十堰至神农架至宜昌铁路线路走向方案研究

董贤凯

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

铁路线路走向方案研究集总体性、决策性、智慧性、经验性于一体,是一项系统性、综合性、复杂性的工作[1]。

关于铁路线路走向方案的研究,已有众多学者进行大量研究,一般的方案比选方法是根据项目的特点,在对技术经济指标的分析基础上,并结合路网布局、社会经济作用、技术条件,环境影响等方面进行定性的综合分析,从而推荐经济合理的最优方案。

在复杂山区铁路选线方面,王争鸣提出应贯彻“规划选线、重点工程选线、地质选线、安全选线”的思路及 “舍小求大”综合比选分析的原则[6];胡子平提出复杂岩溶地区应采用“大坡度”的地质选线思路[7-8];宋章等在滇藏铁路三江并流区工程地质减灾选线研究中,提出“内动力地质作用的围岩稳定性及减灾选线、热液地质作用及减灾选线”的选线原则[9]。

以下基于前人的研究,针对十堰至神农架至宜昌铁路工程风险较高的特点,运用风险评估体系,对典型的地质风险进行评估,并提出防范风险的具体措施[10-11]。

1 项目概况

十堰至神农架至宜昌铁路是湖北省旅游交通快速铁路环线的重要组成部分,是串联湖北省旅游精品线路“一江两山”旅游景区,并兼顾国土开发的客货共线铁路。

十堰至神农架至宜昌铁路位于鄂西北地区,北起襄渝线白浪站,从白浪站引出后往南经房县、神农架林区、兴山、三峡坝区、引入汉宜铁路宜昌东站,线路全长256.9km。桥隧比92.8%[12]。

2 区域自然特征

2.1 地形条件

线路自北向南依次穿越武当山、黑山、神农架、大老岭等中山区,峰顶高程为1200～2100m,峰谷相对高差300～1200m,地势高峻,山峦叠嶂,河谷深切,峡谷纵横。部分地区可溶岩大面积出露,呈现溶蚀沟谷、峰丘洼地等岩溶地貌。

2.2 工程地质和水文地质条件

(1)地层岩性

沿线各时代地层分布比较齐全,自元古界至第四系地层均有出露,部分地区可溶岩大面积出露,岩溶强烈发育地段的隧道工程风险较高。

(2)地质构造

以房县附近的东西向青峰断裂为界,线路穿越秦岭褶皱系和扬子准地台两大构造单元,褶皱和断裂发育,且规模宏大,构造形态极其复杂。主要构造有武当山复式背斜、五台山复式向斜、中岭冲断向斜、黎花坪背斜、秭归向斜、姚家沟向斜、黄陵背斜以及阳日断裂、新华断裂等。

(3)水文地质

区域碳酸盐岩分布区泉水、暗河较发育,多属水量丰富区,尤其是仙女山地区发育有多处岩溶暗河及岩溶大泉。义渡-黑山复式向斜、兴山县东北侧的姚家沟复式向斜岩溶富水构造对线路方案的影响较大。

2.3 环境敏感区分布

线路所经地区分布有武当山风景名胜区、赛武当自然保护区、房县野人谷旅游区、神农架自然保护区、宜昌大老岭自然保护区等众多国家级和省级保护文物,东线方案、经保康、神农架方案以隧道穿越了武当山风景名胜区,其他方案均予以绕避。

3 线路走向方案研究

3.1 方案构成

十堰至神农架至宜昌铁路总体呈南北走向,十堰至宜昌航空距离223km,航空线以东分布有保康和远安两个县域经济据点;航空线以西分布有房县、神农架林区、兴山等市县域经济据点。域内有著名的道教圣地武当山、神农架原始森林,长江三峡之西陵峡等。根据线路走向方案研究理论[13],结合区域经济据点分布、旅游资源、地形、地质、水文等自然条件、矿区和采空区、环境敏感区分布等影响线路走向方案的关键因素,研究了东线方案(方案一),中线方案(方案二)、西线方案(方案三)以及经房县、保康方案(方案四)和经保康、神农架方案(方案五),见图1。

图1 十堰至神农架至宜昌铁路线路走向方案示意

3.2 定性指标分析

(1)经济据点分析

吸引范围内各区县人口及经济发展水平统计见表1。

表1 2019年度吸引范围内各区县人口及经济发展水平统计

从表1可以看出,东线方案所经的保康县2019年总人口35万,GDP总额126.9亿元,4A级景区2个,接待游客259.5万;中线方案所经的房县、兴山2019年总人口65.0万,GDP总额250.2亿元,4A级景区4个,接待游客1132万;西线方案所经的房县、神农架、兴山2019年总人口73.8万,GDP总额283.1亿元,4A级景区13个,5A级景区1个,接待游客2960.5万;经房县、保康方案所经的房县、保康2019年总人口83.8万,GDP总额246.5亿元,4A级景区5个,接待游客952.5万;经保康、神农架方案所经的保康、神农架、兴山2019年总人口60万,GDP总额290.4亿元,4A级景区12个,接待游客2528万。

经分析,西线方案和经保康、神农架方案人口、经济水平、旅游景区数量、接待游客数量优势较为明显,吸引客货流能力较强。

(2)对环境敏感区的影响分析

各方案对主要环境敏感区均予以绕避,对于无法绕避的段落,均绕避其核心区域,且多以隧道、桥梁的形式穿越,并得到了当地主管部门的认可。

东线方案并行襄渝线穿过国家级武当山风景区以及宜昌市水源保护区的二级保护区;经保康、神农架方案亦并行襄渝线穿过国家级武当山风景区,环境影响程度相对较大。

经房县、保康方案穿过了宜昌市水源保护区的二级保护区,采取措施后环境风险较小。

中线方案、西线方案、经保康、神农架方案均穿越宜昌大老岭省级自然保护区,穿越段线路长约7km,其中隧道段长约6.8km,桥梁段长约0.2km。

(3)工程地质条件对比分析

对线路方案影响较大的主要工程地质问题为岩溶、岩溶水和富水构造问题,其次是高地应力、煤层瓦斯、构造破碎带以及广泛存在的崩塌落石、滑坡、岩堆等不良地质。其中高地应力、崩塌落石、滑坡、岩堆等不良地质各方案相差不大,可溶岩地段长度相差较大。各方案可溶岩地段分布长度见表2。

表2 各方案可溶岩地段分布

由表2可知,方案一通过可溶岩地段最短,工程地质条件相对较好,方案四次之,方案二最差。

3.3 定量指标分析

(1)线路长度、工程投资分析

东线方案线路长251.5km,投资227亿;中线方案线路长257.7km,投资234亿;西线方案线路长256.95km ,投资232.4亿;经房县、保康方案线路长266.7km,投资249亿;经保康、神农架方案线路长288km,投资263亿。

经分析,东线方案线路长度最短,投资最省,西线方案次之,经保康、神农架方案最差。

(2)决策矩阵分析

为直观的判断各方案的优劣,引入决策矩阵方法进行分析[14]。

①决策矩阵的建立

根据影响线路走向方案的主要因素和研究的线路走向备选方案,建立相关决策矩阵模型。

表3 决策矩阵模型

②分值确定

对每一项影响线路走向方案的主要因素进行打分。每项分值为1至5分,1为最低分,5为最高分。

经济据点:根据各方案吸引范围的经济分析,方案一分值为1分,方案二分值为3分;方案三分值为5分、方案四分值为2分,方案五分值为4分。

环境影响:根据各方案环境影响程度的分析,方案二、三、四的环境影响程度较小,分值为3分,方案一、方案五的环境影响较大,分值为2分

工程地质:根据各方案的工程地质条件的分析,方案一分值为5分,方案二、方案三基本相当,分值为2分,方案四分值为3分,方案五分值为4分。

工程投资:方案一线路长度最短,投资最少,分值为5分,方案二、三次之,分值为4分,方案四、五线路展长较多,投资较高,分值为1分。

③权重设置

影响线路走向方案的每一项因素并不是同等重要的。因此,应对每一项影响因素设定相应的权重。

根据本线旅游线路的功能定位,线路走向应尽可能串联湖北省“一江两山” 旅游景区,是本线重点考虑的关键因素,其权重设置为5;本线地质条件极为复杂,尤其是岩溶地质具有风险重大性,其工程地质的权重设置为4;环境影响也较为重要,权重设置为3;线路长度、工程投资的重要性在本项目中有所减弱,权重设置为2。决策矩阵分值、权重见表4。

表4 决策矩阵分值、权重

④决策矩阵分数计算

用分数乘以权重,得出每一个方案在不同因素下的权重分数,最后得出总分,结果见表5。

表5 决策矩阵分数计算

⑤决策矩阵分析结果

通过决策矩阵分数计算可见,分数最高的为方案三,其次为方案五,其结果与定性分析相吻合,即经由神农架的线路走向方案较优。

3.4 方案比选结论

通过对拟定的线路走向方案的定性分析和工程投资、决策矩阵定量相结合的综合分析,西线方案(方案三)经由沿线主要经济据点,并串联起湖北省旅游精品线路“一江两山”旅游景区,能充分吸引沿线客货流及旅游客流,有利于推动鄂西生态文化旅游圈等旅游业快速发展,有利于促进鄂西北贫困地区经济社会发展及矿产资源的开发,而且可及时解决三峡大坝北岸的翻坝运输问题,工程投资适中,故推荐西线方案(方案三)。鉴于推荐方案的地形、地质条件相对复杂,工程相对艰巨,有必要对其工程风险进行评估,并加以防范。

4 工程风险防范

4.1 工程风险对比分析

宜万铁路通过可溶岩地段与本线通过可溶岩地段的对比见表6。

表6 宜万铁路与本线通过可溶岩地段对比表

与建成的宜万铁路相比,本线通过可溶岩地段的累计长度97km,约占全线长度的38%,明显低于宜万铁路通过可溶岩的长度(265km)和比例(约70.3%)。

不难看出,本线岩溶发育程度总体稍弱,地质条件总体相对较,其风险程度也相对有所降低。

4.2 工程风险评估

(1)风险辨识

按照可研阶段的风险管理内容[15-16],本线主要典型风险因素为地质风险,包括软岩大变形、突水突泥、岩爆、危岩落石、滑坡等风险。

(2)风险评价与分析

根据风险辨识和风险估计,工程风险评价见表7。

表7 工程风险评价

由表7可以看出,本线地质风险等级为极高:①岩溶、岩溶水发育区发生的突水突泥风险,典型隧道如阳日隧道、神农架隧道、仙女山隧道、兆吉坪隧道等;②深埋隧道高地应力发生的岩爆风险,典型隧道如阳日隧道、神农架隧道、仙女山隧道、大老岭隧道、兆吉坪隧道等;③大型富水断层易产生突水、突泥、支护变形、坍塌、沉降等危害,典型隧道如阳日隧道、神农架隧道、仙女山隧道等。上述极高风险地段易造成人员伤亡、稳定影响、环境影响、工期延误、功能缺失和经济损失等重大风险事件,必项高度重视并规避,否则必须采用有效措施处理,应充分吸取宜万铁路、兰渝铁路、在建郑万铁路等众多岩溶隧道施工的相关经验。

本线地质风险等级为高的有高地应力引起的软岩大变形、危岩落石、滑坡等风险,应重视并采取有效措施处理,加强风险监测。

4.3 风险防范的对策及措施

(1)风险防范原则

对极高风险进行规避;对高度风险尽量规避,不能规避的,必须采取风险处理措施降低风险,且满足降低风险的成本不高于风险发生后的损失。

(2)风险防范措施

①深化地质选线

选择合理的线位减少通过可溶岩地段的长度:线路选择东移以隧道形式通过大老岭自然保护区,减少西侧屈原庙一带穿越可溶岩长度约19km,取消了刀岭头隧道(长12767m)、狮子山隧道(长7496m)两座长大岩溶隧道。

选择合理线位绕避岩溶及岩溶水强烈发育区:线路通过神农架林区岩溶弱发育地段,绕避姚家沟岩溶富水向斜,减少岩溶强烈发育区段长度约22km。

选择合理线位绕避大型滑坡、崩塌等不良地质体:线路绕避东蒿坪滑坡(位于神家架林区松柏镇,滑坡规模巨大)、刘家湾滑坡(位于兴山县古夫镇北斗坪村刘家湾,滑坡面积和体积均较大)、高白崖危岩体(位于神家架林区新华镇,危岩体积较大)等大型不良地质体。

选择合理线位绕避区域构造:新华断裂两侧岩层挤压强烈,往往形成几十米宽的压碎岩带,线路选择西移绕避。

②加深地质工作

本线地形、地质条件极其复杂,线路存在多种方案可能,地质条件很大程度上控制着线路方案。只有开展加深地质工作,查明线路方案可能涉及的大范围地质背景,查清控制线路方案选择的重大地质问题,才能优选线路方案,保证选线质量。

房县-香溪河段穿越神农架山脉,可溶岩分布范围广,重大工程地质问题突出且工程艰巨,线路方案存在较大的不确定性。经研究,选择该段开展加深地质工作,以选择合理的线位方案,绕避重大不良地质分布区段,规避或降低工程风险。

③开展专项地质工作

沿线长大深埋隧道工程地质问题复杂且突出,需采用超常规的勘察手段,如勘探深度达千米以上的大地音频电磁法、深孔及孔内测井、地应力测试、瓦斯测试、水文地质试验、长期水文地质观测等,以查明长大深埋隧道的岩溶、岩溶水、高地应力、深部的构造破碎带等问题,为设计和施工提供较为充分的基础资料,降低或避免施工风险。

④加强超前地质预报

针对风险隧道应加强超前地质预测预报工作,将TSP、HSP、地质雷达、红外探水、超前探孔、洞周的钎探及钻探等纳入施工工序,探明掌子面前方及洞周可能存在的突水突泥、溶腔空洞等,以降低施工及运营风险。

4.4 小结

十堰至神农架至宜昌铁路主要工程风险是地质风险,风险程度为高度-极高,采取对策及措施后为低-中度,工程风险较宜万线有所降低。

建设风险包括施工安全、投资和工期,风险程度为中-高度,采取对策及措施后为低-中度,建设风险与宜万线基本相当。

5 结论

通过对影响十堰至神农架至宜昌铁路线路走向方案的区域经济据点分布、旅游资源、矿产资源、地质条件、环境敏感区等主要因素的定性指标分析,并结合线路长度、工程投资等定量指标,推荐经由了沿线主要经济据点,并串联起湖北省旅游精品线路“一江两山”旅游景区,能充分吸引沿线客货流及旅游客流,有利于推动鄂西生态文化旅游圈等旅游业快速发展,,且工程投资适中的西线方案为本线的线路走向方案。另外,引入决策矩阵定量分析工具,可较为直观的判断各方案的优劣,为方案决策提供一定的依据。