伊寧至阿克蘇鐵路南天山越嶺方案研究

展志成

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

我國地域遼闊，地形地貌變化大，總的地貌輪廓是西高東低，形成以西藏高原為最高，自西向東逐級下降的梯狀斜面(分為三級階梯)，其中山區(qū)面積約占全國面積的三分之二[4]。山區(qū)越嶺選線是鐵路選線設(shè)計的重難點之一，越嶺地段地形地質(zhì)條件復(fù)雜，線路克服高程大，工程艱巨，影響項目的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和線路走向，控制項目的建設(shè)工期及總投資。牟瀚林對衢寧鐵路鷲峰山越嶺方案進(jìn)行了研究，主要從工程難易程度、工程地質(zhì)條件、工程投資以及對地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的帶動作用等方面進(jìn)行比選并得出結(jié)論[7]。林海波對京張鐵路八達(dá)嶺越嶺方案進(jìn)行了研究，研究的重點為越嶺段最大坡度和車站埋深、站位的選址等方面[17]。越嶺選線的主要影響因素為:越嶺埡口、越嶺高程和越嶺隧道長度的確定[13]。隨著社會的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，進(jìn)一步研究總結(jié)越嶺選線的經(jīng)驗，提高選線水平，對后續(xù)的鐵路勘察設(shè)計工作有重要的意義。

1 概述

伊寧至阿克蘇鐵路位于新疆維吾爾自治區(qū)西部伊犁哈薩克自治州和阿克蘇地區(qū)境內(nèi)，北起伊犁哈薩克自治州境內(nèi)的精霍鐵路伊寧站，沿線途經(jīng)鞏留、特克斯、昭蘇后穿越南天山，經(jīng)阿克蘇地區(qū)的拜城、南疆鐵路羊塔克庫都克站至阿克蘇站，線路正線全長565.98 km。本線是國家中長期鐵路網(wǎng)的重要組成部分，是新疆西部南北疆地區(qū)及沿邊口岸間的便捷連接通道，是區(qū)域路網(wǎng)干線鐵路，主要區(qū)段以客為主、兼顧貨運。

本項目對國家實施“一帶一路”倡議，打造絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶新疆核心區(qū)，實施區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略，落實精準(zhǔn)扶貧，實現(xiàn)全面建設(shè)小康社會，支持民族邊疆地區(qū)建設(shè)，維護(hù)新疆穩(wěn)定，支持沿線地區(qū)資源開發(fā)，推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)等具有重要意義和作用。在路網(wǎng)中，本項目是亞歐大陸橋精霍至蘭新和南疆兩大鐵路通道間的便捷連接線，通過精霍線、蘭新線、南疆線，串聯(lián)阿拉山口、霍爾果斯、伊爾克什坦、紅其拉甫等沿邊各大口岸，對完善區(qū)域綜合交通運輸體系，填補(bǔ)區(qū)域路網(wǎng)空白，優(yōu)化區(qū)域路網(wǎng)格局，增強(qiáng)區(qū)域路網(wǎng)機(jī)動靈活性等具有重要意義和作用[1]。

2 影響線路走向的主要因素

2.1 沿線既有及規(guī)劃路網(wǎng)概況

沿線既有鐵路包括精霍鐵路和南疆鐵路。精霍鐵路現(xiàn)狀為單線內(nèi)燃，限制坡度20‰，旅客列車行車速度120 km/h，牽引質(zhì)量4 000 t，規(guī)劃年度增二線并電化。南疆鐵路庫車至阿克蘇現(xiàn)狀為雙線內(nèi)燃，限制坡度6‰，旅客列車行車速度160 km/h，規(guī)劃年度將實現(xiàn)雙線電氣化。規(guī)劃鐵路有伊寧至巴倫臺鐵路、新和至拜城鐵路和烏魯木齊至伊寧高速鐵路。

2.2 重要經(jīng)濟(jì)據(jù)點

研究范圍內(nèi)經(jīng)濟(jì)據(jù)點有伊寧市、鞏留縣、特克斯縣、昭蘇縣、拜城縣、阿克蘇市等。

2.3 自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)等環(huán)境敏感點

沿線有眾多環(huán)境敏感區(qū)，主要包括：新疆托木爾峰國家級自然保護(hù)區(qū)、新疆昭蘇天山圓柏自然保護(hù)區(qū)、新疆拜城木扎提河自然保護(hù)區(qū)、托木爾世界自然遺產(chǎn)地、喀拉峻草原風(fēng)景名勝區(qū)、昭蘇夏塔古道國家森林公園(保護(hù))、新疆特克斯縣太極島森林公園、昭蘇特克斯河國家濕地公園、新疆天山阿合牙孜國家濕地公園、溫宿大峽谷國家級地質(zhì)公園、鐵熱克溫泉等。沿線文物眾多，分布大量的古墓葬、古遺址、石窟寺及石刻，如著名的克孜爾石窟、姑墨古城遺址、細(xì)君公主墓、圣佑廟、小哄納海草原石人等。

2.4 國防要求

《鐵路建設(shè)貫徹國防要求技術(shù)規(guī)程》(試行)(鐵計〔2005〕23號)3.0.1規(guī)定：“鐵路線路走向宜避免平行國境線，當(dāng)無法避免時，兩者相距不宜小于45 km。確因特殊情況不足45 km時，可降低至30 km”。

2.5 地形地貌

伊寧至鞏留為伊犁河沖洪積平原，地勢東高西低，地形平坦開闊，南北兩側(cè)山前均發(fā)育有二、三級階地，海拔高程600～820 m；鞏留至特克斯為烏孫山中山區(qū)，地形起伏較大，山谷多呈“V”字形，溝谷地形較陡峻，海拔高程1 100～2 200 m；特克斯至昭蘇為特克斯河沖洪積平原，發(fā)育有山前多級階地和沼澤，海拔高程1 100～1 800 m；昭蘇至拜城為南天山高山、極高山區(qū)，河床溝谷較陡，下切作用強(qiáng)烈，兩岸地形陡峻，海拔高程3 000～5 500 m，相對高差1 000～2 500 m。區(qū)內(nèi)人跡罕至，極高山區(qū)遍布常年積雪和冰川；拜城至阿克蘇段為典型的山前沖洪積傾斜平原，整體地勢自北向南傾斜，海撥高程1 100～2 000 m，南北向溝谷發(fā)育，局部河溝有常年流水，地表以荒漠戈壁為主。

2.6 工程地質(zhì)

(1)地層巖性

線路位于塔里木-南疆地層分區(qū)內(nèi)，途經(jīng)中南天山與塔里木兩大地層分區(qū)，沿線地層混雜多變，地層時代從元古代至新生代均有分布。主要巖性有以花崗巖、安山巖等為主的侵入巖，以片巖、大理巖、板巖、千枚巖為主的變質(zhì)巖，以砂巖、泥巖、礫巖、凝灰?guī)r等為主的沉積巖，以灰?guī)r、白云質(zhì)大理巖等為主的可溶巖，以及以黏性土、粉土、黃土、砂類土、碎石類土為主的第四系松散堆積層。

(2)地質(zhì)構(gòu)造

線路由伊犁盆地引出，向南橫穿中南天山山脈后進(jìn)入塔里木盆地北緣，在區(qū)域范圍內(nèi)主要涉及二個一級大地構(gòu)造單元：北部為天山-興安嶺地槽的西南天山褶皺系，南部為塔里木地臺。受地質(zhì)構(gòu)造影響，褶皺、斷裂發(fā)育，主要褶皺有依邊哈比爾尕復(fù)向斜、闊爾庫背斜、烏孫山復(fù)向斜、阿克牙孜-巴斯卡恰復(fù)向斜、哈里克套復(fù)背斜等大型褶皺，主要斷裂有特克斯河斷裂、那拉提北麓深斷裂、那拉提斷裂、托木爾峰-庫爾干深斷裂、庫爾勒斷裂、卻勒塔格斷裂等大斷裂。

2.7 本線主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

本線為標(biāo)準(zhǔn)國鐵I級，單線，速度目標(biāo)值為160 km/h，從貨流特征、區(qū)域路網(wǎng)運輸組織、沿線地形條件、機(jī)車性能、工程運營費用等角度進(jìn)行綜合比選，本線最大坡度采用20‰，牽引種類為電力，機(jī)車類型為HXD系列，牽引質(zhì)量為3 000 t、部分4 000 t，到發(fā)線有效長度為880 m，閉塞類型為自動站間閉塞。

3 南天山越嶺方案研究

本線需翻越東西向的天山主脈—南天山。根據(jù)南天山水系分布以及山體寬度分布情況(見圖1、圖2)，研究具備引線條件的河谷，進(jìn)而選取合適的越嶺埡口。南天山自西向東(直線距離280 km) 的山脊線中，埡口海拔高程在3 500～4 400 m之間。結(jié)合線路走向和山體寬度，選取了四個越嶺埡口方案：東都果爾河-木扎提河(西方案)；阿克牙孜河-喀普斯朗河(中方案)；闊克蘇河-瓊果勒河(東方案)，沿國道217通道越嶺方案。沿國道217通道越嶺方案線路運營長度為607.58 km，其中巴音布魯克至庫車段與規(guī)劃奎庫鐵路共線，新線長度292.98 km，既有線改建長度314.6 km(改建庫俄線85.9 km，南疆線228.7 km)，繞行距離過長，南天山越嶺隧道長達(dá)38.4 km，工程可實施性差，且線路未經(jīng)過特克斯縣、昭蘇、拜城等重要經(jīng)濟(jì)據(jù)點，社會效益差，研究后予以舍棄。重點研究東、中、西三大越嶺線路走向方案。

圖1 南天山水系及山體寬度示意

圖2 南天山山脊線及埡口示意

3.1 方案說明

中方案：線路自比較起點精霍線布列開站引出，經(jīng)鞏留縣、特克斯縣、昭蘇縣后向南，經(jīng)喀夏加爾鎮(zhèn)，沿阿克牙孜溝向南穿越南天山(越嶺隧道27.9 km，所在區(qū)間雙線)。出隧道后，線路繼續(xù)向南，經(jīng)鐵熱克至拜城，后向南穿越卻勒塔格山接軌于既有南疆線羊塔克庫都克站，之后，南疆線雙線電化至阿克蘇站。線路長522.385 km，其中既有線電氣化109.27 km，新線長413.115 km，橋梁總長43.73 km，隧道總長103.63 km，橋隧比為28.21%。

西方案：線路自比較起點精霍線布列開站引出，經(jīng)鞏留縣、特克斯縣、昭蘇縣后，線路折向西南，至夏特柯爾克孜族鄉(xiāng)后沿東都果兒溝(西方案如果沿夏特河谷地形條件最好，但夏特河谷已經(jīng)開發(fā)為景區(qū)，地方政府堅決反對)穿越南天山(越嶺隧道16.7 km，所在區(qū)間雙線)，出隧道后向南沿木扎提河谷走行，經(jīng)溫宿縣破城子，穿越卻勒塔格山，至南疆線喀拉玉爾滾站，之后雙線電氣化至阿克蘇站。線路長493.576 km，其中既有線電化47.266 km，新線長446.31 km，橋梁總長36.52 km，隧道總長99.49 km，橋隧比為27.56%。

東方案：線路自比較起點精霍線布列開站引出， 經(jīng)鞏留縣、特克斯縣折向南，上跨特克斯河，沿闊克蘇河谷行進(jìn)穿越南天山(越嶺隧道28.34 km，所在區(qū)間雙線)。出隧道后，線路經(jīng)黑英鄉(xiāng)西側(cè)向西南走行，經(jīng)拜城縣后向南，接軌于既有南疆線羊塔克庫都克站，之后雙線電氣化至阿克蘇站。線路全長490.093 km，其中既有線電化109.27 km，新線長380.823 km，橋梁總長33.52 km，隧道總長131.79 km，橋隧比為33.73%。

各方案主要工程數(shù)量及投資比較見表1。

表1 主要工程數(shù)量及投資比較

3.2 方案優(yōu)缺點分析

(1)從路網(wǎng)銜接方面分析

中、東方案較西方案利用既有南疆線長62 km，南疆線速度目標(biāo)值與本線一致，限制坡度小于本線，僅需電化，新建長度短，節(jié)省投資，中方案可以兼顧規(guī)劃新和至拜城鐵路運量，推遲新拜鐵路建設(shè)時機(jī)。

(2)從沿線經(jīng)濟(jì)據(jù)點分布分析

中方案串聯(lián)了沿線所有經(jīng)濟(jì)據(jù)點，西方案未經(jīng)拜城縣，東方案未經(jīng)昭蘇縣。

(3)從國防要求分析

西方案89 km段落距離國境線不足45 km，不滿足《鐵路建設(shè)貫徹國防要求技術(shù)規(guī)程》中不宜小于45 km的規(guī)定，中、東方案滿足要求。

(4)從工程地質(zhì)條件分析

中方案：天山北側(cè)阿克牙孜溝溝谷寬闊，地形相對較緩，不良地質(zhì)以危巖落石、崩塌為主，有防護(hù)條件，工程地質(zhì)條件相對較好；天山南側(cè)地形陡峻，受構(gòu)造和風(fēng)化影響，危巖落石、崩塌等不良地質(zhì)發(fā)育，地層巖性以片巖、片麻巖等變質(zhì)巖為主，工程地質(zhì)條件較差；南天山越嶺隧道橫穿南天山主脊，地層以志留系大理巖、片巖、片麻巖等變質(zhì)巖為主，受構(gòu)造、埋深及冰川影響，洞內(nèi)地應(yīng)力、地溫、水壓高，局部發(fā)育有巖溶，工程地質(zhì)條件相對較好。

西方案:天山北側(cè)東都果兒溝溝谷較窄，地形較陡，不良地質(zhì)以危巖落石、崩塌、泥石流為主，工程地質(zhì)條件一般；天山南側(cè)木扎提河河谷寬闊，局部發(fā)育有危巖落石、崩塌、泥石流等不良地質(zhì)，有防護(hù)條件，工程地質(zhì)條件相對較好；南天山越嶺隧道：橫穿南天山主脊，地層以志留系大理巖、片巖、片麻巖等變質(zhì)巖和花崗巖為主，受構(gòu)造、埋深及冰川影響，洞內(nèi)地應(yīng)力、地溫、水壓高，局部發(fā)育有巖溶。隧道及可溶巖最短，構(gòu)造相對簡單，工程地質(zhì)條件相對最好。

東方案:天山北側(cè)闊克蘇河河谷最窄，地形陡峻，危巖落石、崩塌最發(fā)育，其中克孜勒闊拉村附近第三系泥巖滑坡發(fā)育，對線路影響較大，工程地質(zhì)條件最差；天山南側(cè)地形陡峻，受構(gòu)造和風(fēng)化影響，危巖落石、崩塌、泥石流等不良地質(zhì)發(fā)育，地層巖性以片巖、片麻巖、花崗巖等為主，工程地質(zhì)條件較差；南天山越嶺隧道橫穿南天山主脊，地層以志留系大理巖、片巖、片麻巖等變質(zhì)巖為主，受構(gòu)造、埋深影響，洞內(nèi)地應(yīng)力、地溫、水壓高，發(fā)育有巖溶，隧道及可溶巖最長，構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜，工程地質(zhì)條件最差。

(5)從隧道工程條件分析

中方案：隧道18座，總長103.63 km，越嶺主隧道長27.9 km，工期約60個月；20 km以上的隧道一座，需設(shè)置救援站工程，隧道工程量較大；越嶺隧道及埋深較大的隧道基本為南北向，與最大主應(yīng)力方向相交角度為6°，對隧道結(jié)構(gòu)有利。溝谷相對寬闊，運輸條件較好，南天山隧道進(jìn)口場地相對開闊，施工條件較好，出口便道條件差。

西方案：隧道21座，總長99.49 km，越嶺主隧道長16.695 km，工期約52個月；越嶺隧道與最大主應(yīng)力方向角度為13°，最大埋深為2 115 m；隧道埋深較大，地應(yīng)力較高，對隧道通風(fēng)和結(jié)構(gòu)不利；線路沿夏特古道行走，溝谷寬闊，運輸條件好。南天山隧道進(jìn)口高程較高，距離冰川較近，溝內(nèi)水流較大，場地條件較差；出口場地開闊，施工條件好。

東方案：隧道17座，總長131.79 km，越嶺主隧道長28.34 km，工期約65個月；有20 km以上的隧道一座，需設(shè)置救援站工程，隧道工程量較大；越嶺隧道與最大主應(yīng)力方向角度為8°，最大埋深為1 720 m；隧道埋深較大，隧道走向與最大主應(yīng)力呈大角度相交，地應(yīng)力較高，對隧道結(jié)構(gòu)不利；線路沿闊克蘇河谷行走，河谷狹窄、陡峭，運輸條件差。南天山隧道進(jìn)、出口場地相對狹小，施工條件最差。

(6)從環(huán)保方面分析

中方案：線路穿越特克斯國家濕地公園合理利用區(qū)、拜城木扎提河濕地自然保護(hù)區(qū)實驗區(qū)。

西方案：線路穿越特克斯國家濕地公園合理利用區(qū)、托木爾世界自然遺產(chǎn)地緩沖區(qū)(28 km)，尤其是穿越夏塔古道國家級森林公園(47 km)，審批通過難度大，建設(shè)工期不可控。東方案線路從拜城木扎提河濕地自然保護(hù)區(qū)的實驗區(qū)通過。

(7)從工程投資分析

中方案投資最高，較西方案高4.45億元，較東方案高0.98億元。

3.3研究結(jié)論

綜上分析，東、中、西三個方案越嶺段工程條件均較復(fù)雜，但主要影響因素不同。西方案較中方案雖南天山越嶺隧道短11.2 km，工期短8個月，投資省4.45億元，但該方案未經(jīng)拜城縣，且天山北端部分線路位于夏塔古道國家級森林公園內(nèi)，審批困難，建設(shè)工期不可控。有89 km段落距離國境線不足45 km，不滿足《鐵路建設(shè)貫徹國防要求技術(shù)規(guī)程》中不宜小于45 km的規(guī)定；東方案線路長度最短，但工程量大，越嶺隧道最長，且線路未經(jīng)過昭蘇縣，如考慮修建昭蘇縣支線(約65 km)，綜合投資較中方案增加25.02億元；中方案經(jīng)過了較多的經(jīng)濟(jì)據(jù)點，有利于推動當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，新建線路長度較短，滿足環(huán)保和國防要求，可以承擔(dān)新拜鐵路運量，推遲新拜鐵路的建設(shè)時機(jī)，工程投資較省，故推薦中方案。

4 結(jié)束語

越嶺選線是山區(qū)鐵路選線的重中之重，選線過程中建議注意以下幾點。

(1)加強(qiáng)總體設(shè)計，充分考慮與周邊路網(wǎng)的銜接、政治經(jīng)濟(jì)據(jù)點的分布、地形地質(zhì)條件、環(huán)保及國防要求、越嶺工程實施條件等，在大區(qū)域范圍內(nèi)研究線路越嶺方案，逐步縮小方案研究范圍，深化、細(xì)化方案。

(2)選擇合適的越嶺埡口：埡口是選擇越嶺方案的主要控制點，應(yīng)在基本符合路線走向的較大范圍內(nèi)選擇，全面考慮埡口的位置、高程、地質(zhì)條件和展線條件等。一般應(yīng)選擇基本符合路線走向、高程較低、地質(zhì)條件較好、兩側(cè)山坡利于展線的埡口。

(3)結(jié)合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中限坡的選擇以及越嶺兩側(cè)引線的條件，做好不同越嶺高程、不同隧道長度方案的比選。隨著科技的進(jìn)步、勘察設(shè)計手段以及施工技術(shù)的提高，應(yīng)該重視長隧道方案的研究，以降低兩端引線的工程風(fēng)險，提高鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)省運營費用。

(4)高度重視地質(zhì)條件：地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū)，建議超前開展大范圍的地質(zhì)加深工作，查明區(qū)域工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件和各種不良地質(zhì)，為越嶺埡口的選擇、長短隧道的選擇以及兩側(cè)引線河谷左右側(cè)的選擇提供支撐，做到繞有依據(jù)、治有措施，一次根治，不留后患[4]。

(5)堅持“多跨、長隧、棧橋繞避，減少高填、深挖和小隧道群”的原則，規(guī)避建設(shè)風(fēng)險和運營隱患，保證工程的安全性、可靠性。