濟(jì)南—濱州鐵路越黃河區(qū)段線路方案研究

李波

陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中鐵一院），西安710043

1 工程概述

擬建濟(jì)南—濱州鐵路是山東省快速鐵路網(wǎng)魯北通道的重要組成部分，南端通過濟(jì)南樞紐連接京滬高速鐵路、石濟(jì)客運(yùn)專線、濟(jì)鄭客運(yùn)專線、濟(jì)萊高速鐵路，北端通過濱州站連接京滬第二通道。濟(jì)南—濱州鐵路位于山東半島城市群北部。該鐵路東起山東省濟(jì)南市，于濟(jì)南東站引出，向北經(jīng)濟(jì)南市歷城區(qū)、遙墻機(jī)場(chǎng)、章丘區(qū)，跨（穿）越黃河至濟(jì)南市濟(jì)陽(yáng)區(qū)、商河縣，向東經(jīng)濱州市惠民縣、濱城區(qū)，接入既有德州—煙臺(tái)鐵路濱州站［1］。

受線路宏觀走向影響，該鐵路經(jīng)遙墻機(jī)場(chǎng)后至濟(jì)陽(yáng)區(qū)須跨（穿）越黃河。跨（穿）越黃河工程是該鐵路控制性工程，特別是高速鐵路以隧道下穿黃河在國(guó)內(nèi)尚屬首例，對(duì)工期、投資影響較大。本文綜合考慮各方面條件提出4個(gè)線路方案，并采用因素分析法對(duì)各方案進(jìn)行綜合比選，得出隧道跨（穿）越黃河最優(yōu)方案。

2 方案影響因素

2.1 地質(zhì)條件

濟(jì)南—濱州鐵路在濟(jì)南市北側(cè)跨（穿）越黃河。工程區(qū)地貌單元屬黃河下游的沖、洪積平原［2］。由于黃河淤積及人工填筑作用地形中間高，南北兩側(cè)低。黃河大堤高程約32～36 m，堤壩外地面高程約18～21 m。工程區(qū)第四系覆蓋層厚度較大，主要為全新統(tǒng)人工填土、沖洪積黏土、粉質(zhì)黏土、粉土和上更新統(tǒng)黏土、粉質(zhì)黏土、粉土和中砂。地層總體上含水率高，壓縮性高，承載力低，需要換填或加固處理［3］。特殊的地層巖性對(duì)上跨或下穿黃河工程有較大影響。若采用隧道下穿黃河，大堤下隧道施工對(duì)地層的擾動(dòng)和地下水的作用可能引起管涌或黃河大堤不均勻沉降，施工難度較大。若采用橋梁上跨黃河，橋梁超長(zhǎng)樁基施工亦存在成孔困難等施工風(fēng)險(xiǎn)［4］。

2.2 既有黃河公路橋分布對(duì)鐵路橋選址的影響

既有黃河公路橋分布見圖1。既有公路橋4座，擬建公路橋1座。根據(jù)《黃河河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目技術(shù)審查標(biāo)準(zhǔn)》中的要求：橋位選擇應(yīng)在河道順直、河水流速穩(wěn)定地段；橋間距不應(yīng)小于橋梁壅水長(zhǎng)度的1.5～2.0倍。按照該要求，新建鐵路橋與既有公路橋間距不應(yīng)小于6 km。

圖1 既有黃河公路橋分布

2.3 濟(jì)陽(yáng)區(qū)總體規(guī)劃及濟(jì)陽(yáng)站設(shè)置條件

濟(jì)陽(yáng)區(qū)臨近黃河西岸，濟(jì)陽(yáng)站位對(duì)跨（穿）越黃河工程影響較大。濟(jì)陽(yáng)區(qū)老城區(qū)居?xùn)|，緊鄰黃河大堤，發(fā)展空間有限。新城區(qū)居西，規(guī)劃向西發(fā)展至大寺河，向南發(fā)展至回河鎮(zhèn)。國(guó)道G220以東、省道S239以北區(qū)域村莊遷改、高層住宅建設(shè)已經(jīng)完成；省道S239南側(cè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)已經(jīng)建成，北側(cè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)基本成型。基于上述情況，濟(jì)陽(yáng)站位的選擇應(yīng)盡量減少對(duì)城市的分割，減少不必要的拆遷，盡可能在靠近城市建成區(qū)邊緣設(shè)站。

2.4 遙墻機(jī)場(chǎng)電磁環(huán)境及飛行凈空的要求

遙墻機(jī)場(chǎng)現(xiàn)有T1航站樓及東一跑道，近期規(guī)劃T2航站樓和西一、西二跑道，遠(yuǎn)期規(guī)劃T3航站樓、東二跑道。鐵路建設(shè)應(yīng)滿足GB 6364—2013《航空無線電導(dǎo)航臺(tái)（站）電磁環(huán)境要求》。此外，鐵路高程還應(yīng)滿足飛機(jī)飛行凈空高度的要求［5］。

3 線路方案研究

根據(jù)上述影響因素，設(shè)計(jì)了隧道下穿黃河方案（C1）、利用規(guī)劃國(guó)道G308橋位方案（C2）、利用既有迎賓黃河大橋橋位方案（C3）和既有迎賓黃河大橋下游7 km橋位方案（C4）四個(gè)方案，見圖2。

圖2 線路方案示意

3.1 方案概述

3.1.1 隧道下穿黃河方案（C1）

該方案線路自遙墻機(jī)場(chǎng)站引出，于既有迎賓黃河大橋上游2.5 km處設(shè)隧道下穿黃河，從溝楊水源地二級(jí)保護(hù)區(qū)北側(cè)通過，下穿省道S248后上跨國(guó)道G220、經(jīng)回河鎮(zhèn)南部產(chǎn)業(yè)園后折向北，于濟(jì)陽(yáng)城區(qū)西側(cè)6.0 km處的黎家村設(shè)濟(jì)陽(yáng)站，出站后依次跨濟(jì)東高速公路、國(guó)道G220、徒駭河至許家村北側(cè)。線路長(zhǎng)度42.08 km，橋梁長(zhǎng)度30.5 km，隧道長(zhǎng)度8.28 km，橋隧比92.2%，靜態(tài)投資83.72億元。

3.1.2 利用規(guī)劃國(guó)道G308橋位方案（C2）

該方案線路自遙墻機(jī)場(chǎng)站引出，與規(guī)劃國(guó)道G308跨黃河大橋并行設(shè)橋，跨越黃河后折向北，與C1方案共線至許家村北側(cè)。線路長(zhǎng)度42.68 km，橋梁長(zhǎng)度35.74 km，隧道長(zhǎng)度4.0 km，橋隧比93.11%，靜態(tài)投資82.21億元。

3.1.3 利用既有迎賓黃河大橋橋位方案（C3）

該方案線路自遙墻機(jī)場(chǎng)站引出，與既有迎賓黃河大橋并行設(shè)橋，鐵路橋與公路橋?qū)自O(shè)置，采用跨徑（107+195+216+195+107）m矮塔斜拉橋跨越黃河，于王明官村北側(cè)設(shè)濟(jì)陽(yáng)站，出站后跨越京滬高速公路與C1方案共線至許家村北側(cè)。線路長(zhǎng)度40.96 km，橋梁長(zhǎng)度34.97 km，隧道長(zhǎng)度2.62 km，橋隧比91.78%，靜態(tài)投資73.94億元。

3.1.4既有迎賓黃河大橋下游7 km橋位方案（C4）

該方案線路自遙墻機(jī)場(chǎng)站引出，在既有迎賓黃河大橋下游7 km處以（120+3×180+120）m柔性拱連續(xù)鋼桁梁橋跨越黃河，然后折向北于濟(jì)陽(yáng)城區(qū)東北側(cè)東八里村設(shè)濟(jì)陽(yáng)站，出站后跨省道S239、國(guó)道G220、濟(jì)東高速公路至許家村北側(cè)。線路長(zhǎng)度40.98 km，橋梁長(zhǎng)度34.93 km，隧道長(zhǎng)度2.62 km，橋隧比91.64%，靜態(tài)投資72.52億元。

3.2 方案綜合比選

3.2.1 單因素的影響分析

1）黃河水利委員會(huì)對(duì)跨越黃河公路、鐵路橋間距的要求

根據(jù)黃河水利委員會(huì)（簡(jiǎn)稱黃委會(huì)）審查意見，C2方案跨黃河橋在采用鐵路與規(guī)劃國(guó)道G308跨黃河大橋公鐵合建的前提下才能滿足新設(shè)橋位與既有橋位間距大于6 km的要求；C3方案與既有迎賓黃河大橋并行設(shè)橋跨越黃河，兩座跨黃河橋雖對(duì)孔設(shè)置，但對(duì)該區(qū)段黃河冬季防凌仍有不利影響，不滿足黃委會(huì)相關(guān)規(guī)定。C1方案采用隧道下穿黃河，C4方案黃河橋位距離既有黃河公路橋較遠(yuǎn)，兩方案均滿足黃委會(huì)相關(guān)要求。

2）黃河橋（隧）工程條件

C1方案線路以隧道下穿黃河，可節(jié)省黃河橋位資源，工程建設(shè)對(duì)黃河防凌無影響，鐵路施工、運(yùn)營(yíng)期間不影響黃河水路航運(yùn)。但是下穿黃河段地質(zhì)條件較差，隧道采用大斷面盾構(gòu)施工，難度較大。

C2方案須采用鐵路與規(guī)劃G318跨黃河大橋公鐵合建的模式以滿足新設(shè)橋位與既有橋位間距大于6 km的要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了橋位資源的最大共享。但公鐵合建對(duì)橋梁荷載、剛度要求較高，須采用大跨度鋼結(jié)構(gòu)橋，施工難度大，工程費(fèi)用高。此外，公路與鐵路由不同建設(shè)單位主管，協(xié)調(diào)難度大，工程建設(shè)時(shí)機(jī)、投資劃分、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等相關(guān)事宜均會(huì)影響工程建設(shè)的進(jìn)度。

C3方案采用（107+195+216+195+107）m矮塔斜拉橋跨越黃河，雖然工程規(guī)模較大，但國(guó)內(nèi)已有成熟施工方法［6］，建設(shè)難度適中。

C4方案擬采用一聯(lián)（120+3×180+120）m柔性拱連續(xù)鋼桁梁橋跨越黃河，橋梁跨度較大，建設(shè)難度適中。

3）滿足遙墻機(jī)場(chǎng)飛行安全要求

本工程建設(shè)應(yīng)滿足遙墻機(jī)場(chǎng)飛行凈空及電磁環(huán)境的要求。

①滿足機(jī)場(chǎng)飛行凈空的要求

C2、C3和C4方案線路跨黃河橋跨度均較大，橋梁結(jié)構(gòu)較高。機(jī)場(chǎng)飛行凈空對(duì)內(nèi)水平面、錐形面以及起飛爬升面范圍內(nèi)的建筑物高度有明確要求。C1方案以隧道下穿黃河，滿足機(jī)場(chǎng)飛行凈空要求。C2、C3和C4方案跨黃河橋均位于機(jī)場(chǎng)西一跑道北側(cè)延長(zhǎng)線上。C2方案線路跨黃河橋距離西一跑道北端4 200 m，黃河橋結(jié)構(gòu)高40 m，比起飛爬升面低8 m，比錐形面高19 m，雖然滿足飛行凈空要求，但富余值較小，仍存在一定安全隱患，須進(jìn)一步減小孔跨，降低結(jié)構(gòu)高度。C3方案鐵路跨黃河橋距離西一跑道北側(cè)6 600 m，橋梁結(jié)構(gòu)高度比起飛爬升面低40 m，滿足飛行凈空要求。C4方案線路跨黃河橋與西一跑道距離較遠(yuǎn)，跨黃河橋結(jié)構(gòu)高度遠(yuǎn)小于飛行凈空面高度，滿足機(jī)場(chǎng)飛行凈空要求。

②滿足機(jī)場(chǎng)電磁環(huán)境的要求

根據(jù)航空無線電導(dǎo)航臺(tái)（站）電磁環(huán)境要求，電氣化鐵路建設(shè)應(yīng)滿足機(jī)場(chǎng)各種導(dǎo)航設(shè)施的電磁環(huán)境要求。影響范圍最大的導(dǎo)航設(shè)施是全向信標(biāo)臺(tái)。全向信標(biāo)臺(tái)半徑300 m以外的障礙物相對(duì)基準(zhǔn)面的垂直張角不應(yīng)超過2°。4個(gè)方案均滿足要求。

4）與濟(jì)陽(yáng)區(qū)現(xiàn)狀和城市規(guī)劃的協(xié)調(diào)性

C1、C2和C3方案均于濟(jì)陽(yáng)區(qū)西側(cè)設(shè)站，滿足濟(jì)南市北向發(fā)展、濟(jì)陽(yáng)區(qū)向南融合的需求。其中C3方案中濟(jì)陽(yáng)站更靠近城區(qū)，但線路穿越回河鎮(zhèn)綜合服務(wù)區(qū)，須拆遷在建高層建筑和物流園區(qū)部分建筑，拆遷工程量大。C4方案濟(jì)陽(yáng)站位于濟(jì)陽(yáng)城區(qū)東北側(cè)，受黃河阻隔和南岸機(jī)場(chǎng)規(guī)劃的影響，濟(jì)陽(yáng)站僅能兼顧濟(jì)陽(yáng)區(qū)東北片區(qū)，不滿足濟(jì)陽(yáng)區(qū)向南融合的發(fā)展需求，與規(guī)劃的協(xié)調(diào)性差。

5）對(duì)環(huán)境敏感點(diǎn)的影響

工程區(qū)主要有黃河水源生態(tài)保護(hù)區(qū)及溝楊水源保護(hù)區(qū)2個(gè)環(huán)境敏感點(diǎn)。4個(gè)方案均穿越水源生態(tài)保護(hù)區(qū)，其中C1方案以隧道下穿黃河，無地面工程，對(duì)生態(tài)保護(hù)區(qū)影響最小。C1、C2方案線路分別穿越溝楊水源保護(hù)區(qū)4.2、3.9 km。C3、C4方案鐵路不經(jīng)溝楊水源保護(hù)區(qū)。經(jīng)與生態(tài)紅線和水源地行政主管部門溝通，4個(gè)方案均可行，但要采取相應(yīng)的環(huán)境保護(hù)措施，降低鐵路建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響［7］。

6）工程投資

綜合考慮機(jī)場(chǎng)位置、濟(jì)陽(yáng)站位、繞避拆遷、線路穿越黃河位置以及工程形式，C1方案鐵路須限速至300 km∕h，C3、C4方案鐵路須限速至160 km∕h，C2方案鐵路須限速至200 km∕h［8］。4個(gè)方案工程量及投資對(duì)比見表1。可見：C1、C2方案投資較高，C4方案投資最省。與C1方案相比，C2、C3、C4方案投資分別減小1.51、9.78、11.20億元。

表1 各方案工程量及投資對(duì)比

3.2.2 多因素的綜合影響分析

濟(jì)南—濱州鐵路跨越黃河線路方案從黃委會(huì)對(duì)跨越黃河公路和鐵路橋間距的要求（防洪要求）、黃河橋（隧）工程條件、滿足遙墻機(jī)場(chǎng)飛行安全要求、與濟(jì)陽(yáng)區(qū)現(xiàn)狀和規(guī)劃的協(xié)調(diào)性、對(duì)環(huán)境敏感點(diǎn)的影響來看，四個(gè)比選方案各有優(yōu)缺點(diǎn)。采用因素分析法對(duì)方案的各影響因素進(jìn)行分析。具體分析步驟為：

1）確定各方案影響因素的權(quán)重。先建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，再通過熵值進(jìn)行評(píng)價(jià)。工程條件、防洪要求和機(jī)場(chǎng)安全要求為一級(jí)指標(biāo)，權(quán)重分別為25%、20%、25%；與規(guī)劃的協(xié)調(diào)性、對(duì)環(huán)境敏感點(diǎn)的影響和工程投資為二級(jí)指標(biāo)，權(quán)重分別為5%、10%、15%。

2）按照統(tǒng)一原則對(duì)四個(gè)方案按各影響因素進(jìn)行打分。每個(gè)影響因素方案最優(yōu)為80～100分，方案較好為70～80分，方案較差為60分。四個(gè)方案打分結(jié)果見表2。

表2 各方案影響因素打分結(jié)果

3）根據(jù)各影響因素的權(quán)重和表2中各方案影響因素的打分計(jì)算綜合得分，結(jié)果見表3。

表3 各方案綜合得分

由表3可見，C1方案得分最高。采用因素分析法研究認(rèn)為C1方案最優(yōu)。

4 結(jié)語(yǔ)

隧道下穿黃河方案可節(jié)省黃河有限的橋位資源，鐵路運(yùn)營(yíng)期間既不影響水路航運(yùn)，也不受航空飛行安全要求限制，濟(jì)陽(yáng)站滿足城市規(guī)劃及地方需求。利用規(guī)劃國(guó)道G308橋位方案雖然投資較省，但存在濟(jì)南—濱州鐵路與規(guī)劃G308建設(shè)時(shí)序不同、投資分配協(xié)調(diào)難度大、后期運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)分工不明確等問題。利用既有迎賓黃河大橋橋位方案不利于黃河冬季防凌。既有迎賓黃河大橋下游7 km橋位方案雖然投資最省，但濟(jì)陽(yáng)站位不滿足地方規(guī)劃要求。結(jié)合因素分析法分析結(jié)果，認(rèn)為隧道下穿黃河方案最優(yōu)。