周宇清
(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)
吉图珲客运专线总体设计及技术创新
周宇清
(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京100055)
摘要:吉图珲客运专线位于东北山区,誉为“东北风景最美高铁”,建设方案是采用客运专线还是客货共线是前期研究重点,从运量特征、能力适应性、运输组织、工程投资等方面分析,采用客运专线方案定位准确;为体现出与公路、航空的竞争力,从工程成本与相邻路网适应性分析,研究确定速度目标值采用250 km/h;铁路选线应考虑规划、环保、地质、工程经济等因素基础上综合选线,客站布局结合规划和既有设备合理选择;工程设计的重点是抗冻防寒措施,特别对路基和隧道的工程措施应采取专项设计,保证铁路的安全稳定。
关键词:吉图珲客运专线;总体设计;抗冻防寒;创新
1概述
吉图珲铁路客运专线位于吉林省境内,西起吉林市,东至延边朝鲜族自治州珲春市,线路全长360 km,设计标准为时速250 km/h客运专线,线路所经地区属长白山系中段,自然环境优美,誉为“东北风景最美高铁”。吉图珲铁路客运专线从2008年开始设计,2011年开工建设,历经4年建设工期,于2015年9月20日顺利通车,针对本项目所属东北区域的自然和经济特征,设计中采用了切合实际的设计方案及工程措施,并且通过了建设期间施工及投入运营后良好状况的检验,本文在于总结项目设计中的经验,对东北地区建设客运专线具有一定的借鉴作用。
2新线建设方案的选择
吉图珲铁路客运专线经过吉林省的吉林市和延边朝鲜族自治州,其中延边州境内正线长度246 km,占全线长度的2/3。吉林市是吉林省第二大城市,2009年全市总人口434万人,人口密度为160人/ km2,人均GDP达到34 483元。延边朝鲜族自治州是中国朝鲜族主要聚集地,朝鲜族人口占总人口的36.7%,占全国朝鲜族人口的43%。人口密度为51人/km2,2009年全市总人口218万人,人均生产总值20 617元,低于25 511元的全国平均水平(注:数据源于各地统计公报)。
沿线地区旅游资源得天独厚。著名的景点有吉林市的雾凇奇观、“华夏避暑第一湖”——松花湖、神奇伟岸的长白山、悠远神秘的三国边境风貌。2009年沿线地区共接待国内游客2 046万人次。
延边朝鲜族自治州地处中俄朝三国交界地带,被誉为“东北亚金三角”,是东北亚六国和我国东北地区构成的地理几何中心即东北亚核心区,正好位于规划中的东北亚大陆桥的中间位置。延边州的珲春市距离日本海最近只有15 km,在200 km半径内就密集分布着10个条件优良的俄罗斯和朝鲜港口,可通过珲春实现借港出海。
从区域内人口密度和人均GDP分析,沿线属经济欠发达地区,但旅游资源丰富,客流季节性特征明显,同时处于边境交界地段,地理位置极具优势,跨国贸易发展潜力巨大。
从沿线经济特征分析,当地客运需求有限,客运量增长的动力主要在于旅游和东北亚长吉图先导区经济开发,新增运量是转移运量与诱增运量之和。预测新线近期区段客流密度1 260万人,客车对数55对;上行货物以煤炭、木材、粮食等为主;下行货物主要是石油、水泥、化肥农药、集装箱等,近远期最大区段货流密度分别为1 696万t、2 004万t。客货运量特点是客流增长较快,货运量缓慢增长。
既有长图铁路吉林至图们段线路长403 km,陆续建于1910~1933年间,为国铁Ⅱ级、单线、限制坡度13.0/12.0‰、最小曲线半径300 m、内燃牵引、牵引质量2 100~5 000 t、到发线有效长650(部分1 050) m、半自动闭塞,线路允许速度为90 km/h,吉图段开行客车11对,最大上行货流密度达到695万t。既有线技术标准低、牵引质量小、运行速度慢、设备老化、运输能力不足。
对于技术标准低的既有线,从工程投入与产出对比以及铁路建设经验来看,既有线改造的建设方案投资基本与新线不相上下,在能力、速度、动车组运行条件等方面均难以满足运输需求,因此,建设方案采用新建双线方案,并重点研究200 km/h客货共线、客运专线2个方案[3]。
2.4.1从运量特征分析
客流增长速度明显大于货流增长速度,新增运量应以客流为主,货运量长期维持在单线运量水平,货物运输以煤炭、木材、粮食等大宗货物为主,煤炭所占比重较高,对速度、时间要求不高等特点,利用既有线承担货运可满足运输需要,客运专线方案更适合本线运量特征,可以减少货运对客运及环境的影响。客运专线方案较200 km/h客货共线方案,进一步缩短了旅行时间,能够为旅客提供更加高效便捷的运输服务。
2.4.2从能力适应性分析
客运专线方案新建双线满足客运需求,既有长图线可满足近远期货运量需要;200 km/h客货共线方案新建双线和既有线能力均有富余运输能力均满足要求。
2.4.3从运输组织分析
客运专线方案实现了通道客货分线运输,避免了客货间行车干扰,通道能力较大,运输组织顺畅,更符合我国铁路“客货分线运输”的长远发展目标。
200 km/h客货共线方案新线仍为客货混运,客货车速度差较大,影响动车运营速度和线路能力,相邻路网既有线均为内燃铁路,跨线车上新线均需换挂机车,运输组织不顺畅,运营组织难度较大。
2.4.4从工程投资分析
客运专线方案较客货共线方案总投资约增加6%,客货共线方案减少投资有限,按照“强本简末”的建设方针,初期加强线路建设标准,采用客运专线方案更有利于铁路长远发展。
2.4.5从地方需求和客运专线网络延伸上分析
由于沿线既有线运输能力小和效率低,旅游产业是地方经济发展中支柱产业之一,交通设备落后成为经济发展的瓶颈,急需建设快速客运铁路带动发展,建设客运专线方案能更好地适应地方需求;从已建成相邻路网分析,哈大客运专线是东北快速网主干线,长春—吉林城际铁路从哈大客运专线上引出,采用客运专线方案与相邻路网更加协调一致,长春—珲春间形成标准统一的快速客运通道。
2.4.6新线建设方案研究结论
以预测运量为依据,本线客运量增长迅速,货运量将长期维持单线水平,且煤炭、木材等大宗货物对旅行速度要求不高,新建客运专线并对既有单线进行局部扩能可适应本通道运量特征,满足未来客货运输需要,实现客货分线运输,极大改善通道客运服务质量。充分考虑长春至吉林间已选择城际客运专线的客观事实,从整体形成长春至珲春间客运快速通道的角度出发,采用新建客运专线的建设方案。
3速度目标值的选择
速度目标值须根据时间目标值要求、功能定位、工程投资及与相邻铁路网协调等因素研究确定[1]。
铁路客流以长春、吉林与延吉、珲春间城际客流为主,运距不超过450 km,占总量的53%;至沈阳、哈尔滨等运距在800 km以内跨线客流,占总量的15%;其余主要为北京、济南、大连、上海等地经哈大客运专线与延吉、珲春间长途跨线客流,运距普遍在1 000 km以上,占总量的32%。
长春—珲春间高速公路运行距离约560 km、旅行时间5.5 h,根据铁路客车的旅行时间小于公路的经验,长春—珲春间铁路旅行时间应控制在5.0 h之内。
长春—延吉间航空飞行时间约为50 min,航空出行附加时间考虑长春机场有客运专线连结、延吉机场离城近等具体情况采用1.5 h,总旅行时间约为2.5 h,因此,为与航空竞争,长春—延吉间铁路旅行时间应控制在2.5 h之内。
600 km以上客流对列车在起讫点和沿线主要经济据点的服务时段要求较高,北京、沈阳、上海—延吉间航空飞行时间约为2.0、1.3、3.7 h,航空出行附加时间考虑3.0 h,总旅行时间约为5.0、4.3、6.7 h;若长春—延吉间铁路旅行时间应控制在2.5 h之内,北京、沈阳—延吉间铁路旅行时间约为9、4 h,距离800 km以内的沈阳等城市铁路仍有时间优势,北京、上海等距离超过1 200 km的城市,铁路以较低的运价和全天候特性吸引旅客,并可依据市场需求开行“夕发朝至”客车,凭固有优势与航空竞争。
长春至珲春间铁路运行距离约470 km,沿线旅行距离800 km以内客流占68%,为体现出与公路、航空的竞争力,发挥长春市核心辐射作用,促进长吉图先导区经济发展,因此,吉林—珲春段时间目标值应控制在2.5 h之内。
由于吉林—珲春间时间目标值控制在2.5 h之内,因此,全段列车旅行速度应在150 km/h及以上,速度目标值应在200 km/h及以上,主要对200、250、300 km/h三个速度目标值方案进行比选。
3.2.1工程建设成本比较
项目建设成本的高低,主要是由技术标准、设备配备标准与规模等因素决定的。不同速度目标值方案工程比较见表1。
表1 不同速度目标值方案工程比较
从工程投资角度分析,200 km/h方案较250 km/h方案节省工程投节省8%,300 km/h方案采用无砟轨道,较250 km/h方案增加工程投资增加15%。
300 km/h速度目标值方案较250 km/h方案增加投资55亿元,单程运行时间节约15 min,投资节时比为3.67亿元/min,节时代价大;200 km/h速度目标值方案较250 km/h方案节省投资30亿元,单程运行时间增加16 min,投资节时比为1.87亿元/min,节时代价比较小。
由于东北地区客流季节性明显,投入产出比应结合项目特点进行选择,250 km/h速度目标值方案投资适中,时间效益佳,应优先采用。
3.2.2与相邻路网相适应
与本线相邻客运专线、城际铁路速度目标值为哈大客运专线350 km/h(B类车250 km/h以下)、长吉城际250 km/h。
本线作为长春—珲春快速铁路通道的重要组成部分,并有少量哈大客运专线跨线客车运行。因此,考虑整个通道的整体性和一致性,提高动车组的使用效率,速度目标值宜为250 km/h。
3.2.3小结
采用250 km/h速度目标值,符合铁路客运快速化发展趋势,有利于构筑我国快速客运通道,能适应未来我国铁路快速网发展的总体要求,考虑充分利用动车组资源,实现路网效益最大化,本线应与长吉城际统一速度目标值,因此,推荐采用250 km/h速度目标值。
4线路走向和站址方案
吉图珲铁路客运专线选线设计在结合路网规划、城市规划基础上,充分考虑环保、地质、工程经济等因素,合理确定枢纽内客运站布局,满足快速、安全、舒适的乘车要求,科学合理的控制工程投资[2]。吉图珲铁路客运专线经过长白山中区,铁路穿山越岭,沿线植被茂盛,风景区密布,旅游景区得天独厚,包括吉林市松花江、松花湖、拉法山森林公园等重点风景名胜,线路走向应尽可能降低对自然环境的破坏,环保选线在选线设计优先考虑;沿线不良地质主要有采空区、膨胀土等,选线中应尽量绕避[3-4];沿线经济据点相对欠发达,客站布局宜集中布置,利于吸引客流和旅客换乘。
吉林铁路枢纽连接长春、哈尔滨、沈阳、图们4个方向,衔接长图、沈吉、龙舒3条铁路干线及长吉城际铁路,枢纽总图形成“一客一编四货”的环形放射状格局。其中吉林站为枢纽主要客运站,棋盘站为枢纽主要编组站,吉林站分场设置,城际场为5台9线,普速场为3台5线。吉林市为吉林省第二大城市,中心城市人口规模为220万人。
引入枢纽方案重点研究引入吉林站及引入双吉站、沟通吉林站2个方案。如图1所示。引入吉林站方案将吉林站作为吉图珲铁路客运专线起点站,列车均经停吉林站;引入双吉站、沟通吉林站方案通过车流经双吉站,双吉站为枢纽第二客运站,始发终到车流引入吉林站。
图1 引入吉林枢纽方案示意
吉林站配套综合交通设施齐备,客流的集疏运条件便利,吸引客流的优势明显。为充分利用既有设施及长吉城际新增设施,结合城市规划,吉林站作为枢纽主要客运站的优势十分突出。因此,结合城市总体规划及铁路的布局,从枢纽客运规模、既有客站场地条件、吸引客流等方面分析比较,枢纽客运系统布局推荐吉林站为主要客运站。双吉站只应规划预留,较长时期内吉林站能满足运输需求。综合考虑城市及铁路规划、既有设施、工程投资、客运布局等因素[5],应采用引入吉林站方案。
线路走向范围内涉及松花湖国家级风景名胜区、松花江三湖省级自然保护区、拉法山国家森林公园等环境敏感区,其中松花江三湖省级自然保护区、拉法山国家森林公园相邻,线路由西向东,两者必经其一。另外,受城市规划、煤炭采空区、水源保护区等因素控制,该段线路走向综合考虑了工程经济、地质、环保、规划选线[3-4],对经蛟河西取直方案、沿高速公路走廊方案、沿高速公路走廊绕采空区方案进行了比选。如图2所示。
图2 吉林至敦化段方案比选示意
经蛟河西取直方案经松花江三湖省级自然保护区,线路长度124 km,桥隧比例为63%。沿高速公路走廊及绕采空区方案通过拉法山国家森林公园,线路长度为127 km,桥隧比例为53%。经蛟河西取直方案线路顺直,避免了通过拉法山国家森林公园,蛟河西站位与城市规划结合较好,绕避了采空区,虽然工程投资略高,在环保优先的前提下推荐采用。
敦化市是沿线重点旅游城市,根据敦化市城市规划及大石头镇城镇布局,以及本线与既有长图线敦化站的关系,研究了敦化站东移、敦化北设站、引入敦化站3个方案。方案线路走向详见图3。
3个方案线路长度和工程投资差别不大,控制方案的主要是敦化站、大石头站的站位选择,敦化北设站方案线路走向主要沿高速公路走廊,2个站位均设在城市北端,距城区较远不利于旅客换乘;引入既有敦化站旅客换乘便利,但对城区建筑拆迁工程较大,工程投资最大;敦化站东移方案在既有敦化站东北侧新设敦化站,车站设客运专线场和普速场,既有货场搬迁后本站只办理客运业务,区间线路绕开城市建成区。敦化站东移方案整合了铁路资源,便于铁路的运营管理,共站设置便于城市配套设施的衔接和旅客出行、换乘,搬迁既有货场减少了铁路运营对城市的影响,美化了环境,符合客内货外的铁路发展原则,因此采用敦化站东移方案。
图们市是边境口岸城市,紧邻朝鲜,城市周围三面环山,嘎呀河在城市东侧,城市南侧为图们江。图们站为既有长图线终点站,图佳线起点站和图珲地方铁路接轨站。结合车站布局、城市规划和地形条件等控制因素,对南进北出图们站方案、图们西设站方案、图们北设站方案进行比选。
图3 敦化至大石头段方案比较示意
南进北出图们站方案线路采用1 600 m半径引入既有图们站,线路长度为38.5 km,桥隧比例为82%,能充分利用图们站既有设施及城市配套设施,旅客出行及换乘便利,但线路长,城区拆迁量大,进出站段需限速,投资最高。图们西设站方案线路进入图们城区西侧新设图们西站,线路长度为36 km,桥隧比例为80%。图们北设站方案线路引入既有曲水站东侧设图们北站,线路长度为32.6 km,桥隧比例为79%,新设站距离图们城区约5 km,旅客出行稍有不便;但线路短直,较两方案分别短5.9、3.4 km,拆迁小,较两方案分别省9亿元、6亿元,工程投资最省,推荐采用图们北设站方案。如图4所示。
图4 图们站位方案示意
5工程设计的特点及技术创新
吉图珲铁路客运专线建设标准为250 km/h客运专线,线路全长360.986 km,桥梁长90.960 km/115座,占正线长度25.20%,桥梁结构形式主要为高速铁路常用跨度简支梁,以跨度32 m简支箱梁为主;隧道长155.704 km/85座,占正线长度43.13%,正线桥隧比例68.33%。针对本线处于东北严寒地区的特点,设计中考虑了诸如正线所有道岔内均设置防冻胀调高垫板、防止雨雪融化再结冻后涨裂雨水管及排水沟、路基隧道的防冻胀专项设计、站后设计选用防寒具有良好密封性能设备等措施,根据既有线运营经验,东北铁路的路基和隧道地段病害较多,重点介绍吉图珲铁路客运专线路基及隧道采用的工程措施。
填料、水分和温度是产生路基冻胀的主要原因[8],本线所经区域冬季严寒漫长、全年降水比较丰富,路基冻胀、融沉变形控制异常困难。
吉图珲铁路客运专线采取优化路基结构设计、控制填料细颗粒含量、改善路基防排水、加强路基保温等综合措施进行路基防冻胀结构系统设计[9]。主要防冻胀设计措施:路基基床采用“多层结构”防冻胀设计;桥与桥、桥与隧、隧与隧之间的短路基采用掺水泥稳定级配碎石、素混凝土路基或钢筋混凝土桩板结构进行防冻胀专项设计;对路基有危害的地下水地段和土质路堑地段,设置纵向盲沟、边坡支撑渗沟、毛细防排水板等进行地下水引排; 地下水埋深较浅、地势低洼易积水地段,路堤坡脚设保温防冻胀护道;对地下水路堑、低填浅挖路基等重点路基地段,进行施工期路基冻胀、融沉变形监测,及时进行路基防冻胀动态设计。
本线经过延吉盆地膨胀岩土的膨胀性泥岩胶结性差,抗风化能力弱,遇水易崩解软化,加之严寒气候冻融循环作用,其膨胀岩土边坡具有变形大、初始变形速率快、变形时间长、易反复等特点,变形破坏机理可以概括为“蠕滑拉裂、梯级牵引、大雨大动、无雨微动”,施工开挖易诱发蠕动滑塌和牵引滑坡。延吉盆地膨胀岩土分布范围广,该段线路选线时难以绕避,设计中调整线路纵断面,尽量减少路堑长度,路基设计采取“缓坡率,宽平台,设置桩板墙、抗滑挡土墙加固坡脚,边坡中部设置锚固桩,采用地表截水沟、纵向盲沟、边坡支撑渗沟、竖向渗水井等排水系统和适宜的坡面防护相结合”的防护措施[7]。
吉图珲铁路客运专线新建隧道占线路总长度的43.1%,是东北地区隧道比例最高的客运专线,最长的拉法山隧道全长10 035 m。由于处于严寒地区,加之隧道大多洞口段浅埋,地表沟谷发育,部分隧道穿越断层,岩性接触带,膨胀岩土,所以隧道季节性冻融,特别是长隧道、富水膨胀岩(土)隧道防寒抗冻设计成为本线隧道设计的重点问题[11]。
隧道防水措施为混凝土结构自防水,防水层防水和施工缝、变形缝和伸缩缝的防水,同时加强二衬背后的注浆回填。
隧道的排水措施主要为设置中心水沟和双侧水沟[11]。设置中心水沟地段,拱墙初期支护与二次衬砌之间设环向盲管,环纵向盲管集水采用“体外排水”的理念,直接汇入中心水沟而不进入侧沟。侧沟只用来运营后接纳少量外来水。隧道低洞口端洞外设置深埋排水暗沟,埋设于冻结深度以下不小于25 cm。排水沟末端设置保温出水口。保温出水口样式除常规的圆包式保温出水口、端墙式保温出水口外研发了一种新型的多排孔式保温出水口。
隧道的防冻害措施主要为采用洞口500 m范围内设高强度等级钢筋混凝土、围岩径向注浆提高抗冻胀能力,并在土质围岩地段铺设保温层[10];为防止冬季洞内排水系统冻结,根据隧道所处地区最冷月平均气温差异,对于本线不同地区的隧道设置1 000~2 000 m的中心深埋水沟及保温侧沟;而且防排水除采取常规措施外考虑了中心深埋水沟上方设置保温层、加强衬砌结构配筋、加大衬砌背后盲管排水能力[10]。
6结语
吉图珲铁路客运专线为长春、吉林、延吉、珲春等主要大中城市之间的城际客流提供高效率、高质量的运输服务,长春至珲春间旅客运行时间由现状的10 h缩短至2.1 h,延吉至北京运行时间由现状的23 h缩短至9 h。2015年9月20日开通以来,每日开行动车22对,客运需求旺盛,10月1日国庆第一天,延吉西站到达15 000人,国庆期间延吉市、珲春市旅游人数爆长,市内所有宾馆客满,且仍有许多旅客无法入住,第一个月吉图珲铁路客运专线各站累计发送103万人次,单日最高发送5.5万人次,实践证明客运需求强劲,增长潜力巨大,特别是随着中俄间经贸往来快速发展,珲春口岸日益繁忙,近日,俄罗斯拟在符拉迪沃斯托克(海参崴)设立经济特区,珲春至符拉迪沃斯托克快速铁路也正在筹建,加大推动区域经济发展,吉图珲铁路客运专线对地方经济将发挥更大的作用。
总结吉图珲铁路客运专线建设经验,根据东北地区的经济和客流特征,新建客运专线宜采用250 km/h速度目标值,工程投资经济,财务评价可行,社会效益良好;铁路选线应考虑规划、环保、地质、工程经济等因素基础上综合选线,特别注重环保选线,强化工程绿化,将铁路建设成与周围环境融为一体的绿色通道;枢纽地区的客站布局在与城市及铁路规划相协调的基础上宜结合既有设施集中布置,方便旅客乘降和吸引客流;工程设计的重点是路基和隧道的抗冻防寒措施汲取了同类工程经验并有很多设计创新。吉图珲铁路客运专线的建设成功将为东北地区快速铁路网建设提供宝贵的经验。
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Overall Design and Technological Innovation of Jilin-Tumen-Hunchun Dedicated Passenger Railway Line
ZHOU Yu-qing
(China Railway Engineering Consulting Group Co., Ltd., Beijing 100055, China)
Abstract:Jilin-Hunchun dedicated passenger railway is located in the most beautiful mountain area in Northeast of China. The preliminary study focuses on the choice of a dedicated passenger line or a mixed passenger and freight line. The dedicated passenger line is determined based on the analysis of traffic amount, capacity adaptability, traffic organization, engineering investment and other aspects. In order to reflect its competitiveness with highway and aviation, engineering cost and adjacent network adaptability are analyzed and the target speed is set to be 250 km/h. The selection of the route should address region planning, environmental protection, and geological, engineering and economic factors. Passenger station layout should be rationally coordinated with planning and existing facilities. Engineering design should focus on anti-freezing measures, especially special engineering design of subgrade and tunnel to ensure normal operation of the railway.
Key words:Jilin-Tumen-Hunchun Dedicated Passenger Railway Line; Overall Design; Anti-freezing measures; Innovation
作者简介:周宇清(1971—),男,高级工程师,1993年毕业于长沙铁道学院铁道运输专业,工学学士,E-mail:ztzxzyq@126.com。
收稿日期:2015-11-05
中图分类号:U212.3
文献标识码:ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.01.001
文章编号:1004-2954(2016)01-0001-07