案研究范圍自張吉懷鐵路DK172+017-DK180+396，線路長度8.379 km。線路自北向南在G209國道以東、包茂高速以西的沱江鎮(zhèn)瓦場(chǎng)村設(shè)鳳凰站后隨即與杭瑞高速公路交叉并跨越沱江，影響該段平縱斷面的主要控制因素有地質(zhì)條件、鳳凰站布置、杭瑞高速公路及沱江特大橋的工程條件等。由于受車站布置的限制該段線路平面選線方案較為唯一(見圖1)，因此，綜合考慮以上控制因素，針對(duì)縱斷面條件分別研究了上跨高速方案和下穿高速方案，見圖2。

圖1 平面示意圖

圖2 上跨、下穿杭瑞高公路方案縱斷面示意圖

2.1 方案說明

1) 上跨杭瑞高速方案(方案一)。鳳凰站位于標(biāo)高H=430.301 m的平坡上，出站后采用一段2 250 m、1.65%上坡后，上跨杭瑞高速公路(關(guān)音坳跨杭瑞高速大橋)，橋梁孔跨布置為1×24 m簡支梁+1×(60 m+100 m+60 m)連續(xù)梁；爾后考慮盡量降低沱江特大橋墩高，改善該橋工程條件，采用一段4 300 m、3%的下坡至鳳凰隧道進(jìn)口，沱江特大橋長869.8 m，孔跨布置為1×32 m+3×24 m+1×(40 m+72 m+40 m)連續(xù)梁+7×32 m+1×(40 m+72 m+40 m)連續(xù)梁+5×32 m+2×24 m，最大墩高56.35 m。

受鳳凰站大里程端縱斷面豎曲線限制，該方案鳳凰站小里程端咽喉區(qū)大部分位于DK172+000-DK172+400段山包內(nèi)[5],該段工點(diǎn)為深路塹，邊坡最大高度75 m。

2) 下穿杭瑞高速長隧道方案(方案二)。鳳凰站位于標(biāo)高H=430.301 m的平坡上，出站后先采用1 500 m、2.8%的下坡，爾后以4 200 m、2%的下坡以隧道形式下穿杭瑞高速至沱江，盡量降低沱江橋墩高，隨后以0.65%的下坡跨越沱江至比較終點(diǎn)鳳凰隧道進(jìn)口。該方案跨越沱江特大橋一分為二，分別長352，332 m，橋梁最大墩高約40 m。

相對(duì)于上跨杭瑞高速方案，鳳凰站大里程端豎曲線長度較短，車站布置可南移100 m，小里程端咽喉區(qū)位于DK172+000-DK172+400段山包之外[5]，該段工點(diǎn)為雙線隧道。

2.2 主要工程數(shù)量及投資比較

兩方案工程數(shù)量及投資比較見表1。

表1 上跨、下穿杭瑞高方案比較表

方案二比方案一橋隧比高，路基工點(diǎn)少，征地和拆遷工程量少，征拆節(jié)省投資983萬元。

受鳳凰站布置限制，方案一進(jìn)站端山包需以路基型式通過，路基土石方和支擋工程量大，方案一路基工程投資比方案二多1.208億元。

方案一橋梁較方案二長617.9 m，且沱江特大橋橋墩更高，方案一比方案二投資多0.593億元。

方案一隧道較方案二短2 402 m，方案二隧道工程需設(shè)輔助坑道泄水，方案一短隧道多，洞口個(gè)數(shù)和圬工方也更多，方案一隧道工程投資比方案二少1.496億元。

綜合考慮以上因素，方案一較方案二工程靜態(tài)投資多0.403億元。

兩方案出鳳凰站后縱斷面區(qū)別較大，方案一列車出站后立即以大坡度上跨杭瑞高速，而方案二則是下坡下穿高速，對(duì)鳳凰至麻陽西段動(dòng)車組走行費(fèi)進(jìn)行檢算，計(jì)算期按25年，近遠(yuǎn)期列車對(duì)數(shù)分別為46，77對(duì)/d，折現(xiàn)后，方案一比方案二動(dòng)車組走行費(fèi)多460萬元。

2.3 優(yōu)缺點(diǎn)分析

2.3.1上跨杭瑞高速方案(方案一)

優(yōu)點(diǎn)：工程地質(zhì)條件相對(duì)較好，隧道工程實(shí)施難度和風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低。

本段沿線分布的不良地質(zhì)主要有3段巖溶發(fā)育地段，具體如下。

DK175+860-DK176+210段。本段長350 m，巖性主要為灰質(zhì)礫巖，地下水類型主要為巖溶水，與地表自由落水洞相連，較發(fā)育。預(yù)測(cè)該段隧道最大涌水量為41 598 m3/d,單位長度正常涌水量為5.82 m3/(d·m)，屬強(qiáng)富水區(qū)。

DK176+820-DK177+000段和DK177+560-DK177+680段。2段長度均為180 m，巖性主要為灰質(zhì)角礫巖等。地下水類型主要為巖溶水，巖溶管網(wǎng)較發(fā)育，地表水在洼地內(nèi)匯集形成地下巖溶管道流。預(yù)測(cè)這2段范圍的隧道最大涌水量分別為13 866，11 092.8 m3/d；單位延米正常涌水量分別為5.66 ，6.79 m3/d，屬強(qiáng)富水區(qū)。

方案一DK175+100-DK179+500段以短隧道群形式走行于巖溶發(fā)育區(qū)上部，受巖溶、巖溶水影響較小，工程地質(zhì)條件相對(duì)較好，隧道工程實(shí)施難度和工程風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低。

缺點(diǎn)：

1) 路基工程條件困難，工程量大。受鳳凰站大里程端縱斷面豎曲線限制，該方案鳳凰站小里程端咽喉區(qū)大部分位于DK172+000-DK172+400段山包內(nèi)，該段工點(diǎn)為深路塹，邊坡最大高度75 m，路基土石方比方案二多128.3萬m3。錨索、錨桿較方案二分別多2 950孔/57 299 m，1 336孔/11 544 m，樁板墻比方案二多34 745 m3。

2) 橋梁工程條件較為復(fù)雜。方案一沱江特大橋橋長869.8 m，孔跨布置為：1×32 m箱梁+3×24 m箱梁+1×(40 m+72 m+40 m)連續(xù)梁+7×32 m箱梁，最大墩高56.35 m，相對(duì)于方案二，橋梁工程跨度和實(shí)施難度較大。

3) 運(yùn)營管理?xiàng)l件相對(duì)較差。方案一DK175+100-DK179+500段隧道工點(diǎn)多，均為短隧道，沿線多為偏僻山區(qū)，地形陡峭，交通不便，運(yùn)營管理?xiàng)l件相對(duì)于方案二較差。

4) 工程投資較方案二多0.403億元。

5) 縱斷面坡度條件相對(duì)較差，動(dòng)車組走行費(fèi)更高。

該方案出鳳凰站后采用2 250 m長的1.65%上坡、4 300 m長的3%的下坡，相對(duì)于方案二1 500 m長的2.8%的下坡，2 500 m長1.75%的下坡，縱斷面起伏更大，25年動(dòng)車組走行費(fèi)折現(xiàn)差值較方案二多460萬元。

2.3.2下穿杭瑞高速方案(方案二)

優(yōu)點(diǎn)：

1) 路基工程條件相對(duì)較簡單，工程量較小。該方案鳳凰站大里程端豎曲線長度較短，車站布置可南移100 m，小里程端咽喉區(qū)位于DK172+000-DK172+400段山包之外，可以雙線隧道形式通過，消除了高邊坡路塹工點(diǎn)。

2) 橋梁工程條件較為簡單。相對(duì)于方案一，方案二縱斷面壓低較多，沱江特大橋可一分為二，兩橋總長678.285 m，孔跨布置分別為1×24 m箱梁+1×(40 m+72 m+40 m)連續(xù)梁+4×32 m箱梁、1×(40 m+72 m+40 m)連續(xù)梁+5×32 m箱梁+1×24 m箱梁，最大墩高32.3 m，橋梁工程實(shí)施難度較小。

3) 該方案DK175+100-DK179+500段以1座4 339 m的長隧道穿過，而該段方案一分布有4座短隧道+4座橋梁+4處路基工點(diǎn)，方案二運(yùn)營管理?xiàng)l件相對(duì)較好。

4) 工程投資較方案一省0.403億元。

5) 縱斷面坡度條件相對(duì)較優(yōu)，動(dòng)車組走行費(fèi)較低。

缺點(diǎn)：工程地質(zhì)條件相對(duì)較差，隧道工程實(shí)施難度和風(fēng)險(xiǎn)高。

方案二以1座隧道(大堯隧道)穿過3段巖溶發(fā)育區(qū)，工程地質(zhì)條件相對(duì)較差。施工過程中易遇到巖溶水及巖溶靜態(tài)儲(chǔ)水，為降低風(fēng)險(xiǎn)，考慮在大堯隧道洞口左側(cè)設(shè)置長度294 m的橫洞，并在出口線路左側(cè)設(shè)置平導(dǎo)長度1 700 m。

2.4 推薦意見

下穿杭瑞高速方案(方案二)采用4 200 m、2%的坡段下穿高速，而上跨杭瑞高速方案(方案一)采用了4 300 m、3%的困難坡度，且坡段較長，對(duì)長期運(yùn)營較為不利，同時(shí)方案二投資更省，路基、橋梁工程相對(duì)簡單，因此推薦采用下穿杭瑞高速方案(方案二)。

3 結(jié)語

鐵路項(xiàng)目設(shè)計(jì)在進(jìn)展到后期初步設(shè)計(jì)、施工圖階段時(shí)，線路平面方案、車站設(shè)置方案已基本穩(wěn)定，本文通過對(duì)張吉懷鐵路鳳凰站后的縱斷面方案進(jìn)行詳細(xì)比選研究，綜合考慮工程投資、地質(zhì)條件、工程實(shí)施難度及風(fēng)險(xiǎn)、運(yùn)營維護(hù)等方面的因素，通過設(shè)置橫洞和平導(dǎo)等輔助措施降低線路穿越巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)的施工風(fēng)險(xiǎn)，推薦采用縱斷面坡度條件更優(yōu)、工程投資更省，對(duì)長期運(yùn)營和維護(hù)更為有利的下穿杭瑞高速方案。

[1] 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司．新建鐵路張家界至吉首至懷化鐵路可行性研究[Z]．武漢:中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2016．

[2] 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司．新建鐵路張家界至吉首至懷化鐵路初步設(shè)計(jì)[Z]．武漢:中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2017.

[3] 高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范：TB 10621-2014[S].北京：國家鐵路局，2015.

[4] 鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范：TB 10098-2017[S]．北京:國家鐵路局，2017．

[5] 鐵路車站及樞紐設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50091-2017[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2006.