李 博

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600）

1 引言

山區(qū)鐵路越嶺段的線路選線事關(guān)線路走向、投資節(jié)省、運(yùn)營安全等，是線路選線中的重點(diǎn)、關(guān)鍵。在我國發(fā)展進(jìn)入新時(shí)代，鐵路選線技術(shù)也取得了長足發(fā)展，減災(zāi)選線理念貫穿鐵路勘察設(shè)計(jì)始終，越嶺段的線路選線以減災(zāi)理念為指引，需要更加注重地質(zhì)、地災(zāi)因素，充分考慮運(yùn)輸需求、運(yùn)營實(shí)踐，在安全可靠的前提下節(jié)約投資[1-2]，選取科學(xué)和合理的越嶺線路方案。錦州港至白音華鐵路(簡稱錦白鐵路）由赤峰越天河梁進(jìn)入錫林浩特界[3]，該段選線綜合了災(zāi)害防治、綠色環(huán)保、運(yùn)營通風(fēng)、運(yùn)輸實(shí)踐、投資節(jié)省等因素綜合確定。

2 錦白鐵路概況

2.1 項(xiàng)目地理位置和徑路

錦州港至白音華鐵路，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東部地區(qū)和遼寧省的西南部，線路起于渤海西北部的錦州港，向北經(jīng)遼西南錦州市、葫蘆島市，遼西朝陽市、內(nèi)蒙古東部的赤峰市和錫林郭勒盟，止于錫盟白音華礦區(qū)，橫跨兩省(區(qū)）五市(盟）十五區(qū)縣(旗）[4]，線路全長約605 km，是蒙東煤炭下水的便捷通道之一。

2.2 項(xiàng)目建設(shè)背景

我國煤炭資源分布極不均衡，北方富集，南方匱乏，北煤南運(yùn)是我國煤炭運(yùn)輸?shù)娘@要特征，也是我國發(fā)展進(jìn)步的必然需求。內(nèi)蒙古自治區(qū)東部的錫林郭勒盟，煤炭資源富集，進(jìn)入新世紀(jì)后國家批復(fù)建設(shè)白音華煤田，目前已建成4個(gè)露天礦，其中二、三號(hào)礦由國家電力投資集團(tuán)(簡稱國電投）建設(shè)、開采，國電投配套建設(shè)的赤大白鐵路已運(yùn)營近10年。同時(shí)，國家為解決東北地區(qū)的物資出海通道，在遼寧、河北沿海地區(qū)建設(shè)了大連、營口、盤錦、錦州、葫蘆島、秦皇島、曹妃甸等港口，其中錦州港是蒙東煤炭資源出海的便捷港口，2010年前后，國家批復(fù)的港口擴(kuò)建計(jì)劃，在原有碼頭的基礎(chǔ)上新建煤炭碼頭1處，由國電投集團(tuán)投資新建。隨著白音華礦區(qū)的擴(kuò)能，及周邊五間房、巴彥胡碩、烏尼特、浩沁、高力罕、巴其北等煤田的相繼規(guī)劃、建設(shè)，蒙東煤炭資源鐵路外運(yùn)徑路運(yùn)輸能力不足成為限制資源開發(fā)的瓶頸，錦州港新建碼頭后方通路不暢成為港口發(fā)展的約束，路港聯(lián)運(yùn)，礦路聯(lián)合，鐵水互補(bǔ)是促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，助力經(jīng)濟(jì)騰飛的必然需求。至2035年，錦白鐵路沿線的運(yùn)量近億噸，既有鐵路已無法滿足運(yùn)輸需求，所以國電投集團(tuán)戰(zhàn)略決策，擬對(duì)既有線進(jìn)行擴(kuò)能改造[5]。

2.3 擴(kuò)能方案

既有線沿線運(yùn)量大幅增長，通過運(yùn)輸組織調(diào)整，自閉改造，提高牽引質(zhì)量，雙插，局部雙線等擴(kuò)能措施均無法滿足運(yùn)輸需求[6-7]，通過研究，未來單線鐵路已不能適應(yīng)運(yùn)輸需求，所以采用的擴(kuò)能方案是全線增建二線。

2.4 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

既有線為地方鐵路Ⅰ級(jí)，內(nèi)燃牽引，大板至赤峰段最小曲線半徑為一般1 200 m，困難600 m，限制坡度重車方向6‰、輕車方向12‰。研究年度擴(kuò)能以后，確定了鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

鐵路等級(jí):國鐵Ⅰ級(jí)；正線數(shù)目:雙線；限制坡度:重車方向6‰、輕車方向12‰；最小曲線半徑:一般1 200，困難800 m，個(gè)別700 m；牽引種類:內(nèi)燃；機(jī)車類型:DF4D；牽引質(zhì)量:5 000 t；到發(fā)線有效長度:1 050 m；閉塞類型:自動(dòng)閉塞。

3 天河梁越嶺段自然特征

3.1 地形

該段線路位于內(nèi)蒙古東部，屬于內(nèi)蒙古昭烏達(dá)高原的大興安嶺東坡低山區(qū)，起伏較大。天河梁山頂海拔約1 385 m，南北坡的海拔約1 140 m。

3.2 地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造

既有天河梁隧道進(jìn)口側(cè)上覆第四系坡洪積粉土、粉質(zhì)黏土、細(xì)角礫土等，下伏石炭系上統(tǒng)林西組變質(zhì)砂巖夾板巖地層，受構(gòu)造影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，上部強(qiáng)風(fēng)化層厚3～5 m。出口側(cè)地層為石炭系上統(tǒng)林西組砂巖夾板巖，強(qiáng)風(fēng)化，巖體極破碎，多呈碎塊狀。洞身地表局部覆蓋第四系坡洪積粉土(含礫），基巖主要為石炭系上統(tǒng)林西組變質(zhì)砂巖夾板巖，薄～厚層狀構(gòu)造，強(qiáng)風(fēng)化～弱風(fēng)化，傾角較陡；隧道淺埋段為燕山期侵入流紋巖，強(qiáng)風(fēng)化～弱風(fēng)化，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，流紋構(gòu)造，受構(gòu)造影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎～較完整；洞身地面處發(fā)現(xiàn)兩處小斷層，斷裂帶寬分別為0.2 m與0.5 m。未發(fā)現(xiàn)較大規(guī)模的斷裂。隧道出口側(cè)山間寬緩溝谷發(fā)育有季節(jié)性流水，受冬季積雪融水及大氣降水補(bǔ)給；地下水主要為基巖裂隙水，其補(bǔ)給來源貧乏，水量小。預(yù)計(jì)全隧最大涌水量約為7 238 m3，地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)不具侵蝕性。

3.3 氣象

線路位于錫林郭勒西烏珠穆沁旗，按照對(duì)鐵路工程影響氣候分區(qū)該段為嚴(yán)寒地區(qū)，氣象條件差，雪害、凍害嚴(yán)重。根據(jù)2000～2010年10年的觀測數(shù)據(jù)，區(qū)域歷年平均氣溫2.1℃，歷年極端最高氣溫37.3℃，歷年極端最低氣溫-33.6℃，歷年最冷月平均氣溫-18.3℃，歷年年平均降水量375.1 mm，歷年年平均蒸發(fā)量1 673.5 mm，歷年年平均風(fēng)速2.9 m/s，歷年最大風(fēng)速20 m/s，主導(dǎo)風(fēng)向 WSW、W，歷年平均相對(duì)濕度60%，最大積雪深度28 cm，土壤最大凍結(jié)深度2.2 m[8]。

3.4 環(huán)保

天河梁越嶺段線路位于古日格斯臺(tái)自然保護(hù)區(qū)的試驗(yàn)區(qū)。該保護(hù)區(qū)地處大興安嶺南部山地余脈的西麓，西烏珠穆沁旗巴拉嘎爾高勒鎮(zhèn)東南部55 km處，設(shè)立于1998年，保護(hù)區(qū)面積為98 931公頃。主要保護(hù)對(duì)象是大興安嶺南部山地北麓森林-草原生態(tài)系統(tǒng)及其所包容的物種多樣性。本線在該段應(yīng)盡量采用埋深較大的隧道通過，有利于環(huán)境保護(hù)。

4 天河梁越嶺段既有線病害

線路所處地區(qū)雪期長達(dá)7個(gè)月，雪量大，氣候嚴(yán)寒，長時(shí)間堆積，受大風(fēng)的吹蝕，極易侵入鐵路路塹及路堤，同時(shí)，位于低洼處的隧道進(jìn)入口也經(jīng)常遭受雪害(見圖1）。既有線在該段主要的病害是雪害，尤其是天河梁隧道的進(jìn)口，位于山谷前緣洼地，洞口極易積雪，形成病害，工務(wù)養(yǎng)護(hù)量很大，很難，是困擾沿線鐵路運(yùn)維人員養(yǎng)護(hù)工作的頑疾。同時(shí)，隧道襯砌背后存在回填不密實(shí)或空洞，造成隧道滲水和襯砌裂損，洞口護(hù)坡受凍脹及雨水沖刷影響，導(dǎo)致坡面鋪砌開裂或溜塌。

圖1 天河梁越嶺段既有線路病害

5 天河梁段越嶺線路方案研究

5.1 線路總體走向

該段既有線自赤峰市大板鎮(zhèn)經(jīng)望山、巴彥、白塔、紅衛(wèi)越天河梁進(jìn)入錫林郭勒界，然后經(jīng)呼斯圖、太本廟、哈日根臺(tái)達(dá)白音華。

既有線在經(jīng)紅衛(wèi)后主要以布其溝隧道(475 m）、羊草溝隧道(416 m）、天河梁隧道(5 880 m）越嶺。其中天河梁隧道里程范圍為K275+188.36～K281+069.86，為全線最高點(diǎn)。

5.2 二線方案比較范圍及方案構(gòu)成

5.2.1 方案比較范圍

既有線布其溝隧道進(jìn)口至天河梁隧道出口，里程范圍為K271+400～K281+503.05，比較段線路總長約10 km。

5.2.2 方案構(gòu)成

既有隧道赤峰端進(jìn)口靠近溝谷，埋深較淺，根據(jù)運(yùn)營實(shí)踐，隧道進(jìn)口雪害嚴(yán)重。二線在此段進(jìn)口條件差，如并行增二線，隧道口即位于溝心，水害雪害處理將非常困難，二線線路方案應(yīng)避開溝心，本次主要研究了二線位于既有線左側(cè)方案與二線位于既有線右側(cè)方案(見圖2）。

圖2 線路方案構(gòu)成

既有線在此段羊草溝隧道、天河梁隧道相連，羊草溝隧道進(jìn)口至天河梁隧道出口之間的平面線位呈S形，平面條件較差，天河梁隧道為曲線隧道，不利于通風(fēng)。綜合隧道進(jìn)口條件以及線路平面條件優(yōu)化，二線位于既有線右側(cè)方案又研究了短隧道方案和長隧道方案。

5.3 二線位于既有線左側(cè)方案

結(jié)合既有線左側(cè)地勢高的特點(diǎn)，二線在隧道出、入口利用曲線換側(cè)，新天河梁隧道位于既有隧道左側(cè)。該方案隧道長度較短，但增加了兩次換側(cè)，施工期間對(duì)既有線干擾較大，同時(shí)該方案既有線作為重車線，需將既有線50 kg/m鋼軌換成60 kg/m鋼軌，隧道內(nèi)施工嚴(yán)重影響既有線運(yùn)營，安全風(fēng)險(xiǎn)大，同時(shí)由于軌道結(jié)構(gòu)高度不同導(dǎo)致隧道凈空變化，預(yù)留電化工程需要特殊設(shè)計(jì)，電化工程投資增加近一倍，不經(jīng)濟(jì)，不推薦。

5.4 二線位于既有線右側(cè)方案

5.4.1 長隧道方案

線路自K271+400并行既有線引出，跨布其溝，以590 m的布其溝隧道和7 870 m天河梁特長隧道下穿山體，出隧道后并行既有線至比較終點(diǎn)，線路總長10.146 km。

5.4.2 短隧道方案

線路自K271+400并行既有線引出向西，跨布其溝，以三個(gè)短隧道穿越山體后右折以6 565 m特長隧道下穿天河梁，出隧道后并行既有線至比較終點(diǎn)，線路總長10.382 km。

5.5 方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選

5.5.1 工程經(jīng)濟(jì)比較

天河梁越嶺段方案中，長隧道方案投資約43 678.51萬元，短隧道方案投資約45 121.22萬元，長隧道方案較短隧道方案投資節(jié)省1 442.71萬元(見表1）。

表1 天河梁越嶺方案工程經(jīng)濟(jì)比較

5.5.2 地質(zhì)條件比較

兩方案地層均為石炭系上統(tǒng)砂巖夾板巖，燕山期侵入花崗巖、花崗斑巖、英安質(zhì)流紋巖，洞口有第四系地層覆蓋，隧道圍巖級(jí)別Ⅲ～Ⅴ級(jí)。既有天河梁隧道進(jìn)口段位于山間沖溝內(nèi)，淺埋段長、巖體較破碎，洞口位置較差，兩隧道方案進(jìn)口均改至右側(cè)山丘處，進(jìn)口處工程地質(zhì)條件有所改善。從圍巖對(duì)比分析，長隧道方案Ⅴ級(jí)圍巖的比例要低于短隧道方案，長隧道方案地質(zhì)條件好于短隧道方案。

5.5.3 工程技術(shù)比較

5.5.3.1 長隧道方案

該方案的優(yōu)點(diǎn)在于:隧道出入口條件較好，較適應(yīng)區(qū)域高寒、雪大的環(huán)境，基本可以避免雪害的發(fā)生，運(yùn)維養(yǎng)護(hù)工作量大幅減少；取消了新建天河梁隧道中間的曲線，平面條件得到改善，有利于運(yùn)營通風(fēng)；線路長度短，避免了短隧道相連，投資節(jié)省；隧道埋深大，工程地質(zhì)條件相對(duì)較好，有利于施工及運(yùn)營；線路大部分為深埋隧道，有利于古日格斯臺(tái)自然保護(hù)區(qū)的保護(hù)。缺點(diǎn)在于隧道較長，初期內(nèi)燃運(yùn)營期間通風(fēng)設(shè)施需加強(qiáng)。

5.5.3.2 短隧道方案

該方案的優(yōu)點(diǎn)在于:天河梁隧道長度較短，內(nèi)燃運(yùn)營期間通風(fēng)相對(duì)較好。缺點(diǎn)在于隧道進(jìn)口雪害嚴(yán)重，后期運(yùn)維工作量大；隧道位于曲線上，雖然長度短但由于曲線影響通風(fēng)依然不是很好；線路長度增加了236 m，短隧相連，投資增加約1 500萬元；明線多，暗線少，隧道埋深淺，不利于古日格斯臺(tái)自然保護(hù)區(qū)的保護(hù)。

5.6 天河梁越嶺方案研究結(jié)論

長隧方案線路長度短、工程投資省、工程地質(zhì)條件好，平面條件優(yōu)。新天河梁隧道為重車下坡方向，近期通過設(shè)置通風(fēng)設(shè)備，可以解決隧道通風(fēng)問題，遠(yuǎn)期實(shí)施電化工程，通風(fēng)更不成問題，另外通過增加隧道斜井可以解決工期問題，因此研究后認(rèn)為長隧道方案綜合較優(yōu)。

6 結(jié)束語

越嶺段線路選線是山區(qū)鐵路勘察設(shè)計(jì)中的難題，越嶺線路選擇的優(yōu)劣直接關(guān)系到線路的走向、重點(diǎn)工程實(shí)施難度、建設(shè)工期、工程投資、建設(shè)及運(yùn)營安全等，選線過程中要因地制宜、因線制宜，綜合考慮建設(shè)、運(yùn)營期間的方方面面問題進(jìn)行系統(tǒng)研究，將減災(zāi)理念貫穿始終。