董賢凱

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

鐵路線路走向方案研究集總體性、決策性、智慧性、經(jīng)驗性于一體,是一項系統(tǒng)性、綜合性、復雜性的工作[1]。

關于鐵路線路走向方案的研究,已有眾多學者進行大量研究,一般的方案比選方法是根據(jù)項目的特點,在對技術經(jīng)濟指標的分析基礎上,并結合路網(wǎng)布局、社會經(jīng)濟作用、技術條件,環(huán)境影響等方面進行定性的綜合分析,從而推薦經(jīng)濟合理的最優(yōu)方案。

在復雜山區(qū)鐵路選線方面,王爭鳴提出應貫徹“規(guī)劃選線、重點工程選線、地質(zhì)選線、安全選線”的思路及 “舍小求大”綜合比選分析的原則[6];胡子平提出復雜巖溶地區(qū)應采用“大坡度”的地質(zhì)選線思路[7-8];宋章等在滇藏鐵路三江并流區(qū)工程地質(zhì)減災選線研究中,提出“內(nèi)動力地質(zhì)作用的圍巖穩(wěn)定性及減災選線、熱液地質(zhì)作用及減災選線”的選線原則[9]。

以下基于前人的研究,針對十堰至神農(nóng)架至宜昌鐵路工程風險較高的特點,運用風險評估體系,對典型的地質(zhì)風險進行評估,并提出防范風險的具體措施[10-11]。

1 項目概況

十堰至神農(nóng)架至宜昌鐵路是湖北省旅游交通快速鐵路環(huán)線的重要組成部分,是串聯(lián)湖北省旅游精品線路“一江兩山”旅游景區(qū),并兼顧國土開發(fā)的客貨共線鐵路。

十堰至神農(nóng)架至宜昌鐵路位于鄂西北地區(qū),北起襄渝線白浪站,從白浪站引出后往南經(jīng)房縣、神農(nóng)架林區(qū)、興山、三峽壩區(qū)、引入漢宜鐵路宜昌東站,線路全長256.9km。橋隧比92.8%[12]。

2 區(qū)域自然特征

2.1 地形條件

線路自北向南依次穿越武當山、黑山、神農(nóng)架、大老嶺等中山區(qū),峰頂高程為1200～2100m,峰谷相對高差300～1200m,地勢高峻,山巒疊嶂,河谷深切,峽谷縱橫。部分地區(qū)可溶巖大面積出露,呈現(xiàn)溶蝕溝谷、峰丘洼地等巖溶地貌。

2.2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件

(1)地層巖性

沿線各時代地層分布比較齊全,自元古界至第四系地層均有出露,部分地區(qū)可溶巖大面積出露,巖溶強烈發(fā)育地段的隧道工程風險較高。

(2)地質(zhì)構造

以房縣附近的東西向青峰斷裂為界,線路穿越秦嶺褶皺系和揚子準地臺兩大構造單元,褶皺和斷裂發(fā)育,且規(guī)模宏大,構造形態(tài)極其復雜。主要構造有武當山復式背斜、五臺山復式向斜、中嶺沖斷向斜、黎花坪背斜、秭歸向斜、姚家溝向斜、黃陵背斜以及陽日斷裂、新華斷裂等。

(3)水文地質(zhì)

區(qū)域碳酸鹽巖分布區(qū)泉水、暗河較發(fā)育,多屬水量豐富區(qū),尤其是仙女山地區(qū)發(fā)育有多處巖溶暗河及巖溶大泉。義渡-黑山復式向斜、興山縣東北側的姚家溝復式向斜巖溶富水構造對線路方案的影響較大。

2.3 環(huán)境敏感區(qū)分布

線路所經(jīng)地區(qū)分布有武當山風景名勝區(qū)、賽武當自然保護區(qū)、房縣野人谷旅游區(qū)、神農(nóng)架自然保護區(qū)、宜昌大老嶺自然保護區(qū)等眾多國家級和省級保護文物,東線方案、經(jīng)?？怠⑸褶r(nóng)架方案以隧道穿越了武當山風景名勝區(qū),其他方案均予以繞避。

3 線路走向方案研究

3.1 方案構成

十堰至神農(nóng)架至宜昌鐵路總體呈南北走向,十堰至宜昌航空距離223km,航空線以東分布有保康和遠安兩個縣域經(jīng)濟據(jù)點;航空線以西分布有房縣、神農(nóng)架林區(qū)、興山等市縣域經(jīng)濟據(jù)點。域內(nèi)有著名的道教圣地武當山、神農(nóng)架原始森林,長江三峽之西陵峽等。根據(jù)線路走向方案研究理論[13],結合區(qū)域經(jīng)濟據(jù)點分布、旅游資源、地形、地質(zhì)、水文等自然條件、礦區(qū)和采空區(qū)、環(huán)境敏感區(qū)分布等影響線路走向方案的關鍵因素,研究了東線方案(方案一),中線方案(方案二)、西線方案(方案三)以及經(jīng)房縣、?？捣桨?方案四)和經(jīng)保康、神農(nóng)架方案(方案五),見圖1。

圖1 十堰至神農(nóng)架至宜昌鐵路線路走向方案示意

3.2 定性指標分析

(1)經(jīng)濟據(jù)點分析

吸引范圍內(nèi)各區(qū)縣人口及經(jīng)濟發(fā)展水平統(tǒng)計見表1。

表1 2019年度吸引范圍內(nèi)各區(qū)縣人口及經(jīng)濟發(fā)展水平統(tǒng)計

從表1可以看出,東線方案所經(jīng)的?？悼h2019年總人口35萬,GDP總額126.9億元,4A級景區(qū)2個,接待游客259.5萬;中線方案所經(jīng)的房縣、興山2019年總人口65.0萬,GDP總額250.2億元,4A級景區(qū)4個,接待游客1132萬;西線方案所經(jīng)的房縣、神農(nóng)架、興山2019年總人口73.8萬,GDP總額283.1億元,4A級景區(qū)13個,5A級景區(qū)1個,接待游客2960.5萬;經(jīng)房縣、保康方案所經(jīng)的房縣、?？?019年總人口83.8萬,GDP總額246.5億元,4A級景區(qū)5個,接待游客952.5萬;經(jīng)?？?、神農(nóng)架方案所經(jīng)的?？怠⑸褶r(nóng)架、興山2019年總人口60萬,GDP總額290.4億元,4A級景區(qū)12個,接待游客2528萬。

經(jīng)分析,西線方案和經(jīng)?？?、神農(nóng)架方案人口、經(jīng)濟水平、旅游景區(qū)數(shù)量、接待游客數(shù)量優(yōu)勢較為明顯,吸引客貨流能力較強。

(2)對環(huán)境敏感區(qū)的影響分析

各方案對主要環(huán)境敏感區(qū)均予以繞避,對于無法繞避的段落,均繞避其核心區(qū)域,且多以隧道、橋梁的形式穿越,并得到了當?shù)刂鞴懿块T的認可。

東線方案并行襄渝線穿過國家級武當山風景區(qū)以及宜昌市水源保護區(qū)的二級保護區(qū);經(jīng)?？怠⑸褶r(nóng)架方案亦并行襄渝線穿過國家級武當山風景區(qū),環(huán)境影響程度相對較大。

經(jīng)房縣、?？捣桨复┻^了宜昌市水源保護區(qū)的二級保護區(qū),采取措施后環(huán)境風險較小。

中線方案、西線方案、經(jīng)?？怠⑸褶r(nóng)架方案均穿越宜昌大老嶺省級自然保護區(qū),穿越段線路長約7km,其中隧道段長約6.8km,橋梁段長約0.2km。

(3)工程地質(zhì)條件對比分析

對線路方案影響較大的主要工程地質(zhì)問題為巖溶、巖溶水和富水構造問題,其次是高地應力、煤層瓦斯、構造破碎帶以及廣泛存在的崩塌落石、滑坡、巖堆等不良地質(zhì)。其中高地應力、崩塌落石、滑坡、巖堆等不良地質(zhì)各方案相差不大,可溶巖地段長度相差較大。各方案可溶巖地段分布長度見表2。

表2 各方案可溶巖地段分布

由表2可知,方案一通過可溶巖地段最短,工程地質(zhì)條件相對較好,方案四次之,方案二最差。

3.3 定量指標分析

(1)線路長度、工程投資分析

東線方案線路長251.5km,投資227億;中線方案線路長257.7km,投資234億;西線方案線路長256.95km ,投資232.4億;經(jīng)房縣、保康方案線路長266.7km,投資249億;經(jīng)?？?、神農(nóng)架方案線路長288km,投資263億。

經(jīng)分析,東線方案線路長度最短,投資最省,西線方案次之,經(jīng)?？?、神農(nóng)架方案最差。

(2)決策矩陣分析

為直觀的判斷各方案的優(yōu)劣,引入決策矩陣方法進行分析[14]。

①決策矩陣的建立

根據(jù)影響線路走向方案的主要因素和研究的線路走向備選方案,建立相關決策矩陣模型。

表3 決策矩陣模型

②分值確定

對每一項影響線路走向方案的主要因素進行打分。每項分值為1至5分,1為最低分,5為最高分。

經(jīng)濟據(jù)點:根據(jù)各方案吸引范圍的經(jīng)濟分析,方案一分值為1分,方案二分值為3分;方案三分值為5分、方案四分值為2分,方案五分值為4分。

環(huán)境影響:根據(jù)各方案環(huán)境影響程度的分析,方案二、三、四的環(huán)境影響程度較小,分值為3分,方案一、方案五的環(huán)境影響較大,分值為2分

工程地質(zhì):根據(jù)各方案的工程地質(zhì)條件的分析,方案一分值為5分,方案二、方案三基本相當,分值為2分,方案四分值為3分,方案五分值為4分。

工程投資:方案一線路長度最短,投資最少,分值為5分,方案二、三次之,分值為4分,方案四、五線路展長較多,投資較高,分值為1分。

③權重設置

影響線路走向方案的每一項因素并不是同等重要的。因此,應對每一項影響因素設定相應的權重。

根據(jù)本線旅游線路的功能定位,線路走向應盡可能串聯(lián)湖北省“一江兩山” 旅游景區(qū),是本線重點考慮的關鍵因素,其權重設置為5;本線地質(zhì)條件極為復雜,尤其是巖溶地質(zhì)具有風險重大性,其工程地質(zhì)的權重設置為4;環(huán)境影響也較為重要,權重設置為3;線路長度、工程投資的重要性在本項目中有所減弱,權重設置為2。決策矩陣分值、權重見表4。

表4 決策矩陣分值、權重

④決策矩陣分數(shù)計算

用分數(shù)乘以權重,得出每一個方案在不同因素下的權重分數(shù),最后得出總分,結果見表5。

表5 決策矩陣分數(shù)計算

⑤決策矩陣分析結果

通過決策矩陣分數(shù)計算可見,分數(shù)最高的為方案三,其次為方案五,其結果與定性分析相吻合,即經(jīng)由神農(nóng)架的線路走向方案較優(yōu)。

3.4 方案比選結論

通過對擬定的線路走向方案的定性分析和工程投資、決策矩陣定量相結合的綜合分析,西線方案(方案三)經(jīng)由沿線主要經(jīng)濟據(jù)點,并串聯(lián)起湖北省旅游精品線路“一江兩山”旅游景區(qū),能充分吸引沿線客貨流及旅游客流,有利于推動鄂西生態(tài)文化旅游圈等旅游業(yè)快速發(fā)展,有利于促進鄂西北貧困地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展及礦產(chǎn)資源的開發(fā),而且可及時解決三峽大壩北岸的翻壩運輸問題,工程投資適中,故推薦西線方案(方案三)。鑒于推薦方案的地形、地質(zhì)條件相對復雜,工程相對艱巨,有必要對其工程風險進行評估,并加以防范。

4 工程風險防范

4.1 工程風險對比分析

宜萬鐵路通過可溶巖地段與本線通過可溶巖地段的對比見表6。

表6 宜萬鐵路與本線通過可溶巖地段對比表

與建成的宜萬鐵路相比,本線通過可溶巖地段的累計長度97km,約占全線長度的38%,明顯低于宜萬鐵路通過可溶巖的長度(265km)和比例(約70.3%)。

不難看出,本線巖溶發(fā)育程度總體稍弱,地質(zhì)條件總體相對較,其風險程度也相對有所降低。

4.2 工程風險評估

(1)風險辨識

按照可研階段的風險管理內(nèi)容[15-16],本線主要典型風險因素為地質(zhì)風險,包括軟巖大變形、突水突泥、巖爆、危巖落石、滑坡等風險。

(2)風險評價與分析

根據(jù)風險辨識和風險估計,工程風險評價見表7。

表7 工程風險評價

由表7可以看出,本線地質(zhì)風險等級為極高:①巖溶、巖溶水發(fā)育區(qū)發(fā)生的突水突泥風險,典型隧道如陽日隧道、神農(nóng)架隧道、仙女山隧道、兆吉坪隧道等;②深埋隧道高地應力發(fā)生的巖爆風險,典型隧道如陽日隧道、神農(nóng)架隧道、仙女山隧道、大老嶺隧道、兆吉坪隧道等;③大型富水斷層易產(chǎn)生突水、突泥、支護變形、坍塌、沉降等危害,典型隧道如陽日隧道、神農(nóng)架隧道、仙女山隧道等。上述極高風險地段易造成人員傷亡、穩(wěn)定影響、環(huán)境影響、工期延誤、功能缺失和經(jīng)濟損失等重大風險事件,必項高度重視并規(guī)避,否則必須采用有效措施處理,應充分吸取宜萬鐵路、蘭渝鐵路、在建鄭萬鐵路等眾多巖溶隧道施工的相關經(jīng)驗。

本線地質(zhì)風險等級為高的有高地應力引起的軟巖大變形、危巖落石、滑坡等風險,應重視并采取有效措施處理,加強風險監(jiān)測。

4.3 風險防范的對策及措施

(1)風險防范原則

對極高風險進行規(guī)避;對高度風險盡量規(guī)避,不能規(guī)避的,必須采取風險處理措施降低風險,且滿足降低風險的成本不高于風險發(fā)生后的損失。

(2)風險防范措施

①深化地質(zhì)選線

選擇合理的線位減少通過可溶巖地段的長度:線路選擇東移以隧道形式通過大老嶺自然保護區(qū),減少西側屈原廟一帶穿越可溶巖長度約19km,取消了刀嶺頭隧道(長12767m)、獅子山隧道(長7496m)兩座長大巖溶隧道。

選擇合理線位繞避巖溶及巖溶水強烈發(fā)育區(qū):線路通過神農(nóng)架林區(qū)巖溶弱發(fā)育地段,繞避姚家溝巖溶富水向斜,減少巖溶強烈發(fā)育區(qū)段長度約22km。

選擇合理線位繞避大型滑坡、崩塌等不良地質(zhì)體:線路繞避東蒿坪滑坡(位于神家架林區(qū)松柏鎮(zhèn),滑坡規(guī)模巨大)、劉家灣滑坡(位于興山縣古夫鎮(zhèn)北斗坪村劉家灣,滑坡面積和體積均較大)、高白崖危巖體(位于神家架林區(qū)新華鎮(zhèn),危巖體積較大)等大型不良地質(zhì)體。

選擇合理線位繞避區(qū)域構造:新華斷裂兩側巖層擠壓強烈,往往形成幾十米寬的壓碎巖帶,線路選擇西移繞避。

②加深地質(zhì)工作

本線地形、地質(zhì)條件極其復雜,線路存在多種方案可能,地質(zhì)條件很大程度上控制著線路方案。只有開展加深地質(zhì)工作,查明線路方案可能涉及的大范圍地質(zhì)背景,查清控制線路方案選擇的重大地質(zhì)問題,才能優(yōu)選線路方案,保證選線質(zhì)量。

房縣-香溪河段穿越神農(nóng)架山脈,可溶巖分布范圍廣,重大工程地質(zhì)問題突出且工程艱巨,線路方案存在較大的不確定性。經(jīng)研究,選擇該段開展加深地質(zhì)工作,以選擇合理的線位方案,繞避重大不良地質(zhì)分布區(qū)段,規(guī)避或降低工程風險。

③開展專項地質(zhì)工作

沿線長大深埋隧道工程地質(zhì)問題復雜且突出,需采用超常規(guī)的勘察手段,如勘探深度達千米以上的大地音頻電磁法、深孔及孔內(nèi)測井、地應力測試、瓦斯測試、水文地質(zhì)試驗、長期水文地質(zhì)觀測等,以查明長大深埋隧道的巖溶、巖溶水、高地應力、深部的構造破碎帶等問題,為設計和施工提供較為充分的基礎資料,降低或避免施工風險。

④加強超前地質(zhì)預報

針對風險隧道應加強超前地質(zhì)預測預報工作,將TSP、HSP、地質(zhì)雷達、紅外探水、超前探孔、洞周的釬探及鉆探等納入施工工序,探明掌子面前方及洞周可能存在的突水突泥、溶腔空洞等,以降低施工及運營風險。

4.4 小結

十堰至神農(nóng)架至宜昌鐵路主要工程風險是地質(zhì)風險,風險程度為高度-極高,采取對策及措施后為低-中度,工程風險較宜萬線有所降低。

建設風險包括施工安全、投資和工期,風險程度為中-高度,采取對策及措施后為低-中度,建設風險與宜萬線基本相當。

5 結論

通過對影響十堰至神農(nóng)架至宜昌鐵路線路走向方案的區(qū)域經(jīng)濟據(jù)點分布、旅游資源、礦產(chǎn)資源、地質(zhì)條件、環(huán)境敏感區(qū)等主要因素的定性指標分析,并結合線路長度、工程投資等定量指標,推薦經(jīng)由了沿線主要經(jīng)濟據(jù)點,并串聯(lián)起湖北省旅游精品線路“一江兩山”旅游景區(qū),能充分吸引沿線客貨流及旅游客流,有利于推動鄂西生態(tài)文化旅游圈等旅游業(yè)快速發(fā)展,,且工程投資適中的西線方案為本線的線路走向方案。另外,引入決策矩陣定量分析工具,可較為直觀的判斷各方案的優(yōu)劣,為方案決策提供一定的依據(jù)。