提速山区铁路增建第二线设计思路

柳世辉

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

《中长期铁路网规划》已将“加强路网既有线改造,强化既有路网通道”作为今后 20年铁路发展三大任务之一,规划增建二线 1.9万 km,既有线电气化改造 2.5万 km。

目前,既有铁路已经历了 6次大提速,以京广、京哈、京沪、陇海为重点的铁路主要繁忙干线均实现了旅客列车速度 140～160km/h,货物列车速度 80～90 km/h;为今后既有线达到客运200km/h,货运 120km/h的提速目标,在线路、路基、桥梁、牵引供电接触网、通信信号等技术设计,以及运营管理、运输组织和行车安全措施等各个方面积累了较为丰富的经验。

既有铁路提速到 200km/h是世界发达国家提高铁路运输能力的普遍做法,是构建我国快速客运网络的捷径,是提高既有铁路运输能力的重要措施之一。

既有线提速改造不同于新建铁路,必须充分考虑既有线现状、施工期间对既有线运营的行车干扰和既有设备利用。要根据提速改造的总体要求和客货运量的增长幅度,确定改造方案和技术标准。本文拟结合南疆线、兰武线、宁西线、西康线、阳安线等山区铁路改建及增建第二线工程,阐述山区铁路提速条件下增建第二线的设计思路和方法。

1 山区铁路增建第二线设计的主要制约因素分析

1.1 既有铁路功能定位

影响铁路选线的因素繁多,如线路的政治、经济、国防意义及其在路网中的作用,运输需求与所承担的客货运量及其性质,所采用的铁路主要技术标准及与邻线标准的协调,经行地区的地形、水文、地质等自然条件,沿线城镇、工矿企业、交通、通信和水利建设等相关部门的分布及规划协调等,这些因素都直接影响铁路选线决策。

我国大部分单线铁路始建于 20世纪 70年代初至90年代末,受当时经济社会发展水平、铁路设计理念限制,既有铁路的功能定位,路网意义具有一定的局限性,致使选择的技术标准偏低。随着铁路开通运营,进而带动沿线地区经济的发展,运量及运输功能的改变使得铁路功能定位发生变化。如:南疆铁路吐鲁番至库尔勒段始建于 20世纪 70年代,基于当时的国际形势和军事战略思想,以军事战备和三线建设需要为目的,选择进入阿拉沟翻越天山腹地的方案而修建,致使南疆铁路吐库段自通车以来,水害不断,特别是鱼儿沟至和静段技术标准低、运输能力小、抵御自然灾害能力弱、运营成本高,加上沿线复杂的地形、地质条件,改造极其困难,成为制约南疆线通行能力的“瓶颈”地段。随着西部大开发战略的实施,南疆地区已成为我国粮棉油生产、石油天然气大型化工、矿产资源开发的重要战略基地之一。南疆线作为南疆地区通往北疆和内地的唯一铁路通道,第二亚欧大陆桥南部通道的重要组成部分,该段铁路在我国铁路运输网中的地位和作用重大,增建二线后将成为西北铁路网重要的干线通道。

经分析研究,南疆铁路鱼儿沟至和静段是整个南疆铁路的“盲肠”地段,自身存在着标准低、路况差、高海拔、大坡度、水害不断、运营成本高等先天不足的缺陷,与南疆铁路作为南疆经济大动脉和将来欧亚第二大陆桥的路网地位无法匹配,无论采用何种改建或沿既有线的增建二线方案,均不能满足运输质量和日益增长的运输需求。因此,增建第二线时,除两端的吐鱼段和焉库段第二线与既有线可并行外,鱼儿沟至焉耆段应按新建双线建设,采用中天山东部乌苏通越岭的长隧道取直方案。

1.2 既有铁路现状技术标准

我国早期建设的山区单线铁路,受当时铁路设计理念和施工建设能力的制约,一般技术标准较低;尤其是地形复杂山区铁路,为减小桥隧工程,节省投资,线路走向曲折,坡度大,曲线半径小。如兰新线兰武段是西北东通路主通道的一部分,也是亚欧大陆桥的组成部分。兰武段增建二线后将与宝兰双线、兰新双线为主通道的路网格局相匹配,使亚欧大陆桥形成双线大能力通道,对发展西北地区经济、实施西部大开发战略、扩大对外开放、完善陆桥运输通道、提高路网整体能力、旅客列车提速、改善陇海、兰新线的客运服务质量、提高铁路竞争能力、降低铁路运营支出等方面起到重要作用。

但兰新线兰武段既有线技术标准低,尤其打柴沟至黄羊镇间既有(单线)线路长 103.20km,设有车站13处。到发线有效长度 650m,双机坡 20‰,最小曲线半径 300m。设有曲线 95处,长度为 40.437km。其中曲线半径 R＜600m45处,长 21.562km;R＜800m 63处 ,长 29.052km;R＜1200m79处 ,长 34.625km。打柴沟至黄羊镇为翻越祁连山东脉乌鞘岭,穿青河、龙沟河、古浪峡地段,地形、地质条件复杂。打柴沟至乌鞘岭垭口(既有)间,线路长 25.4km,线路拔高(下行)322.0m,河床纵坡平均达 14.6‰;从乌鞘岭垭口至黄羊镇间,线路长 77.8km,线路拔高(上行)1123m,既有线平均坡度 14.4‰。局部地段青河河床纵坡达35‰,龙沟河达 25‰,古浪峡达 15‰,古浪峡口山前洪积平原纵坡达 20‰。既有线采用双机坡 20‰,线路展线系数仍为 1.62。

若增建第二线,仍沿既有线布设,无论采用哪个限坡方案,其适应地形能力差,线路迂回展线长,线路走向将更多偏离航空直线距离,改建工程更为艰巨。为此,本段增建第二线越岭方案,根据岭南、岭北两坡区域地形条件、工程情况,利用不同越岭隧道位置、高程、长度结合不同限坡,在既有铁路、公路越岭垭口位置至打柴沟至龙沟间航空直线距离(石板沟)左右的大范围内,选择特长越岭隧道穿越乌鞘岭,并进行不同越岭位置、不同限坡等多种组合方案的研究比选。最终确定采用 13‰限坡,主要技术标准与陆桥通道前、后方均取得一致,运输能力可长期适应通道客货运量增长的需要,并有较大的富余;线路平、纵断面条件和技术装备得到根本的改善和提高,旅客列车提速效果十分显著,并随着机车、车辆移动设备和行车运输管理现代化技术的提高,技术优势将更加突出的 20.5km特长乌鞘岭双单线越岭隧道方案。

1.3 沿线地形、地貌及既有线工程技术条件

既有单线铁路一般未考虑预留第二线的位置。既使考虑了预留二线,随着铁路建设技术标准的提高,原预留位置也已不能适应二线的选线要求。且山区铁路一般地质复杂,不良地质地段分布较多,路基防护工程巨大,桥隧工程较多。这些具体因素,在增建第二线时,必须认真加以考虑。如:宁西线行经渭河盆地区、秦岭中山区、丹江河谷区和秦岭低山区。既有线西起海拔 400m左右的渭河冲积平原,经秦岭山前(海拔500～900m)迂回展线,在秦岭中山区引线穿越海拔1600～2000m左右的秦岭道沟山谷垭口,沿丹江东行至海拔 150m左右的南阳盆地。零口至西峡段受地形、地质、工程和站位条件限制,平面标准较低,速度目标值 100～120km/h。该段共有曲线 209个,总长127.15km,占线路总长的 43%;限制坡度 13‰。其中:花园至蔡家河段位于秦岭北麓山前引线地段,地处渭河盆地南缘渭南黄土台塬,自然纵坡 50‰,为克服高程障碍,既有线以 13‰坡度在山前迂回展线,展线线路长达 31.40km,展线系数 3.11,展线地段共设 8处 600m、1处 700m的曲线;该段桥隧工程集中,桥隧比重达 38%。因此,增建第二线应结合沿线地形、地貌,工程地质条件,既有线路基防护、桥隧工程,增建二线后车站分布和既有车站引入条件等工程技术条件;遵循客货列车运行速度及开行方案,机车类型及牵引质量与既有线主要技术标准相匹配的原则,分路段选取速度目标值和限制坡度,作好线路方案选择。

2 山区铁路增建第二线的设计思路

2.1 结合动态路网布局,论证其在路网中的功能定位,合理确定既有线扩能提速方案

(1)改建铁路与新线建设不同,首先应认真研究本线与周边既有和规划路网的关系;结合沿线资源开发和在路网中的功能、作用,分析既有线运量增长适应性;合理确定本线的功能定位,确定可能的建设方案。如,阳安铁路横贯陕西南部的汉中和安康地区,区域路网随着兰渝铁路修建,襄渝、西康增建二线及西成客运专线的逐步建成,西南地区北通路将形成兰渝、宝成、西康—襄渝、西康—阳安—南宝成及西成客运快速通道等五大通路,阳安铁路通过兰渝阳安联络线,西接兰渝,东联西康、襄渝增建二线,可形成沟通西北华中地区,疆煤外运,以货为主,兼顾周边中短途、中低端客流运输的便捷东出通道。

(2)在科学定位的基础上,合理确定相关路网建设关系及分工,分析本线担负的任务及性质,同时深入研究线路吸引地区社会经济发展现状和规划,预测客货运输需求和发展趋势,合理确定本线应承担的客货运量,深入论述项目建设的必要性。

(3)根据沿线经济据点分布与城镇体系发展规划、结合沿线地形、地质和环境敏感点的分布情况,对线路走向方案、二线引入既有站区方案等进行大范围多方案比选,科学合理确定项目建设方案和工程内容。

(4)按统筹规划、合理衔接、分期实施的原则,系统研究增建第二线与既有线的过渡和衔接问题。结合沿线既有工程特点及建设环境,远近结合,科学选定项目建设标准及规模。

(5)特殊情况下,若既有线标准较低,改建提高标准将长段落废弃既有铁路时,宜选择新建铁路方案;当速差不大时,可与既有铁路形成双线能力;速差大时,也可各自组织运输,形成双单线能力。

2.2 充分搜集和分析研究既有线现状资料,合理确定既有线改建提速方案及增建第二线速度目标值

既有线提速改造不同于新建铁路,必须充分考虑既有线现状、施工期间对既有线运营的行车干扰和既有设备利用,根据提速改造的总体要求和客货运量的增长幅度,确定改造方案和技术标准。一般既有线改造标准可略低于新建线路。如最小曲线半径,《既有线提速 200km/h技术条件》规定:“改建或新建地段最小曲线半径3500m、困难条件下2800m,既有线保留地段最小半径2500m的曲线通过速度可为 200km/h”。也就是说,改建或新建绕行地段按新建铁路标准,既有线保留地段通过技术经济比选能够显著节省工程投资,可适当降低标准。

改建既有线或增建第二线时,考虑到既有铁路,尤其是山区既有铁路,曲线半径标准大多较低,若按新线建设标准的规定改大半径,势必引起大量废弃工程,并严重干扰运营。最小曲线半径应结合既有线特征和工程条件比选确定。困难条件下,按上述标准改建将引起巨大工程的小半径曲线可经技术经济比选确定适应和合理的改建方案,并根据线路具体情况,经详细的比选研究,分路段选定旅客列车设计行车速度。

提速效果分析是选择既有线提速技改技术标准的基本方法。在分路段不同提速目标值条件下,可利用价值工程理论,对提速效果与投资进行效益分析,选定路段速度目标值。

如阳安线,行经汉江低山峡谷区,丘陵区和盆地平原区,低山峡谷区地段,既有线桥隧相连,线形曲折,全线共设曲线 316处,占线路总长的 44.4%。其中半径小于 600m曲线占线路总长的 14.5%,最小曲线半径为 450m,最短夹直线长 28.64m,最短圆曲线长 16.71 m。既有线路允许速度 85～105km/h,现状旅客列车的平均旅行速度 50～70km/h,货物列车平均旅行速度只有 30km/h左右,列车运行速度无法适应快速通道的要求。

根据既有线的平纵断面条件,增建二线左右侧选择,沿线的地形、地貌单元特征,改建工程大小,达速路段的最小长度要求,车站引入情况及枢纽地区的规划要求等,将全线划分为阳平关东至勉西、勉西至洋县、洋县至汉阴、汉阴至安康四个速度段落进行方案研究。结合既有线工程,经多方案比选,提速效果分析,最终确定了四个段落的速度目标值。

2.3 结合既有线车站分布及增建二线车站引入条件,合理确定提速方案

山区铁路枢纽和地区一般地形地貌、地质条件复杂,沟谷纵横,地域狭窄。引入枢纽和地区线路方案的选择要考虑接轨点,编组站站型,既有枢纽和地区内各车站类型、性质及作用;枢纽内线路衔接引入径路,枢纽近远期规划等各有关因素,根据枢纽总图规划,并结合增建第二线引入疏解条件,综合分析比选确定。

增建二线在满足地方经济发展对铁路运输的需要及铁路自身运输需求,考虑区间通过能力的均衡性的前提下,宜封闭部分会让站;改线地段宜尽量利用既有车站,以减少废弃工程,对引入既有站将引起巨大工程的,可分设或局部分设车站。如宁西线铁峪铺站,既有站为曲线站,位于铁河河谷北侧阶地上,3股道,到发线有效长为 880m,站坪长为1390m;由于增建二线的引入及进站端与既有隧道施工间距的影响,现有的站坪长无法满足设计需要,故本次针对站位结合二线的引入及该段的地形、地质、工程设置,研究了铁河北岸局部分设站位及铁河南岸第二线独立分设站位方案。经比选分析,采用了站位选址条件好、运营管理方便、工程投资省的铁河北岸局部分设站位,详见图1。

图1 铁河北岸局部分设站位方案

2.4 调查分析既有工程病害的性质、类型及危害程度,结合既有线路走向,合理确定第二线位置

我国系多山国家,山区占国土总面积的 65%以上。特别是西北和西南地区地形尤为复杂,西北地区东部为黄土高原,西部高山重叠,海拔高,属高山高原地貌;西南主要以高山重岭与内陆盆地相间,四周高山、丘陵环抱,山岭起伏大,相对高差大;早期修建的山区铁路,为节省工程投资,铁路选线多以河谷线与越岭线组成。如成昆、川黔、阳安、宁西、安康等线约 70%以上属河谷线。

山区河谷一般狭窄多弯,坡岸陡峭;河床自然纵坡一般较大,水流湍急,冲刷严重;地质构造复杂,广泛分布断层、滑坡、岩堆、崩塌、溜坍、泥石流、岩溶、水库塌岸等严重不良地质地段,进而造成既有运营线路大量的工程病害,使维修困难,甚至危及行车安全。

增建第二线应注重既有工程病害的调查,分析研究其性质、类型及危害程度。对病害严重、较为集中地段,结合既有线路走向和增建二线方案考虑一并改建。如阳安线阳平关东至响水段为嘉陵江及其支流黑水河峡谷区。既有线出阳平关东后溯嘉陵江北上至黑水河沟口,东折逆黑水河谷而上,于蒋家河南折至代家坝回头展线溯响水河至岭顶,本段既有线长 25.3km。区内山高谷深,沟梁相间,河流蜿蜒曲折,自然山坡陡峭,植被茂密,基岩裸露,相对高差在 50～250m。响水为分水岭。本段为秦岭褶皱带和扬子地台的接壤地区,地质构造复杂。广泛分布滑坡、岩堆、崩塌、溜坍等严重不良地质现象,经多方案比选采用了长隧取直双绕方案。如图2所示。

图2 阳安线阳平关东至响水段增建二线方案比选

随着高桥、长隧修建技术的提高,铁路选线理念发生了较大变化,铁路选线设计更加注重环境,城镇规划,资源开发,交通、农田、水利设施间的协调,要求总体上相互配合,全局上经济合理,更多地采用高新技术。

2.4.1 地质复杂地段增建第二线应结合既有线路走向、车站设置,避免线路通过严重地质不良地段

在地形地质复杂地段,铁路选线更应坚持“地质选线”原则,即坚持线路应绕避全新活动断裂或在断裂较窄处以大交角通过,重点工程必须置于“安全岛”内和绕避严重不良地质地段三大地质选线原则。具体如下:

(1)线路应选在地基比较稳定、地下水埋藏较深地区或地形开阔、平缓和稳定的山坡上。

(2)线路应尽量以简单工程通过全新世活动断层,避免以高路堤、深路堑、陡坡路基或高桥通过之;如以长隧道穿越全新世活动断层,宜选择最窄部位以大角度通过;且最好在洞口附近,能顺坡排水。

(3)尽可能控制桥高和路基填方及切坡高度。不设傍山短隧道群,减少展线,预留限坡调整余地,最大限度地减轻地震次生灾害的危害并有抢修条件。

(4)隧道应“早进晚出”,确保在山坡稳定部位设置洞口,并综合考虑地形和岩土的地震动放大作用,合理定位和设防隧道出口,路基高程应高出可能出现的堰塞湖水面最大高程,避免被淹没。

(5)随着高桥、长隧修建技术的提高,多年来形成的沿河选线原则需重新思考,可采用靠山长隧或改走山脊线,以绕开沿河的大量不良地质现象,也可降低以后运营中可能出现的山区铁路常见病害风险。

2.4.2 增建第二线应注重环境保护,尽量避免通过风景名胜、自然保护区等影响线路走向的重点区域

对于工程建设,在《风景名胜区管理暂行条例》和《中华人民共和国自然保护区条例》中都有具体而明确的规定:要求“在自然保护区的核心区和缓冲区内,不得建设任何生产设施。在自然保护区的试验区内,不得建设污染环境、破坏资源或者景观的生产设施”。

一般情况下,线路选线时应尽量避开自然保护区和风景名胜区。由于自然保护区和风景名胜区的覆盖面积小则几平方千米,大则达到几百或上千平方千米,当线路确实无法避开这个区域时,首先要保证线路位置必须避开它的核心区和缓冲区部分;在试验区内虽然可以通过,但是也必须考虑适应诸如不得设车站、不准鸣笛、工程建设必须与周围景观相协调等限制性条件。

在增建第二线选线过程中,要避开文物保护区域,特别是全国重点文物保护单位。对省、市和县级的文物保护单位,当线路确实无法避开时,要进行经济技术比较。因为经过这些区域,要经过该文物保护单位的行政管理机构严格而复杂的审批,整个审批和文物发掘或迁移过程漫长,势必影响铁路工程审批和实施的进度。通过此类区域线路一般宜绕避。

噪声污染是铁路运营后的头号环境问题,也是目前遭受投诉最多的。随着铁路的提速,噪声污染影响更为突出。对穿越文教区、大规模的居民住宅区等敏感点的铁路,若采取整体拆迁,投资费用巨大;采用建声屏障等其他降噪措施,对机车鸣笛的降噪效果明显,但遗留环境污染后患,如电磁污染和振动污染,不利于以后的运营管理。因此,对经过这类区域线路方案应进行认真研究。对线路改线增加的投资和进行噪声治理的投资,应进行经济、技术比较后确定合理的线路方案。

3 结论

改建既有线及增建第二线线路设计制约因素多,尤其是早期建设的山区单线铁路扩能改造项目,受当时经济发展水平和设计、施工能力的限制,一般既有线标准较低,长期超负荷运营,致使线路工程病害较多,运营速度低,运输能力小、抵御自然灾害能力弱、运营成本高。因此增建第二线及提速改造是提高线路运输能力和铁路服务质量的必由之路。

增建二线设计应贯彻“强本简末”的理念。“强本”是对于建成后不宜改建且对今后提高技术标准有制约性的工程,要下决心一次性建成、建好;“简末”是一些铁路运营的辅助设施和设备,要在满足运营基本需要的前提下尽量简化。在增建第二线选线工作中,该理念体现在对既有工程的合理利用,在充分研究既有线路条件的基础上,结合沿线既有工程特点及建设环境,远近结合,科学选定第二线建设标准及规模,避免大量废弃既有线路和既有设施。同时,应注重既有工程病害的调查分析,认真研究其性质、类型及危害程度,对既有线病害严重且较为集中地段,结合既有线路走向和增建二线方案,宜考虑一并改建,以期达到提高列车运行速度和运输能力的总体目标。

[1]GB50090— 99,铁路线路设计规范[S].

[2]铁建设[2003]76号,新建客货共线铁路设计暂行规定[S].

[3]铁道部科学研究院铁道建筑研究所.高速铁路技术[M].北京:中国铁道出版社,2005.

[4]陈应先.高速铁路线路与站场设计[M].北京:中国铁道出版社,2001.

[5]铁建设函[2003]439号,新建时速 200km客货共线铁路设计暂行规定[S].

[6]钱立新.世界高速铁路技术[M].北京:中国铁道出版社,2003.

[7]柳世辉.《铁路线路设计规范》修订的主要特点及内容[J].铁道标准设计,2006(3).