曹 祥

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司線(xiàn)站處，天津 300142)

1 概述

山西中南部鐵路通道西起瓦塘，東至日照，線(xiàn)路全長(zhǎng)1 322 km，橋隧比例49%，配套建設(shè)與岢瓦線(xiàn)、南同蒲線(xiàn)、太焦線(xiàn)、京廣線(xiàn)、京九線(xiàn)、京滬線(xiàn)的聯(lián)絡(luò)線(xiàn)。線(xiàn)路先后翻越呂梁山、太岳山、太行山及沂蒙山，途徑山西省呂梁市、臨汾市、長(zhǎng)治市，河南省安陽(yáng)市、鶴壁市、濮陽(yáng)市，山東省濟(jì)寧市、泰安市、萊蕪市、淄博市、臨沂市、日照市等3省12市。山西中南部鐵路通道的修建，有利于推進(jìn)山西中南部地區(qū)煤炭資源開(kāi)發(fā)、確保國(guó)家能源安全供應(yīng)，同時(shí)對(duì)密切山西、河南、山東三省區(qū)域經(jīng)濟(jì)協(xié)作，加快沿線(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有十分重要的意義。

山西中南部鐵路通道呂梁山越嶺段地形復(fù)雜，由蒲縣喬家灣鎮(zhèn)昕水河河谷(海拔1 220 m)至洪洞汾河河谷(海拔440 m)，直線(xiàn)距離僅30 km，高差達(dá)780 m;本段處于汾西國(guó)家規(guī)劃礦區(qū)及鄉(xiāng)寧煤炭國(guó)家規(guī)劃礦區(qū)，煤炭埋藏深度1 100～900 m不等。其中北起克城經(jīng)喬家灣、黑龍關(guān)至鄉(xiāng)寧縣長(zhǎng)約100多km、寬20多km范圍內(nèi)煤炭開(kāi)采已達(dá)到一定規(guī)模，采空區(qū)分布較廣且多無(wú)詳細(xì)統(tǒng)計(jì)資料，正確處理線(xiàn)路與規(guī)劃礦區(qū)和采空區(qū)間的關(guān)系為本段線(xiàn)路方案選擇的又一重要因素;另龍子祠泉域位于山西省臨汾市西北13 km西山山前，泉域所處地理位置屬呂梁山脈，泉水出露于西山與臨汾盆地交接處的坡積物中，泉水大多以散流形式溢出地表，泉水流向臨汾盆地，棄水入汾河，是臨汾市工業(yè)及飲用的主要水源。

除上述三大控制因素外，本段范圍內(nèi)還有五鹿山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)一處，位于蒲縣北部，線(xiàn)路應(yīng)繞避該保護(hù)區(qū);線(xiàn)路引入洪洞地區(qū)之前需跨越汾河，線(xiàn)路跨越汾河應(yīng)滿(mǎn)足法向角不大于5°。

綜合以上控制因素，本線(xiàn)對(duì)呂梁山段越嶺方案進(jìn)行了深入研究。

2 線(xiàn)路走向的選擇

呂梁山東側(cè)為汾西規(guī)劃礦區(qū)，西側(cè)為石隰規(guī)劃礦區(qū)及鄉(xiāng)寧規(guī)劃礦區(qū)。其中汾西規(guī)劃礦區(qū)煤層埋深最淺(100～400 m)，煤炭資源開(kāi)發(fā)較早，一方面既有108國(guó)道及南同蒲鐵路南北向貫穿礦區(qū)，交通運(yùn)輸條件便捷，另一方面由于煤炭開(kāi)采相對(duì)簡(jiǎn)易，長(zhǎng)期的無(wú)序開(kāi)發(fā)也在該地區(qū)形成了大范圍的采空區(qū)，特別是解放前形成的大量古窯采空區(qū)，由于無(wú)法獲得準(zhǔn)確的采空區(qū)資料，為線(xiàn)路方案的確定造成了一定的困難。石隰規(guī)劃礦區(qū)及鄉(xiāng)寧規(guī)劃礦區(qū)煤層埋深較深(900～1 200 m)，加之沿線(xiàn)交通運(yùn)輸條件的落后，煤炭資源開(kāi)發(fā)較為滯后，特別是石隰規(guī)劃礦區(qū)，截止目前基本尚未開(kāi)發(fā)。

經(jīng)詳細(xì)勘察，蒲縣至洪洞呂梁山越嶺地段煤層高程位于1 100～900 m，對(duì)應(yīng)區(qū)段龍子祠巖溶水位線(xiàn)高程位于867～492 m范圍?？紤]到煤層范圍可能存在的采空對(duì)隧道工程形成的安全隱患，線(xiàn)路設(shè)計(jì)高程應(yīng)滿(mǎn)足距離煤層底部50 m以上;為保證長(zhǎng)隧道的建設(shè)不致對(duì)泉域造成破壞，線(xiàn)路設(shè)計(jì)高程應(yīng)至少距離巖溶地下水位線(xiàn)70 m以上。基于上述條件，經(jīng)分析，其中煤層與泉域地下水位共同制約線(xiàn)路高程的15 km范圍內(nèi)，線(xiàn)路設(shè)計(jì)高程仍有119～402 m的空間可供選擇，即由蒲縣至洪洞越嶺，越嶺隧道選擇合適的高程可保障既不穿越煤層又不影響龍子祠泉域地下水。

結(jié)合區(qū)域內(nèi)自然地形條件，呂梁山西側(cè)可供選擇的主要河谷為東川河及昕水河，呂梁山東側(cè)汾河河谷的山前洪積扇可供線(xiàn)路走行，綜合沿線(xiàn)自然地形條件以及礦區(qū)及采空區(qū)分布情況，呂梁山越嶺段主要研究了平面繞避采空區(qū)的經(jīng)克城方案與高程避讓采空區(qū)的經(jīng)蒲縣方案。如圖1所示。

圖1 山西中南部鐵路通道呂梁山越嶺段方案示意

2.1 經(jīng)克城方案

線(xiàn)路自隰縣站外始，折向東進(jìn)入東川河，沿黃土至佃坪方向向東越嶺，設(shè)佃坪站后折向東南二次越嶺，而后沿呂梁山東側(cè)汾河河谷山前洪積扇展線(xiàn)后跨越汾河。經(jīng)克城方案走行于五鹿山國(guó)家級(jí)保護(hù)區(qū)北部邊緣，采用平面繞避的方式消除線(xiàn)路與采空區(qū)的相互干擾。

本方案線(xiàn)路長(zhǎng)度102.650 km，沿途設(shè)黃土、佃坪(萬(wàn)噸)、萬(wàn)安(萬(wàn)噸)3座車(chē)站，其中含橋梁工程23.068 km，隧道工程38.788 km，橋隧比例60.3%，越嶺隧道長(zhǎng)17.245 km，工程投資838 324萬(wàn)元。

2.2 經(jīng)蒲縣方案

線(xiàn)路由隰縣起，沿城川河河谷向南至水堤，向南越嶺，于井溝東側(cè)至昕水河河谷，順昕水河河谷沿東南方向行進(jìn)，于肖家溝村設(shè)站后向東越嶺，利用回頭曲線(xiàn)展線(xiàn)后設(shè)龍馬站，順地勢(shì)向北至登臨村南側(cè)折向東跨越汾河，采用立面避讓的方式消除線(xiàn)路與采空區(qū)的相互干擾。

本方案線(xiàn)路長(zhǎng)度78.896 km，沿途設(shè)蒲縣(萬(wàn)噸)、龍馬(萬(wàn)噸)2座車(chē)站，其中含橋梁工程12.583 km，隧道工程56.382 km，橋隧比例 87.4%，越嶺隧道長(zhǎng)23.441 km，工程投資711 254萬(wàn)元。

2.3 小結(jié)

項(xiàng)目修建意義方面，經(jīng)克城方案無(wú)法兼顧蒲縣地區(qū)煤炭的開(kāi)發(fā)及外運(yùn)，有悖于本線(xiàn)修建的初衷。

工程風(fēng)險(xiǎn)方面，經(jīng)蒲縣方案采取立面避讓煤層的方式避讓采空區(qū)，同時(shí)兼顧了對(duì)龍子祠泉域地下水的保護(hù)，徹底消除了安全隱患;經(jīng)克城方案采取平面繞避的方式繞避采空區(qū)，考慮到區(qū)域內(nèi)煤炭資源長(zhǎng)期的無(wú)序開(kāi)發(fā)及資料的缺失，古窯采空區(qū)的不確定性對(duì)線(xiàn)路方案的穩(wěn)定仍存在不利影響。

工程經(jīng)濟(jì)方面，經(jīng)蒲縣方案較經(jīng)克城方案縮短線(xiàn)路長(zhǎng)度23.754 km、節(jié)省工程投資127 070萬(wàn)元，無(wú)論從運(yùn)營(yíng)角度，還是工程投資角度，經(jīng)蒲縣方案具備明顯的優(yōu)勢(shì)。

綜上，呂梁山越嶺地段線(xiàn)路走向選擇經(jīng)蒲縣方案。

3 越嶺隧道長(zhǎng)度的確定

在越嶺走向方案采用經(jīng)蒲縣方案的基礎(chǔ)上，分析沿線(xiàn)自然地形條件可知，越嶺隧道出口側(cè)山前陡壁與洪積扇的分界高程為740 m，也就是說(shuō)越嶺隧道出口最大高程應(yīng)為740 m，否則越嶺隧道出口側(cè)將出現(xiàn)線(xiàn)路懸空。經(jīng)分析，越嶺隧道出口端山前陡壁與洪積扇分界線(xiàn)距離越嶺埡口間距離為25 km，按輕車(chē)上坡方向13‰的限制坡度推算，考慮越嶺埡口變坡等因素，越嶺埡口高程應(yīng)在1 060 m左右。

越嶺埡口肖家溝附近區(qū)段昕水河河底高程為1 050 m，考慮昕水河水位的影響，線(xiàn)路設(shè)計(jì)高程應(yīng)為1 060 m左右。肖家溝附近分別向東、向南發(fā)育兩條昕水河支流，其中向南發(fā)育的支流河底自然縱坡為10‰，向東發(fā)育的支流河底自然縱坡為11‰。如考慮越嶺埡口高程的調(diào)整，越嶺隧道進(jìn)口方向每縮短1 km的隧道長(zhǎng)度，越嶺埡口高程則需抬高10 m左右，同時(shí)結(jié)合越嶺隧道出口方向展線(xiàn)條件，相應(yīng)出口側(cè)需增加1 km的隧道工程展線(xiàn)。綜上分析，呂梁山越嶺埡口高程確定為1 060 m左右。

3.1 越嶺長(zhǎng)隧道方案

蒲縣站采用肖家溝站位，越嶺點(diǎn)高程1 061 m，越嶺隧道沿大洪峪澗河方向出洞，出洞高程769 m，越嶺隧道長(zhǎng)度23.441 km。

本方案隧道洞身距離最近煤層83 m，距離龍子祠泉域巖溶地下水位線(xiàn)最近125 m，對(duì)應(yīng)段落為馬家溝組第三段地層，巖性為灰?guī)r到泥質(zhì)白云巖，局部發(fā)育膏溶角礫巖，巖體較完整。線(xiàn)路長(zhǎng)度56.138 km，其中含橋梁工程12.267 km，隧道工程27.453 km，橋隧比例70.8%，工程投資450 886.4萬(wàn)元。

3.2 越嶺短隧道方案

蒲縣站采用肖家溝站位，越嶺點(diǎn)高程1 067 m，越嶺隧道沿老虎溝方向出洞，出洞高程769 m，越嶺隧道長(zhǎng)度20.500 km。

本方案隧道洞身距離最近煤層63 m，距離龍子祠泉域巖溶地下水位線(xiàn)最近140 m，對(duì)應(yīng)段落為馬家溝組第三段地層，巖性為灰?guī)r到泥質(zhì)白云巖，局部發(fā)育膏溶角礫巖，巖體較完整。線(xiàn)路長(zhǎng)度63.842 km，其中含橋梁工程17.494 km，隧道工程30.115 km，橋隧比例74.6%，工程投資500 712.6萬(wàn)元。

3.3 小結(jié)

呂梁山越嶺長(zhǎng)、短隧道兩方案均采取立面避讓的方式消除線(xiàn)路與煤礦采空區(qū)的關(guān)系，同時(shí)均能夠保障越嶺隧道的建設(shè)不致對(duì)泉域造成破壞，由以上兩個(gè)方面分析長(zhǎng)、短隧道方案無(wú)明顯差異。

越嶺短隧道方案為盡早出洞，隧道出口選擇于溝底自然高程更低的老虎溝，而為縮短線(xiàn)路跨越汾河橋長(zhǎng)、降低橋梁高度，汾河橋位選擇于登臨附近，由此導(dǎo)致越嶺短隧道方案不可避免的向南展長(zhǎng)了線(xiàn)路，此外因呂梁山東側(cè)769～740 m的高程范圍內(nèi)無(wú)適宜的地形條件可供走行，從而造成展長(zhǎng)線(xiàn)路部分均為隧道工程。故由工程經(jīng)濟(jì)方面分析，越嶺短隧道方案較長(zhǎng)隧道方案增加工程投資49 826.2萬(wàn)元，增加工程投資顯著。

綜上，呂梁山越嶺采用長(zhǎng)隧道方案。

4 展線(xiàn)位置的確定

綜合分析越嶺隧道出口至汾河橋間自然地形條件，呂梁山越嶺隧道出口端高程740 m，汾河河谷西側(cè)山前廣泛發(fā)育的山前洪積扇高程位于740～540 m，為適當(dāng)降低本線(xiàn)跨越汾河橋梁高度、節(jié)省工程投資，無(wú)論在越嶺隧道出口提前展線(xiàn)，還是在汾河橋前展線(xiàn)，由自然地形方面分析均具備良好的展線(xiàn)條件。

結(jié)合越嶺隧道出口至汾河橋位間分布大洪峪澗河、趙凹溝、漫底溝、石止?jié)竞拥壬钋袥_溝的具體情況，于越嶺隧道出口灰?guī)r區(qū)展線(xiàn)，展線(xiàn)范圍內(nèi)大部分為隧道工程，但提前展線(xiàn)后線(xiàn)路設(shè)計(jì)高程與沿線(xiàn)自然地形的適應(yīng)性更強(qiáng)，跨越沿線(xiàn)溝谷的橋梁高度明顯降低，工程條件明顯改善;于汾河橋前順地勢(shì)展線(xiàn)，大部分可利用路基工程展線(xiàn)，但為達(dá)到降低汾河橋梁高度、節(jié)省工程投資的目的，汾河橋由登臨橋位局部向北平移至安定堡橋位，但受跨越汾河角度限制，造成汾河橋后部分展長(zhǎng)線(xiàn)路的浪費(fèi)。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，長(zhǎng)隧道口展線(xiàn)方案線(xiàn)路長(zhǎng)度30.464 km，其中含橋梁工程14.768 km，隧道工程2.900 km，橋隧比例58%，工程投資217 441.4萬(wàn)元;汾河橋前展線(xiàn)方案線(xiàn)路長(zhǎng)度31.413 km，其中含橋梁工程16.927 km，隧道工程 2.052 km，橋隧比例 60%，工程投資227 494.2萬(wàn)元。

綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，長(zhǎng)隧道口展線(xiàn)方案線(xiàn)路設(shè)計(jì)高程與沿線(xiàn)地形適應(yīng)更強(qiáng)，跨越沿線(xiàn)溝谷橋梁高度顯著降低，較汾河橋前展線(xiàn)方案節(jié)省工程投資10 052.8萬(wàn)元，越嶺隧道東側(cè)展線(xiàn)采用長(zhǎng)隧道口展線(xiàn)方案。

5 長(zhǎng)隧道與隧道群的選擇

綜合分析呂梁山越嶺隧道西側(cè)引線(xiàn)條件可知，隰縣至蒲縣站區(qū)間線(xiàn)路基本沿昕水河走行，隰縣站設(shè)站高程949 m，蒲縣站設(shè)站高程1 054 m，兩車(chē)站間航空距離37.1 km，要求平均設(shè)計(jì)縱坡為2.9‰，對(duì)應(yīng)區(qū)段為本線(xiàn)重車(chē)上坡方向，線(xiàn)路限制坡度為6‰，線(xiàn)路具備裁彎取直條件。

區(qū)段內(nèi)線(xiàn)路通過(guò)黃土梁、峁和深切沖溝的黃土丘陵區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，巖層呈單斜構(gòu)造，地層平緩，巖性主要為第四系新黃土、老黃土、第三系粉質(zhì)黏土、黏土、三疊系砂巖和泥巖。線(xiàn)路行經(jīng)地區(qū)溝深壁陡、且溝型大部垂直于線(xiàn)路方向，即使局部展長(zhǎng)線(xiàn)路仍無(wú)法有效增加路基工程長(zhǎng)度。

根據(jù)勘探成果資料統(tǒng)計(jì)，裁彎取直的長(zhǎng)隧道方案重點(diǎn)工程(隰縣隧道)洞身位于基巖段落約9.0 km，位于土層中1.4 km，洞身發(fā)育孔隙潛水及基巖裂隙水，隧道圍巖Ⅲ～Ⅴ，以Ⅲ～Ⅳ級(jí)為主;短隧道方案工程地質(zhì)條件較取直方案略差，但無(wú)明顯差異。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，長(zhǎng)隧道方案線(xiàn)路長(zhǎng)度24.200 km，其中含橋梁工程0.917 km，隧道工程22.205 km，橋隧比例96%，最長(zhǎng)隧道10.505 km，工程投資205 957.3萬(wàn)元;隧道群方案線(xiàn)路長(zhǎng)度24.814 km，其中含橋梁工程1.174 km，隧道工程22.686 km，橋隧比例96%，最長(zhǎng)隧道6.810 km，工程投資210 769.0萬(wàn)元。

綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，長(zhǎng)隧道方案跨越沿線(xiàn)溝谷橋梁高度顯著降低，隧道進(jìn)出口條件明顯改善，便于施工組織，同時(shí)較隧道群方案節(jié)省工程投資4 811.7萬(wàn)元，故呂梁山越嶺隧道西側(cè)引線(xiàn)采用裁彎取直的長(zhǎng)隧道方案。

6 越嶺隧道內(nèi)設(shè)計(jì)縱坡的確定(圖2)

圖2 山西中南部鐵路通道呂梁山越嶺隧道設(shè)計(jì)高程與煤層及龍子祠泉域地下巖溶水位線(xiàn)間關(guān)系剖面

山西中南部鐵路通道瓦塘至長(zhǎng)治段為本項(xiàng)目的集運(yùn)區(qū)段，其中南呂梁山隧道以西的貨物運(yùn)量構(gòu)成為近期下行7 654萬(wàn)t、上行235萬(wàn)t，遠(yuǎn)期下行10 855萬(wàn)t、上行326萬(wàn)t，貨物流向具有明顯的不均衡性，且上行貨物主要為白貨。結(jié)合項(xiàng)目的具體特點(diǎn)，對(duì)呂梁山越嶺隧道輕車(chē)上坡是否折減研究如下。

兩方案越嶺長(zhǎng)隧道范圍線(xiàn)路走向一致，長(zhǎng)隧道進(jìn)口設(shè)計(jì)高程一致，越嶺長(zhǎng)隧道范圍輕車(chē)上坡未折減(曲線(xiàn)范圍考慮曲線(xiàn)折減)方案采用12.6‰的設(shè)計(jì)縱坡，折減方案采用11.8‰的設(shè)計(jì)縱坡。折減方案出口高程較不折減方案抬高18 m，此后兩方案至汾河橋基本走行同一通路，適應(yīng)線(xiàn)路設(shè)計(jì)高程展線(xiàn);為降低汾河橋高，折減方案較不折減方案汾河橋位向北平移約1 km，受跨越汾河交叉角度制約，造成橋后部分展長(zhǎng)線(xiàn)路的浪費(fèi)。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，長(zhǎng)隧道輕車(chē)上坡不折減方案隧道洞身距離最近煤層91 m，距離龍子祠泉域巖溶地下水位線(xiàn)最近71 m，線(xiàn)路長(zhǎng)度 54.664 km，其中含橋梁工程15.483 km，隧道工程26.341 km，橋隧比例77%，工程投資428322.6萬(wàn)元;長(zhǎng)隧道輕車(chē)上坡折減方案隧道洞身距離最近煤層88 m，距離龍子祠泉域巖溶地下水位線(xiàn)最近73 m，線(xiàn)路長(zhǎng)度56.595 km，其中含橋梁工程20.235 km，隧道工程26.564 km，橋隧比例83%，工程投資465 742.6萬(wàn)元。

綜上，長(zhǎng)隧道輕車(chē)上坡不折減與折減方案工程條件相當(dāng)，結(jié)合本項(xiàng)目貨物流向明顯不均衡的特點(diǎn)，考慮到不折減方案較折減方案節(jié)省工程投資37 420萬(wàn)元，節(jié)省工程投資顯著，故越嶺隧道內(nèi)設(shè)計(jì)縱坡采用輕車(chē)上坡不折減方案。

7 結(jié)論

(1)采取從大面積著手，多方案比較，由面到線(xiàn)，由線(xiàn)到段，逐步接近的方法，是選擇線(xiàn)路走向和重大方案的有效方法。

(2)越嶺方案是山區(qū)鐵路選線(xiàn)的重要組成部分，而越嶺埡口的位置、隧道長(zhǎng)度和高程的選定，又是越嶺方案中的重點(diǎn)，它常與限制坡度及越嶺兩側(cè)引線(xiàn)條件等密切相關(guān)，并互相制約。

(3)對(duì)于礦區(qū)選線(xiàn)，線(xiàn)路的選擇應(yīng)充分考慮鐵路的修建對(duì)周邊煤炭資源開(kāi)發(fā)的重要意義，同時(shí)必須高度重視采空區(qū)對(duì)于工程建設(shè)及運(yùn)營(yíng)安全造成的不利影響，處理方法上，既可通過(guò)平面繞避，也可通過(guò)立面避讓的方式消除線(xiàn)路與采空區(qū)間相互干擾。

(4)展線(xiàn)位置的選擇應(yīng)充分結(jié)合線(xiàn)路沿線(xiàn)的自然地形條件，對(duì)于線(xiàn)路沿線(xiàn)存在大量橋梁工程、特別是高橋較為集中的地段，原則上應(yīng)提前進(jìn)行展線(xiàn)。

(5)沿河傍山線(xiàn)路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)問(wèn)題之一是長(zhǎng)隧道與短隧道群的比選，應(yīng)綜合考慮自然地形地質(zhì)條件、隧道進(jìn)出口施工條件以及工期等相關(guān)因素合理確定。

［1］鐵道部第一勘測(cè)設(shè)計(jì)院.鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)·線(xiàn)路［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，1994.

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