李波

陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室（中鐵一院），西安710043

1 工程概述

擬建濟南—濱州鐵路是山東省快速鐵路網(wǎng)魯北通道的重要組成部分，南端通過濟南樞紐連接京滬高速鐵路、石濟客運專線、濟鄭客運專線、濟萊高速鐵路，北端通過濱州站連接京滬第二通道。濟南—濱州鐵路位于山東半島城市群北部。該鐵路東起山東省濟南市，于濟南東站引出，向北經(jīng)濟南市歷城區(qū)、遙墻機場、章丘區(qū)，跨（穿）越黃河至濟南市濟陽區(qū)、商河縣，向東經(jīng)濱州市惠民縣、濱城區(qū)，接入既有德州—煙臺鐵路濱州站［1］。

受線路宏觀走向影響，該鐵路經(jīng)遙墻機場后至濟陽區(qū)須跨（穿）越黃河?？纾ù┰近S河工程是該鐵路控制性工程，特別是高速鐵路以隧道下穿黃河在國內(nèi)尚屬首例，對工期、投資影響較大。本文綜合考慮各方面條件提出4個線路方案，并采用因素分析法對各方案進行綜合比選，得出隧道跨（穿）越黃河最優(yōu)方案。

2 方案影響因素

2.1 地質(zhì)條件

濟南—濱州鐵路在濟南市北側(cè)跨（穿）越黃河。工程區(qū)地貌單元屬黃河下游的沖、洪積平原［2］。由于黃河淤積及人工填筑作用地形中間高，南北兩側(cè)低。黃河大堤高程約32～36 m，堤壩外地面高程約18～21 m。工程區(qū)第四系覆蓋層厚度較大，主要為全新統(tǒng)人工填土、沖洪積黏土、粉質(zhì)黏土、粉土和上更新統(tǒng)黏土、粉質(zhì)黏土、粉土和中砂。地層總體上含水率高，壓縮性高，承載力低，需要換填或加固處理［3］。特殊的地層巖性對上跨或下穿黃河工程有較大影響。若采用隧道下穿黃河，大堤下隧道施工對地層的擾動和地下水的作用可能引起管涌或黃河大堤不均勻沉降，施工難度較大。若采用橋梁上跨黃河，橋梁超長樁基施工亦存在成孔困難等施工風(fēng)險［4］。

2.2 既有黃河公路橋分布對鐵路橋選址的影響

既有黃河公路橋分布見圖1。既有公路橋4座，擬建公路橋1座。根據(jù)《黃河河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項目技術(shù)審查標準》中的要求：橋位選擇應(yīng)在河道順直、河水流速穩(wěn)定地段；橋間距不應(yīng)小于橋梁壅水長度的1.5～2.0倍。按照該要求，新建鐵路橋與既有公路橋間距不應(yīng)小于6 km。

圖1 既有黃河公路橋分布

2.3 濟陽區(qū)總體規(guī)劃及濟陽站設(shè)置條件

濟陽區(qū)臨近黃河西岸，濟陽站位對跨（穿）越黃河工程影響較大。濟陽區(qū)老城區(qū)居?xùn)|，緊鄰黃河大堤，發(fā)展空間有限。新城區(qū)居西，規(guī)劃向西發(fā)展至大寺河，向南發(fā)展至回河鎮(zhèn)。國道G220以東、省道S239以北區(qū)域村莊遷改、高層住宅建設(shè)已經(jīng)完成；省道S239南側(cè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)已經(jīng)建成，北側(cè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)基本成型?；谏鲜銮闆r，濟陽站位的選擇應(yīng)盡量減少對城市的分割，減少不必要的拆遷，盡可能在靠近城市建成區(qū)邊緣設(shè)站。

2.4 遙墻機場電磁環(huán)境及飛行凈空的要求

遙墻機場現(xiàn)有T1航站樓及東一跑道，近期規(guī)劃T2航站樓和西一、西二跑道，遠期規(guī)劃T3航站樓、東二跑道。鐵路建設(shè)應(yīng)滿足GB 6364—2013《航空無線電導(dǎo)航臺（站）電磁環(huán)境要求》。此外，鐵路高程還應(yīng)滿足飛機飛行凈空高度的要求［5］。

3 線路方案研究

根據(jù)上述影響因素，設(shè)計了隧道下穿黃河方案（C1）、利用規(guī)劃國道G308橋位方案（C2）、利用既有迎賓黃河大橋橋位方案（C3）和既有迎賓黃河大橋下游7 km橋位方案（C4）四個方案，見圖2。

圖2 線路方案示意

3.1 方案概述

3.1.1 隧道下穿黃河方案（C1）

該方案線路自遙墻機場站引出，于既有迎賓黃河大橋上游2.5 km處設(shè)隧道下穿黃河，從溝楊水源地二級保護區(qū)北側(cè)通過，下穿省道S248后上跨國道G220、經(jīng)回河鎮(zhèn)南部產(chǎn)業(yè)園后折向北，于濟陽城區(qū)西側(cè)6.0 km處的黎家村設(shè)濟陽站，出站后依次跨濟東高速公路、國道G220、徒駭河至許家村北側(cè)。線路長度42.08 km，橋梁長度30.5 km，隧道長度8.28 km，橋隧比92.2%，靜態(tài)投資83.72億元。

3.1.2 利用規(guī)劃國道G308橋位方案（C2）

該方案線路自遙墻機場站引出，與規(guī)劃國道G308跨黃河大橋并行設(shè)橋，跨越黃河后折向北，與C1方案共線至許家村北側(cè)。線路長度42.68 km，橋梁長度35.74 km，隧道長度4.0 km，橋隧比93.11%，靜態(tài)投資82.21億元。

3.1.3 利用既有迎賓黃河大橋橋位方案（C3）

該方案線路自遙墻機場站引出，與既有迎賓黃河大橋并行設(shè)橋，鐵路橋與公路橋?qū)自O(shè)置，采用跨徑（107+195+216+195+107）m矮塔斜拉橋跨越黃河，于王明官村北側(cè)設(shè)濟陽站，出站后跨越京滬高速公路與C1方案共線至許家村北側(cè)。線路長度40.96 km，橋梁長度34.97 km，隧道長度2.62 km，橋隧比91.78%，靜態(tài)投資73.94億元。

3.1.4既有迎賓黃河大橋下游7 km橋位方案（C4）

該方案線路自遙墻機場站引出，在既有迎賓黃河大橋下游7 km處以（120+3×180+120）m柔性拱連續(xù)鋼桁梁橋跨越黃河，然后折向北于濟陽城區(qū)東北側(cè)東八里村設(shè)濟陽站，出站后跨省道S239、國道G220、濟東高速公路至許家村北側(cè)。線路長度40.98 km，橋梁長度34.93 km，隧道長度2.62 km，橋隧比91.64%，靜態(tài)投資72.52億元。

3.2 方案綜合比選

3.2.1 單因素的影響分析

1）黃河水利委員會對跨越黃河公路、鐵路橋間距的要求

根據(jù)黃河水利委員會（簡稱黃委會）審查意見，C2方案跨黃河橋在采用鐵路與規(guī)劃國道G308跨黃河大橋公鐵合建的前提下才能滿足新設(shè)橋位與既有橋位間距大于6 km的要求；C3方案與既有迎賓黃河大橋并行設(shè)橋跨越黃河，兩座跨黃河橋雖對孔設(shè)置，但對該區(qū)段黃河冬季防凌仍有不利影響，不滿足黃委會相關(guān)規(guī)定。C1方案采用隧道下穿黃河，C4方案黃河橋位距離既有黃河公路橋較遠，兩方案均滿足黃委會相關(guān)要求。

2）黃河橋（隧）工程條件

C1方案線路以隧道下穿黃河，可節(jié)省黃河橋位資源，工程建設(shè)對黃河防凌無影響，鐵路施工、運營期間不影響黃河水路航運。但是下穿黃河段地質(zhì)條件較差，隧道采用大斷面盾構(gòu)施工，難度較大。

C2方案須采用鐵路與規(guī)劃G318跨黃河大橋公鐵合建的模式以滿足新設(shè)橋位與既有橋位間距大于6 km的要求，同時實現(xiàn)了橋位資源的最大共享。但公鐵合建對橋梁荷載、剛度要求較高，須采用大跨度鋼結(jié)構(gòu)橋，施工難度大，工程費用高。此外，公路與鐵路由不同建設(shè)單位主管，協(xié)調(diào)難度大，工程建設(shè)時機、投資劃分、運營維護等相關(guān)事宜均會影響工程建設(shè)的進度。

C3方案采用（107+195+216+195+107）m矮塔斜拉橋跨越黃河，雖然工程規(guī)模較大，但國內(nèi)已有成熟施工方法［6］，建設(shè)難度適中。

C4方案擬采用一聯(lián)（120+3×180+120）m柔性拱連續(xù)鋼桁梁橋跨越黃河，橋梁跨度較大，建設(shè)難度適中。

3）滿足遙墻機場飛行安全要求

本工程建設(shè)應(yīng)滿足遙墻機場飛行凈空及電磁環(huán)境的要求。

①滿足機場飛行凈空的要求

C2、C3和C4方案線路跨黃河橋跨度均較大，橋梁結(jié)構(gòu)較高。機場飛行凈空對內(nèi)水平面、錐形面以及起飛爬升面范圍內(nèi)的建筑物高度有明確要求。C1方案以隧道下穿黃河，滿足機場飛行凈空要求。C2、C3和C4方案跨黃河橋均位于機場西一跑道北側(cè)延長線上。C2方案線路跨黃河橋距離西一跑道北端4 200 m，黃河橋結(jié)構(gòu)高40 m，比起飛爬升面低8 m，比錐形面高19 m，雖然滿足飛行凈空要求，但富余值較小，仍存在一定安全隱患，須進一步減小孔跨，降低結(jié)構(gòu)高度。C3方案鐵路跨黃河橋距離西一跑道北側(cè)6 600 m，橋梁結(jié)構(gòu)高度比起飛爬升面低40 m，滿足飛行凈空要求。C4方案線路跨黃河橋與西一跑道距離較遠，跨黃河橋結(jié)構(gòu)高度遠小于飛行凈空面高度，滿足機場飛行凈空要求。

②滿足機場電磁環(huán)境的要求

根據(jù)航空無線電導(dǎo)航臺（站）電磁環(huán)境要求，電氣化鐵路建設(shè)應(yīng)滿足機場各種導(dǎo)航設(shè)施的電磁環(huán)境要求。影響范圍最大的導(dǎo)航設(shè)施是全向信標臺。全向信標臺半徑300 m以外的障礙物相對基準面的垂直張角不應(yīng)超過2°。4個方案均滿足要求。

4）與濟陽區(qū)現(xiàn)狀和城市規(guī)劃的協(xié)調(diào)性

C1、C2和C3方案均于濟陽區(qū)西側(cè)設(shè)站，滿足濟南市北向發(fā)展、濟陽區(qū)向南融合的需求。其中C3方案中濟陽站更靠近城區(qū)，但線路穿越回河鎮(zhèn)綜合服務(wù)區(qū)，須拆遷在建高層建筑和物流園區(qū)部分建筑，拆遷工程量大。C4方案濟陽站位于濟陽城區(qū)東北側(cè)，受黃河阻隔和南岸機場規(guī)劃的影響，濟陽站僅能兼顧濟陽區(qū)東北片區(qū)，不滿足濟陽區(qū)向南融合的發(fā)展需求，與規(guī)劃的協(xié)調(diào)性差。

5）對環(huán)境敏感點的影響

工程區(qū)主要有黃河水源生態(tài)保護區(qū)及溝楊水源保護區(qū)2個環(huán)境敏感點。4個方案均穿越水源生態(tài)保護區(qū)，其中C1方案以隧道下穿黃河，無地面工程，對生態(tài)保護區(qū)影響最小。C1、C2方案線路分別穿越溝楊水源保護區(qū)4.2、3.9 km。C3、C4方案鐵路不經(jīng)溝楊水源保護區(qū)。經(jīng)與生態(tài)紅線和水源地行政主管部門溝通，4個方案均可行，但要采取相應(yīng)的環(huán)境保護措施，降低鐵路建設(shè)對生態(tài)環(huán)境的影響［7］。

6）工程投資

綜合考慮機場位置、濟陽站位、繞避拆遷、線路穿越黃河位置以及工程形式，C1方案鐵路須限速至300 km∕h，C3、C4方案鐵路須限速至160 km∕h，C2方案鐵路須限速至200 km∕h［8］。4個方案工程量及投資對比見表1。可見：C1、C2方案投資較高，C4方案投資最省。與C1方案相比，C2、C3、C4方案投資分別減小1.51、9.78、11.20億元。

表1 各方案工程量及投資對比

3.2.2 多因素的綜合影響分析

濟南—濱州鐵路跨越黃河線路方案從黃委會對跨越黃河公路和鐵路橋間距的要求（防洪要求）、黃河橋（隧）工程條件、滿足遙墻機場飛行安全要求、與濟陽區(qū)現(xiàn)狀和規(guī)劃的協(xié)調(diào)性、對環(huán)境敏感點的影響來看，四個比選方案各有優(yōu)缺點。采用因素分析法對方案的各影響因素進行分析。具體分析步驟為：

1）確定各方案影響因素的權(quán)重。先建立評價指標體系，再通過熵值進行評價。工程條件、防洪要求和機場安全要求為一級指標，權(quán)重分別為25%、20%、25%；與規(guī)劃的協(xié)調(diào)性、對環(huán)境敏感點的影響和工程投資為二級指標，權(quán)重分別為5%、10%、15%。

2）按照統(tǒng)一原則對四個方案按各影響因素進行打分。每個影響因素方案最優(yōu)為80～100分，方案較好為70～80分，方案較差為60分。四個方案打分結(jié)果見表2。

表2 各方案影響因素打分結(jié)果

3）根據(jù)各影響因素的權(quán)重和表2中各方案影響因素的打分計算綜合得分，結(jié)果見表3。

表3 各方案綜合得分

由表3可見，C1方案得分最高。采用因素分析法研究認為C1方案最優(yōu)。

4 結(jié)語

隧道下穿黃河方案可節(jié)省黃河有限的橋位資源，鐵路運營期間既不影響水路航運，也不受航空飛行安全要求限制，濟陽站滿足城市規(guī)劃及地方需求。利用規(guī)劃國道G308橋位方案雖然投資較省，但存在濟南—濱州鐵路與規(guī)劃G308建設(shè)時序不同、投資分配協(xié)調(diào)難度大、后期運營養(yǎng)護分工不明確等問題。利用既有迎賓黃河大橋橋位方案不利于黃河冬季防凌。既有迎賓黃河大橋下游7 km橋位方案雖然投資最省，但濟陽站位不滿足地方規(guī)劃要求。結(jié)合因素分析法分析結(jié)果，認為隧道下穿黃河方案最優(yōu)。