复杂地形地质条件下的山区铁路站场设计研究——以大瑞、大丽、丽香等山区铁路为例

文 东,胡 健

(中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031)

我国山区面积广大,约占国土面积的2/3,山区铁路是全国铁路网的重要组成部分。山区铁路车站设置既要满足本线运输能力的需要,又要靠近经济据点,拉动地方经济,但山区铁路站场的布置常受地形地质条件的制约,因此需要根据不同地形地质条件对车站站位、车站规模、车站布置形式及站房、工区、段所位置等进行特殊设计。

1 山区铁路的特点

1.1 自然特征

(1)地形、地貌特征

山区包括山地、丘陵和崎岖的高原,山区高度可分为高山区、中山区和低山区。云贵川等西南山区,通常地势东高西低,北高南低。高程较高,相对高差较大,地形起伏大,横坡较陡。西南山区雨水充沛,通常沿线植被较茂盛,地表基本被覆盖,且覆盖层及风化壳均较厚。

(2)工程地质较差，存在大量不良、特殊地质

山区通常地层岩性、地质构造复杂,构造作用强烈,受褶皱、断裂及岩浆侵入活动的影响,岩层产状变化较大,岩体完整性较差,岩层风化层较厚。水文地质条件复杂,地表水、地下水发育不均,部分地下水、地表水对混凝土具侵蚀性。局部地段边坡稳定性较差。加之江河深切,地形复杂。不良地质、特殊岩土发育,特别是滑坡、错落体等不良地质密集,范围大,具成群分布的特点。常见的不良地质有岩溶、滑坡、错落、危岩落石、岩堆、泥石流、砂土液化、人为坑洞、煤层瓦斯、采空区及顺层等；特殊岩土有软土、膨胀土等。一般来说工程地质条件较差。

以大瑞线为山区铁路代表,具有“三高”(高地热、高地应力、高地震烈度)、“四活跃”(活跃的新构造运动、活跃的地热水环境、活跃的外动力地质条件、活跃的岸坡浅表改造过程)的特征,是目前国内艰险山区地形地质条件最为复杂的一条铁路。

1.2 山区铁路技术特征

(1)由于通过多为经济不发达地区,为发挥铁路拉动地方经济的作用,山区铁路多为客货共线铁路。如大(理)丽(江)、大(理)瑞(丽)、丽(江)香(格里拉)等铁路均为客货共线铁路。

(2)山区铁路为适应地形、高程,其牵引方式通常为双机或多机牵引,限制坡度一般较大[1],如大丽线限坡为12‰,大瑞线限制坡度12‰,加力坡24‰,丽香线限制坡度12‰,加力坡30‰。

(3)地质选线

山区尤其是西南山区铁路沿线山高谷深、地形陡峻、相对高差大,构造运动强烈,地质条件复杂、桥隧工程艰巨。因此在勘测和设计过程中始终应遵循越岭地区、山区河谷、不良地质及特殊岩土分布区地质选线,并结合沿线重大桥隧工程进行铁路选线的原则。

(4)线路桥隧比重大、投资造价高

由于地形、地质原因,山区铁路选线中桥、隧所占比重通常较大,大丽、大瑞、丽香线桥隧比重分别达到60.12%、76.2%、72.9%。因此,部分车站须设在桥隧上。

2 山区铁路站场设计中经常遇见的问题

2.1 站位选择

山区铁路地形困难,地质复杂,长隧高桥工程艰巨。车站作为铁路运输的基层生产单位,如何既能保证铁路的通过能力要求,又要合理选择站位,节省工程投资。这是山区铁路站场设计首先面临的一个重要问题。

2.2 车站规模和设计备

山区铁路中数量最多为会让站和越行站,其次为规模较小的中间站,但由于山区铁路桥、隧众多,如何在满足通过能力要求的前提下,选择合理的车站规模和技术设备,也是我们站场设计的一个重要问题。

2.3 车站布置形式

在满足运输要求的同时,考虑近、远期优化车站布置形式研究各项设图示的相互位置,提出合理的车站布置图,可以有效的节约工程投资。

2.4 站房、工区、段所位置

车站的站房、工区、段所是车站的重要组成部分,也是运营管理人员生产生活的场所,直接影响铁路运输生产。所以经济合理选择站房、工区、段、所位置,对于节省工程投资有着重大意义。

3 山区铁路站场设计应遵循的原则

“以人为本、服务运输、强本简末、系统优化、着眼发展”是铁路建设20字方针,山区铁路由于自然条件困难,线路中桥隧比重大,投资高,进行设计更需要坚定不移地执行这个方针,山区铁路站场设计时应遵守下列原则和要求。

(1)保证本线的输送能力。山区铁路站位的选择、各项设备的能力应适应近、远期客、货运量的需求,并应具备必要的储备能力。

(2)安全性应贯穿设计的始终。车站布置和设计技术条件应符合有关规范、规章和标准要求,把提高安全可靠性贯穿于整个设计中。

(3)设计方案应有总体性、全局性观念。车站设计是一项系统工程,不仅要注意本身内部各项设备的合理布局、各专业相互配合以及与区间能力相互协调,而且要考虑照顾地方经济据点,满足城市规划、工农业布局和国防等多方面要求。

(4)注重投资效益,节省基建费用。在满足设计期运期需求和保证安全的前提下,尽可能节省工程费用、少占用地。

(5)考虑持续发展的可能,布置车站各项设备时,应着眼长远,综合考虑近、远期可能变化,避免废弃工程。

4 复杂地形地质条件下的山区铁路站场特殊设计

4.1 结合多种因素合理确定车站位置

4.1.1站位、线路方案需照顾地方经济据点及地方规划

山区铁路沿线多为我国不发达的地区,拉动地方经济是修建铁路的社会效益,所以铁路车站选位应考虑照顾沿线的经济据点[1]。

4.1.2 结合山区桥、隧方案选择合理站位

山区铁路桥隧比高,从工程投资的角度看,铁路车站一般应尽量避免设置在桥梁和隧道内[2-3],以免形成多线桥、多线隧道,大幅提高工程投资。如果无法避免,应该尽量减少站内桥隧长度。但特殊情况下,为了近、远期工程结合,远期不产生废弃工程,可以将车站部分或全部设于桥、隧之上。

(1)结合桥梁设计选择合理站位。大瑞线怒江车站(4条到发线)原设于怒江大桥东岸路基上、并伸入隧道内,土石方工程量约33.2×104m3,而怒江特大桥长947 m,桥高189 m,主跨采用432 m斜拉桥,投资高达7.07亿元,其梁面结构宽度达到20 m以上,故将怒江车站调整到怒江特大桥上,两端伸入隧道,既不增加桥梁工程,又节省了路基、隧道工程。大瑞线怒江车站布置见图1。

图1 怒江车站布置示意

(2)近、远期工程结合,将车站布于隧道内。大瑞线北斗车站设于栗子园2号隧道之内(图2),结合远期复线,隧道设计为双线。近期布设北斗车站,远期关站后改为复线区间。虽然近期投资略有增加,但远期不产生废弃工程,是近、远期工程结合的一个典型设计。

图2 北斗车站布置示意

4.1.3 采取部分区间双线的方法,调整车站位置

当车站位置受到通过能力控制,而且其所处位置桥、隧工程艰巨,或者运营条件极度恶化,经充分技术经济比较论证后(区间双线增加投资较大),可考虑采用区间双线的方法[1]减少车站或调整车站位置到合适的地方,如图3所示。

图3 部分区间双线示意

4.2 车站规模和设备

4.2.1应在满足运输能力的前提下,尽量减小车站规模

在满足运输组织的基本前提下,尽量减小规模,可以有效缩减工程投资。如大瑞线预可研设计中,会让站按相邻车站到发线3条/2条(含正线)的规模间隔设置[2-3],而在可行性研究中,经充分技术经济论证,满足大瑞线运输能力的前提下,沿线15个会让站均设置2条到发线。

4.2.2根据工程情况,灵活调整相邻车站配线数量

山区会让站设于高桥或长隧中,根据工程代价和工程风险,调整相邻车站配线数量,可节省工程投资,减少工程风险。

以丽香线虎跳峡车站设计为例：车站大部分位于金沙江特大桥上,若采用3股道(含正线)方案,香格里拉端混凝土连续梁长要增加至150 m左右才能满足车站咽喉区上桥的条件,线路高程同时相应抬高5 m左右,恶化了隧道尽早进洞避开大型岩堆的条件。车站若按2股道设计,桥面顶宽为12.0 m,与拱顶拱肋宽基本一致。若设3股道,桥面顶宽达到17.0 m,超过了保证桥梁横向刚度所需的桥宽[4-5]。若采用3线方案,拱上梁及线路恒载增加约161.7 kN/m,恒载增幅约19.1%,活载增幅33.3%,用钢量增加约4 031 t,造价增加约6 852万元。而相邻车站原设计为2股道,改为3线后增加投资约2 681万元,合计减少投资4 171万元,同时降低了工程风险。因此,虎跳峡车站最终按2股道(含正线)设计,与其相邻车站按3股道设计,既节省了投资,降低了金沙江特大桥设计难度,又满足了区间通过能力和列车会让条件。虎跳峡车站布置如图4所示。

图4 虎跳峡车站布置示意

在某些情况下,可根据地方要求和当地的实际情况,增加车站设备。

以大瑞线澜沧江会让站(图5)为例,设于澜沧江特大桥上,位于澜沧江大峡谷中,在南方丝绸之路的要冲咽喉霁虹桥上方,四周山势雄峻,桥下水流湍急。车站在大桥上设置2座400 m×4 m×0.3 m长的旅客站台,供旅客观赏景色,这也突显了铁路 “以人为本”的设计思想。

图5 澜沧江站布置示意

4.3 车站形式

山区铁路中地形陡峻,地质复杂。桥隧相连,车站的布置形式对于线路条件、运营条件、投资情况均会产生很大影响。

4.3.1 会让站特殊布置形式

会让站所处的位置通常桥隧工程较大,会让站可以采用特殊线间距、单侧到发线布置和纵列、错开形式来优化车站设计,达到节约工程投资、优化运营条件的目的。

(1)采用特殊线间距

特殊线间距可采用小间距,大间距、变化间距的形式

①到发线间距小于5.0 m。大瑞线澜沧江车站设于澜沧江特大桥上,大理端伸入江顶寺隧道,出站端伸入大柱山隧道内。设到发线2条,线间距采用4.4 m[1]。这样设计既减少澜沧江特大桥梁面宽度,而且车站两端双线隧道部分约700 m(含预留复线部分),其断面面积较双线5.0 m间距隧道减少11 m2。

②到发线采用大间距,分修站内桥、隧。以大瑞线太平车站为例,车站两端伸入秀岭隧道和阿克路隧道,车站中部设顺濞河大桥(145 m),车站到发线间距30 m,到发线结合二线位置和隧道平导位置布设,详见图6。虽然此布置近期投资并非最小,但其优点很明显：近、远期工程结合好,远期二线线形好,且隧道施工难度小[6]。

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图6 太平站布置示意

③采用渐变的线间距。大瑞线初一铺车站采用此种设计,车站大理端设于大坡岭隧道内,到发线30 m间距,瑞丽端到发线5 m间距,车站到发线利用车站内曲线变化间距,双线引入后利用站内隧道和双线桥。曲线车站设计时考虑远期不产生废弃工程,经技术经济论证后,可采用此设计形式。如图7所示。

图7 初一铺车站布置示意

(2)采用单侧式到发线布置

以大瑞线大理西车站为例说明此种布置形式。本站远景复线时大理端接入大理客—大理西客车双线和大理东—大理西的货车外绕双线,瑞丽端双线引出；近期单线设到发线2条,均设于正线右侧,路基挡护工程较多[7-8]；远期复线时于正线右侧增设到发线1条(间距8.0 m)。本站进站端受沙坝隧道控制,出站端伸入冒风园1号隧道；站内设大理西正线大桥,如图8所示。这种特殊设计形式远期预留到发线为桥梁工程,待运量增长后再实施。这样使近、远期工程良好结合,充分节约了近期工程投资,又不致产生废弃工程。

图8 大理西站布置示意

(3)采用纵列布置或错开布置

山区车站,桥隧相连,常规布置造成隧道工程巨大,可以考虑采用到发线错开布置、纵列布置。

大瑞线怒江站：位于怒江峡谷上怒江特大桥上,车站桥隧相连,平面布置控制因素是大桥两端隧道只能满足三线断面开挖。设计采用了错开布置,同时采用无人值守,车站布置如图9所示。

图9 怒江站到发线纵列式布置示意

4.3.2 中间站特殊布置形式

采用分线束布置到发线形式。以大瑞线龙陵站为例：车站位于高黎贡山特长隧道出口峡谷地段,桥隧相连。车站设于R=1 600 m曲线上,设到发线4条(含正线),并预留到发线1条,由于隧道工程只能三线开挖。瑞丽端咽喉设计采用错开、增大线间距布置,隧道内到发线采用两线、三线分束布置,既满足隧道工程需要,又同时避免了到发线有效长过长和安全线设在隧道内的弊端。保证了工程技术可行,投资经济合理。大瑞线龙陵站站场平面布置见图10。

图10 大瑞线龙陵站布置示意

4.4 站房及段、所场坪位置的设置方案

车站的站房、段、所集中了大量的铁路技术设备[9],其位置的优劣直接关系到运营生产的条件,而且对工程投资也有着不同程度的影响。下面介绍一些山区困难条件下选择站房及段、所场坪的方案。

4.4.1 就近寻找地形平坦、地质良好的位置

山区会让站通常无旅客乘降作业,桥隧相连的车站或地形困难的车站可在附近寻找地形平坦,地质良好的地块设置车站站房场坪。大瑞线太平车站全站位于桥隧上(大理端在秀岭隧道内,瑞丽端在阿克路隧道内,车站中部位于顺濞河大桥之上)。车站站房选择在2道左侧略为平缓的地块上,通站道路从桥、隧的施工便道引入,该设计既保证了运营的需要,又节省了工程投资。

4.4.2 结合隧道辅助坑道位置

当车站部分或全部位于隧道内,可将站房场坪设于隧道的平导、竖井、斜井附近。大丽线诸葛城会让站,两端位于隧道内,两隧间为“一线天”,桥隧相连。设计采用无人值守,隧道横洞外设运转室(设备间),大丽线诸葛城会让站平面布置见图11。

图11 诸葛城会让站平面布置示意

4.4.3 结合临时施工场地位置

隧道进出口、辅助坑道口以及桥梁墩台施工时会临时开辟出施工场地,摆放施工房屋,设备及搅拌站等,在条件允许情况下,可考虑永临结合的方案布置站房场坪,设于施工场地之上,如大瑞线北斗车站(图2)就是一个很好的例子,全站设于栗子园2号隧道内,站房与临时施工场坪相结合,设于栗子园2号隧道出口横洞侧的施工场坪,该处开辟为施工场地后,场坪条件良好。

4.5 以总体性、全局性视点,优化车站设计,节约工程投资

站场设计是一个综合站前、站后专业的系统工程,尤其是山区铁路车站,地质复杂,工程艰巨,更需要站在总体的角度考虑区间、车站桥隧多种因素,多个专业。

图12是大瑞线漾濞车站综合考虑利用区间隧道弃砟、优化站内桥梁、路基的设计实例。

图12 漾濞车站平面布置示意(单位：m)

漾濞车站为大瑞线县城中间站,设于大理州漾濞县城南侧约1 km处,与漾濞县城隔漾濞江相望。车站大理端受尖山岭隧道控制,瑞丽端受秀岭隧道控制,车站设于漾濞江特大桥上,本站为办理客、货运作业的中间站,采用横列式布置,设到发线4条(含正线),基本站台和中间站台各1座(均设置站台桥),设货物线1条。站房位于正线右漾濞县城一侧。

优化设计将漾濞江四线特大桥由原4(33-32 m)缩短为4(25-32 m),两座站台桥由原设计的17-32 m缩短为9-32 m,D1K34+435.5～D1K34+696.05段改为路基,站房维持线下式，高程抬高至1 533.2 m,漾濞江四线特大桥及2座站台桥均缩短约260.35 m。

这样设计的优点显而易见：首先是缩短了桥梁的长度；其次由于车站两端都与隧道相连,增加的路基填方可用于消耗隧道弃砟。经估算,优化设计节省投资约1 514万元。虽然铁路新征用地略有增加,但大幅减少了隧道弃砟占用的临时征地。

5 结论

山区铁路站场设计中,车站场坪及站房设计必须充分考虑特殊地形地质情况的影响,车站设计应结合桥梁、隧道、路基方案进行综合考虑和优化,以尽量降低在特殊地形地质条件下设车站的工程造价和工程风险,节约铁路用地,提高车站设备能力利用率及线路运输能力。同时复杂山区铁路站场设计还应考虑车站远期扩能改造的需要,对难以分期实施的工程,应近远结合,以免远期工程无法实施或产生废弃工程。

[1] 中华人民共和国铁道部.GB50090—2006 铁路线路设计规范[S].北京：中国计划出版社,2006.

[2] 中华人民共和国铁道部.GB50091—2006 铁路车站及枢纽设计规范[S]. 北京：中国计划出版社,2006.

[3] 铁道第四勘察设计院.站场及枢纽[M].北京:中国铁道出版社,2004.

[4] 中华人民共和国铁道部.TB10002.1—2005 铁路桥涵设计基本规范[S].北京：中国铁道出版社,2005.

[5] 中华人民共和国铁道部.TB10082—2005 铁路轨道设计规范[S].北京：中国铁道出版社,2005.

[6] 中华人民共和国铁道部.TB10003—2005 铁路隧道设计规范[S].北京：中国铁道出版社,2005．

[7] 中华人民共和国铁道部.TB10001—2005 铁路路基设计规范[S].北京：中国铁道出版社,2005．

[8] 中华人民共和国铁道部.TB10035—2006 铁路特殊路基设计规范[S].北京：中国铁道出版社,2006.

[9] 中华人民共和国铁道部.TB10083—2005 铁路旅客车站无障碍设计规范[S].北京：中国铁道出版社,2005.