复杂地质环境下的坡度论证研究

毛斌 赵爱军

（1中国铁路经济规划研究院　提高待遇高级工程师，北京 100038；2中国铁路设计集团有限公司 高级工程师，天津　300142）

0　引言

由于铁路运输的网络性特点和对货物运输快捷化、高效化追求，要求货物流动方向上的相关铁路具有相同的坡度值，以便简化运输组织环节，缩短运达时间，然而，辽阔的疆土用一个坡度值去限定所有的铁路线路未免脱离实际，因此，在铁路建设中，寻求一个既满足铁路网运输需要，又与地形基本适应、工程投资较少的坡度，就成了铁路项目前期论证中的重要内容之一。坡度论证，就是结合已建成的相邻铁路路网坡度、运输设施布局、地形地质条件而进行的铁路坡度值的研究、选择过程。

不同的坡度，会有不同的合理的线路路径。工程地质条件也是限制线路路径选择的另一因素，因此，地质条件和合理的坡度值往往成为线路方案、标准决策中的矛盾，既要选择合理的坡度，又要找出地质条件较好的路径，是铁路工程技术人员需要做的工作。由于坡度值对运输影响较大，且具有不易更改的特性，一般情况下，决策中会将利于运输的坡度放在决策的优先位置。在复杂的地质环境下，机械地固守这种决策思路来确定坡度，就可能会带来建设期较大的工程风险、工期风险，或会产生较大运营维护投入，甚至是留下运营隐患。在这种时候，就需要将利于运输的优点与其他不利的缺点进行深度评估后决策，切忌生搬硬套。太原至中卫至银川铁路（以下简称太中银铁路）绥德至靖边段的坡度方案决策就是一例，作者将该段坡度、线路方案论证资料整理出来，供有意者参考。

1　工程背景

太中银铁路东起山西省太原市，途经晋中市、吕梁市，陕西省榆林市，宁夏回族自治区的吴忠市、中卫市，在包兰铁路的中卫站接轨。同时自榆林市定边站修建至包兰线银川站的铁路（如图1）。太原至中卫长747.7 km，定边至银川长193 km，桥隧占总长的36.8%。按国铁I级，时速160 km，预留200 km/h条件设计建设，太原至定边双线，定边以西单线预留复线条件，限制坡度 6‰，太原(榆次)至靖边双机坡13‰。本线与石太普速铁路，南同蒲、包西、包兰等多条路网干线相连。它的建设将形成又一条连接西北与华北的快捷通道，是丝绸之路经济带上新亚欧大陆桥的组成部分，将为区域经济可持续发展提供强有力的支撑[1]。

图1　太原至中卫至银川铁路地理位置示意图

太中银铁路2006年开工建设，2011年已建成通车。

绥德至靖边为太中银铁路中的一段，长约141 km。绥德站为包西铁路上的一个中间站，具有补机折返的技术作业条件，本线接入该站。该段线路全部处于陕西省榆林市境内，属陕北黄土高原地貌，黄土梁峁沟壑纵横，地形零乱，地势西高东低，海拔在820～1 600 m之间。研究区域内发育无定河及其支流，靖边附近为其源头，总体上自西向东流，流经绥德附近时变为自北向南。大理河、小理河、蚂蚁河自西向东流入无定河。绥德至靖边的航空线上将穿越无定河支流的分水岭（如图 2）。

图2　绥德至靖边线路走向和限坡方案示意图

该段主要不良地质为：黄土滑坡、坍滑、陷穴和古煤层采空区。

2　坡度论证研究

2.1　相关路网坡度及坡度论证思路

铁路运输经验表明，只有在货物流向上的编组站之间或货物到发地之间减少编组，避免增减轴，减少机车换挂等技术作业，货物在途时间才会较短，运输效率才会高。这就要求货物流向上的铁路线路应具有相同的坡度，或具有匹配的坡度系统。

与本线相关的既有铁路和在建铁路的坡度为：石太普速铁路15‰；南同蒲榆次至介休段4‰，介休至侯马12/6‰（轻车方向12‰）；太焦线榆次至晋城北12‰；包头至绥德至西安6‰（其中绥德至甘泉北段为双机13‰）；包兰线大坝至迎水桥6‰，迎水桥至干塘13‰；石家庄至德州4‰；德州至大家洼至烟台6‰。太原（榆次）、迎水桥、西安（新丰镇）为编组作业的车站。

研究认为，本线主要的货物运输任务是将宁夏宁东能源化工基地（古窑子附近）、陕北榆林地区的煤炭运向华北及东部港口。因此，本线坡度的选择主要与货流径路上的包头至绥德，太原—石家庄—德州—烟台铁路的坡度有关。石家庄至太原，普速铁路坡度为15‰（有改造计划），石太客专具备开行货车条件，重车方向为13‰，其余的包头至绥德，石家庄—德州—烟台铁路，可认为属于6‰（13‰）系列坡度，所以，本线应采用6‰或6‰（13‰）的坡度系统。

依据前述分析，结合地形、地质条件，太中银铁路太原至绥德段已确定为限坡6‰，双机坡13‰，靖边以西采用6‰的坡度方案。为此，本文要研究的绥德至靖边段的坡度，要么是6‰，要么是13‰。若选择6‰的坡度，可以缩短双机牵引地段长度，同时有利于利用既有绥德站的机务设施及管理机构，显然6‰是更有利的坡度。

绥德站设计标高为830 m，靖边站为1 330 m，航空距离140 km，自然平均坡度为3.6‰，越岭高程约1 280 m，航空距离约100 km，自然平均坡度为4.5‰，均小于6‰坡度，可以得出，绥德至靖边段采用6‰的坡度与地形基本适应，不需“展线”获得标高。按经验，6‰是该段坡度研究的主要方案，13‰是支撑性方案。

2.2　线路走向及坡度研究

沿河修建铁路可有效利用地形，节省工程投资，因此选线方案往往会沿河流寻找。在航空线上，分布着大理河、小理河和蚂蚁河。按照前面的分析和研究习惯，该段应分别选出6‰、13‰的合理路径方案，然后再进行比较。按6‰的坡度方案，设计分别沿三条河研究了线路方案，从中选出工程较优的沿蚂蚁河6‰的线路方案参与坡度方案比较。同样研究了13‰的坡度沿三条河的线路方案，也将工程较优的沿蚂蚁河13‰的线路方案作为后续坡度方案论证的比较方案（如图2）。

蚂蚁河6‰方案，自绥德站开始沿大理河向西，由于克服高差需要，自子洲站开始足坡向靖边方向爬升，线路可选择余地小，利用蚂蚁河河谷地段较少。该方案线路长140 km，桥隧总长96.9 km，占69.2%，最长的兴旺峁隧道11.2 km，桥梁最高72 m。

蚂蚁河13‰方案，出绥德站后，先沿大理河向西，至蚂蚁河汇入大理河河口再足坡爬升至比较终点，线路长141.4 km，桥隧总长88.1 km，占62.3%，最长的兴旺峁隧道14.03 km，桥梁最高49 m。两方案工程及投资情况如表1[2]。

表1　限坡方案比较表

表1显示，6‰的坡度方案线路并未明显增长，反而缩短约1.4 km，可以说6‰的坡度与地形基本适应(桥隧比例偏高)，土建投资多约7亿元，机车车辆可节省1.5亿元，计入10年运营投入费用后，仅比13‰的方案多约2亿元，但该方案工程地质条件较差。

6‰的坡度方案因为桥隧比例较高，地质条件差，所以工程投资较高，计入10年运营维护费用后仍然投资较高。按一般思路考虑，如果把运输效率放在重要位置，从更长久的时间来看，6‰的坡度还是具有优势的。最终放弃6‰坡度方案的原因是地质问题，是工程地质条件带来的建设期的工程风险、投资风险、工期风险和潜在的可能超预期的维护投入与获得的运输利好不匹配的问题，这正是本文想探讨的内容。

该段处于新黄土地区，河谷以外的区域，冲沟发育，基岩以白垩系砂岩、第三系粉质黏土、侏罗系砂岩夹泥岩为主。为争取标高，6‰的方案线路较早离开地形条件较好的大理河河谷缓坡地段，而进入黄土冲沟区，铁路工程多以桥、隧通过，局部地段为深挖高填工程，黄土路基边坡防护及桥梁附属工程较大。经勘察揭示，6‰的坡度方案涉及48座隧道（合计长约54 km）处于黄土与基岩的接触带或黄土中，占隧道总长的81.5%，其中，处于土石接触带上的累积长度达34 km，钻探揭示土石界面及砂岩地下水较为丰富，该地层砂岩成岩较差。以往工程经验表明，隧道工程处于富水的土石界面或穿越该砂层时，岩（土）体自稳能力较弱，隧道工程施工成洞困难，工程实施难度较大，工期和投资难以控制。上述判断，在兴旺峁隧道施工中（13‰的坡度方案）也得到证实，该隧约425 m穿越土石界面，岩层风化和差异风化严重，富水，稳定性差，极易坍塌，施工期间在约8.7 km范围内进行了变更设计，增加了约1.6亿元的投资[3]。按此类推，6‰的坡度方案将会至少增加10多亿元的投资。

运营实践表明，地质条件较差地段，基础设施维修工作量及费用较大，发生运输安全事故的比例较高。而13‰的坡度方案，坡度值较大，爬坡能力较强，线路可较长地段走行于大理河河谷阶地内，谷地内地形平缓，避免了大量短隧道群。在向越岭点爬升的过程中，铁路仅一次与土石界面交叉（兴旺峁隧道），缩短了铁路穿越不良地质地段的长度。

在如此工程地质条件下，有必要进一步评价6‰在路网中给运输带来的实际利好，并把它与可能的风险进行比较、权衡，从而做出选择。前面已经提到，本线太原至绥德段已确定为13‰的双机坡，因此，无论怎么选择本段（绥德至靖边）的坡度值，列车在本线（太原至银川）运行中，总有一次摘挂机车的作业，所不同的是单双机地段长度的不同，可以减少机车台数（体现在投资中）以及不同机车台数维护投入上的差异。表1中用于计算10年运营支出的参数，来自于一般线路条件下的统计资料。若在本线的工程地质条件下，6‰的工务维护投入会高于表1给出的7.5亿元（10年）的数值，因此，6‰的运营维护就没有优势。基于采用利于运输的较缓的6‰的坡度所带来的长大段落的隧道工程地质条件较差（约54 km），可能存在建设期投资、工期风险，运营期维护投入大，换来运营利好较少的问题，原铁道部批准该段采用13‰的双机坡度方案。

3　体会与建议

第一，设计必须坚持为运营服务的理念。坡度，作为主要技术标准之一，在项目前期论证中均放在重要位置，由于铁路建成后运营的长期性和基础设施的不易更改性，决策时，一般偏重于在建设期间克服困难，或适当增加一些投资，以换来运营期间的高效运行。与既有路网相同的、较小的坡度，或者匹配的坡度是设计者应该首先考虑的方案。然而，为运营服务的理念不能仅仅机械地理解为是否便于运输组织，还应考虑运营线路维护的投入，运营线路是否会存在安全隐患，是否会通畅运输等因素。在地形困难、地质复杂的环境下，设计论证时应特别注意。

第二，系统、全面、客观，是项目论证中要坚持的原则，为运输服务的理念也要在这样的大前提下体现。固守服务运输的理念，走过场性地论证就容易导致决策失误，尤其在地形地质复杂的环境下更要坚持这个原则。若本案例选择了利于运输组织的6‰的方案，可以推断，类似于兴旺峁隧道地质条件的48座隧道可能会因此产生较多的变更设计，并增加较多的工程费用 （推断增加的投资应在10亿元以上），该段因此会成为全线工期控制点，或因此推迟全线通车时间，也不敢奢望运营期间该段病害较少。将其与采用6‰的坡度可缩短双机地段长度、节省机车台数的优点相比，损失实在太大。

第三，在铁路项目的论证实践中，工程技术人员应充分运用、坚持马克思主义哲学原理和方法论。利用自然、改造自然的前提是尊重、保护自然，探索规律，获得、利用规律的前提是尊重规律，规律是不以人的意志为转移的。思想解放，勇于探索，实事求是，科学客观，做到主观和客观的统一是我们应该坚持的工作原则。在过去的铁路工程实践中，我们认识到了该段采用6‰的好处，也认识到了隧道工程长大段落处于弱成岩富水地段对工程投资、项目建设总工期的影响，乃至对运营期间维护费用的不利，甚至可能存在的潜在的运营隐患。所以，在此我们放弃了对运输组织稍好的6‰的坡度方案，采用了13‰的坡度方案。

铁路选线设计具有系统性、综合性、全过程的特点，设计理念、思想也会随着社会经济的发展与进步而变化。如何更好地把握这三个特点，做好复杂环境坡度论证与方案论证工作，选定利于高效运输的技术标准和线路方案，建成具有前瞻性的铁路工程，仍需要我们在实际工作中不断运用与总结。

[1]铁道第三勘察设计院集团有限公司.新建太原至中卫（银川）线可行性研究报告[R].天津，2005

[2]铁道第三勘察设计院集团有限公司.新建太原至中卫 （银川）线可行性研究补充材料（绥靖段限坡方案）[Z].天津，2005

[3]太中银铁路有限责任公司.关于太中银铁路兴旺峁隧道修改初步设计专题工作会议纪要（2007年12号）[Z].靖边，2007