侯 淼

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

張家口至呼和浩特鐵路(簡稱“張呼鐵路”，下同)東起河北省張家口市張家口南站，經(jīng)過河北省懷安縣后穿大尖山隧道進入內(nèi)蒙古自治區(qū)境內(nèi)，經(jīng)興和縣、烏蘭察布市(原集寧市)、卓資縣，西迄于呼和浩特市呼和浩特東站。設(shè)計正線全長286.773 km，其中河北省境內(nèi)75.766 km，內(nèi)蒙古自治區(qū)境內(nèi)211.007 km。

張呼鐵路建成后，與京張城際一起形成一條蒙西至北京的快速鐵路，呼包鄂地區(qū)至北京間全程旅行時間有望縮短到2～3h左右，并可進一步延伸至銀川和蘭州，可形成聯(lián)系西北和華北的又一條快速鐵路通道，對于加強內(nèi)蒙古“呼包鄂經(jīng)濟圈”與北京的經(jīng)濟聯(lián)系，滿足區(qū)域間客流運輸具有重要意義。

2 大尖山越嶺地區(qū)自然概況

2.1 地形地貌特征

大尖山越嶺段線路穿越西洋河、東洋河分水嶺，屬低中山區(qū)，分水嶺主山脊位于DK73+600附近，該段小里程方向位于于西洋河一側(cè)，大里程方向位于東洋河一側(cè)。區(qū)段最高海拔約1 420 m，最低海拔約950 m，最大高差約470 m。山體上方有多條沖溝發(fā)育，地形起伏較大，總體地勢西北高，東南低。山體基巖裸露，植被發(fā)育情況一般。

2.2 地層巖性及構(gòu)造

地層巖性:本段主要地層為太古界麻粒巖，侏羅系泥巖、砂巖等。麻粒巖層中分布有輝綠巖、花崗巖等巖脈，巖質(zhì)較硬，但節(jié)理發(fā)育，巖體完整性較差。侏羅系巖層具有中－強膨脹性。

地質(zhì)構(gòu)造:該段處于陰山東西向復雜構(gòu)造帶南部，中朝準地臺一級構(gòu)造單元的燕山沉降帶及內(nèi)蒙地軸兩個二級構(gòu)造單元之上。中生代的構(gòu)造運動以燕山期構(gòu)造運動表現(xiàn)最為強烈，多為壓扭性斷裂，褶皺在這一時期則表現(xiàn)相對較弱。新生代地殼運動以上升為主，構(gòu)造變動不顯著。經(jīng)長時間多期構(gòu)造影響，隧道所在區(qū)域山體斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要為高角度正、逆斷層，巖體節(jié)理較發(fā)育－發(fā)育，出口端侏羅系砂巖夾泥巖為單斜巖層，傾角約25°。

2.3 線路穿過的主要斷層構(gòu)造

大尖山越嶺范圍內(nèi)分布有8條斷層。根據(jù)本項目地震安全評價報告結(jié)論，線路范圍內(nèi)所經(jīng)過斷裂構(gòu)造均為非活動性斷裂，可不考慮斷層錯斷問題，但斷層部位巖體破碎，地下水豐富，隧道穿過時應做好地質(zhì)超前預報并加強支護措施。

2.4 水文地質(zhì)條件

大尖山為西洋河水系與東洋河水系分水嶺，其主脊位于DK73+600一帶，小里程方向?qū)儆谖餮蠛铀担罄锍谭较驅(qū)儆跂|洋河水系。山體表層沖溝發(fā)育，以分水嶺主脊為界，小里程方向沖溝水流流向西洋河，大里程方向水流流向東洋河。其中小里程方向線路通過的規(guī)模較大沖溝有19條，絕大部分沖溝內(nèi)均有地表水流，水量較小;大里程方向線路經(jīng)過的主要沖溝有2條，其中一條有少量地表水。沖溝地表水受大氣降水及沖溝兩側(cè)山體泉流補給，為山體基巖裂隙水主要排泄通道。

3 大尖山越嶺方案研究

3.1 張家口至烏蘭察布段方案研究

張家口市地處河北省西北部，烏蘭察布市地處內(nèi)蒙高原南部地帶，兩地間航空距離149 km，相對高差700 m。沿線分布的經(jīng)濟據(jù)點有張家口市懷安縣和烏蘭察布市興和縣，結(jié)合經(jīng)濟據(jù)點分布位置和地形地質(zhì)條件，研究了經(jīng)由張家口—懷安—張皋—烏蘭察布方案(簡稱西線方案)、張家口—懷安—興和—烏蘭察布方案(簡稱中線方案)、張家口—興和—烏蘭察布方案(簡稱東線方案)和沿在建張集線通道的中－西線組合方案共四個方案(如圖1)。

圖1 張家口至烏蘭察布段

(1)西線方案

線路出張家口南站，以20.68 km特大橋依次跨越張石高速、環(huán)城西路、國道G110、貨物直通線、京藏高速公路、G207國道、大洋河至河南岸，經(jīng)新東陽規(guī)劃區(qū)北側(cè)沿縣道X454西行，經(jīng)第十屯以北依次跨越南洋河、西洋河、既有京包鐵路，于縣城北環(huán)路以南設(shè)懷安站。出站后經(jīng)沙家屯北側(cè)西行進入山西省境內(nèi)，于新平堡北側(cè)上跨明長城遺址、西洋河至河北側(cè)，經(jīng)喇嘛營以7.62 km長隧道穿越大岔梁，于興和縣張皋鎮(zhèn)設(shè)站?？鐪逝d重載高速公路、張集鐵路，經(jīng)黃旗海濕地保護區(qū)實驗區(qū)，沿丹拉高速公路南側(cè)至烏蘭察布站。新建線路145.892 km，橋梁總長86.028 km，隧道總長11.41 km，橋隧比65.28%，估算投資1 521 832萬元。

(2)中線方案

線路自西線方案懷安站西端引出，于西洋河水庫大壩下游以8.03 km特大橋依次跨越西洋河、國道G110、東縱高速公路。為了預留規(guī)劃京新高速公路的線位條件，本線下行線路中心距西洋河古城墻100 m處通過，于平遠頭村西側(cè)以10.45 km長隧道下穿明長城遺址及京藏高速公路、大尖山進入內(nèi)蒙境內(nèi)，改國道G110后沿國道北側(cè)西行，上跨張集鐵路后設(shè)興和北站。經(jīng)大淖海、小淖海南側(cè)，于二臺溝南側(cè)上跨國道G110、京藏高速公路至比較終點。新建線路144.642 km，橋梁總長78.468 km，隧道總長18.97 km，橋隧比68.34%，估算投資1 556 791萬元。

(3)東線方案

線路出張家口南站，沿張集鐵路西北行，于張集鐵路舊堡隧道北側(cè)以14.29 km長隧道越嶺，至小蒜溝設(shè)小蒜溝北站。并行張集鐵路，于興和縣環(huán)城路北側(cè)設(shè)興和北站，出站后接入中方案至比較終點。新建線路135.083 km，橋梁總長76.469 km，隧道總長29.79 km，橋隧比78.66%，估算投資1519311萬元。

(4)中－西線組合方案

該方案自中線方案CK89+000引出，上跨G110國道、京藏高速公路，于小灘北側(cè)設(shè)興和南站。出站后沿張集鐵路南側(cè)向西行進，于DK126+900處接入西線方案至比較終點。新建線路147.819 km，橋梁總長88.293 km，隧道總長14.150 km，橋隧比69.30%，估算投資1 564 844.93萬元。

該方案線路長度最長，雖局部段落與張集鐵路共通道，可以減少對土地的分割，興和站在國道和京藏高速公路西側(cè)，離縣城較遠，不利于乘客出行?？傮w而言，方案價值不大，首先予以放棄，重點對其他三方案進行技術(shù)經(jīng)濟比選。

(5)方案綜合分析與評價

工程地質(zhì)條件分析如表1。

表1 各方案工程地質(zhì)條件評價

東線方案中北高山越嶺隧道長14 290 m，穿過多條區(qū)域斷層，巖層破碎，地下水豐富，斷層帶富水，發(fā)生涌水、突泥風險高，地質(zhì)條件與張集線的舊堡隧道相似，工程地質(zhì)條件極差，各方案隧道工程風險評估見表2。

表2 越嶺隧道風險評估

西方案經(jīng)過懷安縣，于興和縣張皋鎮(zhèn)設(shè)站，張皋鎮(zhèn)人口稀少距縣中心城區(qū)約23 km;中方案經(jīng)過懷安、興和兩縣;東方案只經(jīng)過興和縣。中方案經(jīng)過經(jīng)濟據(jù)點多。

(6)研究結(jié)論

根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪、深孔鉆探、孔內(nèi)測試及論證，大尖山、喇嘛營隧道均位于太古界變質(zhì)巖中，巖體受構(gòu)造影響較重，節(jié)理發(fā)育，完整性較差，地下水位高，巖體尤其是破碎帶富水性好。中、西方案地質(zhì)條件相當，經(jīng)工程措施處理后不控制方案選擇。

西方案線路稍長，經(jīng)過松軟土地段也相對較多，但通過膨脹巖地段較短，沿線地形條件好，喇嘛營越嶺隧道地質(zhì)條件復雜，工程實施相對簡單，但該方案不經(jīng)興和縣城，與地方政府要求不一致。中方案大尖山越嶺隧道巖體破碎、地下水較豐富，施工風險相對較高，但中線方案經(jīng)懷安、興和縣城?？紤]到本項目是客運專線鐵路，若線路不經(jīng)過興和縣，對客流吸引作用較差且不符合地方規(guī)劃。綜上所述，推薦經(jīng)懷安、興和縣修建大尖山越嶺隧道的中線方案。

3.2 中線越嶺—京藏高速公路東、西側(cè)方案研究(在20‰基礎(chǔ)上進行比選)

大尖山越嶺的中線方案線路沿京藏高速公路走行并需穿越大尖山，考慮到京藏高速公路西側(cè)是山西省，東側(cè)是河北省，本次設(shè)計研究了線路走行于山西省境內(nèi)的京藏高速公路西側(cè)越嶺和走行于河北省境內(nèi)的京藏高速公路東側(cè)越嶺兩方案，見圖2。

圖2 中線越嶺方案線路比較方案示意

(1)方案說明

京藏高速公路西側(cè)越嶺方案(西側(cè)越嶺方案):該方案線路于西洋河水庫大壩下游以8.197 km特大橋跨越西洋河、G110國道，進入山西省境內(nèi)，下行線路中心距西洋河古城墻100m，在山西省天鎮(zhèn)縣平遠頭村西側(cè)以10.517 km隧道穿越明長城遺址(高差約20 m)、大尖山、京藏高速公路進入內(nèi)蒙境內(nèi)至比較終點。新建線路 31.5 km，橋梁總長 14.893 km，隧道總長10.517 km，橋隧比80.67%，估算投資33 346.5萬元。該方案有6.9 km線路在山西省境內(nèi)。

京藏高速公路東側(cè)越嶺方案(東側(cè)越嶺方案):該方案于西洋河水庫大壩下游跨西洋河、G110國道、京藏高速公路后，在京藏高速公路東側(cè)以15.390 km隧道越嶺大尖山至比較終點，線路未進山西省境內(nèi)。新建線路 31.489 km，橋梁總長 9.936 km，隧道總長15.390 km，橋隧比80.43%，估算投資353 129萬元。該方案未經(jīng)過山西省境內(nèi)。

(2)方案綜合分析與評價

工程投資:兩方案線路長度相當。西側(cè)方案較東側(cè)方案少19 782萬元。

工程地質(zhì)條件:西側(cè)方案巖體完整性相對較好，隧道進口段松散地層長度短，工程地質(zhì)條件相對較好;東側(cè)方案巖體完整性相對較差，尤其進口第四系地層段落長約2.1 km，工程地質(zhì)條件較差。

外部環(huán)境條件:西側(cè)方案需兩次改移G110國道，還需改移S201，線路經(jīng)過山西省境內(nèi)只有6.9 km，無設(shè)站條件，需辦理山西省各類手續(xù)，項目可實施性較差。東側(cè)方案無需改移等級道路，且只經(jīng)過河北省和內(nèi)蒙古自治區(qū)，不需辦理經(jīng)過山西省境內(nèi)的各類手續(xù)。

(3)研究結(jié)論

京藏高速公路東、西側(cè)方案隧址區(qū)地形地貌及地層巖性較接近，大尖山越嶺地區(qū)地下水豐富，存在突發(fā)性的大規(guī)模的突水突泥可能性較小?？紤]到京藏高速公路東側(cè)方案線路完全走行于河北省境內(nèi)，項目的可實施性較好，推薦線路走行于京藏高速公路東側(cè)的越嶺方案。

根據(jù)上述研究結(jié)論，大尖山越嶺地段方案采用線路走行于京藏高速公路東側(cè)的走向方案。在此方案的基礎(chǔ)上分別對大尖山越嶺隧道進口段和越嶺段線路坡度兩個問題進行了專題研究。

3.3 大尖山越嶺隧道進口段方案研究(在20‰基礎(chǔ)上進行比選)

張呼鐵路出懷安站后線路向西北方向行進，進入內(nèi)蒙古自治區(qū)，線路必將同西洋河、京藏高速公路發(fā)生交叉，考慮明長城遺址的位置及京藏高速公路跨越點的選擇，隧道進口段方案研究了西洋河北岸引線方案、西洋河南岸引線方案。

(1)方案說明

西洋河北岸引線方案:線路出懷安站跨西洋河(交角21°)，京藏高速(交角 39°)，穿 500 kV 豐萬Ⅰ、Ⅱ線，海萬Ⅰ、Ⅱ線，于沙溝遺址東北側(cè)通過進入大尖山。線路長度33.704 km，其中隧道全長9.492 km、最長隧道為韭菜溝2號隧道(3.106 km)，橋梁全長13.619 km，最高橋為西洋河特大橋(38 m)，橋隧比68.25%。

該方案于D1K60+060～D1K60+350及D1K69+000～D1K69+270段線路以橋梁、隧道形式跨越烽火臺的建設(shè)控制地帶，距保護范圍邊界最近距離小于10 m;在D1K67+210～D1K67+370段線路以隧道形式跨越烽火臺保護范圍建設(shè)控制地帶，且此段線路在數(shù)個相鄰烽火臺的連線上交叉穿越5次。

西洋河南岸引線方案:該方案于西洋河水庫下游跨西洋河(交角38°)，京藏高速(交角50°)，穿500 kV豐萬Ⅰ、Ⅱ線，海萬Ⅰ、Ⅱ線后進入大尖山。由于跨西洋河特大橋橋高的不同將導致大尖山越嶺隧道長度的不同，本次研究了50 m、60 m、70 m三個橋高方案，工程情況見表3。

表3 不同橋高方案比較

50 m高橋方案中共設(shè)馬市口隧道1座，隧道長10.232 km，隧道最大埋深179 m。為滿足4年工期要求，需在D1K72+800處設(shè)置一處長約450 m的斜井。

由于該隧道洞身5處淺埋下穿主要沖溝，豐水季節(jié)沖溝內(nèi)如有明流，會造成隧道涌水量增大，且暗挖穿越中等膨脹性圍巖約3150 m，占全隧總長度的30.8%，隧道施工風險較大，工程地質(zhì)條件較差。

70 m橋高方案橋梁最大墩高70 m，50 m以上高墩范圍2.47 km。高墩施工難度大、工期長、造價高，后期養(yǎng)護維修困難。

綜上所述，50 m、70 m橋高方案均存在較大風險，經(jīng)研究后首先予以放棄，以60 m橋高方案與北岸方案進行比選。

60 m橋高方案線路長35.729 km，橋梁總長13.864 km，隧道總長9.881 km，橋隧比66.46%。一處以橋梁形式平行烽火臺跨越其建設(shè)控制地帶，三處以隧道形式穿越烽火臺保護范圍及建設(shè)控制地帶。

(2)方案綜合評價

工程投資條件分析:南岸引線方案投資290 369.006萬元，北岸引線方案投資289 969.788萬元。南案引線方案較北岸方案線路長2.025 km，橋隧總長長0.633 km，工程投資多399萬元。

工程地質(zhì)條件分析:北岸方案越嶺段劃分為12個隧道，單個隧道長度最小，隧道抬高到?jīng)_溝底部高程以上，地下水水頭壓力降低，能有效改善水文地質(zhì)條件，降低隧道施工風險。

南岸方案越嶺段劃分為3個隧道。由于隧道埋深較大，圍巖分級條件相對較好，但隧道在大尖山多處沖溝底部淺埋通過，水文地質(zhì)條件相對較差。

外部條件分析:北方案跨越西洋河交角21°。防洪評價單位建議河道范圍內(nèi)橋墩與水流方向一致或采用圓形橋墩，減少阻水面積，橋梁設(shè)計高程應滿足百年一遇洪水位要求。

北岸方案在D1K53+700至 D1K59+771間交叉穿過9處烽火臺5次，穿越次數(shù)過多，不利于沿線長城主體構(gòu)筑的整體保護，張家口市文物局表示該方案的可行性有待研究，建議向省級文物廳申請，派專家組對沿線烽火臺進行現(xiàn)場勘測、定位研究，并完成相關(guān)專題報告，待研究可行后再另行上報。南岸方案穿越長城已得到國家文物局批復。

(3)研究結(jié)論

西洋河南方案較北方案長2.025 km，工程投資多399萬元。但北岸方案同西洋河交角較小(21°)，防洪評估工作較難通過;且同明代古長城烽火臺走向相同，多次同烽火臺的連線產(chǎn)生交叉，較難獲得文物部門的批準。結(jié)合地方政府意見，考慮到北岸方案長城問題較難獲得文物部門的批準，推薦西洋河南岸引線方案。

3.4 大尖山越嶺坡度方案研究

考慮采用較大坡度進行設(shè)計，可以進一步抬高越嶺段設(shè)計高程并縮短隧道長度、降低西洋河橋高，本次設(shè)計對西洋河南岸引線方案進行了20‰和25‰的坡度研究。

(1)方案說明

20‰坡度方案:跨西洋河特大橋橋高最高為60 m，線路全長35.729 km，隧道全長9.881 km(最長隧道5.285 km)，橋梁全長13.864 km，橋隧比66.458%。

25‰坡度方案:跨西洋河特大橋橋高為41 m，線路全長35.727 km，隧道全長8.508 km(最長隧道3.016 km)，橋梁全長15.115 km，橋隧比66.12%。

(2)方案綜合評價

工程投資條件分析:20‰方案橋梁總長13.864 km，隧道總長9.881 km，投資290 369.006萬元。25‰方案橋梁總長15.115 km，隧道總長8.508 km，投資285 124.246萬元。25‰方案投資較 20‰方案少5 244.759萬元。

工程地質(zhì)條件:20‰方案與25‰方案相比較而言，25‰方案由于其隧道高程更高，隧道相應變短，淺埋段增加，圍巖級別有所降低。盡管圍巖條件不具有優(yōu)勢，但水文地質(zhì)條件明顯改善，大大降低了隧道施工風險，因此25‰相對較優(yōu)。

運營分析:本次模擬分別采用CRH1、CRH2和CRH5計算，下行方向按照由張家口南站起動，結(jié)合運輸安全及3 min追蹤間隔研究，考慮長大下坡的局部限速。

經(jīng)模擬驗算，20‰方案采用CRH1在DK73+458處速度降至最低，最低速度158.9 km/h;采用CRH2在DK73+431處速度降至最低，最低速度為160.3 km/h;采用CRH5在DK73+446處速度降至最低，最低速度為148.2 km/h。25‰方案采用CRH1在DK72+259處速度降至最低，最低速度145.8 km/h;采用CRH2在DK72+275處速度降至最低，最低速度為146.81 km/h;采用CRH5在DK72+269處速度降至最低，最低速度為134.54 km/h。

經(jīng)比較，采用20‰方案和25‰方案運行時間及速度相差不大，采用各型動車組上下行運行時間相差均在10s之內(nèi)。

(3)研究結(jié)論

從工程、地質(zhì)條件和運營影響分析，25‰坡度方案工程地質(zhì)條件改善、投資省，運行時分不受影響，推薦25‰坡度方案。

［1］ 趙清為．鐵路工程技術(shù)手冊:線路［M］．北京:中國鐵道出版社，1994．

［2］ 郝瀛．鐵路選線設(shè)計［M］．北京:中國鐵道出版社，1996

［3］ TB 10020—2009 高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)［S］

［4］ 易思蓉．鐵路選線設(shè)計［M］．成都:西南交通大學出版社，2001

［5］ 郝瀛．中國鐵路建設(shè)概論［M］．北京:中國鐵道出版社，1998

［6］ 中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司．新建張家口至呼和浩特鐵路預可行性研究報告［R］．北京:中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，2009

［7］ 中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司．新建張家口至呼和浩特鐵路可行性研究報告:第一篇總說明書［R］．北京:中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，2010

［8］ 中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司．新建張家口至呼和浩特鐵路初步設(shè)計報告:第一篇總說明書［R］．北京:中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，2012