渝昆高鐵復(fù)雜山區(qū)地段方案研究★

任闖闖，范俊懷，崔 鵬

(中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300308)

新建重慶至昆明高速鐵路起于重慶樞紐重慶西站，接入昆明樞紐昆明南站，是我國八縱八橫高鐵干線之一京昆高速鐵路的重要組成部分[1]，北端銜接蘭渝線、遂渝線、渝萬線、渝利線、成渝客專和規(guī)劃設(shè)計(jì)的渝西客專、渝長客專、渝黔客專，與渝黔線在重慶西分場設(shè)置；線路中部與川南城際、在建成貴線相連；南端銜接滬昆客專、云桂線和昆明樞紐東南環(huán)線。該線路自重慶西站引出，經(jīng)重慶市，四川省瀘州市、宜賓市，貴州省畢節(jié)市，云南省昭通市、曲靖市，終至昆明南站，線路長度699.332 km，目前處于在建階段[2]。渝昆高鐵會(huì)澤縣待補(bǔ)至田壩站地段屬于高原山區(qū)地帶，地質(zhì)條件極其復(fù)雜，環(huán)境敏感點(diǎn)分布廣泛，確定最佳線路方案極其困難[3]。經(jīng)濟(jì)合理地確定渝昆高鐵待補(bǔ)至田壩站地段最佳線路平縱方案，對(duì)渝昆高鐵建設(shè)和京昆高鐵大通道打通具有重要意義。

1 線路走向方案比選

1.1 線路概況

渝昆高速鐵路會(huì)澤縣待補(bǔ)至田壩站段屬于滇北高原山區(qū)，沿線有華山省級(jí)自然保護(hù)區(qū)、雞鳴山縣級(jí)保護(hù)區(qū)等環(huán)境敏感點(diǎn)，地貌為以禮河等河流下切形成的高原河谷地貌，海拔2 060 m～2 870 m；地層以侏羅系至震旦系的碳酸鹽巖、砂泥巖和玄武巖相間成片出露；地質(zhì)條件極其復(fù)雜，主要工程地質(zhì)問題為巖溶及巖溶水、危巖落石、滑坡、巖堆、順層等，隧道巖溶及巖溶水風(fēng)險(xiǎn)大，圍巖破碎軟弱，局部富水[4]。結(jié)合渝昆高鐵沿線山高谷深的艱險(xiǎn)地形、大范圍發(fā)育溶巖區(qū)、遍布的滑坡泥石流、眾多磷礦區(qū)、駕車華山松省級(jí)自然保護(hù)區(qū)等因素，提出“隧道下穿滑坡群方案”“高橋穿越滑坡群方案”和“靠近待功高速公路方案”三個(gè)方案。比選范圍為DK556+000～DK580+000[5]。渝昆高鐵會(huì)澤縣待補(bǔ)至田壩站段線路走向方案示意圖如圖1所示。

1)隧道下穿滑坡群方案。線路自比選起點(diǎn)DK556+000引出，下穿渝昆高速公路后，在DK564+000～DK566+000不良地質(zhì)地段以隧道形式通過，之后于駕車華山松省級(jí)自然保護(hù)區(qū)東側(cè)經(jīng)過，至比選終點(diǎn)DK580+000。該方案線路全長24 km，其中橋梁175 m/2座，隧道23 792 m/3座，橋隧比99.86%。

2)高橋穿越滑坡群方案。線路自比選起點(diǎn)DⅠK556+500引出，下穿渝昆高速公路后，在DIK564+000～DⅠK566+000不良地質(zhì)地段以路橋型式通過，之后于駕車華山松省級(jí)自然保護(hù)區(qū)東側(cè)經(jīng)過，至比選終點(diǎn)DⅠK580+113.02。該方案線路全長24.113 km，其中橋梁1 379 m/4座，隧道22 098 m/5座，橋隧比97.36%。本方案穿越了滑坡群及泥石流溝段。

3)靠近渝昆高速公路方案。線路自比選起點(diǎn)DⅡK556+500引出后，下穿G85渝昆高速公路后，繞避那寨箐地段滑坡群、巖堆等不良地質(zhì)，在滑坡群東側(cè)與高速公路之間泥石流溝谷地段以大跨橋通過，至比選終點(diǎn)DⅡK580+533.82。該方案線路全長24.534 km，其中橋梁1 213 m/2座，隧道22 619 m/3座，橋隧比97.14%。

1.2 工程數(shù)量及投資表

工程數(shù)量及投資表見表1。

表1 工程數(shù)量及投資表

1.3 線路走向方案比選及推薦意見

從工程地質(zhì)、環(huán)境敏感區(qū)影響、工程投資、工程風(fēng)險(xiǎn)及工程可實(shí)施性等方面對(duì)3個(gè)方案進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)比較分析，得出最佳方案[6]。線路走向方案比選表如表2所示。

表2 綜合分析比選表

經(jīng)過工程經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選，高橋穿越滑坡方案穿越滑坡群、泥石流溝等不良地質(zhì)，橋高最高達(dá)96 m，施工難度大，施工及運(yùn)營安全風(fēng)險(xiǎn)極高，予以舍棄。隧道下穿滑坡群方案雖采用了一個(gè)25‰(4.05 km)的坡度，但對(duì)運(yùn)行時(shí)分幾乎沒有影響，且該方案線路長度最短，以隧道形式下穿滑坡群，避開了滑坡、巖堆、泥石流等不良地質(zhì)，相對(duì)于靠近渝昆高速公路方案有著地質(zhì)條件好、工程難度低、工程實(shí)施條件好、運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)低等優(yōu)勢，且該方案投資最為節(jié)省，節(jié)省投資約6 465萬元，故推薦采用隧道下穿滑坡群方案作為最佳的線路走向方案。

2 坡度方案比選

在確定隧道下穿滑坡群方案為最佳線路走向方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究最佳縱斷面方案，共研究了那寨箐地段壓低做隧道方案、抬高做路橋方案兩個(gè)方案。比選范圍：DK557+050～DK568+780。從地質(zhì)條件、工期情況及工期風(fēng)險(xiǎn)、施工風(fēng)險(xiǎn)及運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)、坡末速度檢算等方面綜合分析，進(jìn)一步確定最佳的縱坡方案。

2.1 縱斷面概況

1)那寨箐地段壓低做隧道方案(Ⅰ方案)。

在DK557+050～DK561+150段采用20‰的上坡(坡長4.1 km)，DK561+150～DK565+200段采用25‰的下坡(坡長4.05 km)，在DK565+200～DK568+780段采用3‰的下坡(坡長3.58 km)。本段線路長度11.73 km，其中橋梁192 m/2座，隧道11 538 m/2座，橋隧比100%。

2)那寨箐地段抬高做路橋方案(Ⅱ方案)。

在DK557+050～DK561+550段采用17.5‰的上坡(坡長4.5 km)，在DK561+550～DK565+250段采用8.2‰的下坡(坡長3.7 km)，DK565+250～DK568+780段采用3‰的下坡(坡長3.53 km)。本段線路長度11.73 km，其中橋梁626 m/5座，隧道9 982 m/4座，橋隧比90.43%。

縱斷面比選示意圖如圖2所示。

2.2 方案優(yōu)缺點(diǎn)分析及推薦意見

1)地質(zhì)條件方面：那寨箐地段壓低做隧道方案(Ⅰ方案)以長大隧道形式通過，隧道洞身進(jìn)入弱風(fēng)化巖體段落增加，巖體完整性較Ⅱ方案好。但隧道地下水涌水量增大，防排水措施增加。那寨箐地段抬高做路橋方案(Ⅱ方案)地表玄武巖風(fēng)化層較厚，以松散狀土夾碎石為主，易垮塌，暴雨期間易形成滑坡和泥石流[7]。隧道洞身埋深較Ⅰ方案淺，受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響，隧道內(nèi)巖體完整性較Ⅰ方案差。那寨箐地段抬高中間變?yōu)?個(gè)短隧道，長度分別為2 898 m，681 m，2 083 m，施工工期較短，運(yùn)營期間運(yùn)營排水能力較好，且隧道間為大段明線段，運(yùn)營通風(fēng)及防災(zāi)疏散救援條件較好。

2)工期情況及工期風(fēng)險(xiǎn)：那寨箐地段壓低做隧道方案(Ⅰ方案)分為2個(gè)隧道，分別為寧靖里隧道和那寨箐隧道，長度分別為6 326 m，7 268 m。采用1座斜井和1座橫洞的輔助坑道方案及隧道進(jìn)出口增加工作面，施工工期分別為39.0個(gè)月、45.2個(gè)月，能夠滿足目前施工組織方案54個(gè)月工期要求；橋梁為現(xiàn)澆施工，長度較短，避開了滑坡群區(qū)域。那寨箐地段抬高做路橋方案(Ⅱ方案)隧道總長度較短，但橋梁全長626 m，長度較長，采用現(xiàn)澆施工，對(duì)施工不利；橋梁穿越DK564+470滑坡區(qū)且橋梁軸線與泥石流溝夾角約40°，安全隱患較大，橋梁需跨越滑坡區(qū)下緣及泥石流溝段，主墩處地質(zhì)條件差。橋梁鄰近DK564+950和DK565+150附近的滑坡區(qū)，安全風(fēng)險(xiǎn)大。

3)施工風(fēng)險(xiǎn)及運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)：那寨箐地段壓低做隧道方案(Ⅰ方案)隧道埋深較深，地質(zhì)條件相對(duì)較好，施工風(fēng)險(xiǎn)可控；并且隧道進(jìn)出口均有道路相連，施工進(jìn)場條件較好。運(yùn)營期間運(yùn)營排水能力、運(yùn)營通風(fēng)及防災(zāi)疏散救援條件相對(duì)較好。那寨箐地段抬高做路橋方案(Ⅱ方案)短隧道進(jìn)出口及淺埋段偏壓嚴(yán)重，施工風(fēng)險(xiǎn)增大，并且部分隧道進(jìn)出口無道路相連，需新建較長施工便道，施工進(jìn)場條件較差；橋梁需跨越滑坡區(qū)及泥石流溝段，現(xiàn)場施工條件差；DK564+280處路基以挖方形式通過滑坡前緣，該段兩處滑坡相連，工程開挖導(dǎo)致滑坡阻滑段土體減少產(chǎn)生臨空面，需在路塹和隧道開挖前設(shè)置預(yù)加固抗滑樁，工程量大，無論是施工過程還是鐵路運(yùn)營過程，風(fēng)險(xiǎn)均較大；DK564+470～DK564+720段，路基以挖方形式通過兩處滑坡中部，工程開挖將擾動(dòng)滑坡，易發(fā)生不良地質(zhì)次生災(zāi)害，需設(shè)置預(yù)加固抗滑樁，工程量大，施工及鐵路運(yùn)營均存在風(fēng)險(xiǎn)[8]。

綜上所述，壓低做隧道方案雖然采用了一處25‰的下坡(坡長4.05 km)，隧道通風(fēng)及防災(zāi)救援條件相對(duì)稍差，但兩方案運(yùn)行時(shí)分幾乎一致，且該方案以隧道形式躲避了滑坡群及泥石流溝等不良地質(zhì)地段，隧道洞門、橋臺(tái)位置選擇均較好，工程可實(shí)施性強(qiáng)，施工及運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)均可控。經(jīng)行車檢算，上行方向坡末速度為295 km/h，不小于設(shè)計(jì)速度的80%～85%，滿足高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范相關(guān)要求[9]。故推薦采用壓低做隧道方案。

3 大坡度軟化比選

按照《鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范》高速鐵路縱斷面坡度一般為20‰，在復(fù)雜山區(qū)地段為了適應(yīng)地形變化可以采用較大坡度。但當(dāng)坡度大于20‰時(shí)，會(huì)影響列車運(yùn)行速度、列車運(yùn)行時(shí)分、行車安全和旅客舒適度。因此針對(duì)渝昆高鐵大坡度地段開展軟化坡度比選研究，以確定最佳的縱斷面方案。

3.1 縱斷面概況

渝昆高鐵待補(bǔ)至田壩站地段線路在寧靖里隧道和那寨箐隧道間自然出露，在DK561+150～DK565+200采用25‰(4.05 km)的下坡。現(xiàn)對(duì)此處大坡度進(jìn)行軟化坡度經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選，研究了大坡度方案及軟化大坡度方案兩個(gè)方案，比選范圍為DK555+000～DK568+650，具體內(nèi)容如下：

1)大坡度方案( Ⅰ 方案)：線路在DK556+700處下穿待功高速公路中梁子隧道后，在DK557+050～DK561+150段采用了20‰(4.2 km)的上坡，在DK561+150～DK565+200段采用了25‰(4.05 km)的下坡，以隧道形式下穿那寨箐不良地質(zhì)區(qū)域。全段長度13.65 km，共分為2個(gè)隧道，分別長6 326 m，7 268 m。中橋一座，長64 m，橋隧比100%。

2)軟化大坡度方案(Ⅱ方案)：線路在DK555+000～DK557+000段采用3‰的上坡(坡長2.0 km)，DK557+000～DK561+250段采用4.5‰的上坡(坡長4.25 km)，DK561+250～DK565+200段采用9.9‰的下坡(坡長3.95 km)，DK565+200～DK568+650段采用3‰的下坡(坡長3.45 km)。全段長度13.65 km，合并為1個(gè)隧道，隧道全長13.65 km，隧道占比100%。軟化大坡度比選示意圖如圖3所示。

3.2 方案優(yōu)缺點(diǎn)分析及推薦意見

1)地質(zhì)條件方面。

兩方案地質(zhì)條件基本一致，隧道圍巖均以強(qiáng)風(fēng)化～弱風(fēng)化玄武巖為主，受區(qū)域向斜背斜和斷層構(gòu)造影響，巖體破碎，基巖裂隙水和構(gòu)造裂隙水發(fā)育，隧道大部分位于水平徑流帶內(nèi)，特別是淺埋地段，巖體極破碎，洞內(nèi)坍塌，大坡度方案(Ⅰ方案)突水突泥等風(fēng)險(xiǎn)低，軟化大坡度方案(Ⅱ方案)突水突泥等風(fēng)險(xiǎn)高。

2)工期情況及工期風(fēng)險(xiǎn)。

大坡度方案(Ⅰ方案)采用1座斜井和1座橫洞的輔助坑道方案及隧道進(jìn)出口增加工作面，施工工期分別為42.7個(gè)月、47.2個(gè)月，能夠滿足目前施工組織方案54個(gè)月工期要求。由于兩隧道間天然出露，施工時(shí)兩個(gè)隧道互相不影響，施工工期風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小。軟化大坡度方案(Ⅱ方案)采用2座斜井和1座橫洞的輔助坑道方案及隧道進(jìn)出口增加工作面，施工工期為49.6個(gè)月，能夠滿足目前施工組織方案54個(gè)月工期要求。相比于大坡度方案(Ⅰ方案)，合并成一個(gè)長隧道后，受巖體破碎及基巖孔隙水發(fā)育等地質(zhì)條件影響，施工過程中不可預(yù)見風(fēng)險(xiǎn)影響，工期風(fēng)險(xiǎn)增大。

3)施工風(fēng)險(xiǎn)及運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)。

大坡度方案(Ⅰ方案)隧道分為兩個(gè)隧道，長度分別為6 326 m，7 268 m。隧道地段地質(zhì)條件相對(duì)較好，施工風(fēng)險(xiǎn)可控。施工條件便利；棄渣條件較好；運(yùn)營通風(fēng)、防災(zāi)救援及排水能力條件較好。軟化大坡度方案(Ⅱ方案)隧道合建為一個(gè)隧道，長度為13 658 m。突水涌泥風(fēng)險(xiǎn)增加，高地應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)增加。隧道中間為人字坡，運(yùn)營期間運(yùn)營排水能力相對(duì)較好。隧道較長，運(yùn)營通風(fēng)及防災(zāi)救援條件較差。

4)工程投資。

大坡度方案(Ⅰ方案)工程投資約為19.72億元，軟化大坡度方案(Ⅱ方案)工程投資約為19.90億元，大坡度方案(Ⅰ方案)投資節(jié)省0.18億元。

5)運(yùn)行時(shí)分及行車節(jié)能。

大坡度方案(Ⅰ方案)采用25‰的大坡度，線路坡度變化較大，增加司機(jī)操作難度，速度波動(dòng)變化略大，上行方向坡末速度為295 km/h，乘客乘坐體驗(yàn)服務(wù)質(zhì)量略有下降，運(yùn)行時(shí)分約3.2 min，一對(duì)8節(jié)編組列車能耗892 kW·h。軟化大坡度方案(Ⅱ方案)取消了25‰的大坡度，速度稍有波動(dòng)，乘客乘坐體驗(yàn)服務(wù)質(zhì)量基本無影響，運(yùn)行時(shí)分約3 min，比大坡度方案(Ⅰ方案)平均速度提高20 km/h左右，運(yùn)行時(shí)分節(jié)約0.2 min，一對(duì)8節(jié)編組列車能耗651 kW·h，比大坡度方案(Ⅰ方案)節(jié)約241 kW·h，一對(duì)8節(jié)編組列車一年可節(jié)約成本約6萬元。

綜上所述，大坡度方案(Ⅰ方案)雖在運(yùn)行時(shí)分、行車節(jié)能上存在劣勢，但運(yùn)行時(shí)分僅多0.2 min，相差很小。大坡度方案(Ⅰ方案)基巖裂隙水最小，地質(zhì)條件最好，隧道施工過程中塌方及突水突泥等風(fēng)險(xiǎn)均較??；同時(shí)由于兩隧道均較短，兩隧道間為明線段，防災(zāi)救援條件最好，利用活塞通風(fēng)效率高，工期受施工過程中不可預(yù)見因素影響風(fēng)險(xiǎn)小，投資相比軟化大坡度方案(Ⅱ方案)節(jié)省0.18億元。故推薦采用大坡度方案(Ⅰ方案)。

4 結(jié)論及展望

渝昆高鐵會(huì)澤縣待補(bǔ)至田壩站地段位于云南省北部高原山區(qū)，地質(zhì)條件極其復(fù)雜，環(huán)境敏感點(diǎn)等分布廣泛，是渝昆高速鐵路建設(shè)的難點(diǎn)，沿線控制和影響因素眾多，從工程地質(zhì)條件、環(huán)境敏感區(qū)影響、工程投資、工期情況及工期風(fēng)險(xiǎn)、施工風(fēng)險(xiǎn)及運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)、運(yùn)行時(shí)分等多方面進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)綜合比選研究，推薦采用地質(zhì)條件好、繞避省級(jí)自然保護(hù)區(qū)、工程實(shí)施難度小、投資節(jié)省的隧道下穿滑坡群方案，并針對(duì)大坡度地段進(jìn)行軟化比選研究，確定最佳的線路平縱方案，確保了渝昆高鐵的建設(shè)和運(yùn)營安全，對(duì)京昆大通道的打通具有重要意義。