鄭萬(wàn)鐵路羅家山至楚烽段綜合選線(xiàn)研究

張 爽

(中鐵二院成都勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，四川成都 610081)

在鐵路工程設(shè)計(jì)與建設(shè)中，選線(xiàn)是一項(xiàng)兼具綜合性與復(fù)雜性的系統(tǒng)工程，是影響全局的總體工作，選線(xiàn)的質(zhì)量直接影響鐵路工程建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的安全性、技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)合理性。在我國(guó)西部地形地質(zhì)復(fù)雜山區(qū)高速鐵路建設(shè)中，綜合選線(xiàn)研究的重要性更為突出。

朱穎提出了堅(jiān)持地質(zhì)選線(xiàn)、重大工程優(yōu)先選址、環(huán)保選線(xiàn)、規(guī)劃選線(xiàn)、資源選線(xiàn)、橫斷面選線(xiàn)六位一體的鐵路選線(xiàn)理念[1]；王子江等揭示了復(fù)雜巖溶區(qū)高速鐵路選線(xiàn)的巖溶致災(zāi)因子及災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)型并創(chuàng)立了減災(zāi)選線(xiàn)理論[2]，樂(lè)重對(duì)綜合選線(xiàn)的原則進(jìn)行了探討并提出了相應(yīng)的規(guī)劃選線(xiàn)、地質(zhì)選線(xiàn)、安全選線(xiàn)等原則[3]；王爭(zhēng)鳴提出了部分復(fù)雜山區(qū)鐵路選線(xiàn)思路及理念并要求按照“舍小求大”的原則進(jìn)行綜合比選，以確定最優(yōu)方案[4]；李光偉提出巖溶區(qū)地質(zhì)選線(xiàn)的8條觀點(diǎn)和建議[5]；白孝勇等也對(duì)復(fù)雜山區(qū)鐵路選線(xiàn)進(jìn)行了分析與總結(jié)[6-9]。結(jié)合以上研究與實(shí)踐，以鄭萬(wàn)鐵路的勘察設(shè)計(jì)為例，因地制宜地制定選線(xiàn)指導(dǎo)原則，應(yīng)用于羅家山至楚烽段的選線(xiàn)，為巖溶發(fā)育、危巖落石等不良地質(zhì)區(qū)域的高速鐵路減災(zāi)選線(xiàn)成套技術(shù)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

鄭萬(wàn)鐵路羅家山至楚烽段(DK514～DK537)線(xiàn)路位于荊山山脈西北端和神農(nóng)架林區(qū)東部，為溶蝕、侵蝕中低山區(qū)，地面高程450～2000 m。本段位于神農(nóng)架穹隆構(gòu)造東部，斷層及褶皺較發(fā)育，主要構(gòu)造為新華斷裂和聚龍山復(fù)式向斜。區(qū)域內(nèi)奇峰異嶺、層巒疊嶂、山高谷深、峽谷眾多，形成溶蝕洼地、溶洞、落水坑等各種類(lèi)型的巖溶地貌。本段控制線(xiàn)路方案的地質(zhì)問(wèn)題主要有巖溶及巖溶水、危巖落石、壓覆磷礦及采空、斷層、滑坡、巖堆等[10]。本段所處位置見(jiàn)圖1。

圖1 研究段在鄭萬(wàn)鐵路的位置

2 研究重點(diǎn)

2.1 不良地質(zhì)[11]

(1)可溶巖：本線(xiàn)可溶巖分布范圍較廣，線(xiàn)路應(yīng)盡量避開(kāi)巖溶強(qiáng)烈發(fā)育地區(qū)，若無(wú)法繞避，線(xiàn)路應(yīng)盡量靠近巖溶水排泄區(qū)(靠近河流)或盡量抬高線(xiàn)路設(shè)計(jì)高程，使線(xiàn)路走行在巖溶水水平循環(huán)帶之上。

(2)斷裂帶：本段線(xiàn)路斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要有白果樹(shù)溝斷層、兩河口斷層、新華斷裂，線(xiàn)路應(yīng)盡量少穿斷層，走行于巖性較好的區(qū)域。

(3)采空區(qū)：白竹磷礦、保烽磷礦、楚烽磷礦均分布于研究范圍內(nèi)，線(xiàn)路應(yīng)繞避采空區(qū)，并盡量不壓礦藏。

2.2 橋梁工程

結(jié)合工點(diǎn)的具體情況，對(duì)橋梁工程的墩高、跨度進(jìn)行專(zhuān)題研究，同時(shí)對(duì)高墩大跨橋梁豎向變形控制、橋-軌相互作用形式進(jìn)行具體分析。研究結(jié)論為：減少高墩現(xiàn)澆簡(jiǎn)支梁的數(shù)量并將溫度聯(lián)長(zhǎng)控制在200 m以?xún)?nèi)，以滿(mǎn)足無(wú)碴軌道的鋪設(shè)要求，并按此指導(dǎo)線(xiàn)路方案的選擇。

2.3 重大工程優(yōu)先選址

沿線(xiàn)危巖落石強(qiáng)烈發(fā)育，且線(xiàn)路均以橋隧相連形式通過(guò)，需先進(jìn)行多方案比選，確定重大橋梁橋位、隧道進(jìn)出口位置，再考慮其兩端連接線(xiàn)路方案的綜合性技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比選。

2.4 平、縱斷面系統(tǒng)優(yōu)化

根據(jù)長(zhǎng)大坡度、高墩大跨橋梁和長(zhǎng)大隧道分布，運(yùn)用“頂層設(shè)計(jì)、系統(tǒng)優(yōu)化”的理念，將平面和縱斷面同時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，制定了“適應(yīng)自然環(huán)境、降低工程風(fēng)險(xiǎn)、縮短線(xiàn)路長(zhǎng)度、減小工程量”4個(gè)頂層目標(biāo)，詳細(xì)研究各種坡度方案，以達(dá)到高速動(dòng)車(chē)組與自然環(huán)境、線(xiàn)路平縱面設(shè)計(jì)三者的協(xié)調(diào)融合。

3 線(xiàn)路方案

3.1 方案介紹

(1)新華取直方案

線(xiàn)路長(zhǎng)度較短，埋深較大，大部分線(xiàn)路位于巖溶發(fā)育區(qū)，較長(zhǎng)的地段位于水平流動(dòng)帶以下。

(2)馬橋繞行方案

可溶巖段線(xiàn)路長(zhǎng)度較長(zhǎng)，線(xiàn)路壓覆白竹磷礦(儲(chǔ)量約3 650×104t)。

可研階段線(xiàn)路方案如圖2所示。

圖2 可研階段線(xiàn)路方案平面示意

(3)有待進(jìn)一步解決的問(wèn)題

經(jīng)綜合分析可知：線(xiàn)路通過(guò)巖溶及巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)均較長(zhǎng)，危巖落石等不良地質(zhì)體的處理較困難。此外，還涉及采空區(qū)及壓覆礦等問(wèn)題，有必要對(duì)線(xiàn)路方案進(jìn)一步優(yōu)化。

3.2 方案剖析

(1)外在分析

①面狀分析

開(kāi)展大面積地質(zhì)調(diào)繪，分析研究其水文地質(zhì)條件，繪制本區(qū)域內(nèi)巖溶水單元及巖溶水文地質(zhì)圖(見(jiàn)圖3)，收集、核實(shí)磷礦采空區(qū)及礦產(chǎn)儲(chǔ)量，從宏觀層面分析研究線(xiàn)路走向。

②線(xiàn)狀研究

羅家山至楚烽段線(xiàn)路起、終點(diǎn)高程分別為834 m和860 m，中部隧道之間均由處于“V”形峽谷處的橋梁連接，從橋位、橋高、通過(guò)巖溶段落、危巖落石、磷礦及采空區(qū)、人字坡隧道設(shè)置條件等多方面進(jìn)行研究，主要對(duì)四組方案進(jìn)行綜合比較。方案一：經(jīng)白竹磷礦北側(cè)方案；方案二：下穿白竹磷礦方案；方案三：線(xiàn)路取直方案；方案四：經(jīng)兩河口方案。各方案示意見(jiàn)圖4。

圖4 羅家山—楚烽段線(xiàn)路方案示意

對(duì)羅家山—楚烽段各線(xiàn)路方案進(jìn)行地質(zhì)條件的綜合比較，見(jiàn)表1。

表1 羅家山—楚烽段線(xiàn)路方案地質(zhì)條件比較

各方案穿越可溶巖長(zhǎng)度、地層巖性、巖溶發(fā)育程度大致相當(dāng)，但“方案三”(取直方案)隧道洞頂分布有常年水溝，隧道埋深大，故其位于水平徑流帶長(zhǎng)度最長(zhǎng)，最大水頭高度最大，水文地質(zhì)條件最差，涌突水的風(fēng)險(xiǎn)最高?！胺桨杆摹?經(jīng)兩河口方案)水頭高度較小，水文地質(zhì)條件較好?！胺桨付焙汀胺桨溉本┰搅吮？底畲蟮V區(qū)—白竹磷礦，壓覆磷礦超過(guò)3 000×104t，且“方案二”存在采空問(wèn)題；除“方案一”外，各方案均對(duì)沿線(xiàn)十分發(fā)育的不良地質(zhì)(滑坡、巖堆、泥石流)進(jìn)行了繞避，線(xiàn)路穿過(guò)的巖堆規(guī)模相對(duì)較小，易于處理。

經(jīng)綜合分析，方案四(經(jīng)兩河口方案)地質(zhì)條件最優(yōu)，為推薦方案。

在“方案四”(經(jīng)兩河口繞行方案)的線(xiàn)位基礎(chǔ)上開(kāi)展深入研究，需首先落實(shí)兩河口特大橋的選址及躲避危巖落石的可行性。

經(jīng)分析研究，總結(jié)出“兩河交匯處必有山脊可利用”的選線(xiàn)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)而快速定位重大工程(隧道進(jìn)出口、橋址)，利用自然形成的山脊躲避危巖落石。

(2)內(nèi)在分析

①水文地質(zhì)縱斷面

利用定測(cè)階段的鉆探和物探成果，開(kāi)展巖溶水文地質(zhì)、工程條件分析評(píng)價(jià)，分析隧洞與地下水文地質(zhì)單元之間的水力聯(lián)系，預(yù)測(cè)線(xiàn)路施工可能引發(fā)的工程地質(zhì)問(wèn)題，巖溶水單元的地下水流向示意見(jiàn)圖5。

圖5 魚(yú)頭河巖溶水單元地下水流向示意

由水文地質(zhì)縱斷面控制線(xiàn)路高程，隧道盡量處于巖溶水平循環(huán)帶以上，以減少巖溶及巖溶水對(duì)工程的影響。

②坡度方案研究

本線(xiàn)為速度目標(biāo)值350 km/h的復(fù)雜山區(qū)客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)，對(duì)于無(wú)法繞避的可溶巖地區(qū)，應(yīng)盡量抬高線(xiàn)路設(shè)計(jì)高程，創(chuàng)造巖溶隧道“人字坡”的設(shè)置條件?？v斷面設(shè)置情況見(jiàn)圖6。

圖6 縱斷面示意

現(xiàn)行高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范[12]規(guī)定：“最大設(shè)計(jì)坡度采用30‰時(shí)，坡段長(zhǎng)度不宜大于3 km”，考慮到本線(xiàn)實(shí)際情況和動(dòng)車(chē)組的性能，以及配套養(yǎng)護(hù)設(shè)備的改進(jìn)[13]，對(duì)行車(chē)檢算、長(zhǎng)大坡度電分相檢算及動(dòng)車(chē)組列車(chē)對(duì)坡度的適應(yīng)性進(jìn)行了專(zhuān)題研究[14]。研究結(jié)果表明，30‰的長(zhǎng)大坡段可滿(mǎn)足本線(xiàn)安全運(yùn)營(yíng)的相關(guān)要求。30‰的長(zhǎng)大坡段可抬高線(xiàn)路設(shè)計(jì)高程，改善了工程地質(zhì)條件，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

在鄭萬(wàn)鐵路羅家山—楚烽段線(xiàn)路方案的研究過(guò)程中，成功地運(yùn)用了多年來(lái)總結(jié)出的山區(qū)鐵路選線(xiàn)設(shè)計(jì)指導(dǎo)性原則，根據(jù)該客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)的特點(diǎn)，結(jié)合線(xiàn)路地形、地質(zhì)條件，采用大范圍選線(xiàn)、多方案比較，推薦了地質(zhì)及工程條件相對(duì)較好，施工及運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)可控的經(jīng)兩河口繞行方案。

本段綜合選線(xiàn)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可總結(jié)為如下幾點(diǎn)。

(1)堅(jiān)持巖溶地區(qū)選線(xiàn)的十一字方針“繞避、抬高、靠河、接近、人字坡[15]”。

(2)大坡度的使用—抬高線(xiàn)位，解決巖溶水的風(fēng)險(xiǎn)。

(3)重大工程選址—兩河口特大橋采用了主跨為(56+3×96+56) m的連續(xù)梁剛構(gòu)組合跨越峽谷，減少了高墩現(xiàn)澆簡(jiǎn)支梁的數(shù)量，并將溫度聯(lián)長(zhǎng)控制在200 m以?xún)?nèi)，以滿(mǎn)足軌道設(shè)計(jì)溫長(zhǎng)，達(dá)到不限速的目的。

(4)危巖落石選線(xiàn)—利用山脊出洞，躲避大規(guī)模危巖落石。