天平铁路选线回顾

魏其灿

(中铁第一勘察设计院集团有限公司兰州设计院,兰州 730000)

天(水)平(凉)铁路位于甘肃省东部,地处天水、平凉两市,以煤运为主,兼顾地方客货运输的单线电气化铁路,是甘肃省第一条企业、地方与铁道部合资铁路,是国家十三大产煤基地——黄陇基地煤炭运输的大能力通道之一，也是我国陇海、宝中两大铁路干线的重要联络线,是西北路网的重要组成部分。本线地处陇东山区,地势起伏多变,地形条件复杂；通过北秦岭褶皱带、六盘山褶皱带、鄂尔多斯地台三个大地构造单元,多种构造交叉穿织,复合叠置,褶曲、断裂较为发育；区内不良地质现象特别是滑坡等在沿线的河谷两岸和黄土梁、峁地区,关山山地和六盘山山地均有分布,其类型有黄土滑坡、基岩顺层滑坡、切层滑坡和断层破碎带滑坡等。在前期勘察设计过程中,对沿线大部分滑坡和错落体进行了绕避或在其前缘安全地带以填方通过,个别小型不良地质体可以在施工阶段予以清除或采取挡护措施,以保证施工和运营安全。

1 选线概况和特点

1.1 路网结构与功能定位

天平铁路北接宝中铁路,可通过宝中、包兰铁路到达宁夏、内蒙古两省区,同时与建设中的西平铁路、规划中的平凉至庆阳线相连；南接陇海铁路,可通过陇海、兰新、兰青、青藏铁路西至新疆、青海、西藏三省区；同时可南延至陇南,并与在建的兰渝线相接,从而通往四川、重庆两省市。是甘肃东部地区路网的重要组成部分。同时在路网中起重要的联络作用。随着本项目的建成和相关路网的完善,将形成纵贯甘肃东南部区域、辐射周边经济产业带的地区铁路干线,构成陇东、宁夏及内蒙古部分地区与天水、陇南以南、定西以东地区的便捷通道,本项目的建成对增加地区铁路网覆盖面、强化区域路网结构、增强铁路运输的机动性和灵活性具有重要的意义和作用。结合天平线在路网中的作用,其功能定位不仅是以货运为主,兼顾地方客货运的大能力运输通道,最终形成甘肃省东南部四地区连接外界的一条重要的南北运输走廊,同时也是陇海铁路宝中铁路两大铁路干线的重要联络线,是西北路网的重要组成部分。

1.2 线路特点

天平铁路南起陇海铁路天水站,北接宝中铁路安口南站(华亭站)。早在1959年,作为临(汾)天(水)线张家川支线,铁一院完成初步设计报铁道部并开工建设,20世纪70年代再次进行了方案研究和初设地质加深工作,并完成了全段初步设计。但受工程难度大、投资额度高等条件限制,项目终未能付诸实施。

2007年8月,我院完成了天平铁路的航测、制图。在最新的航测调绘的基础上,参考近半个世纪的选线及地质加深相关成果,再次在大面积方案研究的基础上进行了综合比选,批复方案全长114 km,速度目标值120 km/h的单线电气化Ⅰ级铁路。全线桥、隧长度占线路总长近70%,工程艰巨,线路选线难度较高。特别是线路穿越关山、六盘山,地形险峻、地质复杂,属典型的山区越岭线路,采用长隧道穿越关山、六盘山,隧道长度分别为15 600 m和16 390 m,为我国目前单线小断面隧道中最长的铁路隧道。本线也成为同标准铁路中桥隧比例最高的铁路之一。

1.3 技术标准的选择

根据天平铁路在路网中的作用和功能定位,选用现有的韶山系列机车和牵引质量与相邻铁路配套,满足速度目标值的曲线半径的条件下,在桥隧较为集中的山区铁路,采用较大坡度,有利于适应地形、缩短线路长度,减少工程；采用较小的限制坡度,有利于提高运输能力、提高运输质量、降低运营成本。如何选择一条既服务地方经济发展又兼顾客货运输的铁路,结合地形条件,选择经济合理的技术标准成为选线的首要任务。

1.4 资源与生态保护

天平铁路位于陇东黄土高原和秦岭山脉的交接地带,地跨黄河、长江两大流域分界线,山大沟深,植被茂盛,动植物资源十分丰富；天水、平凉是中华民族的发祥地之一,古丝绸之路,历史悠久,文化底蕴极为深厚。区域旅游资源十分丰富,拥有众多的自然景观、人文景观和名胜古迹。但滑坡、错落、泥石流、崩塌、分布较广,受汶川大地震的影响,局部山体稳定性差,加之河流纵横,沿线水土流失严重,生态脆弱。对铁路建设的环境保护和水土保持工作提出了更高的要求。

1.5 地形、地质条件复杂

线路经过地区主要为六盘山及其余脉关山山地及其内的山间河谷,地势起伏多变,地形条件复杂,关山峰顶海拔高度为2 300～2 700 m；沿线沟深壁陡,沟梁间相对高差100～600 m,局部超过1 000 m。

沿线多种构造交叉穿织,复合叠置,褶曲、断裂较为发育,通过线路共有5条断裂带,区内不良地质现象主要有滑坡、错落、泥石流、崩塌、顺层、地震液化、采空区等。由于地处黄土高原,冲沟发育,经过地区内特殊岩土主要为湿陷性黄土、膨胀岩土和软弱地基三大类。

2 选线回顾

天平铁路在总结历次选线的基础上,根据其特点和难点,在线路走向、重点工程选址、地质加深、环境保护和水土保持治理等多方面,在大面积重新研究的基础上,经经济、技术比选,确定经济合理的线路方案。

2.1 接轨方案

天平线接轨点的选择主要为陇海铁路天水段,主要对天水站前后的社棠站、三阳川站、渭南镇站接轨的可行性与天水站接轨做了比较。天水站接轨方案(简称清水方案)在天水站东端与陇海铁路疏解后逆牛头河而上至清水县,选择张家川回族自治县恭门越岭哑口穿越关山及六盘山顺南川河接入集配站,社棠站接轨方案从工程、运输组织管理各方面比较后放弃；渭南镇接轨方案线路走向与天水站接轨相去甚远：沿葫芦河经秦安、庄浪后选择合适的越岭哑口至华亭顺南川河接入集配站(简称庄浪方案)；而三阳川接轨前20 km与天水站接轨方案走向有较大差异：跨渭河后经陇海线北山区郭川、贾川后在牛头河与清水方案相接。

经充分比较论证后采用天水站接轨方案。

北端与宝(鸡)中(卫)线接轨方案,结合本线客货流向,考虑沿线重要经济据点和地形条件,本次共研究了华亭站(安口南集配站)、安口南工业站和砚北站3个接轨方案。经经济技术比较,华亭站(安口南集配站)与国铁交接站安口南工业站相距仅3.32 km,本线的主要货流在此集结,接轨方案线路短直,径路顺畅,投资较省。故采用华亭站(安口南集配站)接轨方案。

2.2 线路走向方案的选择(图1)

本线总体走向为陇海线天水段至宝中线安口南工业站所延伸出的华亭煤业集团所属的华煤集配站。沿线地形为东西相对较低,天水段海拔高度为1 100～1 200 m,华亭段海拔高度为1 200～1 350 m,而中间相对较高,线路经过的主要越岭山脉为六盘山余脉关山,峰顶海拔高度为2 300～2 700 m。在前期工作中,根据沿线地形条件,共选择了2个走向方案：一个是逆牛头河而上至清水,选择适合的越岭地段至华亭顺南川河接入集配站(以下简称清水方案)；另一个是沿葫芦河而上,经秦安至莲花后沿水洛河经庄浪后选择合适的越岭哑口至华亭顺南川河接入集配站(以下简称庄浪方案)。围绕这2个线路走向,本着缩短线路长度、减少投资、少占耕地及带动地方经济发展的原则,选择了多个越岭垭口,对同一垭口不同的越岭高程采用不同坡系、不同隧道长度和不同的展线长度,进行了大面积的选线和技术、经济比较。

清水方案在天水站接轨,该方案虽然有2座共32 km的长隧道,但线路短直,展线系数仅为1.12,线路长度114 km,工程投资较省。

庄浪方案在渭南镇接轨,该方案所经河谷较为宽阔,选择花崖河崖口穿越关山,越岭隧道12.6 km,但展线系数达1.51,线路长度173 km,较清水方案长59 km,工程投资高。

根据本线货运为主,兼顾地方客货运输的功能定位,为了充分发挥投资效益,综合考虑各种因素,推荐了投资省、运营长度短的清水方案。

2.3 重大工程选址

图1 线路宏观走向方案示意

天平线关山隧道、六盘山隧道,从天水市张家川县马鹿镇龙口峪垭口、恭门垭口、刘堡垭口到平凉市庄浪县花崖河垭口、店子峡垭口等多个越岭垭口的不同隧道长度、不同引线方案的大面积比选,从地质条件、引线展线长度、绕避越岭区域不良地质及自然生态区、穿越断层长度、占用耕地、隧道两端设站条件、运输组织条件、区域经济发展以及投资比较,同时做了不同限坡方案的比较。对比选后选择的越岭垭口恭门越岭方案又根据地形地质条件做了不同的进出口方案的局部比选及限坡方案的比选,结合隧道口越岭高程,对跨越马庵河的桥位做了多个方案的综合比选。在确定了越岭隧道和跨河桥位后,对两侧不同的引线方案进行比选,确定全线线路方案和技术标准。

在关山、六盘山越岭地段,采用特长隧道,避免在山区展线,不仅缩短线路长度,而且最大限度地绕避了不良地质地区,最大限度地减少了对关山、六盘山天然生态林的破坏,减小了对环境的影响。同时缩短了线路长度,节省了工程投资。

2.4 地质选线

沿线地形条件复杂。总体上两端低而中部高,沿线地貌单元可分为：渭河河谷阶地区、牛头河河谷区、关山山地区、六盘山山地区、陇东黄土梁峁区、南川河宽谷区。

本线主要沿山区峡谷前行,沿线地貌多变,地形起伏,地势陡峻,不良地质现象极为发育,沟谷山体稳定性极差。

沿线断层主要有天水车站至牛头河河口段渭河断层(F1)、通过毕家里断层的F2-1、F2-2、F2-3断层带；线路在清水县城附近以大角度通过通渭—清水断层(F3),以隧道形式大角度穿越庄浪—固关断层(F4),湾湾河断层(F4-1)以及大角度穿越六盘山东麓断层(F5)。

在勘测设计过程中,结合我院50年来历次地质勘察和地质加深工作积累的资料,再一次大面积地质专项工作的基础上,开展了加深地质工作和重大工点的专项地质勘察,特别是对关山、六盘山2座长大隧道的断层、滑坡等不良地质区,采用先进的勘探设备和综合勘探技术,进行了大面积水文地质调绘、物探、钻探等专项地质勘察,查明了影响隧道施工安全的重大地质问题及其控制因素,揭示了线路通过六盘山区的地质构造、地层岩性、地下水发育情况、滑坡面高程等主要工程地质条件及水文地质条件,据此研究各种方案的工程处理措施,对方案进行完善和优化,进而选择安全、可靠、经济合理的线路方案。选择的线路方案绕避了大量的滑坡、错落、崩塌、顺层等不良地质区。

全线通过地区较大的滑坡有毕家里滑坡、清水滑坡、三角城滑坡群、新庄滑坡、青林滑坡等，均对线路的局部走向及工程规模产生了较大的影响。

清水滑坡对清水车站站位选择增加了难度。

三角城滑坡为堆积层牵引式巨型古滑坡。滑坡范围由麻庵河右岸腰庄至小川子村,宽约5 000 m,沿滑动方向长800～1 000 m。滑坡后壁周界圈椅状地貌明显。滑坡由多个次生滑坡组成,前缘伸入后河及麻庵河河床,已被冲刷。滑坡体自然坡度为20°～35°,局部地段较陡可达50°,滑坡体上滑坡平台不发育。滑坡体上分布多条冲沟,多深切至基岩,将三角城滑坡分割成多个相对独立的滑坡。目前古滑坡体处于相对稳定状态,但线路如走行在古滑坡体的上部或在滑坡体上施工,均有可能导致滑坡的复活,此处滑坡群位于关山隧道出口必经之地,重点在于洞口位置的选择,定测工作中经反复比较,确定了绕避三角城滑坡群的方案。

新庄滑坡主轴断面位于六盘山隧道接近出口段,隧道拱顶位于滑面以下13 m,对隧道的施工及工程安全有较大影响,施工采用加强支护、及时衬砌等措施,以防坍塌。

青林滑坡位于六盘山隧道出口右侧,滑体左侧边缘与隧道洞口所在山体仅一冲沟之隔,与线路最小距离约23 m,对工程安全有一定影响,采用了安全有效的挡护措施。

根据勘察成果,同时编制完成了隧道风险评估及隧道应急预案设计。

2.5 环保选线

天平铁路主要经牛头河、天河河谷、六盘山区及南川河河谷区,牛头河为渭河支流、天河为牛头河支流,为沿线县镇水源地的重要组成部分,南川河为泾河支流,均发源于六盘山。对铁路沿线取弃土场、弃砟场的设置,应充分考虑水土保持及环保要求,主要场点均设置挡护工程、绿色防护及通畅的防排水设施等生态保护措施。

设计选线中,贯彻了节约用地,少占耕地的原则,因桥隧比重大,用地指标远低于同类铁路项目;对自然保护区、风景名胜区等生态敏感区、点进行了绕避。推荐了绕避莲花台风景区、清水水源地、华亭水源地的走向方案；确定了取土场、弃土(砟)场的选址和防护原则,并初步确定了取土场、弃土(砟)场的位置,以减少工程对生态环境的影响；设计中,对车站范围内可绿化地段、区间路基两侧用地范围内可绿化路段进行绿化,对无法复垦耕种的取弃土场等也采取了相应的绿化措施,有利于植被恢复和生物量补偿。

3 主要技术标准的选择

3.1 技术标准选择原则

对主要技术标准的选择要本着因地制宜的原则,既要符合功能定位,又要与沿线地形条件相匹配,结合工程设置情况,在与相邻线匹配的前提下,必要时可分段采用不同的限制坡度、曲线半径等,以最大限度选择经济合理的技术标准。

天平线相邻线技术标准见表1。

表1 相邻线路主要技术标准

3.2 限制坡度的比选

既有相邻线宝中、陇海、西平等均为单机6‰、双机13‰,为与相邻线坡度一致,根据本线在路网中兼顾宝中和陇海联络线的功能,本线首选最大坡度应为13‰。但考虑其以运煤为主、兼顾客运的功能定位,线路应以短直和节省投资为主,结合沿线地形等条件,做了不同坡度的比选。

在前期研究中,根据沿线地形条件、牵引及制动、行车组织、工程投资等方面进行了系统研究,由于全线地形呈中间高两端低的“Λ”字形,顶点为关山,以张家川站为纵断面最高点,从全线13‰、16‰、18‰到13‰、16‰均衡坡,13‰、18‰均衡坡进行了分段研究,为了减少换重作业,提高运转效率,牵引质量与相邻线一致的前提下,推荐采用下行重车方向13‰、上行轻车方向16‰限坡方案。初步设计在重车方向采用13‰坡度的前提下,根据定测地质工作成果,对上行轻车方向16‰和18‰两个坡度方案分段进行了比较。

(1)方案概述

华亭至张家川段,主要穿越关山、六盘山,顺南川河足坡而上,为重车牵引坡度,采用了13‰坡度方案。

天水至清水段线路长约33 km,主要沿牛头河河谷上行,河床自然纵坡约5‰～10‰,线路坡度较为自由,采用16‰限坡已能较好的适应地形；由于纵断面设计高程受牛头河水位控制,因而采用18‰限坡对线路工程并无明显改善,两坡度方案的工程设置、工程投资相当,故不再比较。

清水至张家川段线路长约42.5 km,逆天河-樊河而上,河床自然纵坡约10‰～20‰,采用16‰坡度方案与地形的适应性较差,局部需展线。采用18‰的坡度方案则与地形较为适应,减少展线,从而节省工程投资。故本段对16‰、18‰两坡度方案进行了进一步研究比选。

(2)方案分析

工程地质条件：两方案走向基本相同,区域工程地质条件基本相同。对于沿线的不良地质体,线路选线均予以合理的绕避,均未穿越大的不良地质地段。经野外勘察及比较分析,两方案在工程地质条件上无大差别。

工程投资与工程条件：16‰方案较18‰方案线路长1.452 km,桥隧总长长0.9 km,受路基填挖高度较高的影响,路基工程亦较大。比较范围内16‰方案较18‰方案静态投资较高。

除16‰方案展线地段外,两方案走向基本一致。由于工程地质条件大体相当故隧道工程条件两方案大体相当,对两方案桥梁、路基工程设置条件统计如表2所示。

表2 16‰、18‰限坡方案工程设置条件统计

注：H1—桥梁高度；H2—路基高度。

如表2所示,18‰方案工程设置条件较16‰方案桥梁、路基工程设置条件略好。但两方案工程设置均较合理,无特别困难的桥、路工点,工程实施难度均不大。

行车组织分析：本线全线采用电力机车双机牵引方案,轻车方向牵引质量2 000 t,采用16‰或18‰方案对列车运行速度的影响甚微,经检算,仅个别区间往返走行时分有微小差异,不影响线路通过能力。

下坡制动分析：本线属典型的越岭线路,轻车方向(即重车下坡方向)为长大下坡坡道,运营条件和牵引质量受长大下坡道限制较大。本线近期牵引质量4 000 t、货物列车编挂辆数50辆；远期牵引质量5 000 t、货物列车编挂辆数53辆(采用C70型车辆)。在仅有空气制动的情况下,在货物列车主管压力500 kPa条件下,列车管减压量100 kPa时,16‰的限坡可牵引货物列车54辆,满足本线近远期牵引辆数的要求；而18‰的限坡只能牵引货物列车47辆,不能满足本线近远期牵引辆数的要求,采用电阻制动亦可保证运营安全。

从牵引质量分析：从本线预测运量分析,上下行货流密度差别大,各机型双机牵引,在轻车方向无论采用16‰或是18‰的限坡，均能满足牵引2 000 t的要求,

(3)采用标准

综上所述,18‰方案与16‰相比,工程设置条件较好,在运输组织上虽略逊于16‰方案,但总体上差别不大,无难以克服的工程技术障碍；其工程投资少6%。经铁道部批复,轻车方向采用18‰限坡,重车方向采用13‰限坡,其中长隧道段采用了13‰不考虑隧道折减坡度。

3.3 其他主要技术标准的选择

根据铁路主要技术政策、铁路设计有关规定,结合本线功能定位、自然条件和运量特征,综合考虑路网规划、技术进步、能源政策等因素,对主要技术标准进行了深入研究。

(1)根据本线在路网中的地位及担当的客货运量水平,本线铁路等级应为国家铁路I级、单线。

(2)对速度目标值及曲线半径的选择,根据我国客货共线铁路中以客为主的路网干线速度目标值一般为160～200 km/h,以货为主的路网干线目标值一般为120～160 km/h。本线以货运为主,根据沿线地形条件、相邻铁路情况等,对160 km/h和120 km/h经济技术比较确定120 km/h速度目标值及相应的最小曲线半径一般为1 200 m,困难情况下为800 m。

(3)牵引种类的选择

目前我国铁路牵引种类主要有内燃和电力牵引。

《铁路技术政策》指出：“大力发展电力牵引技术,提高电力牵引的换算周转量的比重。客运专线、煤运专线、主要干线及长大坡道、长隧道、高海拔地区等线路采用电力牵引”。因此本段应采用电力牵引。

本线跨越关山,海拔较高地形地质条件复杂,且桥高隧长,根据本线的特点并结合相邻线的情况,电力牵引可较好地适应地形条件并与相邻线机型匹配。

本段为承担大量煤炭运输任务的地方铁路,采用内燃牵引不利于铁路运输企业降低运营成本、客货列车提高运行速度和牵引质量；本线所经地区电力资源丰富,为电力牵引提供了良好的外部条件,从两端衔接的路网分析,符合路网规划目标。从经济性方面分析,电化方案虽一次性投资较大,但节约运输成本显著。

经比较论证,采用了电力牵引。

4 结语

天平铁路已于2009年4月开工建设,目前工程施工正有序进行。从天平线及其他项目选线研究,初步得出山区铁路选线的设计原则和方法。

铁路选线应服从国家、全局的需要,服从国民经济发展的需要。在选线过程中,对沿线地区重要城镇和工农业发展状况,矿产资源分布和开发利用以及交通、旅游等经济状况和社会条件,对地形、地质、水文、气象等自然特征进行详细调查研究的基础上,考虑铁路路网布局,客货流方向,其他运输方式的衔接,与沿线规划的配合等方面综合分析研究。坚持地质选线、重大工程优先选址、坚持环保选线、规划选线与资源选线相结合的综合选线原则,多方比选,综合考虑,做到工程建设与社会发展的统一、工程建设与自然的统一、工程建设与经济建设的统一,使社会综合效益最大化。

[1]兰州铁道设计院有限公司.新建铁路天水至平凉线可行性研究[R].兰州：2008.

[2]兰州铁道设计院有限公司.新建铁路天水至平凉线初步设计[Z].兰州：2008.

[3]GB—50090—2006，铁路线路设计规范[S]