复杂山区铁路宜昌万州线综合选线设计

胡子平

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

复杂山区铁路宜昌万州线综合选线设计

胡子平

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

宜万铁路东起鸦宜铁路花艳站,西止达万铁路万州站,是铁路进出川渝地区的东通道之一,也是沪汉蓉快速铁路客运通道的重要组成部分。沪汉蓉快速铁路客运通道途经川、渝、鄂、皖、苏、沪6省市,联接长江上、中、下游,是横跨我国东中西部的重要铁路通道。铁路位于鄂西渝东山区,地形非常困难,地质异常复杂。针对路网规划、宜万铁路功能定位、地形地质条件、环水保要求、地方经济发展和施工运营安全等特点,对铁路接轨点、线路走向、复杂地质地段等线路方案的选择进行研究分析,提出复杂山区铁路线路选择的思路和方法,为类似工程项目选线提供参考。

宜万铁路;复杂山区;铁路选线;设计

宜万铁路是一条以客运为主,兼顾货运的大能力电气化铁路干线;是进出川渝地区的东通道之一,也是我国中长期规划路网“四纵四横”之一沪汉蓉快速铁路客运通道的重要组成部分。线路位于云贵高原的东北麓长江与清江分水岭的南侧山区,沿线河谷深切,地势陡峻,地形极其困难,线路两次跨越长江及多次跨越深涧峡谷。地质构造位于我国东部的新华夏系第三隆起带的中南段和长江中下游东西向构造西段延伸部分,以及两者的交接、复合部位,沿线发育有滑坡、顺层、危岩落石、岩堆等不良地质,特别是碳酸盐岩广泛分布,岩溶地貌发育。宜万铁路在勘察设计中,根据经济分析和勘察成果,对区域路网、接轨点、线路走向、环水保、复杂地质地段、施工运营安全等方面线路方案的选择进行了系统的研究和设计,并根据复杂的地质情况在施工地质和工程处理方面采取了加强措施,以适应沪汉蓉快速铁路的功能定位和困难的地形条件及复杂的地质条件。

1 选线设计难点和特点

1.1 路网结构完善

在既有路网结构中,北有武康线(武汉—安康),南有湘黔线(贵阳—株洲),东有洛湛线(洛阳—湛江),西有襄渝线(襄樊—重庆)和川黔线(成都—贵阳);在这些既有铁路间约24万km2的地区为铁路空白。在20世纪60年代,川汉地区研究的线路方案归纳为长江北岸、清江、桑植、澧水和沅江等五大方案。改革开放后,随着国民经济的快速发展,川渝地区与我国东、中部地区的客货交流呈快速增长趋势,既有路网川渝地区东出铁路通道已适应不了国民经济快速发展的需要;如何结合宜万铁路线路方案的选择,进一步完善路网结构,适应国民经济发展和社会进步,意义重大。

1.2 功能定位对技术标准选择的影响

宜万铁路的功能定位,不单是一条快速客运铁路,而且还是一条服务地方经济发展、兼顾货运的铁路。快速客运铁路要求大半径曲线,但难以适应地形条件。客运采用动车组对线路纵坡可以选用较大坡度,有利于线路高程的起伏,适应地形地质条件;货物运输受机车牵引力限制,选用较小坡度更有利于提高运输能力、运输质量和降低运营成本。如何满足宜万铁路的功能需求,有必要对主要技术标准方案选择进行工程经济技术比较。

1.3 环水保要求

宜万铁路两跨长江,线路主要位于长江上游清江流域内的鄂西山区,环境优美,风光秀丽,但水土流失严重,生态脆弱。脆弱的生态环境对宜万铁路工程建设的环境保护和水土保持工作提出了更高的要求。

1.4 地形条件极其困难

宜万铁路位于云贵高原的东北麓,西部以齐岳山为界,进入四川盆地;东部则向江汉平原过渡。沿线山高壁陡,河谷深切,地形极其困难;线路所经相对高差一般在300～800m,局部近1000m。

1.5 地质条件极为复杂

线路位于我国东部的新华夏系第三隆起带的中南段和长江中下游东西向构造西段延伸部分,以及两者的交接、复合部位,地质构造极其复杂。线路通过约占全线70%的测区内,大面积出露灰岩地层,岩溶发育,地下水丰富,暗河系统发育。主要工程地质特征有岩溶、岩溶水、顺层、滑坡、崩塌、岩堆、断层破碎带等。

1.6 地方经济发展

宜万铁路沿线所经湖北省和重庆市所辖3地市的7个县市,是湘鄂川黔革命根据地的重要组成部分,为我国土家族、苗族、侗族等少数民族的重要聚居地。吸引区内水力资源、矿产资源、生物资源和旅游资源极具潜力,但由于地处山区,交通设施落后,对外交通不便,经济发展和人民生活水平相对较低,是国家重点扶贫连片地区之一。宜万铁路线路走向选择、车站的设置要考虑沿线经济据点的地理位置、城市规划,要从根本上改变沿线交通状况,推动和促进区域和地方经济发展。

1.7 施工、运营安全

沿线顺层、滑坡、岩堆等不良地质普遍;其中齐岳山至万州段位于砂岩地区,易风化剥落、掉块。这些不良地质易受气候影响,铁路在施工和运营期间存在山体错位、滑坡、泥石流和崩塌落石等潜在的安全隐患。

2 综合选线技术

在宜万铁路选线设计中,全面考虑其难点和特点,结合工程技术经济,开展了综合选线研究和比较,选取合理的线路方案。

2.1 路网结构优化选线

项目前期研究阶段,继沿海经济带建设后国家开发建设长江经济带和西部大开发战略的实施,东、中、西部地区的社会和经济交往日益频繁,对铁路运输及服务质量的要求也日益提高。经研究,提出了沿江铁路通道的概念,即重庆(成都)经武汉至南京(上海)铁路通道。

沿江铁路通道西段(武汉以西),东边接入武汉是无二选择,西边需考虑重庆和成都两大城市。宜万铁路作为沿江铁路西段中的一个部分,如何充分发挥既有路网功能,以及如何完善和优化路网结构使沿江铁路通道客货运更为顺畅便捷和更好为地方经济发展服务,是线路方案选择的一个重要因素。在前期研究阶段,东西两端都做了区域通道线路走向的方案研究。

2.1.1 东端接轨线路方案选择

宜昌地区在20世纪90年代有既有焦(作)柳(州)铁路,焦柳铁路在宜昌枝城跨长江,设有枝城铁路长江大桥;在既有焦柳铁路鸦鹊岭车站至宜昌城区设有既有鸦宜铁路支线。研究初期,宜万铁路东端接轨计划在焦柳铁路长江以南的枝城车站接轨,以利用枝城铁路长江大桥,减少工程投资,本项目也就有了当时“枝万线”的建名;但线路经枝城接轨往东至武汉,运输径路折角绕弯。因此,在宜昌地区通过对枝城、枝江和宜昌等接轨方案在客货运主要流向、运输组织、区域经济发展和路网结构等方面进行了综合比较。推荐的宜昌花艳接轨方案需新建长江铁路大桥,投资较大,但缓解了枝城铁路长江大桥远期能力不足的矛盾,所形成的沿江铁路客货运最为顺捷,运输组织合理,而且有利于地方经济发展,优化和完善了路网结构。宜万线东端接轨方案平面示意见图1。

图1 宜万线东端接轨方案平面示意

2.1.2 西端接轨线路方案选择

研究当时,项目西端既有路网有襄渝铁路、成达铁路、达万铁路和在建的渝怀铁路。西端接轨方案,从既要利用既有铁路,又要发展和完善路网结构出发,主要研究了万州、涪陵和黔江接轨方案。

黔江接轨方案,重庆经黔江至恩施方案运输径路最长,新建沿江快速铁路线路长,投资大。

万州接轨方案,成都经达州、万州至武汉运输里程最短,初期投资最少,而且贯通了达万尽头铁路,成为沿江铁路的通道之一,有利于川渝东通路的拓展和路网布局,并提高了既有铁路的经济效益和社会效益。

涪陵接轨方案,重庆经涪陵、利川至武汉运输里程最短,而且新建线路标准高,运输质量高,符合发展需要;但初期投资较大。通过研究分析,推荐初期在万州接轨,贯通达万铁路,拓展铁路通道;之后,适时建设涪陵至利川铁路及成都至重庆客运专线,提高沿江铁路整体运输质量,进一步完善路网结构。宜万线西端接轨方案示意见图2。

图2 宜万线西端接轨方案示意

2.2 环水保选线

宜昌至恩施段,线路走向系统地做了沿清江方案和越岭方案的研究。沿清江线路方案,线路走在清江河谷岸坡,研究认为:(1)受清江水利梯级开发(高坝州、隔河岩、水布垭等水电站)的影响,线路高程抬高,铁路桥梁高度、跨度大大增加。(2)清江岸坡地形地质条件复杂,沿线岩溶、滑坡、崩塌、堆积体等不良地质普遍;为尽量避开不良地质对工程的影响,线路多以离开岸坡设隧道通过,桥隧比达到79%,施工难度加大;大量的隧道弃砟处理困难,影响环境。(3)清江两岸环境优美,风光秀丽,傍清江修建铁路势必对自然环境、生态环境造成严重破坏。(4)沿线人烟、工矿企业稀少,铁路远离巴东、建始等经济据点,不利于地方经济的发展。(5)其他基础设施建设也充分考虑到了鄂西山区的工程自然条件,如318国道、已建成的中石油天然气管道和正在建设的沪蓉西高速公路、中石化天然气管道,都走在越岭这条交通、管道和电力、通信走廊内,以减少工程风险和保护环境。推荐的越岭方案,线路走在长江与清江分水岭南侧的半坡地带,经过贺家坪、巴东、建始等经济据点,有利于地方经济发展,地质条件相对较好,减少对自然生态环境的破坏。

基于环水保理念,在初步设计阶段,对原设计41处高填路堤、深挖路堑地段的线路方案进行了调整优化。将高填方路基调整线位改设桥梁,将深挖方路基调整线位改设隧道,大大减少了土建工程对自然环境的扰动和破坏,提高了水土保持能力;同时,提高了复杂山区铁路整体质量和安全以及抵御自然灾害的能力。

宜昌地区线路跨越长江,研究了上跨长江的桥梁方案和下穿长江的沉管隧道方案。沉管隧道方案能降低对长江黄金水道航运的影响,但其沉管槽道的爆破施工对中华鲟和水环境影响极大。桥梁方案通过科技创新,加大跨江孔跨,减少对长江航运的影响;并在桥墩基础施工中,设置双层钢护筒围堰,一是将对中华鲟的影响降低到最小程度,二是施工油污和污泥水可以留存在护筒中,及时通过船只装运至指定位置处理,减少对长江水环境的污染。从环水保角度出发,线路最终选择桥梁方案跨越长江。

电气化铁路与附近电磁敏感设施的电磁兼容性也是线位选择需要考虑的环境问题。宜昌长江桥位的选择,除了要考虑水文、航道和航运等方面因素,还考虑了电磁兼容性的问题。通过仿真计算、模拟测试和科研分析取得的成果,为选择桥位方案提供了理论、技术依据。

2.3 技术标准与选线

铁路技术标准的确定,既要满足其在路网中的地位和功能需求,又受其所经地区地形地质条件的影响;技术标准的高低既影响着铁路运输能力和运输质量,又影响着线路方案的选择。

宜万铁路受极其困难和复杂的地形地质条件的影响,不同的技术标准,如限制坡度和速度目标值等,对线路选线、工点选型、工程处理措施的研究和应用以及工程投资影响极大。大坡度、低速度的技术标准相对小坡度和高速度而言,更能适合困难的地形和地质条件,减少工程量,降低工程投资。在勘察工作的基础上,对各种不同技术标准方案进行了技术经济和铁路适应国民经济发展的需要所应定位的功能和作用等综合研究和分析,相对沪汉蓉快速铁路客运其他段落而言,宜万铁路宜昌至凉雾段推荐采用较低的技术标准。

2.3.1 速度目标值与选线

沪汉蓉快速铁路客运通道做为连接西部地区与东、中部地区一条最重要的快速铁路客运通道,理应选用高速度的技术标准。但受地形地质条件限制,在满足国家远景运输需要的前提下,经过工程技术经济比较,适当降低宜万线的速度目标值,以较小的曲线半径(一般地段2000m,困难地段1600m)适应地形条件,减少工程量,降低工程投资;宜万铁路宜昌至凉雾段选用160km/h的旅客列车行车速度。

2.3.2 设计坡度与选线

宜万铁路于宜昌和万州两跨长江,沿线经过了堡镇、野三关和齐岳山3个长大紧坡越岭地段。现设计的下行方向(宜昌至万州方向)拔起高度为2080.5m,上行拔起高度为1947.1m,上下行拔起高度总和为4027.6m;紧坡地段长度 182.6km,足坡使用率为48.5%。

受当时机车牵引力的限制,为满足铁路运输能力的需要和改善运营条件,降低运营成本,选择较缓的线路坡度,即限制坡度9‰、双机加力坡18‰。但在宜万铁路桥梁修建技术中,通过科技攻关和技术创新,采用了多座在铁路桥梁型式、跨度、高度都居世界、亚洲和国内领先地位的桥梁,铁路适应地形条件的能力更强,能更多地抬高线路高程,减少滑坡、岩堆、崩塌落石和深部水平发育岩溶等不良地质的影响。为防范风险和灾害,在施工过程中,对复杂岩溶隧道的施工地质超前预测预报进行了详细设计,并纳入了施工工序;创新开展了复杂岩溶隧道施工防灾报警系统设计、气象和水文观测设计。同时,对岩溶隧道基底和周边及岩溶路堑基底隐伏岩溶进行工后探查工作;并在探查、分析和研究的基础上,提出处理措施。

2.4 工程地质与选线

在宜万铁路的线路方案选择中,除完成项目建设勘察设计阶段工作所必需的地质勘察工作外,还针对地质条件特别复杂地段,开展了加深地质工作和针对重大复杂工点的专项地质工作;根据地质勘察成果具体指导线路方案的选择。

2.4.1 加深地质工作

加深地质工作主要采用综合勘探,包括卫星遥感、大面积地质调绘、水文地质调查、物探、钻探以及相关的测试(综合测井、地应力、瓦斯等)、试验(土石水样、水文)和观测(泉、暗河流量)等工作,以进一步查清控制线路方案的滑坡、暗河等重大工程地质、水文地质问题。

2.4.2 专项地质勘察工作

长大复杂岩溶隧道线位的选择也是宜万线选线工作的重点。采用先进的仪器设备和综合勘察技术,开展了大面积水文地质测绘、探洞、物探、钻探、综合测井、岩溶水连通示踪试验、气象和水文观测等专项地质勘察工作,查明影响隧道施工安全的重大地质问题和诱发地质灾害的复杂地质背景、形成规律和控制因素,对其产生的危害和风险进行评估,为线路方案和结构设计提供依据。

2.4.3 复杂地质地段线路方案选择

通过初测前的地质加深工作,基本查明了榔坪至高坪、恩施至利川和齐岳山地区的地质构造、地层岩性、岩溶发育的基本特征,分析了影响线路方案的暗河系统、重大不良地质等主要工程地质和水文地质条件,研究了工程技术处理措施,对多种可能的线路方案进行了工程地质、水文地质和工程经济技术比较等综合分析和比较,并根据专项地质工作成果,不断完善和优化,进而选择安全、可靠、经济的线路方案。选择的线路方案绕避了滑坡、顺层、岩堆、暗河等多处重大不良地质体。榔坪至高坪段线路方案示意见图3;恩施至利川段线路方案示意见图4。

图3 榔坪至高坪段线路方案示意

线路出贺家坪车站后,于堡镇越岭设堡镇隧道。堡镇隧道处在灰岩与碎屑岩地层交界区域;南侧为灰岩地区,主要为泥灰岩;北侧为碎屑岩,主要为碳质页岩。在地质测绘和有关勘探工作的基础上,为避开灰岩地区岩溶问题对隧道的影响,堡镇隧道线位最终选择在碎屑岩一侧。在隧道施工中,由于隧道深埋,高地应力软岩大变形的问题十分突出。对于隧道高地应力软岩大变形问题,根据科研成果,设计采取了相应的分级高地应力隧道支护及衬砌结构;施工中,采取综合监控测试手段摸清软岩高地应力大变形规律,根据综合测试成果,及时调整了隧道支护及衬砌结构,但施工工期受到影响。为满足项目总体工期需要,在隧道南侧的泥灰岩区域增设近2km长的辅助导坑;由于辅助导坑地质条件较好,施工工期明显加快,也未出现岩溶不良地质的影响。因此,从施工的结果来看,堡镇隧道线位若往南侧靠,设在泥灰岩区域内,则投资和工期的效果可能要优于现实施的方案。堡镇隧道线位方案示意见图5。

图4 恩施至利川段线路方案示意

图5 堡镇隧道方案示意

2.5 施工、运营安全与选线

在线路方案选择中,选择的线路方案除要避开滑坡、岩堆、崩塌落石等不良地质对工程本身的影响外,还要考虑铁路主体结构工程范围以外的上述不良地质因自然天气造成可能存在的自然地质灾害对铁路安全构成的危害。

齐岳山以西,线路所经地层多为砂岩出露,沟谷地段两侧出露的砂岩风化严重,受雨水侵蚀,易形成崩塌落石,危及铁路施工和运营安全。在沟谷地段选线中,打破傍山、傍沟的传统线位理论,多选择隧道方案线位。

在隧道洞口和桥梁位置选择中,尽量避开岩堆、顺层等不良地质,选择地质条件好的位置,防范自然灾害,保证铁路运营长期的安全。

3 体会和建议

复杂山区宜万铁路不久将建成通车,一条科学、经济、人文、环保的铁路,一条加快沿江经济发展、促进沿线国土开发和社会进步的铁路,一条沿线人民企盼了百年的铁路就要落成在鄂西渝东山区这块美丽的土地上。回顾宜万铁路线路方案的选择,提出一些体会和建议。

(1)接轨点线路方案选择,要考虑路网规划,通过区域经济调查和运输组织分析,优化和完善路网结构,适应国民经济发展,促进社会进步。

(2)复杂山区铁路技术标准的选择,不仅要考虑其地形、地质等自然条件,还要考虑其在路网中的地位、作用和功能定位,结合工程技术经济,进行多方案的比选。

(3)积极开展科技攻关和技术创新,突破传统设计理念,使铁路技术水平、管理水平适应复杂山区铁路建设,为铁路现代化建设提供科技支撑。

(4)复杂山区铁路线路方案选择,应考虑地方自然环境和水土保持的要求,包括施工和运营安全等因素。

(5)复杂地质地段线路方案选择,应采取多种勘探手段,加强地质勘察工作,深入分析地质资料,全面掌握区域和工程地质情况,对线路方案进行充分地研究和比较。

[1] 铁道第四勘察设计院.新建铁路宜万线宜昌至万州段可行性研究报告[R].武汉:2003.

[2] 铁道第四勘察设计院.新建铁路宜万线宜昌至万州段初步设计[Z].武汉:2003.

[3] 铁道第四勘察设计院.新建铁路宜万线宜昌至万州段修改初步设计[Z].武汉:2004.

[4] 吕小应,胡子平.宜万铁路工程特点难点分析及对策措施[J].铁道标准设计,2006(S1):70 -72.

U212.32

A

1004 -2954(2010)08 -0033 -04

2010 -05 -05

胡子平(1964—),男,教授级高级工程师,1984年毕业于上海铁道学院铁道工程专业,工学学士。主要从事铁路勘察、设计和技术管理工作。中铁四院宜万铁路建设指挥部副指挥长兼总工程师。E-mail:tsyhzp@vip.163.com。