山西中南部铁路通道吕梁山越岭段方案研究

2014-11-27曹祥

铁道标准设计 2014年2期

曹祥

(铁道第三勘察设计院集团有限公司线站处，天津 300142)

1 概述

山西中南部铁路通道西起瓦塘，东至日照，线路全长1 322 km，桥隧比例49%，配套建设与岢瓦线、南同蒲线、太焦线、京广线、京九线、京沪线的联络线。线路先后翻越吕梁山、太岳山、太行山及沂蒙山，途径山西省吕梁市、临汾市、长治市，河南省安阳市、鹤壁市、濮阳市，山东省济宁市、泰安市、莱芜市、淄博市、临沂市、日照市等3省12市。山西中南部铁路通道的修建，有利于推进山西中南部地区煤炭资源开发、确保国家能源安全供应，同时对密切山西、河南、山东三省区域经济协作，加快沿线经济社会发展具有十分重要的意义。

山西中南部铁路通道吕梁山越岭段地形复杂，由蒲县乔家湾镇昕水河河谷(海拔1 220 m)至洪洞汾河河谷(海拔440 m)，直线距离仅30 km，高差达780 m;本段处于汾西国家规划矿区及乡宁煤炭国家规划矿区，煤炭埋藏深度1 100～900 m不等。其中北起克城经乔家湾、黑龙关至乡宁县长约100多km、宽20多km范围内煤炭开采已达到一定规模，采空区分布较广且多无详细统计资料，正确处理线路与规划矿区和采空区间的关系为本段线路方案选择的又一重要因素;另龙子祠泉域位于山西省临汾市西北13 km西山山前，泉域所处地理位置属吕梁山脉，泉水出露于西山与临汾盆地交接处的坡积物中，泉水大多以散流形式溢出地表，泉水流向临汾盆地，弃水入汾河，是临汾市工业及饮用的主要水源。

除上述三大控制因素外，本段范围内还有五鹿山国家级自然保护区一处，位于蒲县北部，线路应绕避该保护区;线路引入洪洞地区之前需跨越汾河，线路跨越汾河应满足法向角不大于5°。

综合以上控制因素，本线对吕梁山段越岭方案进行了深入研究。

2 线路走向的选择

吕梁山东侧为汾西规划矿区，西侧为石隰规划矿区及乡宁规划矿区。其中汾西规划矿区煤层埋深最浅(100～400 m)，煤炭资源开发较早，一方面既有108国道及南同蒲铁路南北向贯穿矿区，交通运输条件便捷，另一方面由于煤炭开采相对简易，长期的无序开发也在该地区形成了大范围的采空区，特别是解放前形成的大量古窑采空区，由于无法获得准确的采空区资料，为线路方案的确定造成了一定的困难。石隰规划矿区及乡宁规划矿区煤层埋深较深(900～1 200 m)，加之沿线交通运输条件的落后，煤炭资源开发较为滞后，特别是石隰规划矿区，截止目前基本尚未开发。

经详细勘察，蒲县至洪洞吕梁山越岭地段煤层高程位于1 100～900 m，对应区段龙子祠岩溶水位线高程位于867～492 m范围。考虑到煤层范围可能存在的采空对隧道工程形成的安全隐患，线路设计高程应满足距离煤层底部50 m以上;为保证长隧道的建设不致对泉域造成破坏，线路设计高程应至少距离岩溶地下水位线70 m以上。基于上述条件，经分析，其中煤层与泉域地下水位共同制约线路高程的15 km范围内，线路设计高程仍有119～402 m的空间可供选择，即由蒲县至洪洞越岭，越岭隧道选择合适的高程可保障既不穿越煤层又不影响龙子祠泉域地下水。

结合区域内自然地形条件，吕梁山西侧可供选择的主要河谷为东川河及昕水河，吕梁山东侧汾河河谷的山前洪积扇可供线路走行，综合沿线自然地形条件以及矿区及采空区分布情况，吕梁山越岭段主要研究了平面绕避采空区的经克城方案与高程避让采空区的经蒲县方案。如图1所示。

图1 山西中南部铁路通道吕梁山越岭段方案示意

2.1 经克城方案

线路自隰县站外始，折向东进入东川河，沿黄土至佃坪方向向东越岭，设佃坪站后折向东南二次越岭，而后沿吕梁山东侧汾河河谷山前洪积扇展线后跨越汾河。经克城方案走行于五鹿山国家级保护区北部边缘，采用平面绕避的方式消除线路与采空区的相互干扰。

本方案线路长度102.650 km，沿途设黄土、佃坪(万吨)、万安(万吨)3座车站，其中含桥梁工程23.068 km，隧道工程38.788 km，桥隧比例60.3%，越岭隧道长17.245 km，工程投资838 324万元。

2.2 经蒲县方案

线路由隰县起，沿城川河河谷向南至水堤，向南越岭，于井沟东侧至昕水河河谷，顺昕水河河谷沿东南方向行进，于肖家沟村设站后向东越岭，利用回头曲线展线后设龙马站，顺地势向北至登临村南侧折向东跨越汾河，采用立面避让的方式消除线路与采空区的相互干扰。

本方案线路长度78.896 km，沿途设蒲县(万吨)、龙马(万吨)2座车站，其中含桥梁工程12.583 km，隧道工程56.382 km，桥隧比例 87.4%，越岭隧道长23.441 km，工程投资711 254万元。

2.3 小结

项目修建意义方面，经克城方案无法兼顾蒲县地区煤炭的开发及外运，有悖于本线修建的初衷。

工程风险方面，经蒲县方案采取立面避让煤层的方式避让采空区，同时兼顾了对龙子祠泉域地下水的保护，彻底消除了安全隐患;经克城方案采取平面绕避的方式绕避采空区，考虑到区域内煤炭资源长期的无序开发及资料的缺失，古窑采空区的不确定性对线路方案的稳定仍存在不利影响。

工程经济方面，经蒲县方案较经克城方案缩短线路长度23.754 km、节省工程投资127 070万元，无论从运营角度，还是工程投资角度，经蒲县方案具备明显的优势。

综上，吕梁山越岭地段线路走向选择经蒲县方案。

3 越岭隧道长度的确定

在越岭走向方案采用经蒲县方案的基础上，分析沿线自然地形条件可知，越岭隧道出口侧山前陡壁与洪积扇的分界高程为740 m，也就是说越岭隧道出口最大高程应为740 m，否则越岭隧道出口侧将出现线路悬空。经分析，越岭隧道出口端山前陡壁与洪积扇分界线距离越岭垭口间距离为25 km，按轻车上坡方向13‰的限制坡度推算，考虑越岭垭口变坡等因素，越岭垭口高程应在1 060 m左右。

越岭垭口肖家沟附近区段昕水河河底高程为1 050 m，考虑昕水河水位的影响，线路设计高程应为1 060 m左右。肖家沟附近分别向东、向南发育两条昕水河支流，其中向南发育的支流河底自然纵坡为10‰，向东发育的支流河底自然纵坡为11‰。如考虑越岭垭口高程的调整，越岭隧道进口方向每缩短1 km的隧道长度，越岭垭口高程则需抬高10 m左右，同时结合越岭隧道出口方向展线条件，相应出口侧需增加1 km的隧道工程展线。综上分析，吕梁山越岭垭口高程确定为1 060 m左右。

3.1 越岭长隧道方案

蒲县站采用肖家沟站位，越岭点高程1 061 m，越岭隧道沿大洪峪涧河方向出洞，出洞高程769 m，越岭隧道长度23.441 km。

本方案隧道洞身距离最近煤层83 m，距离龙子祠泉域岩溶地下水位线最近125 m，对应段落为马家沟组第三段地层，岩性为灰岩到泥质白云岩，局部发育膏溶角砾岩，岩体较完整。线路长度56.138 km，其中含桥梁工程12.267 km，隧道工程27.453 km，桥隧比例70.8%，工程投资450 886.4万元。

3.2 越岭短隧道方案

蒲县站采用肖家沟站位，越岭点高程1 067 m，越岭隧道沿老虎沟方向出洞，出洞高程769 m，越岭隧道长度20.500 km。

本方案隧道洞身距离最近煤层63 m，距离龙子祠泉域岩溶地下水位线最近140 m，对应段落为马家沟组第三段地层，岩性为灰岩到泥质白云岩，局部发育膏溶角砾岩，岩体较完整。线路长度63.842 km，其中含桥梁工程17.494 km，隧道工程30.115 km，桥隧比例74.6%，工程投资500 712.6万元。

3.3 小结

吕梁山越岭长、短隧道两方案均采取立面避让的方式消除线路与煤矿采空区的关系，同时均能够保障越岭隧道的建设不致对泉域造成破坏，由以上两个方面分析长、短隧道方案无明显差异。

越岭短隧道方案为尽早出洞，隧道出口选择于沟底自然高程更低的老虎沟，而为缩短线路跨越汾河桥长、降低桥梁高度，汾河桥位选择于登临附近，由此导致越岭短隧道方案不可避免的向南展长了线路，此外因吕梁山东侧769～740 m的高程范围内无适宜的地形条件可供走行，从而造成展长线路部分均为隧道工程。故由工程经济方面分析，越岭短隧道方案较长隧道方案增加工程投资49 826.2万元，增加工程投资显著。

综上，吕梁山越岭采用长隧道方案。

4 展线位置的确定

综合分析越岭隧道出口至汾河桥间自然地形条件，吕梁山越岭隧道出口端高程740 m，汾河河谷西侧山前广泛发育的山前洪积扇高程位于740～540 m，为适当降低本线跨越汾河桥梁高度、节省工程投资，无论在越岭隧道出口提前展线，还是在汾河桥前展线，由自然地形方面分析均具备良好的展线条件。

结合越岭隧道出口至汾河桥位间分布大洪峪涧河、赵凹沟、漫底沟、石止涧河等深切冲沟的具体情况，于越岭隧道出口灰岩区展线，展线范围内大部分为隧道工程，但提前展线后线路设计高程与沿线自然地形的适应性更强，跨越沿线沟谷的桥梁高度明显降低，工程条件明显改善;于汾河桥前顺地势展线，大部分可利用路基工程展线，但为达到降低汾河桥梁高度、节省工程投资的目的，汾河桥由登临桥位局部向北平移至安定堡桥位，但受跨越汾河角度限制，造成汾河桥后部分展长线路的浪费。

经统计，长隧道口展线方案线路长度30.464 km，其中含桥梁工程14.768 km，隧道工程2.900 km，桥隧比例58%，工程投资217 441.4万元;汾河桥前展线方案线路长度31.413 km，其中含桥梁工程16.927 km，隧道工程 2.052 km，桥隧比例 60%，工程投资227 494.2万元。

综合技术经济比较，长隧道口展线方案线路设计高程与沿线地形适应更强，跨越沿线沟谷桥梁高度显著降低，较汾河桥前展线方案节省工程投资10 052.8万元，越岭隧道东侧展线采用长隧道口展线方案。

5 长隧道与隧道群的选择

综合分析吕梁山越岭隧道西侧引线条件可知，隰县至蒲县站区间线路基本沿昕水河走行，隰县站设站高程949 m，蒲县站设站高程1 054 m，两车站间航空距离37.1 km，要求平均设计纵坡为2.9‰，对应区段为本线重车上坡方向，线路限制坡度为6‰，线路具备裁弯取直条件。

区段内线路通过黄土梁、峁和深切冲沟的黄土丘陵区，地质构造简单，岩层呈单斜构造，地层平缓，岩性主要为第四系新黄土、老黄土、第三系粉质黏土、黏土、三叠系砂岩和泥岩。线路行经地区沟深壁陡、且沟型大部垂直于线路方向，即使局部展长线路仍无法有效增加路基工程长度。

根据勘探成果资料统计，裁弯取直的长隧道方案重点工程(隰县隧道)洞身位于基岩段落约9.0 km，位于土层中1.4 km，洞身发育孔隙潜水及基岩裂隙水，隧道围岩Ⅲ～Ⅴ，以Ⅲ～Ⅳ级为主;短隧道方案工程地质条件较取直方案略差，但无明显差异。

经统计，长隧道方案线路长度24.200 km，其中含桥梁工程0.917 km，隧道工程22.205 km，桥隧比例96%，最长隧道10.505 km，工程投资205 957.3万元;隧道群方案线路长度24.814 km，其中含桥梁工程1.174 km，隧道工程22.686 km，桥隧比例96%，最长隧道6.810 km，工程投资210 769.0万元。

综合技术经济比较，长隧道方案跨越沿线沟谷桥梁高度显著降低，隧道进出口条件明显改善，便于施工组织，同时较隧道群方案节省工程投资4 811.7万元，故吕梁山越岭隧道西侧引线采用裁弯取直的长隧道方案。

6 越岭隧道内设计纵坡的确定(图2)

图2 山西中南部铁路通道吕梁山越岭隧道设计高程与煤层及龙子祠泉域地下岩溶水位线间关系剖面

山西中南部铁路通道瓦塘至长治段为本项目的集运区段，其中南吕梁山隧道以西的货物运量构成为近期下行7 654万t、上行235万t，远期下行10 855万t、上行326万t，货物流向具有明显的不均衡性，且上行货物主要为白货。结合项目的具体特点，对吕梁山越岭隧道轻车上坡是否折减研究如下。

两方案越岭长隧道范围线路走向一致，长隧道进口设计高程一致，越岭长隧道范围轻车上坡未折减(曲线范围考虑曲线折减)方案采用12.6‰的设计纵坡，折减方案采用11.8‰的设计纵坡。折减方案出口高程较不折减方案抬高18 m，此后两方案至汾河桥基本走行同一通路，适应线路设计高程展线;为降低汾河桥高，折减方案较不折减方案汾河桥位向北平移约1 km，受跨越汾河交叉角度制约，造成桥后部分展长线路的浪费。

经统计，长隧道轻车上坡不折减方案隧道洞身距离最近煤层91 m，距离龙子祠泉域岩溶地下水位线最近71 m，线路长度 54.664 km，其中含桥梁工程15.483 km，隧道工程26.341 km，桥隧比例77%，工程投资428322.6万元;长隧道轻车上坡折减方案隧道洞身距离最近煤层88 m，距离龙子祠泉域岩溶地下水位线最近73 m，线路长度56.595 km，其中含桥梁工程20.235 km，隧道工程26.564 km，桥隧比例83%，工程投资465 742.6万元。

综上，长隧道轻车上坡不折减与折减方案工程条件相当，结合本项目货物流向明显不均衡的特点，考虑到不折减方案较折减方案节省工程投资37 420万元，节省工程投资显著，故越岭隧道内设计纵坡采用轻车上坡不折减方案。