济南—滨州铁路越黄河区段线路方案研究

李波

陕西省铁道及地下交通工程重点实验室（中铁一院），西安710043

1 工程概述

拟建济南—滨州铁路是山东省快速铁路网鲁北通道的重要组成部分，南端通过济南枢纽连接京沪高速铁路、石济客运专线、济郑客运专线、济莱高速铁路，北端通过滨州站连接京沪第二通道。济南—滨州铁路位于山东半岛城市群北部。该铁路东起山东省济南市，于济南东站引出，向北经济南市历城区、遥墙机场、章丘区，跨（穿）越黄河至济南市济阳区、商河县，向东经滨州市惠民县、滨城区，接入既有德州—烟台铁路滨州站［1］。

受线路宏观走向影响，该铁路经遥墙机场后至济阳区须跨（穿）越黄河。跨（穿）越黄河工程是该铁路控制性工程，特别是高速铁路以隧道下穿黄河在国内尚属首例，对工期、投资影响较大。本文综合考虑各方面条件提出4个线路方案，并采用因素分析法对各方案进行综合比选，得出隧道跨（穿）越黄河最优方案。

2 方案影响因素

2.1 地质条件

济南—滨州铁路在济南市北侧跨（穿）越黄河。工程区地貌单元属黄河下游的冲、洪积平原［2］。由于黄河淤积及人工填筑作用地形中间高，南北两侧低。黄河大堤高程约32～36 m，堤坝外地面高程约18～21 m。工程区第四系覆盖层厚度较大，主要为全新统人工填土、冲洪积黏土、粉质黏土、粉土和上更新统黏土、粉质黏土、粉土和中砂。地层总体上含水率高，压缩性高，承载力低，需要换填或加固处理［3］。特殊的地层岩性对上跨或下穿黄河工程有较大影响。若采用隧道下穿黄河，大堤下隧道施工对地层的扰动和地下水的作用可能引起管涌或黄河大堤不均匀沉降，施工难度较大。若采用桥梁上跨黄河，桥梁超长桩基施工亦存在成孔困难等施工风险［4］。

2.2 既有黄河公路桥分布对铁路桥选址的影响

既有黄河公路桥分布见图1。既有公路桥4座，拟建公路桥1座。根据《黄河河道管理范围内建设项目技术审查标准》中的要求：桥位选择应在河道顺直、河水流速稳定地段；桥间距不应小于桥梁壅水长度的1.5～2.0倍。按照该要求，新建铁路桥与既有公路桥间距不应小于6 km。

图1 既有黄河公路桥分布

2.3 济阳区总体规划及济阳站设置条件

济阳区临近黄河西岸，济阳站位对跨（穿）越黄河工程影响较大。济阳区老城区居东，紧邻黄河大堤，发展空间有限。新城区居西，规划向西发展至大寺河，向南发展至回河镇。国道G220以东、省道S239以北区域村庄迁改、高层住宅建设已经完成；省道S239南侧产业园区已经建成，北侧产业园区基本成型。基于上述情况，济阳站位的选择应尽量减少对城市的分割，减少不必要的拆迁，尽可能在靠近城市建成区边缘设站。

2.4 遥墙机场电磁环境及飞行净空的要求

遥墙机场现有T1航站楼及东一跑道，近期规划T2航站楼和西一、西二跑道，远期规划T3航站楼、东二跑道。铁路建设应满足GB 6364—2013《航空无线电导航台（站）电磁环境要求》。此外，铁路高程还应满足飞机飞行净空高度的要求［5］。

3 线路方案研究

根据上述影响因素，设计了隧道下穿黄河方案（C1）、利用规划国道G308桥位方案（C2）、利用既有迎宾黄河大桥桥位方案（C3）和既有迎宾黄河大桥下游7 km桥位方案（C4）四个方案，见图2。

图2 线路方案示意

3.1 方案概述

3.1.1 隧道下穿黄河方案（C1）

该方案线路自遥墙机场站引出，于既有迎宾黄河大桥上游2.5 km处设隧道下穿黄河，从沟杨水源地二级保护区北侧通过，下穿省道S248后上跨国道G220、经回河镇南部产业园后折向北，于济阳城区西侧6.0 km处的黎家村设济阳站，出站后依次跨济东高速公路、国道G220、徒骇河至许家村北侧。线路长度42.08 km，桥梁长度30.5 km，隧道长度8.28 km，桥隧比92.2%，静态投资83.72亿元。

3.1.2 利用规划国道G308桥位方案（C2）

该方案线路自遥墙机场站引出，与规划国道G308跨黄河大桥并行设桥，跨越黄河后折向北，与C1方案共线至许家村北侧。线路长度42.68 km，桥梁长度35.74 km，隧道长度4.0 km，桥隧比93.11%，静态投资82.21亿元。

3.1.3 利用既有迎宾黄河大桥桥位方案（C3）

该方案线路自遥墙机场站引出，与既有迎宾黄河大桥并行设桥，铁路桥与公路桥对孔设置，采用跨径（107+195+216+195+107）m矮塔斜拉桥跨越黄河，于王明官村北侧设济阳站，出站后跨越京沪高速公路与C1方案共线至许家村北侧。线路长度40.96 km，桥梁长度34.97 km，隧道长度2.62 km，桥隧比91.78%，静态投资73.94亿元。

3.1.4既有迎宾黄河大桥下游7 km桥位方案（C4）

该方案线路自遥墙机场站引出，在既有迎宾黄河大桥下游7 km处以（120+3×180+120）m柔性拱连续钢桁梁桥跨越黄河，然后折向北于济阳城区东北侧东八里村设济阳站，出站后跨省道S239、国道G220、济东高速公路至许家村北侧。线路长度40.98 km，桥梁长度34.93 km，隧道长度2.62 km，桥隧比91.64%，静态投资72.52亿元。

3.2 方案综合比选

3.2.1 单因素的影响分析

1）黄河水利委员会对跨越黄河公路、铁路桥间距的要求

根据黄河水利委员会（简称黄委会）审查意见，C2方案跨黄河桥在采用铁路与规划国道G308跨黄河大桥公铁合建的前提下才能满足新设桥位与既有桥位间距大于6 km的要求；C3方案与既有迎宾黄河大桥并行设桥跨越黄河，两座跨黄河桥虽对孔设置，但对该区段黄河冬季防凌仍有不利影响，不满足黄委会相关规定。C1方案采用隧道下穿黄河，C4方案黄河桥位距离既有黄河公路桥较远，两方案均满足黄委会相关要求。

2）黄河桥（隧）工程条件

C1方案线路以隧道下穿黄河，可节省黄河桥位资源，工程建设对黄河防凌无影响，铁路施工、运营期间不影响黄河水路航运。但是下穿黄河段地质条件较差，隧道采用大断面盾构施工，难度较大。

C2方案须采用铁路与规划G318跨黄河大桥公铁合建的模式以满足新设桥位与既有桥位间距大于6 km的要求，同时实现了桥位资源的最大共享。但公铁合建对桥梁荷载、刚度要求较高，须采用大跨度钢结构桥，施工难度大，工程费用高。此外，公路与铁路由不同建设单位主管，协调难度大，工程建设时机、投资划分、运营维护等相关事宜均会影响工程建设的进度。

C3方案采用（107+195+216+195+107）m矮塔斜拉桥跨越黄河，虽然工程规模较大，但国内已有成熟施工方法［6］，建设难度适中。

C4方案拟采用一联（120+3×180+120）m柔性拱连续钢桁梁桥跨越黄河，桥梁跨度较大，建设难度适中。

3）满足遥墙机场飞行安全要求

本工程建设应满足遥墙机场飞行净空及电磁环境的要求。

①满足机场飞行净空的要求

C2、C3和C4方案线路跨黄河桥跨度均较大，桥梁结构较高。机场飞行净空对内水平面、锥形面以及起飞爬升面范围内的建筑物高度有明确要求。C1方案以隧道下穿黄河，满足机场飞行净空要求。C2、C3和C4方案跨黄河桥均位于机场西一跑道北侧延长线上。C2方案线路跨黄河桥距离西一跑道北端4 200 m，黄河桥结构高40 m，比起飞爬升面低8 m，比锥形面高19 m，虽然满足飞行净空要求，但富余值较小，仍存在一定安全隐患，须进一步减小孔跨，降低结构高度。C3方案铁路跨黄河桥距离西一跑道北侧6 600 m，桥梁结构高度比起飞爬升面低40 m，满足飞行净空要求。C4方案线路跨黄河桥与西一跑道距离较远，跨黄河桥结构高度远小于飞行净空面高度，满足机场飞行净空要求。

②满足机场电磁环境的要求

根据航空无线电导航台（站）电磁环境要求，电气化铁路建设应满足机场各种导航设施的电磁环境要求。影响范围最大的导航设施是全向信标台。全向信标台半径300 m以外的障碍物相对基准面的垂直张角不应超过2°。4个方案均满足要求。

4）与济阳区现状和城市规划的协调性

C1、C2和C3方案均于济阳区西侧设站，满足济南市北向发展、济阳区向南融合的需求。其中C3方案中济阳站更靠近城区，但线路穿越回河镇综合服务区，须拆迁在建高层建筑和物流园区部分建筑，拆迁工程量大。C4方案济阳站位于济阳城区东北侧，受黄河阻隔和南岸机场规划的影响，济阳站仅能兼顾济阳区东北片区，不满足济阳区向南融合的发展需求，与规划的协调性差。

5）对环境敏感点的影响

工程区主要有黄河水源生态保护区及沟杨水源保护区2个环境敏感点。4个方案均穿越水源生态保护区，其中C1方案以隧道下穿黄河，无地面工程，对生态保护区影响最小。C1、C2方案线路分别穿越沟杨水源保护区4.2、3.9 km。C3、C4方案铁路不经沟杨水源保护区。经与生态红线和水源地行政主管部门沟通，4个方案均可行，但要采取相应的环境保护措施，降低铁路建设对生态环境的影响［7］。

6）工程投资

综合考虑机场位置、济阳站位、绕避拆迁、线路穿越黄河位置以及工程形式，C1方案铁路须限速至300 km∕h，C3、C4方案铁路须限速至160 km∕h，C2方案铁路须限速至200 km∕h［8］。4个方案工程量及投资对比见表1。可见：C1、C2方案投资较高，C4方案投资最省。与C1方案相比，C2、C3、C4方案投资分别减小1.51、9.78、11.20亿元。

表1 各方案工程量及投资对比

3.2.2 多因素的综合影响分析

济南—滨州铁路跨越黄河线路方案从黄委会对跨越黄河公路和铁路桥间距的要求（防洪要求）、黄河桥（隧）工程条件、满足遥墙机场飞行安全要求、与济阳区现状和规划的协调性、对环境敏感点的影响来看，四个比选方案各有优缺点。采用因素分析法对方案的各影响因素进行分析。具体分析步骤为：

1）确定各方案影响因素的权重。先建立评价指标体系，再通过熵值进行评价。工程条件、防洪要求和机场安全要求为一级指标，权重分别为25%、20%、25%；与规划的协调性、对环境敏感点的影响和工程投资为二级指标，权重分别为5%、10%、15%。

2）按照统一原则对四个方案按各影响因素进行打分。每个影响因素方案最优为80～100分，方案较好为70～80分，方案较差为60分。四个方案打分结果见表2。

表2 各方案影响因素打分结果

3）根据各影响因素的权重和表2中各方案影响因素的打分计算综合得分，结果见表3。

表3 各方案综合得分

由表3可见，C1方案得分最高。采用因素分析法研究认为C1方案最优。

4 结语

隧道下穿黄河方案可节省黄河有限的桥位资源，铁路运营期间既不影响水路航运，也不受航空飞行安全要求限制，济阳站满足城市规划及地方需求。利用规划国道G308桥位方案虽然投资较省，但存在济南—滨州铁路与规划G308建设时序不同、投资分配协调难度大、后期运营养护分工不明确等问题。利用既有迎宾黄河大桥桥位方案不利于黄河冬季防凌。既有迎宾黄河大桥下游7 km桥位方案虽然投资最省，但济阳站位不满足地方规划要求。结合因素分析法分析结果，认为隧道下穿黄河方案最优。