郑万铁路罗家山至楚烽段综合选线研究

张 爽

(中铁二院成都勘察设计研究院有限责任公司，四川成都 610081)

在铁路工程设计与建设中，选线是一项兼具综合性与复杂性的系统工程，是影响全局的总体工作，选线的质量直接影响铁路工程建设和运营的安全性、技术可行性和经济合理性。在我国西部地形地质复杂山区高速铁路建设中，综合选线研究的重要性更为突出。

朱颖提出了坚持地质选线、重大工程优先选址、环保选线、规划选线、资源选线、横断面选线六位一体的铁路选线理念[1]；王子江等揭示了复杂岩溶区高速铁路选线的岩溶致灾因子及灾害风险类型并创立了减灾选线理论[2]，乐重对综合选线的原则进行了探讨并提出了相应的规划选线、地质选线、安全选线等原则[3]；王争鸣提出了部分复杂山区铁路选线思路及理念并要求按照“舍小求大”的原则进行综合比选，以确定最优方案[4]；李光伟提出岩溶区地质选线的8条观点和建议[5]；白孝勇等也对复杂山区铁路选线进行了分析与总结[6-9]。结合以上研究与实践，以郑万铁路的勘察设计为例，因地制宜地制定选线指导原则，应用于罗家山至楚烽段的选线，为岩溶发育、危岩落石等不良地质区域的高速铁路减灾选线成套技术积累了宝贵的经验。

1 工程概况

郑万铁路罗家山至楚烽段(DK514～DK537)线路位于荆山山脉西北端和神农架林区东部，为溶蚀、侵蚀中低山区，地面高程450～2000 m。本段位于神农架穹隆构造东部，断层及褶皱较发育，主要构造为新华断裂和聚龙山复式向斜。区域内奇峰异岭、层峦叠嶂、山高谷深、峡谷众多，形成溶蚀洼地、溶洞、落水坑等各种类型的岩溶地貌。本段控制线路方案的地质问题主要有岩溶及岩溶水、危岩落石、压覆磷矿及采空、断层、滑坡、岩堆等[10]。本段所处位置见图1。

图1 研究段在郑万铁路的位置

2 研究重点

2.1 不良地质[11]

(1)可溶岩：本线可溶岩分布范围较广，线路应尽量避开岩溶强烈发育地区，若无法绕避，线路应尽量靠近岩溶水排泄区(靠近河流)或尽量抬高线路设计高程，使线路走行在岩溶水水平循环带之上。

(2)断裂带：本段线路断裂构造发育，主要有白果树沟断层、两河口断层、新华断裂，线路应尽量少穿断层，走行于岩性较好的区域。

(3)采空区：白竹磷矿、保烽磷矿、楚烽磷矿均分布于研究范围内，线路应绕避采空区，并尽量不压矿藏。

2.2 桥梁工程

结合工点的具体情况，对桥梁工程的墩高、跨度进行专题研究，同时对高墩大跨桥梁竖向变形控制、桥-轨相互作用形式进行具体分析。研究结论为：减少高墩现浇简支梁的数量并将温度联长控制在200 m以内，以满足无碴轨道的铺设要求，并按此指导线路方案的选择。

2.3 重大工程优先选址

沿线危岩落石强烈发育，且线路均以桥隧相连形式通过，需先进行多方案比选，确定重大桥梁桥位、隧道进出口位置，再考虑其两端连接线路方案的综合性技术经济指标比选。

2.4 平、纵断面系统优化

根据长大坡度、高墩大跨桥梁和长大隧道分布，运用“顶层设计、系统优化”的理念，将平面和纵断面同时进行系统设计，制定了“适应自然环境、降低工程风险、缩短线路长度、减小工程量”4个顶层目标，详细研究各种坡度方案，以达到高速动车组与自然环境、线路平纵面设计三者的协调融合。

3 线路方案

3.1 方案介绍

(1)新华取直方案

线路长度较短，埋深较大，大部分线路位于岩溶发育区，较长的地段位于水平流动带以下。

(2)马桥绕行方案

可溶岩段线路长度较长，线路压覆白竹磷矿(储量约3 650×104t)。

可研阶段线路方案如图2所示。

图2 可研阶段线路方案平面示意

(3)有待进一步解决的问题

经综合分析可知：线路通过岩溶及岩溶强烈发育区均较长，危岩落石等不良地质体的处理较困难。此外，还涉及采空区及压覆矿等问题，有必要对线路方案进一步优化。

3.2 方案剖析

(1)外在分析

①面状分析

开展大面积地质调绘，分析研究其水文地质条件，绘制本区域内岩溶水单元及岩溶水文地质图(见图3)，收集、核实磷矿采空区及矿产储量，从宏观层面分析研究线路走向。

②线状研究

罗家山至楚烽段线路起、终点高程分别为834 m和860 m，中部隧道之间均由处于“V”形峡谷处的桥梁连接，从桥位、桥高、通过岩溶段落、危岩落石、磷矿及采空区、人字坡隧道设置条件等多方面进行研究，主要对四组方案进行综合比较。方案一：经白竹磷矿北侧方案；方案二：下穿白竹磷矿方案；方案三：线路取直方案；方案四：经两河口方案。各方案示意见图4。

图4 罗家山—楚烽段线路方案示意

对罗家山—楚烽段各线路方案进行地质条件的综合比较，见表1。

表1 罗家山—楚烽段线路方案地质条件比较

各方案穿越可溶岩长度、地层岩性、岩溶发育程度大致相当，但“方案三”(取直方案)隧道洞顶分布有常年水沟，隧道埋深大，故其位于水平径流带长度最长，最大水头高度最大，水文地质条件最差，涌突水的风险最高。“方案四”(经两河口方案)水头高度较小，水文地质条件较好。“方案二”和“方案三”均穿越了保康最大矿区—白竹磷矿，压覆磷矿超过3 000×104t，且“方案二”存在采空问题；除“方案一”外，各方案均对沿线十分发育的不良地质(滑坡、岩堆、泥石流)进行了绕避，线路穿过的岩堆规模相对较小，易于处理。

经综合分析，方案四(经两河口方案)地质条件最优，为推荐方案。

在“方案四”(经两河口绕行方案)的线位基础上开展深入研究，需首先落实两河口特大桥的选址及躲避危岩落石的可行性。

经分析研究，总结出“两河交汇处必有山脊可利用”的选线设计经验，进而快速定位重大工程(隧道进出口、桥址)，利用自然形成的山脊躲避危岩落石。

(2)内在分析

①水文地质纵断面

利用定测阶段的钻探和物探成果，开展岩溶水文地质、工程条件分析评价，分析隧洞与地下水文地质单元之间的水力联系，预测线路施工可能引发的工程地质问题，岩溶水单元的地下水流向示意见图5。

图5 鱼头河岩溶水单元地下水流向示意

由水文地质纵断面控制线路高程，隧道尽量处于岩溶水平循环带以上，以减少岩溶及岩溶水对工程的影响。

②坡度方案研究

本线为速度目标值350 km/h的复杂山区客运专线，对于无法绕避的可溶岩地区，应尽量抬高线路设计高程，创造岩溶隧道“人字坡”的设置条件。纵断面设置情况见图6。

图6 纵断面示意

现行高速铁路设计规范[12]规定：“最大设计坡度采用30‰时，坡段长度不宜大于3 km”，考虑到本线实际情况和动车组的性能，以及配套养护设备的改进[13]，对行车检算、长大坡度电分相检算及动车组列车对坡度的适应性进行了专题研究[14]。研究结果表明，30‰的长大坡段可满足本线安全运营的相关要求。30‰的长大坡段可抬高线路设计高程，改善了工程地质条件，降低了施工风险。

4 结束语

在郑万铁路罗家山—楚烽段线路方案的研究过程中，成功地运用了多年来总结出的山区铁路选线设计指导性原则，根据该客运专线的特点，结合线路地形、地质条件，采用大范围选线、多方案比较，推荐了地质及工程条件相对较好，施工及运营风险可控的经两河口绕行方案。

本段综合选线设计经验可总结为如下几点。

(1)坚持岩溶地区选线的十一字方针“绕避、抬高、靠河、接近、人字坡[15]”。

(2)大坡度的使用—抬高线位，解决岩溶水的风险。

(3)重大工程选址—两河口特大桥采用了主跨为(56+3×96+56) m的连续梁刚构组合跨越峡谷，减少了高墩现浇简支梁的数量，并将温度联长控制在200 m以内，以满足轨道设计温长，达到不限速的目的。

(4)危岩落石选线—利用山脊出洞，躲避大规模危岩落石。