南疆鐵路吐庫段建設(shè)決策再思考與建設(shè)效益研究

楊建勛

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 730043)

1 概述

受設(shè)計(jì)施工技術(shù)條件、經(jīng)濟(jì)實(shí)力、時(shí)代背景和發(fā)展認(rèn)知等因素的限制，我國早期修建的山區(qū)鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)較低，具體表現(xiàn)為曲線半徑小、坡度大，橋隧形式多為短橋、短隧。在當(dāng)前的既有線擴(kuò)能改造項(xiàng)目中，因其改造工程量較大而面臨技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、建設(shè)方案決策等困擾。國內(nèi)許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)研究，吳琨等基于成昆鐵路成都至峨眉段擴(kuò)能改造工程，認(rèn)為應(yīng)盡量提高既有工程的利用程度[5]。卓建成認(rèn)為若既有線利用率較低，應(yīng)按較高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)新線；以往研究大多注重局部方案和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面，對(duì)建設(shè)方案的綜合性研究較少，尤其缺乏對(duì)線路改造綜合效益的系統(tǒng)性分析。

以南疆鐵路吐庫段的建設(shè)方案為例，對(duì)有關(guān)支撐決策、效益等進(jìn)行總結(jié)，從深化方案的視角，探索推進(jìn)項(xiàng)目決策進(jìn)程的工作重點(diǎn)與突破口。

2 建設(shè)方案研究

南疆鐵路吐庫段位于新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番和巴州地區(qū)，增建二線是加強(qiáng)我國鐵路主通道、實(shí)現(xiàn)亞歐大陸橋南通道建設(shè)的重要舉措，對(duì)維護(hù)南疆穩(wěn)定，發(fā)展邊疆地區(qū)經(jīng)濟(jì)，促進(jìn)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)均衡、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展，維護(hù)民族團(tuán)結(jié)，走向共同富裕，鞏固國防以及促進(jìn)亞歐經(jīng)貿(mào)合作等均具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2.1 總體建設(shè)方案的確定

南疆線吐庫段兩端的吐魯番至魚兒溝、焉耆至庫爾勒兩段地形條件較好，既有線最大坡度為12.5‰，改建既有線及增建二線的條件較好。而中段的魚兒溝至焉耆段(現(xiàn)稱南疆支線)穿越天山腹地，沿阿拉溝河谷逆流迂回展線而上至奎先達(dá)坂，以6.152 km隧道(奎先隧道)越嶺進(jìn)入烏拉斯臺(tái)溝后，再沿河谷迂回展線而下，出谷口進(jìn)入焉耆盆地。由于兩條河谷溝床縱坡大，對(duì)線路進(jìn)行了大量的展線，展線系數(shù)達(dá)1.85，最大坡度為22‰，落差達(dá)1 882～2 180 m。魚和段是千里南疆線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)最低、抵御自然災(zāi)害能力最弱、運(yùn)能最小、運(yùn)營(yíng)條件最為困難的地段，是整個(gè)南疆鐵路的“盲腸”，存在著標(biāo)準(zhǔn)低、路況差、海拔高、坡度大、洪水威脅大、運(yùn)營(yíng)成本高等缺陷。該段線路必須另辟徑路，選擇地形、自然環(huán)境較好的場(chǎng)地，按較高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。

根據(jù)總體指導(dǎo)思想，結(jié)合天山地勢(shì)、地形、地貌等特點(diǎn)，從縮短線路長(zhǎng)度和越嶺隧道長(zhǎng)度入手，對(duì)包括建1條新線與既有線組成雙單線在內(nèi)的各類方案進(jìn)行了翔實(shí)的論述研究，最終確定了總體建設(shè)方案(見圖1)。

圖1 南疆鐵路吐庫二線示意

南疆鐵路吐庫段按160 km/h客貨鐵路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，吐魯番至魚兒溝和焉耆至庫爾勒段沿既有線增建二線，中段的魚兒溝至焉耆段研究新的線路走向，選擇地質(zhì)條件好、能夠顯著縮短線路長(zhǎng)度的烏蘇通越嶺埡口穿越天山，按一次雙線標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，將既有魚兒溝至焉耆段既有線路作為南疆支線，滿足地方經(jīng)濟(jì)、天山旅游開發(fā)等綜合運(yùn)輸需要，全面提升南疆鐵路吐庫段的運(yùn)輸能力。

2.2 線路走向與重大方案的確定

本工程為既有鐵路擴(kuò)能改造項(xiàng)目，線路兩端的吐魯番至魚兒溝和焉耆至庫爾勒段大部分地段地形條件均較好，采用與既有線并行及小半徑集中地段雙線繞行兩種方式。其重大方案主要集中在魚兒溝至焉耆之間的中天山及喀拉塔格越嶺山區(qū)地段。

(1)中天山越嶺方案

對(duì)既有線進(jìn)行深入研究后，認(rèn)為魚兒溝至焉耆段線路必須另辟徑路。因此，對(duì)既有線以東區(qū)域內(nèi)的中天山地形、地質(zhì)情況進(jìn)行了全面分析[10]，提出了烏蘇通、科可乃可與干溝長(zhǎng)短隧道越嶺的五大方案。經(jīng)綜合比選，烏蘇通越嶺方案線路短、隧道總長(zhǎng)適中、橋梁工程省、工程地質(zhì)條件好。

在大面積選線過程中，應(yīng)重視線路研究和地質(zhì)調(diào)查資料之間的緊密結(jié)合。工程實(shí)施期間所揭示的地質(zhì)資料與勘察資料基本一致，其地質(zhì)選線理念為合理選線和安全施工創(chuàng)造了良好條件。該重點(diǎn)工程在地質(zhì)資料準(zhǔn)確性、工法選擇、巖體物理力學(xué)參數(shù)劃分等方面達(dá)到國內(nèi)長(zhǎng)大鐵路隧道勘察的先進(jìn)水平。

其技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)概括如下：

①采用調(diào)查、鉆探、物探、試驗(yàn)等綜合地質(zhì)勘察手段，查明了沿線巖土的工程地質(zhì)特征和水文地質(zhì)特征。經(jīng)施工驗(yàn)證，未發(fā)生因地質(zhì)勘察資料不準(zhǔn)而造成的重大變更。

②采用調(diào)查、鉆探、物探、試驗(yàn)等綜合地質(zhì)勘察手段，進(jìn)行中天山隧道圍巖TBM掘進(jìn)機(jī)的適應(yīng)性分析研究，為施工方法的選擇提供了準(zhǔn)確的地質(zhì)資料。

③在加深地質(zhì)、初測(cè)、定測(cè)及施工階段，多次開展可控源音頻大地電磁(CSAMT)V8測(cè)線，音頻大地電磁法(AMT)、地震折射法和音頻大地電場(chǎng)的綜合物探工作。

21世紀(jì)以來，小水電開發(fā)引起的生態(tài)環(huán)境破壞、水土流失、河道斷流等諸多問題引起了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。媒體曾集中報(bào)道陜西嵐河、湖北神農(nóng)架、廣西桂北、甘肅舟曲白龍江等地小水電開發(fā)導(dǎo)致部分河段脫流斷流問題，而小水電是重要的民生水利基礎(chǔ)設(shè)施和清潔可再生能源，已建成的小水電解決了無電、缺電地區(qū)用電問題，有力推動(dòng)了地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，在江河治理、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面做出了重要貢獻(xiàn)。因此，為消除小水電建設(shè)的帶來的負(fù)面影響，必須通過借鑒國際經(jīng)驗(yàn)，把小水電開發(fā)利用提高到一個(gè)新的水平。

④中天山特長(zhǎng)隧道巖爆預(yù)測(cè)中，進(jìn)行了大量的土工試驗(yàn)和物探，獲取了合理的巖體物理力學(xué)參數(shù)，判定了不同圍巖應(yīng)力狀態(tài)下巖爆的臨界狀態(tài)，劃分了巖爆段落。經(jīng)施工驗(yàn)證，巖爆段落與設(shè)計(jì)基本一致。

(2)喀拉塔格越嶺方案

喀拉塔格為中天山支系山脈，山體基巖裸露風(fēng)化，植被稀疏,,越嶺埡口附近山體最高峰高程約為1 930 m。在定測(cè)階段，根據(jù)地形和工程地質(zhì)條件，研究了長(zhǎng)、短隧道兩個(gè)方案。

長(zhǎng)隧道方案由一座9.63 km長(zhǎng)隧道和1座0.402 km短隧道組成，橋梁工程較小；短隧道方案僅設(shè)1座7.807 km的隧道，但橋梁工程較長(zhǎng)隧道方案多2.372 km。短隧道方案較長(zhǎng)隧道方案工程投資高約3 000萬元。

針對(duì)上述情況，加大了地質(zhì)選線的工作深度，特別是對(duì)長(zhǎng)隧道方案的隧道洞口地質(zhì)情況進(jìn)行了深入研究。研究結(jié)果表明，其塔塔爾淺埋隧道(0.402 km)兩端洞口巖石較為破碎，存在滑塌、危巖、落石等威脅，安全風(fēng)險(xiǎn)較大，經(jīng)補(bǔ)充定測(cè)階段的進(jìn)一步研究比選，綜合考慮工程地質(zhì)、線形、工期、運(yùn)營(yíng)條件等因素，最終推薦該越嶺方案采用短隧方案(1座7.807 km隧道)。后續(xù)施工及運(yùn)營(yíng)實(shí)踐證明，短隧道方案以橋代隧，避開了不良地質(zhì)，消除了安全風(fēng)險(xiǎn)隱患，改善了運(yùn)營(yíng)及維修條件。

(3)速度目標(biāo)值方案

本線增建二線及魚焉新建段的綜合研究表明，南疆鐵路吐庫段選擇V=160 km/h方案，吐魯番至庫爾勒間的旅行時(shí)間可控制在3 h以內(nèi)，滿足與高速公路、航空運(yùn)輸競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)間目標(biāo)值要求，也可以滿足烏魯木齊與庫爾勒兩地開行“晨發(fā)夕歸”城際快速列車的要求。

從本線定位來說，南疆鐵路是以貨運(yùn)為主、客貨共線的鐵路，開行的旅客列車以普速客車為主，200 km/h速度目標(biāo)值方案將廢棄較多的既有線，經(jīng)濟(jì)性較差；速度目標(biāo)值160 km/h方案投資適中(見表1)，提速效果較好，故推薦采用160 km/h速度目標(biāo)值方案。

表1 速度目標(biāo)值方案線路長(zhǎng)度與投資比較

從速度目標(biāo)值比較來看，線上160 km/h、線下200 km/h方案較160 km/h方案增加投資8.9億元，在2006年基建投資緊張的大背景下，推薦了160 km/h方案，但從現(xiàn)今鐵路發(fā)展趨勢(shì)來看，本線可能已失去繼續(xù)提速的條件，對(duì)于兼顧承擔(dān)烏魯木齊至庫爾勒兩市城際功能的本段線路，還是多少留有遺憾。

3 本項(xiàng)目技術(shù)方案特點(diǎn)

3.1 有效縮短線路長(zhǎng)度

通過方案優(yōu)化，縮短線路長(zhǎng)度約123 km，節(jié)省旅行時(shí)間、提高運(yùn)輸效率、降低運(yùn)輸費(fèi)用的效果十分顯著，為擴(kuò)大邊疆與內(nèi)地及南、北疆間的交流創(chuàng)造了良好的交通條件。

3.2 電氣化改造

由內(nèi)燃牽引的單線鐵路改建為雙線電氣化鐵路，徹底改變了既有線的薄弱環(huán)節(jié)，極大提高了運(yùn)輸質(zhì)量。

3.3 復(fù)雜山區(qū)選線

貫徹復(fù)雜山區(qū)鐵路選線思路，依據(jù)展線條件和橋隧工程布設(shè)，發(fā)揮了特長(zhǎng)隧道的越嶺效果，將線路長(zhǎng)度從原457 km縮短到334 km，牽引質(zhì)量從1 800 t增加到4 000～4 500 t，降低了運(yùn)營(yíng)成本，充分體現(xiàn)了本項(xiàng)目低投入、高回報(bào)的投資價(jià)值。

3.4 擋風(fēng)墻設(shè)置

在吐魯番至魚兒溝間設(shè)置擋風(fēng)墻53 km，極大地提高了線路防風(fēng)能力，減少了停輪避風(fēng)概率。

3.5 運(yùn)輸質(zhì)量提升

線路通過能力和運(yùn)輸質(zhì)量大幅度提升，為南疆地區(qū)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展提供了充足的運(yùn)力保證，全面扭轉(zhuǎn)了南疆地區(qū)特別是庫爾勒地區(qū)鐵路限制運(yùn)輸?shù)那闆r，直快列車從庫爾勒至烏魯木齊只需4.5 h，提高了鐵路的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，降低了運(yùn)營(yíng)成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4 綜合效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

線路由單線內(nèi)燃牽引改建為160 km/h雙線電氣化客貨共線鐵路，改建后線路最大坡度從22‰下降到13‰，牽引質(zhì)量從1 800 t增加到4 000～4 500 t，線路高程從2 985 m降至1 480 m，線路長(zhǎng)度從457 km縮短至334 km，運(yùn)輸能力大幅提升，運(yùn)輸成本顯著降低。自開通至今，僅增開客車已達(dá)17對(duì)/日，徹底解決了運(yùn)能限制運(yùn)輸?shù)膯栴}，運(yùn)營(yíng)條件、運(yùn)營(yíng)質(zhì)量、運(yùn)營(yíng)水平均發(fā)生質(zhì)的飛躍，經(jīng)濟(jì)效益突出。

4.2 社會(huì)效益

本段線路改建前為千里南疆線運(yùn)輸能力的瓶頸地段，處于能力飽和限制運(yùn)輸狀態(tài)，年輸送能力不足800萬t。本次技術(shù)改造后，運(yùn)行圖通過能力躍升至180對(duì)/日，全面扭轉(zhuǎn)了南疆鐵路限制運(yùn)輸?shù)臓顩r，為南疆地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展注入了強(qiáng)大的活力，經(jīng)由本線庫爾勒至烏魯木齊直快列車從原先的10 h縮短為4.5 h(公路客運(yùn)為6～7 h)，“南疆之星”城際列車的開行給南北疆之間的交流產(chǎn)生了歷史性改變，拉近了新疆“北烏(魯木齊)南庫(爾勒)”兩個(gè)重要中心城市的時(shí)空距離。因線路運(yùn)營(yíng)里程的大幅縮短，旅客列車各類票價(jià)下降約15%，也為鐵路、地方大力發(fā)展現(xiàn)代物流業(yè)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，社會(huì)效益顯著。

4.3 技術(shù)效益

本線由單線內(nèi)燃牽引改建為160 km/h雙線電氣化客貨共線鐵路，實(shí)現(xiàn)了與蘭新通道的直通匹配，線路最小曲線半徑由原先的400 m增大至1 600 m，縮短線路長(zhǎng)度123 km，按清理概算的108.7億元總投資計(jì)算，單線公里(不含利用既有線)技術(shù)指標(biāo)為1 806.6萬元/km，考慮本線橋隧總長(zhǎng)69.6 km(雙線)的情況與產(chǎn)生的巨大經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益相比，項(xiàng)目投資低廉，以較小的投資代價(jià)實(shí)現(xiàn)了效益最大化，貫徹了鐵路發(fā)展技術(shù)政策，是“技術(shù)創(chuàng)造效益”的具體實(shí)踐。

5 支撐項(xiàng)目決策的思考

既有鐵路擴(kuò)能項(xiàng)目存在廢棄工程量與提高線路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之間的決策困擾。一般情況下，改造線路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)越高，則意味著廢棄線路越長(zhǎng)、廢棄工程量越大，這就需要充分掌握沿線地形、地質(zhì)條件，跟蹤相關(guān)專業(yè)技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)、鐵路勘察地理信息技術(shù)、修建技術(shù)及設(shè)備水平，積極開展科技創(chuàng)新，全面開展方案論證和綜合效益分析，剖析各方案改造效果、投資付出與廢棄工程量之間的矛盾，平衡各種因素，以鐵路可持續(xù)發(fā)展為主導(dǎo)，落實(shí)功能定位目標(biāo)，為項(xiàng)目建設(shè)方案決策提供翔實(shí)可靠的技術(shù)依據(jù)，以準(zhǔn)確可靠的技術(shù)方案保障推進(jìn)項(xiàng)目決策進(jìn)程。