成达万高铁明月山至峨层山区段线路方案研究

张 哲 程轶波 徐文浩 白苇杭

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 概述

线路方案直接决定工程的难易程度、投资大小和后期施工及运营的安全,所以铁路选线是铁路项目设计中最基本、最重要的工作,也是影响全局的总体性工作[1]。山区铁路选线涉及面广、工程条件复杂,许多铁路设计工作者对其进行深入研究。姬燕男结合合肥市城市规划及综合交通规划,运用对比法、指标分析法等方法对引入肥东站并还建普速场方案、经肥东引入合肥南站以及经合新高铁新站区引入新合肥西站方案3种方案进行综合比选[2];赵志明等分析桥隧相连部位的工程连接形式以及可能出现的问题,并提出优化措施[3];陈明浩等结合成渝客运专线地质选线经验,提出地质选线定线原则[4];丁朋朋等提出采用贡献权重法对山区滑坡区域进行危险性评价,并在此基础上确定线路走向的方法[5-6];蒋钰峰等基于地形地貌参数,采用熵权法评价山区地质情况,并以此确定最优方案的方法[7];柏青等结合灰色关联法与变权理论,构建地质选线模型[8-10]。张鹏研究了复杂山区不同限制坡度对线路纵断面高程的影响[11];陈雷等以成达万高铁假角山岩溶区线路方案为例,阐述岩溶地区高速铁路选线定线的原则和思路[12];魏永幸等提出基于全生命周期、系统工程、风险管理理论的艰险复杂山区防灾减灾选线理念[13-14]。

不难看出,关于山区铁路选线的研究较多,但针对西南地区川东平行岭谷低山区的铁路线路方案的研究则相对较少。为此,以成达万高铁明月山至峨层山区段为例,对该区段内高速铁路线路走向方案进行研究。

2 项目概况

2.1 工程背景

成达万高铁位于我国西南地区,新建正线全长478.957km。本线东端与在建郑万高铁沟通,是国家中长期铁路网“八纵八横”高速铁路主通道之沿江通道的重要组成部分,也是成渝城市群城际铁路网的重要组成部分[15]。

2.2 自然条件特征

成达万高铁横贯四川盆地,主要经过川东平行岭谷、川中丘陵、龙泉山低山区、川西成都平原四大地貌特征单元,同时跨越长江水系沱江、涪江、嘉陵江等江河及其支流,以及龙泉山山脉及川东一系列的平行岭谷;线路沿线地质构造复杂,断裂带发育,不良地质和特殊性岩土分布较广泛。本研究区段川东平行岭谷低山区,地形起伏较大;线路主要跨越嘉陵江支流明月江,沿线不良地质主要为煤层采空区、危岩落石和滑坡,特殊岩土主要为膨胀土。

3 影响因素

3.1 沿线经济据点

明月山至峨层山区段位于四川省达州地区,沿途经达州市达川区、开江县,计划设开江南站。根据客流预测,开江南站设计为两台四线,三等客运站规模。在本次研究区段内,开江南站站位将影响线路的整体走向。

3.2 不良地质

线路经过四川盆地东部,沿线所经地貌类型为川东平行岭谷低山区。背斜两翼属侵蚀构造地形,多为浅切脊状低山,背斜核部属侵蚀、溶蚀构造地形,地形起伏大,地貌复杂。区域内新构造活动不强,以大面积褶皱为主要特征。沿线不良地质主要有采空区、岩溶、有害气体、危岩落石、顺层、滑坡;特殊岩土主要为软土、膨胀(岩)土、石膏、盐溶角砾岩、人工填土等。在本次研究区段内,峨层山区域煤层采空区将影响线路的整体走向。

3.3 公铁交叉

明月山至峨层山区段沿线主要有达万高速、G542国道、在建达开快速路、S202省道、包茂高速、在建营达高速、在建机场大道等公路。在本次研究区段内,线路与公路交叉位置的选择将影响交叉跨越方案。

3.4 燃气管线

四川盆地天然气储量极为丰富,大型输气管线的走向和分布也将对线路的走向产生较大影响。明月山至峨层山区段分布的大型燃气管线共有3条,分别是川气东送管线(管道外径1016mm)、沙达线(管道外径273mm)和金达线(管道外径273mm)。根据相关规定,新建建(构)筑物必须满足与地埋管线中心线最小间距不小于5m[16];因此,线路与大型燃气管线交叉位置的选择将影响线路的局部走向和交叉跨越方案。

3.5 重大厂矿企业

达川区檀木镇附近有1座大型采石场,年生产能力约10万m3,开采方式为爆破式开采。《高速铁路安全管理办法》中明确指出:高速铁路线路建筑物外侧1000m范围内应避免出现从事露天采矿、采石或者爆破作业的活动。因此,在本次研究中,为保证线路的稳定和运营的安全,线路以绕避方式通过。

3.6 环境敏感区域

明月山至峨层山区段沿线的环境敏感区域主要有花红乡瓦寨边水源保护区、亭子镇明月江饮用水保护区、宣汉森林公园保护区、深沟子水库、陈家沟水库和龟石水库。在本次研究区段内,线路以远距离绕避方式通过。

4 线路走向方案

4.1 线路通道方案

在本此研究区段内,不良地质峨层山煤层采空区和开江南站位方案将直接影响线路的整体走向,因此首先结合以上两种控制性因素,对线路的通道方案进行研究。为此对杨家湾通道方案和明月将通道方案进行比选分析。通道方案示意如图1所示。

(1)方案说明

①杨家湾通道方案

线路自比较起点引出,向北经石笋子村、白杨坪村、龟石村后,于罗家坡村设开江南站,出站后经深沟子村、花红乡北侧后,折向西北,以隧道形式穿过杨家湾采空区通道,再先后上跨达万铁路和明月江,经亭子镇南侧后向西,穿越碾子湾采空区通道后进入达州南站,出站后上跨在建营达高速,下穿在建机场大道后,至比较终点。

该段线路全长50.595km,其中,桥梁长16.81 km,隧道长23.74km,桥隧比80.17%。

②明月江通道方案

线路自比较起点引出,经杨柳沟村南侧向北经清泉村、石板村东侧,于安仁乡南侧设开江南站,出站后以隧道形式穿越明月江采空区通道,而后上跨明月江,再向西北经亭子镇穿越碾子湾采空区通道后进入达州南站,出站后上跨在建营达高速,下穿在建机场大道后至比较终点。

该段线路全长48.238km,其中,桥梁全长19.55km,隧道全长19.39km,桥隧比80.74%。

(2)通道情况

①杨家湾通道概况

线路以隧道形式从峨层山背斜西翼的高益煤矿与大坑煤矿之间穿过,经背斜轴部后,再从背斜东翼七里峡煤矿南部矿区外穿过。现状杨家湾通道宽度较宽,约为1.1km,且通道附近煤矿采空区标高较高,通道条件相对较好。

②明月江通道概况

线路以隧道形式两次上跨峨层山背斜西翼的民信煤矿。由于民信煤矿采空区范围较大,且采空区底板位于隧底以下56～135m,需对采空区进行注浆加固处理。

(3)方案投资对比

两方案工程投资对比如表1所示。

(4)方案优缺点对比

两方案优缺点对比如表2所示。

表2 杨家湾通道方案和明月江通道方案优缺点对比

(5)推荐意见

明月江通道方案线路长度较短,投资节省约3.58亿元(不含采空区处理费用),但是处理采空区存在一定的施工风险和运营安全隐患,且线路隧道工程可实施性较差;另外,明月江通道方案的开江南站位方案距离开江县城较远,与地方城市规划目标不符,且线位正穿亭子镇,拆迁费用较大;此外,明月江通道方案线路经亭子镇明月江饮用水保护区,需要环保部门变更水源地规划,存在不确定风险。综上分析,本次研究推荐杨家湾通道方案。

4.2 线路局部走向方案

在确定经杨家湾通道和开江南站位的前提下,对开江南站至峨层山段的局部方案进行比选研究。为此,初步确定了对经梓铜观村方案和经白岩村方案。开江南站至峨层山段局部方案示意如图2所示。

图2 开江南站至峨层山段局部方案示意

(1)方案说明

①经梓铜观村方案

线路于开江南站引出,向西北方向走行,上跨深沟子水库和G542国道后,经梓桐观村北侧,于峨层山至比较方案终点。线路长20.37km,其中,桥梁长3.556km,隧道长13.799km,桥隧比85.20%。

②经白岩村方案

线路起自明月山隧道,于龟石水库西侧30m以隧道形式通过,后至开江南站,出开江南站后向西北方向走行,于深沟子水库北侧通过,上跨G542国道,经白岩村后,于峨层山至比较方案终点。线路长20.688 km,其中,桥梁长3.461km,隧道长14.073km,桥隧比84.75%。

(2)方案投资对比

两方案工程投资对比如表3所示。

表3 经梓铜观村方案和经白岩村方案工程投资比较

(3)方案优缺点对比

两方案优缺点对比如表4所示。

表4 经梓铜观村方案和经白岩村方案优缺点对比

(4)推荐意见

通过对经梓铜观村方案和经白岩村方案的工程投资及优缺点对比分析,经梓铜观村方案线路稍短,投资低0.4亿元,且桥隧工程无明显的恶化,施工风险较小,工程可实施性较强。因此,本次研究认为,经梓铜观村方案更为合理。

4.3 局部方案优化

经梓铜观方案檀木镇马鞍梁隧道北侧有1处采石场,采石场南侧边界距离隧道结构边缘平面距离仅24m。由于采石场目前仍在生产状态,为保证线路后期的稳定,在经梓铜观村方案研究的基础上,对比研究了梓铜观村北侧方案和梓铜观村南侧方案,进而对当前经梓铜观村方案作进一步优化。梓铜观村北侧方案和梓铜观村南侧方案示意如图3所示。

图3 梓铜观村北侧方案和梓铜观村南侧方案示意

(1)方案说明

①梓铜观村南侧方案

线路于开江南站引出,向西北方向走行,上跨深沟子水库后以隧道形式经采石场南侧(距边界112m),于梓桐观村南侧通过至比较方案终点。线路长度17.780km,其中,桥梁长6.443km,隧道长6.253km,桥隧比71.41%。

②梓铜观村北侧方案

线路于开江南站引出,向西北方向走行,上跨深沟子水库后以隧道形式经采石场南侧边界24m,于梓桐观村北侧通过至比较方案终点。线路走向与局部走向方案研究中的经梓铜观村方案走向一致。其中,线路长度17.738km,桥梁长6.415km,隧道长6.290km,桥隧比71.62%。

(2)方案投资对比

两方案工程投资对比如表5所示。

表5 梓铜观村南侧方案和梓铜观村北侧方案工程投资比较

(3)方案优缺点分析

两方案优缺点对比如表6所示。

表6 梓铜观村南侧方案和梓铜观村北侧方案优缺点对比

(4)推荐意见

相较于梓铜观村北侧方案,虽然梓铜观村南侧方案线路长42m,但远离采石场,线路方案更为稳定,且隧道出口地段围岩落石有明显改善;此外,梓铜观村南侧方案投资节省约0.16亿元,经济效益显著。综上分析,本次研究推荐梓铜观村南侧方案。

5 结论

(1)明月山至峨层山区段线路穿越杨家湾采空区通道后,经梓铜观村南侧,于开江县城南侧设开江南站。该方案线路线形平顺,工程投资较低,且线路沿线无重大不良地质,工程可实施性较强,予以推荐。

(2)铁路选线首先应明确重大经济据点、不良地质区域、环境敏感区域、重大厂矿企业、公铁交叉位置及方式等影响因素,同时充分考虑地方规划和意见,在此基础上制订相关方案,并从安全性、经济性、工程可实施性等角度进行比选和分析,最终确定推荐意见。

(3)在复杂山区高速铁路选线过程中,应充分考虑影响线路走向的控制性因素和相关影响因素,采用由整体至局部、分段优化比选的方法。