师宗至文山铁路南盘江深切河谷段选线研究

毛 杰

(中铁二院工程集团有限责任公司， 四川成都 610031)

师宗至文山铁路南盘江深切河谷段选线研究

毛 杰

(中铁二院工程集团有限责任公司， 四川成都 610031)

西南山区地带河谷深切的情况较为多见，河谷的深切往往还伴随着与活动断裂的重合、两岸不良地质发育，这样的段落往往成为铁路或公路建设的控制性段落。如何在地形起伏剧烈、地质条件不良的情况下选择合理线路方案成为铁路或公路选线设计的难点和重点。文章以师宗至文山铁路跨越南盘江深切河谷段选线为实例，以地质选线为基础，对不同的桥位方案、桥式方案、坡度方案从大跨度桥梁可实施性、经济性、运营及工程风险等方面进行分析、比选，确定合理的线路方案。

铁路； 深切河谷； 选线

1 概述

1.1 项目概述

师宗至文山铁路位于云南省东部的曲靖市和文山州，北起南昆线师宗站，经文山州丘北、砚山县至文山市。项目已列入《中长期铁路网规划》，北接南昆铁路，中与云桂铁路衔接，南连西南沿边铁路，是云南省滇东纵向客货运主通道。此项目建设将填补路网空白，形成我国西南地区至越南及东南亚地区出境新通道，定位为一条客货运输兼顾的区域铁路干线。

1.2 地形地貌及地质概况

线路穿越云贵高原东南部斜坡地带，地势北高南低，群峰高耸，海拔1 600～2 300 m，相对高差100～800 m，南盘江流域切割剧烈，谷深坡陡，线路所经南盘江河谷最低，海拔800 m，整个高原面在外应力的长期侵蚀、溶蚀作用下被切割得支离破碎。沿线通过三大地貌单元，新安至双龙营属构造侵蚀溶蚀中山区，双龙营至文山属侵蚀溶蚀低中山区，其间分布砚山、文山两处盆地，沿线以溶蚀地貌最为发育。

本线南盘江流域在大地构造上属华南褶皱系的滇东南褶皱带，位于文山巨型旋扭构造与云南山字型构造的复合部位，区域内构造线呈北东向展布，分布广泛的三叠系碎屑岩地层。南盘江则多沿构造线发育，河谷宽阔，两岸斜坡岩体破碎，滑坡、溜坍等重力不良地质问题突出。

2 南盘江深切河谷选线研究

本段线路走向与控制性工程南盘江大桥的桥位、桥高、桥式方案密切相关，选线过程要充分考虑工程地质条件、水文、地形条件、两端线路岩溶隧道风险等，也要结合国内铁路桥梁较为成熟的孔跨结构形式，同时参考国内外正在研究或设计的大跨桥梁的适用性，可以说本段线路集中了本线难点、重点和创新点。

本段线路长约87 km，占全线总长46 %，北端即南昆线接轨点新安高程1 881 m，南端双龙营1 485 m，中间跨越南盘江，该段南盘江平均高程782 m，河床平均坡降1.37 ‰。沿两点航空线新安至南盘江33 km，高差1 099 m，计算坡度33.3 ‰；南盘江至双龙营29 km，高差703 m，计算坡度24 ‰。由此可见该段线路特点是(1)典型的两头高，中间低地势，南盘江北岸克服高差的条件更为困难；(2)紧坡地段通常用足最大坡度定线，以便争取高度，不额外展长线路[1]。较高的跨江标高可缩短线路长度但需加大桥跨，较低的跨江标高可减小桥跨但需要更长的线路长度。

2.1 桥位方案比选

受局部应力作用，黑耳一带形成弧形构造，北西、南北向两条断裂构造夹持宽度约3 km的三叠系碳酸盐岩地层，是本段南盘江通过区唯一的灰岩峡谷区域。

2.1.1 黑耳桥位

黑耳村上游约2.5 km，南盘江江面高程805 m，两岸陡峻，河谷深切，属深“V”地形，桥位上游2.5 km处为云鹏大坝，坝顶高程905 m，装机容量210 MW。该桥位附近约3 km的三叠系碳酸盐岩地层，是本段南盘江通过区唯一的灰岩(硬质岩)峡谷区域。

2.1.2 上游库区桥位

黑耳上游桥位位于云鹏水电站蓄水区范围，河面宽阔，以碎屑岩为主，构造发育、岩体破碎。因上游桥址为宽谷，方案在与黑耳桥位跨度相同时，线路标高较低，线路展长较多，投资较高。与黑耳桥位标高相同时跨度更大，如采用长隧取直，可溶岩地区岩溶隧道风险难以控制，顺河展线则线路增长较多，投资较高，故上游桥位经研究后予以放弃。

2.1.3 下游桥位

(1)下游阿拉黑桥位。阿拉黑村上游约2.6 km，南盘江江面高程788 m，两岸山势较缓和，河谷较宽。地层岩性为三叠系中统兰木组中段(T2lb)石英细砂岩夹粉砂岩、泥岩，下段(T2la)泥岩夹粉砂岩、泥灰岩，南盘江沿南崖断裂发育，受构造影响，两岸斜坡岩体破碎，师宗端岸坡顺层，岩层倾角40°～50°。

(2)下游坝达桥位。坝达渡口上游约3.0 km，南盘江江面高程778 m，两岸山势较缓和，河谷较宽。地层岩性为三叠系中统兰木组下段(T2la)泥岩夹粉砂岩、泥灰岩，拖味组下段(T2ta)白云岩夹泥质白云岩，南盘江沿南崖断裂发育，受构造影响，两岸斜坡岩体破碎，师宗端岩溶发育，同时岸坡顺层，岩层倾角35°。

2.1.4 桥位方案比选及推荐意见

以黑耳桥位520 m拱桥；下游阿拉黑桥位580 m斜拉桥、928 m斜拉桥；下游坝达桥位1 000 m悬索桥进行桥位方案比选分析(图1)。

图1 南盘江桥位方案比选示意

各方案的主要工程数量及投资比较见表1。

表1 主要工程数量及投资比较

从上面的比较分析可知黑耳桥位地形狭窄，岸坡陡峻，采用较小的桥梁跨度即可获得较大的标高抬升，在降低桥梁造价、缩短线路长度、工期、降低施工风险等方面均极具优势；下游桥位虽靠近航空线，但地形开阔，岸坡较缓，采用较小跨度桥梁高程太低，需通过线路长度弥补跨江标高的不足，加大跨度所获得标高抬升非常有限，而桥梁造价呈几何级数增加。除非下游有河谷更为狭窄陡峻的桥位，地质条件更佳，否则下游桥位相对黑耳桥位具明显劣势，线路应集中在黑耳桥位进行桥式比选。

2.2 桥式方案比选

在明确黑耳桥位的基础上，在深“V”型的峡谷地貌中，改变桥式加大跨度所获得的标高抬升优势明显，但随着敞口的不断加大，这一优势也呈向上收敛态势，存在最佳跨度(桥式)与线路长度的组合。

以黑耳桥位主跨400 m拱桥、主跨520 m拱桥、主跨900 m悬索桥、主跨980 m悬索桥进行桥式比选分析(图2)。

各方案的主要工程数量及投资比较见表2。

研究表明主跨400 m拱桥方案线路长度最长，相对主跨520 m拱桥方案，其南盘江桥节约的投资不足以弥补线路长度增加所引起的工程及运营费用的增加；主跨520 m拱桥方案线路长度较短，工程投资最省，工程风险总体可控；主跨900 m悬索桥方案线路长度最短，采用长隧取直，单面坡岩溶隧道长达24.2 km，且无辅助坑道条件，工程风险及工期风险巨大，投资多；主跨980 m悬索桥方案线路长度较短，单面坡岩溶隧道隧道长达13 km，工程风险较大，980 m悬索桥较520 m拱桥投资增加12.4亿元，而线路仅缩短1.9 km，经济合理性差。故南盘江桥式推荐采用经济性最好的520 m混凝土拱桥方案。

图2 南盘江桥式方案比选示意

表2 主要工程数量及投资比较

2.3 局部坡度比选

坡度比选应从全线出发，结合相邻路网适应性、运输组织(机车交路、机力配置)、工程经济和工程风险等因素综合比选。本段条件困难，也是本线的控制性段落，大坡度方案对缩短线路长度、降低工程难度和工程风险有利，工程投资也有一定的节省，对全线坡度的选取有重大影响，有必要就本段不同的坡度方案进行研究。

(1)13 ‰加力坡方案。受南盘江深切影响，13 ‰加力坡如采用400～500 m跨度拱桥，线路较同等跨度18.5 ‰加力坡方案需展长22～27 km，劣势明显。需采用大跨度桥梁提高跨江标高，缩短线路长度。采用13 ‰坡度988 m主跨悬索桥方案纳入坡度比选。

(2)18.5 ‰加力坡方案。在前述南盘江特大桥桥位及桥式方案的研究中，推荐采用520 m钢筋混凝土拱桥方案纳入坡度比选。

(3)24 ‰加力坡方案。采用大坡度后，爬坡能力增强，可降低南盘江特大桥高度，同时线路能尽量向航空线靠拢，缩短线路长度。24 %坡采用高桥取直南盘江北岸单面坡岩溶隧道风险较高，故采用24 ‰加力坡(100+192+100) m钢筋混凝土连续梁方案纳入坡度比选(图3)。

图3 南盘江段坡度方案比选示意

(4)主要工程数量及投资比较见表3。

从以上分析可见，采用不同跨度的南盘江桥后，不同的坡度方案线路长度基本一致，但南盘江桥建造费用差距明显，工程投资差额也主要体现在该桥的造价上。从比较的结果看大坡度方案确实对降低工程造价、工程难度以及岩溶隧道风险均有优势，但前已述及坡度应从全线及路网的角度综合分析比选。

(1)13 ‰加力坡方案虽线路长，工程量大，南盘江桥技术难度大、造价高，但方案与相邻路网衔接较好，满足牵引质量及长交路运行要求。

(2)18.5 ‰加力坡方案能较好适应地形，牵引质量与区域路网匹配，满足长交路运行要求，工程可实施性强，工程风险小。

(3)24 ‰加力坡方案虽工程投资少于18.5 ‰加力坡方案，但牵引质量低，与相邻路网不匹配，不满足长交路运行要求，且增加了列车换重作业，运营成本高，其30年换算工程运营费总和(折现值)与18.5 ‰方案持平。

本段局部坡度研究从降低南盘江桥技术难度和工程风险，节省投资的角度出发，暂推荐采用牵引质量与相邻路网匹配较好的18.5 ‰加力坡方案。

3 结束语

通过对师宗至文山铁路南盘江深切河谷段选线研究，对复杂山区铁路深切河谷段选线的一些经验总结如下：

表3 南盘江段坡度方案工程数量及投资比较

(1)我院前辈专家对复杂山区铁路设计中总结的“晚展不如早展、硬展不如顺展、小范围展不如大范围展”以及顺河流追坡展线的展线原则在本线选线中再一次成功的指导了深切河谷段的选线工作。

(2)在河流深切地段的选线应尽量选择靠河流上游地形狭窄，岸坡陡峻，地质稳定的峡谷，除非下游有峡谷可使用合适的桥跨跨越且线路设计标高还高于上游桥位。

(3)桥式的选择应尽量参考同类桥梁设计和施工经验并结合技术升级适度创新，同类桥梁有沪昆客专北盘江特大桥(跨径445 m)、云桂铁路南盘江特大桥(跨径416 m)，对本段桥式选择有重要的借鉴意义。

(4)两端线路尤其是北端线路还存在岩溶隧道问题，定线过程中应查明岩溶水平循环带高程，避免线路在水平循环带中或之下穿行。

(5)对紧坡地段的选线，大坡度方案对缩短线路长度、降低工程难度和工程风险有利，工程投资也有节省，但对坡度的选择应审慎，应从全线角度出发，结合相邻路网适应性、运输组织(机车交路、机力配置)、工程经济和工程风险等因素综合比选。

[1] 郝瀛.铁道工程[M].北京：中国铁道出版社,2008.

[2] 朱颖.复杂艰险山区铁路选线与总体设计论文集[G].北京：中国铁道出版社,2010.

[3] 林世金.困难山区铁路的设计体会[J].北京：铁道工程学报,2007, 24(4): 7-10.

[4] 朱颖,蒋良文,屈科,等.西南铁路地质灾害与勘察防治技术成就[J]. 中国工程科学,2008, 10(4): 29-37.

[5] 朱颖. 工程风险设计理念与措施研究[J].中国勘察设计,2009,25(7):32-35.

毛杰(1985～)，工程师。

U212.1

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[定稿日期]2016-09-07