毛 杰

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 四川成都 610031)

師宗至文山鐵路南盤江深切河谷段選線研究

毛 杰

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 四川成都 610031)

西南山區(qū)地帶河谷深切的情況較為多見，河谷的深切往往還伴隨著與活動斷裂的重合、兩岸不良地質(zhì)發(fā)育，這樣的段落往往成為鐵路或公路建設(shè)的控制性段落。如何在地形起伏劇烈、地質(zhì)條件不良的情況下選擇合理線路方案成為鐵路或公路選線設(shè)計的難點和重點。文章以師宗至文山鐵路跨越南盤江深切河谷段選線為實例，以地質(zhì)選線為基礎(chǔ)，對不同的橋位方案、橋式方案、坡度方案從大跨度橋梁可實施性、經(jīng)濟性、運營及工程風險等方面進行分析、比選，確定合理的線路方案。

鐵路； 深切河谷； 選線

1 概述

1.1 項目概述

師宗至文山鐵路位于云南省東部的曲靖市和文山州，北起南昆線師宗站，經(jīng)文山州丘北、硯山縣至文山市。項目已列入《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，北接南昆鐵路，中與云桂鐵路銜接，南連西南沿邊鐵路，是云南省滇東縱向客貨運主通道。此項目建設(shè)將填補路網(wǎng)空白，形成我國西南地區(qū)至越南及東南亞地區(qū)出境新通道，定位為一條客貨運輸兼顧的區(qū)域鐵路干線。

1.2 地形地貌及地質(zhì)概況

線路穿越云貴高原東南部斜坡地帶，地勢北高南低，群峰高聳，海拔1 600～2 300 m，相對高差100～800 m，南盤江流域切割劇烈，谷深坡陡，線路所經(jīng)南盤江河谷最低，海拔800 m，整個高原面在外應(yīng)力的長期侵蝕、溶蝕作用下被切割得支離破碎。沿線通過三大地貌單元，新安至雙龍營屬構(gòu)造侵蝕溶蝕中山區(qū)，雙龍營至文山屬侵蝕溶蝕低中山區(qū)，其間分布硯山、文山兩處盆地，沿線以溶蝕地貌最為發(fā)育。

本線南盤江流域在大地構(gòu)造上屬華南褶皺系的滇東南褶皺帶，位于文山巨型旋扭構(gòu)造與云南山字型構(gòu)造的復合部位，區(qū)域內(nèi)構(gòu)造線呈北東向展布，分布廣泛的三疊系碎屑巖地層。南盤江則多沿構(gòu)造線發(fā)育，河谷寬闊，兩岸斜坡巖體破碎，滑坡、溜坍等重力不良地質(zhì)問題突出。

2 南盤江深切河谷選線研究

本段線路走向與控制性工程南盤江大橋的橋位、橋高、橋式方案密切相關(guān)，選線過程要充分考慮工程地質(zhì)條件、水文、地形條件、兩端線路巖溶隧道風險等，也要結(jié)合國內(nèi)鐵路橋梁較為成熟的孔跨結(jié)構(gòu)形式，同時參考國內(nèi)外正在研究或設(shè)計的大跨橋梁的適用性，可以說本段線路集中了本線難點、重點和創(chuàng)新點。

本段線路長約87 km，占全線總長46 %，北端即南昆線接軌點新安高程1 881 m，南端雙龍營1 485 m，中間跨越南盤江，該段南盤江平均高程782 m，河床平均坡降1.37 ‰。沿兩點航空線新安至南盤江33 km，高差1 099 m，計算坡度33.3 ‰；南盤江至雙龍營29 km，高差703 m，計算坡度24 ‰。由此可見該段線路特點是(1)典型的兩頭高，中間低地勢，南盤江北岸克服高差的條件更為困難；(2)緊坡地段通常用足最大坡度定線，以便爭取高度，不額外展長線路[1]。較高的跨江標高可縮短線路長度但需加大橋跨，較低的跨江標高可減小橋跨但需要更長的線路長度。

2.1 橋位方案比選

受局部應(yīng)力作用，黑耳一帶形成弧形構(gòu)造，北西、南北向兩條斷裂構(gòu)造夾持寬度約3 km的三疊系碳酸鹽巖地層，是本段南盤江通過區(qū)唯一的灰?guī)r峽谷區(qū)域。

2.1.1 黑耳橋位

黑耳村上游約2.5 km，南盤江江面高程805 m，兩岸陡峻，河谷深切，屬深“V”地形，橋位上游2.5 km處為云鵬大壩，壩頂高程905 m，裝機容量210 MW。該橋位附近約3 km的三疊系碳酸鹽巖地層，是本段南盤江通過區(qū)唯一的灰?guī)r(硬質(zhì)巖)峽谷區(qū)域。

2.1.2 上游庫區(qū)橋位

黑耳上游橋位位于云鵬水電站蓄水區(qū)范圍，河面寬闊，以碎屑巖為主，構(gòu)造發(fā)育、巖體破碎。因上游橋址為寬谷，方案在與黑耳橋位跨度相同時，線路標高較低，線路展長較多，投資較高。與黑耳橋位標高相同時跨度更大，如采用長隧取直，可溶巖地區(qū)巖溶隧道風險難以控制，順河展線則線路增長較多，投資較高，故上游橋位經(jīng)研究后予以放棄。

2.1.3 下游橋位

(1)下游阿拉黑橋位。阿拉黑村上游約2.6 km，南盤江江面高程788 m，兩岸山勢較緩和，河谷較寬。地層巖性為三疊系中統(tǒng)蘭木組中段(T2lb)石英細砂巖夾粉砂巖、泥巖，下段(T2la)泥巖夾粉砂巖、泥灰?guī)r，南盤江沿南崖斷裂發(fā)育，受構(gòu)造影響，兩岸斜坡巖體破碎，師宗端岸坡順層，巖層傾角40°～50°。

(2)下游壩達橋位。壩達渡口上游約3.0 km，南盤江江面高程778 m，兩岸山勢較緩和，河谷較寬。地層巖性為三疊系中統(tǒng)蘭木組下段(T2la)泥巖夾粉砂巖、泥灰?guī)r，拖味組下段(T2ta)白云巖夾泥質(zhì)白云巖，南盤江沿南崖斷裂發(fā)育，受構(gòu)造影響，兩岸斜坡巖體破碎，師宗端巖溶發(fā)育，同時岸坡順層，巖層傾角35°。

2.1.4 橋位方案比選及推薦意見

以黑耳橋位520 m拱橋；下游阿拉黑橋位580 m斜拉橋、928 m斜拉橋；下游壩達橋位1 000 m懸索橋進行橋位方案比選分析(圖1)。

圖1 南盤江橋位方案比選示意

各方案的主要工程數(shù)量及投資比較見表1。

表1 主要工程數(shù)量及投資比較

從上面的比較分析可知黑耳橋位地形狹窄，岸坡陡峻，采用較小的橋梁跨度即可獲得較大的標高抬升，在降低橋梁造價、縮短線路長度、工期、降低施工風險等方面均極具優(yōu)勢；下游橋位雖靠近航空線，但地形開闊，岸坡較緩，采用較小跨度橋梁高程太低，需通過線路長度彌補跨江標高的不足，加大跨度所獲得標高抬升非常有限，而橋梁造價呈幾何級數(shù)增加。除非下游有河谷更為狹窄陡峻的橋位，地質(zhì)條件更佳，否則下游橋位相對黑耳橋位具明顯劣勢，線路應(yīng)集中在黑耳橋位進行橋式比選。

2.2 橋式方案比選

在明確黑耳橋位的基礎(chǔ)上，在深“V”型的峽谷地貌中，改變橋式加大跨度所獲得的標高抬升優(yōu)勢明顯，但隨著敞口的不斷加大，這一優(yōu)勢也呈向上收斂態(tài)勢，存在最佳跨度(橋式)與線路長度的組合。

以黑耳橋位主跨400 m拱橋、主跨520 m拱橋、主跨900 m懸索橋、主跨980 m懸索橋進行橋式比選分析(圖2)。

各方案的主要工程數(shù)量及投資比較見表2。

研究表明主跨400 m拱橋方案線路長度最長，相對主跨520 m拱橋方案，其南盤江橋節(jié)約的投資不足以彌補線路長度增加所引起的工程及運營費用的增加；主跨520 m拱橋方案線路長度較短，工程投資最省，工程風險總體可控；主跨900 m懸索橋方案線路長度最短，采用長隧取直，單面坡巖溶隧道長達24.2 km，且無輔助坑道條件，工程風險及工期風險巨大，投資多；主跨980 m懸索橋方案線路長度較短，單面坡巖溶隧道隧道長達13 km，工程風險較大，980 m懸索橋較520 m拱橋投資增加12.4億元，而線路僅縮短1.9 km，經(jīng)濟合理性差。故南盤江橋式推薦采用經(jīng)濟性最好的520 m混凝土拱橋方案。

圖2 南盤江橋式方案比選示意

表2 主要工程數(shù)量及投資比較

2.3 局部坡度比選

坡度比選應(yīng)從全線出發(fā)，結(jié)合相鄰路網(wǎng)適應(yīng)性、運輸組織(機車交路、機力配置)、工程經(jīng)濟和工程風險等因素綜合比選。本段條件困難，也是本線的控制性段落，大坡度方案對縮短線路長度、降低工程難度和工程風險有利，工程投資也有一定的節(jié)省，對全線坡度的選取有重大影響，有必要就本段不同的坡度方案進行研究。

(1)13 ‰加力坡方案。受南盤江深切影響，13 ‰加力坡如采用400～500 m跨度拱橋，線路較同等跨度18.5 ‰加力坡方案需展長22～27 km，劣勢明顯。需采用大跨度橋梁提高跨江標高，縮短線路長度。采用13 ‰坡度988 m主跨懸索橋方案納入坡度比選。

(2)18.5 ‰加力坡方案。在前述南盤江特大橋橋位及橋式方案的研究中，推薦采用520 m鋼筋混凝土拱橋方案納入坡度比選。

(3)24 ‰加力坡方案。采用大坡度后，爬坡能力增強，可降低南盤江特大橋高度，同時線路能盡量向航空線靠攏，縮短線路長度。24 %坡采用高橋取直南盤江北岸單面坡巖溶隧道風險較高，故采用24 ‰加力坡(100+192+100) m鋼筋混凝土連續(xù)梁方案納入坡度比選(圖3)。

圖3 南盤江段坡度方案比選示意

(4)主要工程數(shù)量及投資比較見表3。

從以上分析可見，采用不同跨度的南盤江橋后，不同的坡度方案線路長度基本一致，但南盤江橋建造費用差距明顯，工程投資差額也主要體現(xiàn)在該橋的造價上。從比較的結(jié)果看大坡度方案確實對降低工程造價、工程難度以及巖溶隧道風險均有優(yōu)勢，但前已述及坡度應(yīng)從全線及路網(wǎng)的角度綜合分析比選。

(1)13 ‰加力坡方案雖線路長，工程量大，南盤江橋技術(shù)難度大、造價高，但方案與相鄰路網(wǎng)銜接較好，滿足牽引質(zhì)量及長交路運行要求。

(2)18.5 ‰加力坡方案能較好適應(yīng)地形，牽引質(zhì)量與區(qū)域路網(wǎng)匹配，滿足長交路運行要求，工程可實施性強，工程風險小。

(3)24 ‰加力坡方案雖工程投資少于18.5 ‰加力坡方案，但牽引質(zhì)量低，與相鄰路網(wǎng)不匹配，不滿足長交路運行要求，且增加了列車換重作業(yè)，運營成本高，其30年換算工程運營費總和(折現(xiàn)值)與18.5 ‰方案持平。

本段局部坡度研究從降低南盤江橋技術(shù)難度和工程風險，節(jié)省投資的角度出發(fā)，暫推薦采用牽引質(zhì)量與相鄰路網(wǎng)匹配較好的18.5 ‰加力坡方案。

3 結(jié)束語

通過對師宗至文山鐵路南盤江深切河谷段選線研究，對復雜山區(qū)鐵路深切河谷段選線的一些經(jīng)驗總結(jié)如下：

表3 南盤江段坡度方案工程數(shù)量及投資比較

(1)我院前輩專家對復雜山區(qū)鐵路設(shè)計中總結(jié)的“晚展不如早展、硬展不如順展、小范圍展不如大范圍展”以及順河流追坡展線的展線原則在本線選線中再一次成功的指導了深切河谷段的選線工作。

(2)在河流深切地段的選線應(yīng)盡量選擇靠河流上游地形狹窄，岸坡陡峻，地質(zhì)穩(wěn)定的峽谷，除非下游有峽谷可使用合適的橋跨跨越且線路設(shè)計標高還高于上游橋位。

(3)橋式的選擇應(yīng)盡量參考同類橋梁設(shè)計和施工經(jīng)驗并結(jié)合技術(shù)升級適度創(chuàng)新，同類橋梁有滬昆客專北盤江特大橋(跨徑445 m)、云桂鐵路南盤江特大橋(跨徑416 m)，對本段橋式選擇有重要的借鑒意義。

(4)兩端線路尤其是北端線路還存在巖溶隧道問題，定線過程中應(yīng)查明巖溶水平循環(huán)帶高程，避免線路在水平循環(huán)帶中或之下穿行。

(5)對緊坡地段的選線，大坡度方案對縮短線路長度、降低工程難度和工程風險有利，工程投資也有節(jié)省，但對坡度的選擇應(yīng)審慎，應(yīng)從全線角度出發(fā)，結(jié)合相鄰路網(wǎng)適應(yīng)性、運輸組織(機車交路、機力配置)、工程經(jīng)濟和工程風險等因素綜合比選。

[1] 郝瀛.鐵道工程[M].北京：中國鐵道出版社,2008.

[2] 朱穎.復雜艱險山區(qū)鐵路選線與總體設(shè)計論文集[G].北京：中國鐵道出版社,2010.

[3] 林世金.困難山區(qū)鐵路的設(shè)計體會[J].北京：鐵道工程學報,2007, 24(4): 7-10.

[4] 朱穎,蔣良文,屈科,等.西南鐵路地質(zhì)災(zāi)害與勘察防治技術(shù)成就[J]. 中國工程科學,2008, 10(4): 29-37.

[5] 朱穎. 工程風險設(shè)計理念與措施研究[J].中國勘察設(shè)計,2009,25(7):32-35.

毛杰(1985～)，工程師。

U212.1

A

[定稿日期]2016-09-07