王 杰

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司線路運輸處,西安 710043)

1 項目概述

西安至成都鐵路西安至江油段位于陜西省南部和四川省中北部地區(qū)，與成綿樂客運專線相接抵成都。項目是《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃(2008年調整)》中新建“太原—運城—西安—漢中—綿陽”鐵路的組成部分[1]，與我國“四縱、四橫”客運網(wǎng)主干線中的徐蘭、滬漢蓉客運專線銜接，并間接與京廣客運專線相連，路網(wǎng)位置重要。

項目在陜西境內(nèi)連接關中平原、漢中盆地，穿越秦嶺和米倉山，線路北起西安，向南經(jīng)咸陽、安康兩市局部地區(qū)及漢中進入四川省境內(nèi)，后經(jīng)廣元至江油與綿成樂客運專線相接抵成都，西安至成都線路全長約643 km。本項目西安北至江油段線路長度約509 km，陜西省境內(nèi)線路建筑長度342.937 km，主要行經(jīng)陜西省西安、安康、漢中三市14縣區(qū)。

項目在選線設計過程中，根據(jù)經(jīng)濟分析與勘察成果，對技術標準、環(huán)保、復雜地質、施工運營安全等方面，有針對性的對線路方案選擇進行了系統(tǒng)研究和設計，并采取了科學的措施，以適應西成客運專線的功能定位和困難的地形、環(huán)境條件及復雜的地質條件。

2 項目特點與選線設計難點

2.1 適應困難的地形條件

秦嶺兩側關中、漢中盆地高程為400～500 m，秦嶺橫亙其間，山體厚度達120 km，嶺頂海拔1 800～3 767 m，山勢巍峨高聳；整體上北陡南緩，尤其秦嶺北坡，在航空距離30 km范圍內(nèi)高差達1 500～3 260 m，形成逾越十分困難的自然屏障。北坡溝谷狹窄短陡。

秦嶺山區(qū)線路方案的選擇如何結合技術標準的選取，特別是最大坡度的選取，達到適應這高差大、山體厚的地形特點，滿足技術經(jīng)濟合理，工程安全可靠的目的。

2.2 解決復雜的地質條件

大巴山區(qū)工程場地位于龍門山臺褶帶的東部邊緣，毗鄰汶川地震區(qū)，地形起伏。構造主要為褶皺和次級斷層。構造的走向與線路走向呈小角度相交。巖性主要分布一套沉積巖地層，不同巖性地層在空間上呈不連續(xù)條帶狀分布，空間位置復雜、巖性變化頻繁、巖性接觸帶較多。在褶皺核部、斷層、不透水地層間的灰?guī)r夾層以及地表河流發(fā)育的淺埋地段等有利部位，形成局部的中等富水～強富水地帶(圖1)。

圖1 大巴山區(qū)漢中至省界段地質示意

大巴山區(qū)線路方案的選擇及工程形式的選擇，應達到盡可能以明線行進，隧道工程盡可能大角度通過褶皺核部及斷層影響帶，并盡量避開軟巖、富水地段，提高工程可靠性，降低工程風險。

2.3 滿足極高的環(huán)保要求

秦嶺山區(qū)是北半球同緯度地區(qū)生物多樣性最豐富的地區(qū)，也是世界許多珍稀物種的唯一或重要棲息地。秦嶺也是中國中部重要的水源涵養(yǎng)區(qū)，秦嶺嶺脊及兩側連片分布眾多國家級、省級自然保護區(qū)，城市水源地，國家級森林公園，具有分布廣、規(guī)格高、影響大的特點，形成了整體性很強的保護區(qū)域[3]。

秦嶺山區(qū)線路方案、線路高程及工程形式的選擇，應達到從平面、立面上避開環(huán)境敏感點，并從工程形式、工程措施上對環(huán)境的影響程度降到最低，達到項目建設可持續(xù)發(fā)展，人與自然和諧發(fā)展的目標。

2.4 確保施工便利運營安全

陜西境內(nèi)穿越秦巴山區(qū)地段長207 km，占線路總長的60%，且秦巴山區(qū)山高陡峻，山體厚，單體隧道長，山區(qū)施工、隧道防災救援是本段線路方案選擇考慮的難點。

3 綜合選線

在西成客運專線陜西境內(nèi)段選線設計過程中，全面考慮了影響因素和難點，結合工程技術經(jīng)濟，開展了綜合選線研究和比選，選取科學合理、各方認同的線路方案。

3.1 技術標準與困難地形綜合選線

3.1.1 最大坡度與困難地形綜合選線

考慮項目翻越困難山區(qū)、高差大，特別是秦嶺北坡?？紤]動車組爬坡能力強，在項目前期研究中，進行了翻越秦嶺地段最大坡度專題研究。研究表明：國內(nèi)運行的動車組均具有較大的爬坡、制動能力，在持續(xù)25‰坡度上能滿足較高的運輸速度，滿足列車3 min追蹤的要求，采用限速運行方式，可滿足緊急制動距離3.2 km的要求[4]。

經(jīng)綜合選線研究，項目困難山區(qū)線路首次采用25‰的最大坡度，且持續(xù)足坡段落長47 km，短直穿越秦嶺山區(qū)，較國內(nèi)通常最大坡度20‰方案，縮短線路長度0.7 km，將越嶺主隧道由24.8 km減短至15.9 km，滿足長隧道單洞雙線施工與運營，縮短輔助坑道長度，改善施工及運營條件，縮短施工工期，同時節(jié)省工程投資11.7億元。

3.1.2 速度目標值與困難地形綜合選線

項目為川渝地區(qū)北出快速客運通道，與成綿樂城際、大西鐵路相連，應選用較高速度目標值標準。受關中、漢中盆地建筑物影響，為減少拆遷及跨越鐵路公路的特殊跨橋梁，特別是在引入西安北、西安及漢中等既有站前后，線路采用較小的曲線半徑[5](最小半徑3 200 m)適應地形地物，減少工程及拆遷，降低工程投資。

3.2 地質綜合選線

3.2.1 加深地質工作

在線路方案研究中，除完成項目勘察設計階段所需的地質勘察工作外，還針對大巴山區(qū)地質條件復雜地段，開展了地質加深工作，包括衛(wèi)星遙感，大面積地質調繪，水文地質調查，并進行了大量靜力觸探、試坑、常規(guī)物探、V8及鉆探等綜合勘探工作，以進一步查清地質構造特征及斷層分布、巖層巖性及空間布局、不良地質分布及發(fā)育狀況，為線路方案的選擇提供寶貴的指導意見。

3.2.2 大巴山區(qū)地質條件分析及選線原則

(1)大巴山區(qū)地質條件分析

通過加深地質工作，基本查明大巴山區(qū)復雜地質條件特點：①地層巖性主要為頁巖、砂礫巖、灰?guī)r等，巖質軟硬不均，而且各類巖性呈條帶狀分布，空間位置復雜、巖性變化頻繁、巖性接觸帶較多；②不發(fā)育區(qū)域性斷裂，僅發(fā)育次級斷層，斷層走向與線路走向交角約20°；③褶皺構造發(fā)育，呈現(xiàn)向斜與背斜相間出現(xiàn)的現(xiàn)象，與線路走向之間的夾角為16°～20°；④地表水和地下水發(fā)育，地下水主要儲存在斷帶、褶皺核部、巖性接觸帶以及灰?guī)r地帶，隧道工程受地下水的影響較大；⑤不良地質現(xiàn)象的發(fā)育與地形地貌、地層巖性及地質構造關系密切。

(2)大巴山區(qū)地質選線原則

總結既有工程的實踐經(jīng)驗，針對大巴山區(qū)地質條件的特點，其地質選線主要原則[6-8]為：①褶皺構造發(fā)育且軸線走向與線路走向呈小角度相交，線路應盡量置于構造單一，圍巖條件較好的向斜、背斜的一翼，避免線路沿巖體破碎且富水的向斜、背斜的核部通過；②由于工程設置以隧道為主，且地層巖性呈條帶狀走向，次級斷層、褶皺核部，巖性接觸帶等與線路走向呈小角度相交，線路應盡量以大角度，次數(shù)少地穿過斷帶、褶皺核部及巖性接觸帶部位。應盡量置于水文地質條件相對簡單的嶺脊部位；③滑坡、巖堆、危巖落石、泥石流、風化卸荷松動層等較發(fā)育，線路應盡量繞避不良地質體，泥石流溝谷應以留有足夠凈空的橋梁工程通過；④頁巖巖性較軟，隧道應盡量置于巖質較硬，圍巖條件較好的砂礫巖及灰?guī)r地層中；⑤通過灰?guī)r等富水地層中，應選擇較高高程，自然排泄條件較好，且以較短隧道通過，盡量改善隧道水文地質條件。

3.2.3 復雜地質地段線路方案的選擇

針對本段地形地質特征和選線原則，漢中至寧強復雜地質地段段研究了取直方案、南繞方案、北繞方案等3個走向方案[9]進行比選，并重點從隧道工程穿越軟硬巖長度及巖性接觸帶次數(shù)、穿越褶皺及斷裂次數(shù)、隧道富水性以及工程設置形式與地質環(huán)境的適應性等方面對各方案進行了分析比選。線路走向方案示意詳見圖2。主要工程地質條件及水文條件比較詳見表1、表2。

圖2 線路走向方案示意

表1 漢中至寧強段各方案工程地質條件比較

分析表明，北繞方案地質條件較差。南繞方案工程地質條件相對較差，主要以長隧道和特長隧道為主，且大巴山區(qū)降雨量豐富，地下水較發(fā)育，地下水排泄路徑較長，隧道工程受地下水的威脅，工程風險較大。取直方案工程地質條件較好，且主要以中、短隧道為主，線路位于嶺脊處，兩側排水條件較好，隧道水文地質條件相對較簡單，故最終推薦取直方案。

表2 各方案3 km以上隧道水文地質條件分析比較

3.3 環(huán)保綜合選線

3.3.1 秦嶺生態(tài)保護特點

從垂直區(qū)劃中分析秦嶺生態(tài)環(huán)境特點，海拔越高生態(tài)環(huán)境的垂直敏感性越高。海拔1 500 m以上為幾個國家級自然保護區(qū)及幾個省級自然保護區(qū)的主體部分；海拔1 500 m以下是銜接自然環(huán)境和社會環(huán)境的緩沖區(qū)，人口集中，工農(nóng)業(yè)開發(fā)強度大，生態(tài)破壞、水土流失較嚴重[10]。

從平面區(qū)劃分析秦嶺生態(tài)環(huán)境特點，從中心保護區(qū)、重要保護區(qū)到一般保護區(qū)，生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀逐漸變差，水源涵養(yǎng)和生物多樣性保護功能依次降低。目前，秦嶺地區(qū)自然保護區(qū)建設已形成了相互銜接，呈片狀、帶狀分布整體性強的保護區(qū)域。

3.3.2 減少環(huán)境影響的綜合選線

經(jīng)分析，減少環(huán)境影響的綜合選線原則有：(1)避開沿線連片密布的各類敏感區(qū)，并應盡量靠近既有公路交通走廊布設線路，減少環(huán)境分割；(2)走行在海拔1 500 m以下高程范圍；(3)線路盡可能短直，減少山區(qū)范圍內(nèi)的走行長度，并以隧道、橋梁工程布設；(4)考慮施工便利，減少施工便道的修建及改擴建，并合理選擇棄砟場。

按照上述原則，對線路進行綜合比選，最終線路走向基本沿西安漢中高速公路走廊行進，避開了主要環(huán)境敏感區(qū)，僅以隧道工程通過天華山國家級保護試驗區(qū)，以隧道及橋梁工程通過菜子坪大熊貓走廊帶；線路最高設計海拔1 590 m；秦嶺山體厚度達125 km，工程在該段線路長度132 km，橋隧總長131 km，占線路總長的99%，同時在隧道進出口、主要輔助坑道口位置或其附近基本有公路，盡可能地減少了對環(huán)境的影響。

3.3.3 減少環(huán)境影響的工程設計措施

在各階段設計中采取減少環(huán)境影響的措施如下：(1)采用25‰長大持續(xù)坡度，縮短線路在秦嶺山區(qū)范圍長度，縮短隧道長度，減少棄砟量，并降低越嶺高程；(2)主要采用隧道、橋梁工程取直穿越秦嶺；(3)對隧道施工斜井、混凝土拌和站、棄砟場等臨時工程，避開敏感區(qū)范圍內(nèi)布設，并對砟場及取棄土場采取設排水溝、擋護、復墾等措施；(4)在地下水較發(fā)育的局部段落，隧道襯砌結構設計采取超前小導管預注漿加固地層并堵水或采取徑向注漿措施，以減小對山體地下水體的影響，防止對植物生態(tài)的影響[11]。

3.4 施工、運營安全綜合選線

線路因穿越秦嶺屏障且溝谷狹窄，受越嶺高程、山體厚及環(huán)保等條件約束，穿越秦嶺地段形成約120 km的長大密集隧道群。

在線路選線設計中，結合長大隧道空氣動力學效應，施工條件、施工工期、防災救援與隧道長度的關系進行了專題研究。研究表明：主越嶺隧道長度越短施工條件越好，工程投資越省，隧道宜采用單洞雙線，單體隧道長度不宜長于16 km[12]；結合防災救援難度及工程投資，隧道內(nèi)不宜設置救援站，單體隧道長度不宜超過20 km；應盡量加大兩相鄰隧道間露頭長度，避免微氣壓波頻繁變化，改善旅客舒適度。

依據(jù)上述原則，考慮線路最大坡度選擇及環(huán)保要求，結合地形地質條件，經(jīng)綜合選線，翻越秦嶺山脈最長隧道長近16 km；引線地段隧道長度不超15 km，長于10 km特長隧道6座約86 km；山區(qū)平均單座隧道長6.6 km，基本為長3～10 km的隧道群。

同時，在線路選線設計中，除避開滑坡、巖堆、崩塌落石等不良地質外，還要考慮不良地質因自然天氣造成可能存在的自然地質災害對鐵路安全構成的危害。大巴山區(qū)沿玉帶河地段，線路所經(jīng)地層以沉積巖為主，兩側出露的砂巖、頁巖風化嚴重，受雨水浸蝕，易形成病害，危及鐵路施工及運營安全。在該段選線中，采用橋梁隧道方案替代傳統(tǒng)的傍山、傍溝路基方案；在隧道洞口和橋梁位置選擇中，盡量避開巖堆、順層等不良地質及高陡邊坡，選擇地質條件較好的位置，防范自然災害，保證鐵路運營長期的安全。

4 體會及建議

(1)復雜山區(qū)線路方案的選擇，應考慮項目定位、運輸組織，重視鐵路主要技術標準的研究，在宏觀上追求適應地形、地質條件，并結合工程技術經(jīng)濟，進行多方案比選。

(2)復雜山區(qū)線路方案的選擇，應對影響線路方案的重點因素進行專題研究后，采取各類手段，落實各項控制因素的狀況，提出針對性的選線原則及設計措施，為鐵路線路選擇提供技術支撐。

(3)在復雜山區(qū)線路選線設計的同時，應及時提出各類科技攻關和技術創(chuàng)新的突破點，進行專項課題研究，達到突破傳統(tǒng)設計理念，提高復雜山區(qū)鐵路建設水平，為鐵路現(xiàn)代化建設提供科技支撐。

[1] 中華人民共和國鐵道部.中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃(2008年調整)[M].北京：中華人民共和國鐵道部，2008．

[2] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.新建鐵路西安至成都客運專線西安至江油段預可行性研究[R].西安：中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2009．

[3] 劉康，馬乃喜，胥艷玲，等.秦嶺山地生態(tài)環(huán)境保護與建設[J].生態(tài)學，2004，23(3):157-160．

[4] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.新建鐵路西安至成都客運專線翻越秦嶺地段最大坡度研究[R].西安：中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2009．

[5] 中華人民共和國鐵道部.TB10621—2009 高速鐵路設計規(guī)范(試行)[S].北京：中國鐵道出版社，2009．

[6] 中華人民共和國鐵道部.TB10012—2007 鐵路工程地質勘察規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2007．

[7] 中華人民共和國鐵道部.TB10027—2001 鐵路工程不良地質勘察規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2001．

[8] 鐵道第一勘察設計院.鐵路工程地質手冊[M].北京：中國鐵道出版社，2002.

[9] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.新建鐵路西安至成都客運專線西安至江油段可行性研究[R].西安：中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2009．

[10] 王香鴿，孫虎.陜西秦嶺北坡淺山地帶生態(tài)環(huán)境保護研究[J].陜西師范大學學報：自然科學版，2003，31(3):120-124．

[11] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.新建鐵路西安至成都客運專線西安至江油段環(huán)境影響報告書[R].西安：中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2009．

[12] 薛新功.西部山區(qū)西安至成都客運專線越嶺隧道群合理長度布設研究[J].鐵道標準設計，2010(10)：106-108．