锦州港至白音华铁路天河梁越岭段线路方案研究

李 博

(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600）

1 引言

山区铁路越岭段的线路选线事关线路走向、投资节省、运营安全等，是线路选线中的重点、关键。在我国发展进入新时代，铁路选线技术也取得了长足发展，减灾选线理念贯穿铁路勘察设计始终，越岭段的线路选线以减灾理念为指引，需要更加注重地质、地灾因素，充分考虑运输需求、运营实践，在安全可靠的前提下节约投资[1-2]，选取科学和合理的越岭线路方案。锦州港至白音华铁路(简称锦白铁路）由赤峰越天河梁进入锡林浩特界[3]，该段选线综合了灾害防治、绿色环保、运营通风、运输实践、投资节省等因素综合确定。

2 锦白铁路概况

2.1 项目地理位置和径路

锦州港至白音华铁路，位于内蒙古自治区东部地区和辽宁省的西南部，线路起于渤海西北部的锦州港，向北经辽西南锦州市、葫芦岛市，辽西朝阳市、内蒙古东部的赤峰市和锡林郭勒盟，止于锡盟白音华矿区，横跨两省(区）五市(盟）十五区县(旗）[4]，线路全长约605 km，是蒙东煤炭下水的便捷通道之一。

2.2 项目建设背景

我国煤炭资源分布极不均衡，北方富集，南方匮乏，北煤南运是我国煤炭运输的显要特征，也是我国发展进步的必然需求。内蒙古自治区东部的锡林郭勒盟，煤炭资源富集，进入新世纪后国家批复建设白音华煤田，目前已建成4个露天矿，其中二、三号矿由国家电力投资集团(简称国电投）建设、开采，国电投配套建设的赤大白铁路已运营近10年。同时，国家为解决东北地区的物资出海通道，在辽宁、河北沿海地区建设了大连、营口、盘锦、锦州、葫芦岛、秦皇岛、曹妃甸等港口，其中锦州港是蒙东煤炭资源出海的便捷港口，2010年前后，国家批复的港口扩建计划，在原有码头的基础上新建煤炭码头1处，由国电投集团投资新建。随着白音华矿区的扩能，及周边五间房、巴彦胡硕、乌尼特、浩沁、高力罕、巴其北等煤田的相继规划、建设，蒙东煤炭资源铁路外运径路运输能力不足成为限制资源开发的瓶颈，锦州港新建码头后方通路不畅成为港口发展的约束，路港联运，矿路联合，铁水互补是促进产业发展，助力经济腾飞的必然需求。至2035年，锦白铁路沿线的运量近亿吨，既有铁路已无法满足运输需求，所以国电投集团战略决策，拟对既有线进行扩能改造[5]。

2.3 扩能方案

既有线沿线运量大幅增长，通过运输组织调整，自闭改造，提高牵引质量，双插，局部双线等扩能措施均无法满足运输需求[6-7]，通过研究，未来单线铁路已不能适应运输需求，所以采用的扩能方案是全线增建二线。

2.4 主要技术标准

既有线为地方铁路Ⅰ级，内燃牵引，大板至赤峰段最小曲线半径为一般1 200 m，困难600 m，限制坡度重车方向6‰、轻车方向12‰。研究年度扩能以后，确定了铁路主要技术标准。

铁路等级:国铁Ⅰ级；正线数目:双线；限制坡度:重车方向6‰、轻车方向12‰；最小曲线半径:一般1 200，困难800 m，个别700 m；牵引种类:内燃；机车类型:DF4D；牵引质量:5 000 t；到发线有效长度:1 050 m；闭塞类型:自动闭塞。

3 天河梁越岭段自然特征

3.1 地形

该段线路位于内蒙古东部，属于内蒙古昭乌达高原的大兴安岭东坡低山区，起伏较大。天河梁山顶海拔约1 385 m，南北坡的海拔约1 140 m。

3.2 地层岩性及地质构造

既有天河梁隧道进口侧上覆第四系坡洪积粉土、粉质黏土、细角砾土等，下伏石炭系上统林西组变质砂岩夹板岩地层，受构造影响，节理裂隙发育，岩体较破碎，上部强风化层厚3～5 m。出口侧地层为石炭系上统林西组砂岩夹板岩，强风化，岩体极破碎，多呈碎块状。洞身地表局部覆盖第四系坡洪积粉土(含砾），基岩主要为石炭系上统林西组变质砂岩夹板岩，薄～厚层状构造，强风化～弱风化，倾角较陡；隧道浅埋段为燕山期侵入流纹岩，强风化～弱风化，隐晶质结构，流纹构造，受构造影响，节理裂隙发育，岩体破碎～较完整；洞身地面处发现两处小断层，断裂带宽分别为0.2 m与0.5 m。未发现较大规模的断裂。隧道出口侧山间宽缓沟谷发育有季节性流水，受冬季积雪融水及大气降水补给；地下水主要为基岩裂隙水，其补给来源贫乏，水量小。预计全隧最大涌水量约为7 238 m3，地下水对混凝土结构不具侵蚀性。

3.3 气象

线路位于锡林郭勒西乌珠穆沁旗，按照对铁路工程影响气候分区该段为严寒地区，气象条件差，雪害、冻害严重。根据2000～2010年10年的观测数据，区域历年平均气温2.1℃，历年极端最高气温37.3℃，历年极端最低气温-33.6℃，历年最冷月平均气温-18.3℃，历年年平均降水量375.1 mm，历年年平均蒸发量1 673.5 mm，历年年平均风速2.9 m/s，历年最大风速20 m/s，主导风向 WSW、W，历年平均相对湿度60%，最大积雪深度28 cm，土壤最大冻结深度2.2 m[8]。

3.4 环保

天河梁越岭段线路位于古日格斯台自然保护区的试验区。该保护区地处大兴安岭南部山地余脉的西麓，西乌珠穆沁旗巴拉嘎尔高勒镇东南部55 km处，设立于1998年，保护区面积为98 931公顷。主要保护对象是大兴安岭南部山地北麓森林-草原生态系统及其所包容的物种多样性。本线在该段应尽量采用埋深较大的隧道通过，有利于环境保护。

4 天河梁越岭段既有线病害

线路所处地区雪期长达7个月，雪量大，气候严寒，长时间堆积，受大风的吹蚀，极易侵入铁路路堑及路堤，同时，位于低洼处的隧道进入口也经常遭受雪害(见图1）。既有线在该段主要的病害是雪害，尤其是天河梁隧道的进口，位于山谷前缘洼地，洞口极易积雪，形成病害，工务养护量很大，很难，是困扰沿线铁路运维人员养护工作的顽疾。同时，隧道衬砌背后存在回填不密实或空洞，造成隧道渗水和衬砌裂损，洞口护坡受冻胀及雨水冲刷影响，导致坡面铺砌开裂或溜塌。

图1 天河梁越岭段既有线路病害

5 天河梁段越岭线路方案研究

5.1 线路总体走向

该段既有线自赤峰市大板镇经望山、巴彦、白塔、红卫越天河梁进入锡林郭勒界，然后经呼斯图、太本庙、哈日根台达白音华。

既有线在经红卫后主要以布其沟隧道(475 m）、羊草沟隧道(416 m）、天河梁隧道(5 880 m）越岭。其中天河梁隧道里程范围为K275+188.36～K281+069.86，为全线最高点。

5.2 二线方案比较范围及方案构成

5.2.1 方案比较范围

既有线布其沟隧道进口至天河梁隧道出口，里程范围为K271+400～K281+503.05，比较段线路总长约10 km。

5.2.2 方案构成

既有隧道赤峰端进口靠近沟谷，埋深较浅，根据运营实践，隧道进口雪害严重。二线在此段进口条件差，如并行增二线，隧道口即位于沟心，水害雪害处理将非常困难，二线线路方案应避开沟心，本次主要研究了二线位于既有线左侧方案与二线位于既有线右侧方案(见图2）。

图2 线路方案构成

既有线在此段羊草沟隧道、天河梁隧道相连，羊草沟隧道进口至天河梁隧道出口之间的平面线位呈S形，平面条件较差，天河梁隧道为曲线隧道，不利于通风。综合隧道进口条件以及线路平面条件优化，二线位于既有线右侧方案又研究了短隧道方案和长隧道方案。

5.3 二线位于既有线左侧方案

结合既有线左侧地势高的特点，二线在隧道出、入口利用曲线换侧，新天河梁隧道位于既有隧道左侧。该方案隧道长度较短，但增加了两次换侧，施工期间对既有线干扰较大，同时该方案既有线作为重车线，需将既有线50 kg/m钢轨换成60 kg/m钢轨，隧道内施工严重影响既有线运营，安全风险大，同时由于轨道结构高度不同导致隧道净空变化，预留电化工程需要特殊设计，电化工程投资增加近一倍，不经济，不推荐。

5.4 二线位于既有线右侧方案

5.4.1 长隧道方案

线路自K271+400并行既有线引出，跨布其沟，以590 m的布其沟隧道和7 870 m天河梁特长隧道下穿山体，出隧道后并行既有线至比较终点，线路总长10.146 km。

5.4.2 短隧道方案

线路自K271+400并行既有线引出向西，跨布其沟，以三个短隧道穿越山体后右折以6 565 m特长隧道下穿天河梁，出隧道后并行既有线至比较终点，线路总长10.382 km。

5.5 方案经济技术比选

5.5.1 工程经济比较

天河梁越岭段方案中，长隧道方案投资约43 678.51万元，短隧道方案投资约45 121.22万元，长隧道方案较短隧道方案投资节省1 442.71万元(见表1）。

表1 天河梁越岭方案工程经济比较

5.5.2 地质条件比较

两方案地层均为石炭系上统砂岩夹板岩，燕山期侵入花岗岩、花岗斑岩、英安质流纹岩，洞口有第四系地层覆盖，隧道围岩级别Ⅲ～Ⅴ级。既有天河梁隧道进口段位于山间冲沟内，浅埋段长、岩体较破碎，洞口位置较差，两隧道方案进口均改至右侧山丘处，进口处工程地质条件有所改善。从围岩对比分析，长隧道方案Ⅴ级围岩的比例要低于短隧道方案，长隧道方案地质条件好于短隧道方案。

5.5.3 工程技术比较

5.5.3.1 长隧道方案

该方案的优点在于:隧道出入口条件较好，较适应区域高寒、雪大的环境，基本可以避免雪害的发生，运维养护工作量大幅减少；取消了新建天河梁隧道中间的曲线，平面条件得到改善，有利于运营通风；线路长度短，避免了短隧道相连，投资节省；隧道埋深大，工程地质条件相对较好，有利于施工及运营；线路大部分为深埋隧道，有利于古日格斯台自然保护区的保护。缺点在于隧道较长，初期内燃运营期间通风设施需加强。

5.5.3.2 短隧道方案

该方案的优点在于:天河梁隧道长度较短，内燃运营期间通风相对较好。缺点在于隧道进口雪害严重，后期运维工作量大；隧道位于曲线上，虽然长度短但由于曲线影响通风依然不是很好；线路长度增加了236 m，短隧相连，投资增加约1 500万元；明线多，暗线少，隧道埋深浅，不利于古日格斯台自然保护区的保护。

5.6 天河梁越岭方案研究结论

长隧方案线路长度短、工程投资省、工程地质条件好，平面条件优。新天河梁隧道为重车下坡方向，近期通过设置通风设备，可以解决隧道通风问题，远期实施电化工程，通风更不成问题，另外通过增加隧道斜井可以解决工期问题，因此研究后认为长隧道方案综合较优。

6 结束语

越岭段线路选线是山区铁路勘察设计中的难题，越岭线路选择的优劣直接关系到线路的走向、重点工程实施难度、建设工期、工程投资、建设及运营安全等，选线过程中要因地制宜、因线制宜，综合考虑建设、运营期间的方方面面问题进行系统研究，将减灾理念贯穿始终。