張 爽

(中鐵二院成都勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，四川成都 610081)

在鐵路工程設(shè)計與建設(shè)中，選線是一項兼具綜合性與復(fù)雜性的系統(tǒng)工程，是影響全局的總體工作，選線的質(zhì)量直接影響鐵路工程建設(shè)和運營的安全性、技術(shù)可行性和經(jīng)濟合理性。在我國西部地形地質(zhì)復(fù)雜山區(qū)高速鐵路建設(shè)中，綜合選線研究的重要性更為突出。

朱穎提出了堅持地質(zhì)選線、重大工程優(yōu)先選址、環(huán)保選線、規(guī)劃選線、資源選線、橫斷面選線六位一體的鐵路選線理念[1]；王子江等揭示了復(fù)雜巖溶區(qū)高速鐵路選線的巖溶致災(zāi)因子及災(zāi)害風(fēng)險類型并創(chuàng)立了減災(zāi)選線理論[2]，樂重對綜合選線的原則進行了探討并提出了相應(yīng)的規(guī)劃選線、地質(zhì)選線、安全選線等原則[3]；王爭鳴提出了部分復(fù)雜山區(qū)鐵路選線思路及理念并要求按照“舍小求大”的原則進行綜合比選，以確定最優(yōu)方案[4]；李光偉提出巖溶區(qū)地質(zhì)選線的8條觀點和建議[5]；白孝勇等也對復(fù)雜山區(qū)鐵路選線進行了分析與總結(jié)[6-9]。結(jié)合以上研究與實踐，以鄭萬鐵路的勘察設(shè)計為例，因地制宜地制定選線指導(dǎo)原則，應(yīng)用于羅家山至楚烽段的選線，為巖溶發(fā)育、危巖落石等不良地質(zhì)區(qū)域的高速鐵路減災(zāi)選線成套技術(shù)積累了寶貴的經(jīng)驗。

1 工程概況

鄭萬鐵路羅家山至楚烽段(DK514～DK537)線路位于荊山山脈西北端和神農(nóng)架林區(qū)東部，為溶蝕、侵蝕中低山區(qū)，地面高程450～2000 m。本段位于神農(nóng)架穹隆構(gòu)造東部，斷層及褶皺較發(fā)育，主要構(gòu)造為新華斷裂和聚龍山復(fù)式向斜。區(qū)域內(nèi)奇峰異嶺、層巒疊嶂、山高谷深、峽谷眾多，形成溶蝕洼地、溶洞、落水坑等各種類型的巖溶地貌。本段控制線路方案的地質(zhì)問題主要有巖溶及巖溶水、危巖落石、壓覆磷礦及采空、斷層、滑坡、巖堆等[10]。本段所處位置見圖1。

圖1 研究段在鄭萬鐵路的位置

2 研究重點

2.1 不良地質(zhì)[11]

(1)可溶巖：本線可溶巖分布范圍較廣，線路應(yīng)盡量避開巖溶強烈發(fā)育地區(qū)，若無法繞避，線路應(yīng)盡量靠近巖溶水排泄區(qū)(靠近河流)或盡量抬高線路設(shè)計高程，使線路走行在巖溶水水平循環(huán)帶之上。

(2)斷裂帶：本段線路斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要有白果樹溝斷層、兩河口斷層、新華斷裂，線路應(yīng)盡量少穿斷層，走行于巖性較好的區(qū)域。

(3)采空區(qū)：白竹磷礦、保烽磷礦、楚烽磷礦均分布于研究范圍內(nèi)，線路應(yīng)繞避采空區(qū)，并盡量不壓礦藏。

2.2 橋梁工程

結(jié)合工點的具體情況，對橋梁工程的墩高、跨度進行專題研究，同時對高墩大跨橋梁豎向變形控制、橋-軌相互作用形式進行具體分析。研究結(jié)論為：減少高墩現(xiàn)澆簡支梁的數(shù)量并將溫度聯(lián)長控制在200 m以內(nèi)，以滿足無碴軌道的鋪設(shè)要求，并按此指導(dǎo)線路方案的選擇。

2.3 重大工程優(yōu)先選址

沿線危巖落石強烈發(fā)育，且線路均以橋隧相連形式通過，需先進行多方案比選，確定重大橋梁橋位、隧道進出口位置，再考慮其兩端連接線路方案的綜合性技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)比選。

2.4 平、縱斷面系統(tǒng)優(yōu)化

根據(jù)長大坡度、高墩大跨橋梁和長大隧道分布，運用“頂層設(shè)計、系統(tǒng)優(yōu)化”的理念，將平面和縱斷面同時進行系統(tǒng)設(shè)計，制定了“適應(yīng)自然環(huán)境、降低工程風(fēng)險、縮短線路長度、減小工程量”4個頂層目標(biāo)，詳細(xì)研究各種坡度方案，以達到高速動車組與自然環(huán)境、線路平縱面設(shè)計三者的協(xié)調(diào)融合。

3 線路方案

3.1 方案介紹

(1)新華取直方案

線路長度較短，埋深較大，大部分線路位于巖溶發(fā)育區(qū)，較長的地段位于水平流動帶以下。

(2)馬橋繞行方案

可溶巖段線路長度較長，線路壓覆白竹磷礦(儲量約3 650×104t)。

可研階段線路方案如圖2所示。

圖2 可研階段線路方案平面示意

(3)有待進一步解決的問題

經(jīng)綜合分析可知：線路通過巖溶及巖溶強烈發(fā)育區(qū)均較長，危巖落石等不良地質(zhì)體的處理較困難。此外，還涉及采空區(qū)及壓覆礦等問題，有必要對線路方案進一步優(yōu)化。

3.2 方案剖析

(1)外在分析

①面狀分析

開展大面積地質(zhì)調(diào)繪，分析研究其水文地質(zhì)條件，繪制本區(qū)域內(nèi)巖溶水單元及巖溶水文地質(zhì)圖(見圖3)，收集、核實磷礦采空區(qū)及礦產(chǎn)儲量，從宏觀層面分析研究線路走向。

②線狀研究

羅家山至楚烽段線路起、終點高程分別為834 m和860 m，中部隧道之間均由處于“V”形峽谷處的橋梁連接，從橋位、橋高、通過巖溶段落、危巖落石、磷礦及采空區(qū)、人字坡隧道設(shè)置條件等多方面進行研究，主要對四組方案進行綜合比較。方案一：經(jīng)白竹磷礦北側(cè)方案；方案二：下穿白竹磷礦方案；方案三：線路取直方案；方案四：經(jīng)兩河口方案。各方案示意見圖4。

圖4 羅家山—楚烽段線路方案示意

對羅家山—楚烽段各線路方案進行地質(zhì)條件的綜合比較，見表1。

表1 羅家山—楚烽段線路方案地質(zhì)條件比較

各方案穿越可溶巖長度、地層巖性、巖溶發(fā)育程度大致相當(dāng)，但“方案三”(取直方案)隧道洞頂分布有常年水溝，隧道埋深大，故其位于水平徑流帶長度最長，最大水頭高度最大，水文地質(zhì)條件最差，涌突水的風(fēng)險最高。“方案四”(經(jīng)兩河口方案)水頭高度較小，水文地質(zhì)條件較好?！胺桨付焙汀胺桨溉本┰搅吮？底畲蟮V區(qū)—白竹磷礦，壓覆磷礦超過3 000×104t，且“方案二”存在采空問題；除“方案一”外，各方案均對沿線十分發(fā)育的不良地質(zhì)(滑坡、巖堆、泥石流)進行了繞避，線路穿過的巖堆規(guī)模相對較小，易于處理。

經(jīng)綜合分析，方案四(經(jīng)兩河口方案)地質(zhì)條件最優(yōu)，為推薦方案。

在“方案四”(經(jīng)兩河口繞行方案)的線位基礎(chǔ)上開展深入研究，需首先落實兩河口特大橋的選址及躲避危巖落石的可行性。

經(jīng)分析研究，總結(jié)出“兩河交匯處必有山脊可利用”的選線設(shè)計經(jīng)驗，進而快速定位重大工程(隧道進出口、橋址)，利用自然形成的山脊躲避危巖落石。

(2)內(nèi)在分析

①水文地質(zhì)縱斷面

利用定測階段的鉆探和物探成果，開展巖溶水文地質(zhì)、工程條件分析評價，分析隧洞與地下水文地質(zhì)單元之間的水力聯(lián)系，預(yù)測線路施工可能引發(fā)的工程地質(zhì)問題，巖溶水單元的地下水流向示意見圖5。

圖5 魚頭河巖溶水單元地下水流向示意

由水文地質(zhì)縱斷面控制線路高程，隧道盡量處于巖溶水平循環(huán)帶以上，以減少巖溶及巖溶水對工程的影響。

②坡度方案研究

本線為速度目標(biāo)值350 km/h的復(fù)雜山區(qū)客運專線，對于無法繞避的可溶巖地區(qū)，應(yīng)盡量抬高線路設(shè)計高程，創(chuàng)造巖溶隧道“人字坡”的設(shè)置條件?？v斷面設(shè)置情況見圖6。

圖6 縱斷面示意

現(xiàn)行高速鐵路設(shè)計規(guī)范[12]規(guī)定：“最大設(shè)計坡度采用30‰時，坡段長度不宜大于3 km”，考慮到本線實際情況和動車組的性能，以及配套養(yǎng)護設(shè)備的改進[13]，對行車檢算、長大坡度電分相檢算及動車組列車對坡度的適應(yīng)性進行了專題研究[14]。研究結(jié)果表明，30‰的長大坡段可滿足本線安全運營的相關(guān)要求。30‰的長大坡段可抬高線路設(shè)計高程，改善了工程地質(zhì)條件，降低了施工風(fēng)險。

4 結(jié)束語

在鄭萬鐵路羅家山—楚烽段線路方案的研究過程中，成功地運用了多年來總結(jié)出的山區(qū)鐵路選線設(shè)計指導(dǎo)性原則，根據(jù)該客運專線的特點，結(jié)合線路地形、地質(zhì)條件，采用大范圍選線、多方案比較，推薦了地質(zhì)及工程條件相對較好，施工及運營風(fēng)險可控的經(jīng)兩河口繞行方案。

本段綜合選線設(shè)計經(jīng)驗可總結(jié)為如下幾點。

(1)堅持巖溶地區(qū)選線的十一字方針“繞避、抬高、靠河、接近、人字坡[15]”。

(2)大坡度的使用—抬高線位，解決巖溶水的風(fēng)險。

(3)重大工程選址—兩河口特大橋采用了主跨為(56+3×96+56) m的連續(xù)梁剛構(gòu)組合跨越峽谷，減少了高墩現(xiàn)澆簡支梁的數(shù)量，并將溫度聯(lián)長控制在200 m以內(nèi)，以滿足軌道設(shè)計溫長，達到不限速的目的。

(4)危巖落石選線—利用山脊出洞，躲避大規(guī)模危巖落石。