京张高铁线路走向方案研究

谢翠明

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

引言

铁路选线是一项涉及面广、技术性强、关系全局的综合性工作[1]。在铁路选线中,需结合多个控制因素进行技术经济综合比选,合理确定线路走向。已有学者进行相关研究,杜建军结合路网适应性和匹配性、运输需求、地形地质条件、环境敏感区、重点工程选址、重大风险防控等因素,对沿江高铁宜昌至涪陵段规划选线进行研究[2];朱涛从与城市规划衔接、经济据点及吸引客流、占用矿产资源、环境敏感点、水利设施、线路长度以及工程投资等方面,对郑州至济南高速铁路3个走向方案进行经济技术综合比选[3];张翔等从工程地质、环境敏感区影响、工程投资、工程实施难易程度及工程可实施性5个方面出发,对渝昆高速铁路会泽至蒲草塘段线路走向进行研究[4];梁栋在中尼过境通道方案研究中以“规划选线、环保选线、地质选线、减灾选线”为主线,经多因素综合比选分析,推荐吉隆口岸通道作为中尼铁路跨境通道[5];陈学贤从路网覆盖、岩溶地质、工程设置、环境敏感区影响、运营、工程投资等方面对渝宜高速铁路宜昌—恩施段线路走向进行研究,推荐经建始北方案为贯通方案[6];任志伟结合渝昆高铁高县至昭通段线路工程设计实例,从设计方案比选和长大坡道设计问题2个方面开展研究[7];杨晖结合沿线区域经济发展、交通需求、工程地质、生态保护及路网条件、工程投资等因素,综合应用环保选线、地质选线、工程选线等方法对兰渝高铁线路走向方案进行综合比选分析[8]。

以上研究多结合项目线路走向的特点及影响因素进行综合比选,有的强调路网匹配性和客流吸引,有的突出工程地质选线、环保选线和工程选线,有的结合沿线经济据点分布及总体规划,有的重大风险防控、减灾防灾,各有特色。但在人文选线、站城融合选线方面尚有所欠缺。以京张高铁昌平至沙城段、沙城至张家口段、北京城区段为例,对京张高铁在线路走向选择进行深入研究。

1 项目概述

1.1 项目功能定位

京张高铁是国家“八横八纵”高速铁路之京兰通道的重要组成部分[9],是2022年北京冬奥会的交通保障线,是促进京津冀地区一体化协同发展的经济服务线[10]。

1.2 项目地理位置与径路

京张高铁起自北京北站,途经北京市海淀区、昌平区、延庆区,河北省张家口市怀来县、下花园区、宣化区,终至张家口站,线路全长174 km,桥隧比66%,设车站10座。

1.3 项目特点

(1)集多功能定位于一身,承担重要历史使命。京张高铁是京兰通道的重要组成部分,是北京申办2022年冬奥会的一项重要交通配套设施,是京津冀一体化的一条重要交通动脉,是集冬奥会交通保障线、经济服务线、历史文化线、创新示范线、政治使命线等多功能于一身的标杆工程。

(2)沿线外部环境复杂,技术难度大。京张高铁在北京段需穿越繁华建成区,建构筑物密集,地下管网密布,翻越八达岭中低山区,山势险峻、地质条件复杂,河北段途经低山丘陵区,沟谷纵横,盆地区路网交织、河流密布,矿区采空区分布广泛,要求采取特殊处理的工点多,技术难度大。

(3)沿线环境敏感点分布多,环保要求高。线路沿线分布有多处风景名胜区、自然保护区、饮用水源保护地和文物保护等环境敏感区,环保要求高。如在北京市五环内途经包括众多高等学府及高档居民小区等几十处声环境敏感点,在八达岭越岭段穿越八达岭风景名胜区,在怀来穿越官厅水库国家一级水源保护区等。

(4)首条智能铁路,技术创新程度高。在京张高铁设计过程中,国铁集团即提出打造智能高铁的总体要求,所谓智能高铁是指广泛应用新一代信息技术,实现全生命周期一体化管理的新一代高速铁路系统[11]。

(5)沿线文化底蕴深厚,肩负文化传承责任大。京张高铁起于北京北站,止于张家口站,与百年老京张铁路在同一个起点、同一个终点、同一条路径相伴而行,尤其是在北京市城区段,对老京张铁路进行提速改造,赋予老京张铁路新的生命。京张高铁是弘扬老京张铁路文化的载体,同时也是展现中国历史文化的窗口,肩负巨大的文化传承责任。

1.4 影响线路走向的主要因素

(1)经济据点和城市规划

京张高铁途经北京市西城区、海淀区、昌平区、延庆区,张家口市怀来县、下花园区、宣化区、桥东区等多个经济据点,沿线城镇的总体规划、空间发展、产业布局影响线路走向。

(2)环境敏感区分布

线路所经区域风景名胜区、自然保护区、饮用水源保护区、文物古迹等众多,线路吸引范围内有八达岭、十三陵等8处风景名胜区,野鸭湖自然保护区、松山国家级自然保护区等2处自然保护区,官厅水库、京密引水渠等8处饮用水源保护区,八达岭、宣化城墙等17处文物古迹。

(3)地形地质条件

沿线大的地貌单元主要有平原区和山岳区,其中在山岳区中又分布较大的山间河谷盆地,主要有怀来盆地、宣化盆地和张家口盆地。北京段途经八达岭中低山区,山势险峻、地质条件复杂;河北段途经低山丘陵区,沟谷纵横,盆地区路网交织、河流密布。主要不良地质类型有崩塌落石,地震液化、采空区、活动断裂等。沿线经过的采空区为煤矿及铁矿采空区,主要分布在怀来、下花园和宣化区域。本工程近场区内主要断裂有15条,其中,有4条全新世活动断裂与线路相交。

(4)交通

沿线分布有京张线、京通线、宣庞线、大秦线、丰沙线、唐包线、康延支线、东北环线、西北环线等铁路,S2线、13号线、10号线等城市轨道交通,有京张高速、京藏高速、八达岭高速、丹拉高速、张承高速等高速公路,G110、G112、G234、G239、S216、S321、S324、S342、S346等国省道。

1.5 选线原则

基于京张高铁功能定位高、沿线外部环境复杂、环境敏感点分布多、技术创新程度高、肩负文化传承责任大的特点,结合影响线路走向的主要因素,线路走向应途经主要城镇,与城市总体规划、空间发展、产业布局相适应;线路应绕避环境敏感区,难以绕避时采取相关措施将影响降至最低;应结合地形地质水文条件绕避各类不良地质,合理确定工程类型和处理措施[12];充分考虑与既有铁路、公路,采用合理的交叉跨越方式;站位选址应充分考虑与其他交通方式的衔接,最大限度地吸引和方便乘客。

选取昌平至沙城段、沙城至张家口段、北京城区段这3处有代表性的线路走向方案进行研究,贯彻“规划选线、环保选线[13-14]、地质选线[15-17]、人文选线、站城融合选线[18]”的理念,并按照上述选线原则结合各种控制因素进行综合比选。

2 昌平至沙城段方案研究

该段线路需穿越军都山,结合城市规划和客流吸引、环境敏感区分布、地形地质条件、站位条件、越岭隧道长度和工期、工程投资和运营费用等因素,研究八达岭设站、龙潭越岭、南口取直和绕避八达岭景区4个方案。

2.1 方案说明

线路自比较起点引出后,紧邻既有线设昌平西站,经南口镇东北侧上跨高速公路,穿越军都山,设八达岭站,后经东花园沿高速公路跨官厅水库至比较终点,同时修建联络线及康延支线。

(2)龙潭越岭方案(方案Ⅱ)

线路自比较起点引出,经南口北侧上跨既有铁路与高速公路,于龙潭穿越军都山,于羊儿岭出洞,上跨京包高速公路设东花园南站后越官厅水库至比较终点,同时修建联络线沟通延庆。

(3)南口取直方案(方案Ⅲ)

线路出比较起点后,沿既有线通道经南口镇南侧上跨既有线,于响潭处以20.74 km隧道越岭,于羊儿岭出洞后设东花园南站,后与方案Ⅱ走向一致,同时修建联络线沟通延庆。

(4)绕避八达岭景区方案(方案Ⅳ)

该方案自比较起点至响潭与方案Ⅲ走向一致,以25.56 km长隧道南绕八达岭风景名胜区越岭,于大山口北出洞,设东花园南站,上跨京包高速公路接入方案Ⅰ至比较终点。该方案完全绕避八达岭风景名胜区,虽然线路长度最短(缩短11.1 km),但在南口段约10 km范围内以高架形式通过,且以25.56 km长隧道越岭,不但工程大、工期长,而且无法沟通延庆,不利于地方经济发展,研究后予以放弃,以下重点对其他3个方案进行比较(图1)。

图1 昌平至沙城段方案比较示意Fig.1 Compare diagram of the Changping-Shacheng section scheme

2.2 主要工程数量及技术经济比较

各方案主要工程数量及技术经济比较见表1。

表1 昌平至沙城段方案主要工程数量及技术经济比较

2.3 优缺点分析

(1)工程地质条件

“中国企业走出去，更多注重对当地商务的考察，风险意识不足。”长期关注中国企业在海外发展现状，谢清森做出一个决定，七兵堂也要“走出去”，为身在异乡的中资企业保驾护航。

方案Ⅰ所经地区以花岗岩为主,岩体较完整,围岩级别较高,方案Ⅱ与方案Ⅲ所经地区以火山碎屑岩及白云岩等为主,围岩相对较差。

(2)与环境敏感区关系

3个方案均需穿越八达岭景区核心区,穿越长度分别为17.5,3.5,3.5 km,虽然方案Ⅰ穿越景区范围最长,但基本以隧道形式通过且埋层较深,对景区的影响不大。

(3)城市规划匹配性和客流吸引

方案Ⅰ距延庆最近,且车站设置既有利于吸引客流,联络线工程最小,与城市规划配合最好;方案Ⅱ与方案Ⅲ均在河北境内新设车站,距延庆较远,不利于吸引延庆的客流,且需隧道内设线路所,工程可实施性较差。

(4)从工程规模和投资方面

方案Ⅰ距延庆较近,正线长度较方案Ⅱ、Ⅲ分别多7.311 km、13.399 km,但康延支线联络线较短;方案Ⅰ、Ⅱ最长隧道均小于15 km,可采用单洞双线形式,且可以有效控制工期;方案Ⅲ最长隧道大于15 km,需采用双洞单线形式,工程造价增幅为20%左右,工期也明显延长,方案Ⅰ较方案Ⅱ、Ⅲ换算工程运营费分别少38 311万元、37 468.4万元。

2.4 推荐意见

综上分析,八达岭设站方案(方案Ⅰ)虽然线路最长,但距离延庆最近,设站条件最好,有利于地方经济发展和吸引客流,工程规模适中,可有效控制工期,故予以推荐。

2.5 站位方案研究

推荐方案采用隧道的形式穿越八达岭景区,为降低对景区的影响,方便旅客出行,研究滚天沟地下站站址方案和程家窑地面站站址方案2个方案(见图2)。八达岭越岭段车站站位方案优缺点分析见表2。

表2 八达岭越岭段车站站位方案优缺点分析

图2 八达岭站站址方案示意Fig.2 Badaling station site scheme

图3 沙城至张家口段方案比较示意Fig.3 Compare diagram of the Shacheng-Zhangjiakou section scheme

综上分析,滚天沟地下站站址方案车站出站口距离八达岭步行入口仅500 m,距离北索道仅300 m,旅客可步行直达长城路口,分流了景区内部分公路交通,有效降低了景区内公路尾气的污染,同时也为旅客提供了舒适、便捷的交通运输服务,故予以推荐。

3 沙城至张家口段方案研究

该段沿线分布有怀来县(沙城)、下花园区、宣化县等经济据点,铁路、公路网密集,沿线矿区、采空区、控制区分布众多,本次研究充分考虑以上因素,并结合沿线城镇规划及宣化站位、下花园站位的选择,并研究5个走向方案。

3.1 方案说明

(1)北线方案(方案Ⅰ)

线路自沙城站引出,上跨京张高速公路,经西黄庄下穿高速公路,于下花园出口匝道处设下花园北站,后经宣化县正北方紧邻高速公路设宣化北站,向西北行以隧道穿越草帽山至比较终点。

(2)大洋河南岸方案(方案Ⅱ)

该方案自比较起点至下花园北与方案Ⅰ一致,之后沿宣东二矿南侧上跨既有京张线、宣大高速公路,再上跨大洋河于其南岸设宣化南站,出站后连续跨越洋河、既有京张线、G110国道、京张高速公路,于草帽山处接入方案Ⅰ至比较终点。

(3)绕避矿区方案(方案Ⅲ)

线路自比较起点引出后直向西上跨大洋河,南绕下花园兴隆山煤矿,于河南房处二次跨越大洋河接入方案Ⅱ。

(4)引入既有下花园站方案(方案Ⅳ)

线路自比较起点引出,经东八里、辛庄子,于西八里南侧上跨既有京张线,穿越下花园区前山煤矿引入既有下花园车站,出站后向西北行上跨京张高速公路,之后接入方案Ⅰ至比较终点。

(5)高架宣化站方案(方案Ⅴ)

该方案自比较起点至下花园北与方案Ⅰ一致,出站后于祁家庄下穿京张高速公路,向西经顾家营横穿宣东二矿,上跨既有京张线高架引入宣化站南侧并设新站,出站后折向西北于陈家庄处接入方案Ⅰ至比较终点。

在上述方案中,方案Ⅳ为引入既有车站,拆迁工程较大且需穿越前山煤矿,由于区政府所在的下花园新区已经建于高速公路出口至G110国道区域,与下花园区规划配合较差故予以舍弃。方案Ⅴ同方案Ⅳ类似,大面积穿越宣东二矿矿区,且高架引入城区,拆迁巨大,可实施性较差,与地方规划不符,也不宜采用。以下重点对方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ进行比较。

3.2 主要工程数量及技术经济比较

各方案主要工程数量及技术经济比较见表3。

表3 沙城至张家口段方案主要工程数量及技术经济比较

3.3 方案优缺点分析

(1)经济据点和客流吸引

方案Ⅰ和方案Ⅱ均途经下花园区,在宣化县设站,但是方案Ⅱ中站位与城区之间被大洋河阻隔,客流吸引条件相对方案Ⅰ略差;方案Ⅲ南绕下花园兴隆山煤矿,在下花园区无设站条件,客流吸引条件最差。

(2)城市规划适应性

作为冬奥会重要交通配套基础设施,崇礼铁路与本线在下花园接轨,之后向北至太子城奥运村,方案Ⅰ和方案Ⅱ设下花园北接轨站与奥运规划结合较好;方案Ⅲ与奥运规划结合较差。宣化县总体规划方向为沿大洋河两岸发展,方案Ⅰ走行于城区北侧,与城市规划匹配性较好;方案Ⅱ与方案Ⅲ走行于城区南侧,对既有城区现状和规划切割干扰略大,与规划配合较差。

(3)征地拆迁

方案Ⅰ穿越山区较多,征地拆迁较少,占用耕地和基本农田较少;方案Ⅱ、Ⅲ大部分沿大洋河两岸走行,征地拆迁较多,占用耕地和基本农田较多。

(4)施工和协调难度

方案Ⅲ沿线矿区、采空区、控制区最少,方案Ⅱ次之,方案Ⅲ沿线矿区、采空区、控制区最多,且与京藏高速公路2次小角度交叉,施工和协调难度最大。

(5)工程投资

方案Ⅰ线路最短,较方案Ⅱ、Ⅲ分别短4.459,3.297 km,桥隧总长较方案Ⅱ、Ⅲ分别短5.469,4.325 km,工程投资分别省23 428.93万元、19 184.67万元。

3.4 推荐意见

综上分析,方案Ⅰ(北线方案)经过了沿线的下花园和宣化2个经济据点,客流吸引条件较好,车站站位与奥运规划、城市规划配合较好,绕避矿区、采空区等不良地质,沿线征地拆迁较少,占用耕地和基本农田较少,且线路较为短直,工程投资较省。因此,沙城至张家口段线路走向方案推荐方案Ⅰ(北线方案)。

4 北京城区段站位方案研究

4.1 车站布局方案

结合北京铁路枢纽总图规划、城市规划,从规划角度,重新审视“站”与“城”的关系,通过铁路线网布局与站房布局新思维,实现“站城融合”,以解决北京城市交通问题和北京北站客流疏解难题为目标。从与规划符合性、服务效果、交通接驳条件、工程可实施性方面进行综合研究,选择在老京张铁路沿线布局双客站(北京北站+清河站)的方案(见图4)。在城区北部,利用老京张铁路既有清河车站的土地资源新建了清河站。京张高铁引入北京枢纽,打破了在一个城市内“一线一站”的传统枢纽布局,在五环外增设了清河客站,形成“两站新布局”,避免特大城市1条铁路线只设1个始发站、客流过度集中造成的疏解难题,有效缓解西直门地区巨大交通压力,方便北京北部城区旅客的出行,也减轻城市轨道交通压力。

图4 京张高铁北京城区车站布局示意Fig.4 Beijing-Zhangjiakou High-speed Railway Station layout in Beijing

4.2 清河站方案

清河站西侧紧邻地铁13号线及京新高速公路,东侧周边为密集的高层建筑及办公楼,建设用地极为紧张(见图5)。结合北京枢纽内客站分布及运量情况合理确定车场规模,对既有地铁13号线进行改造,将地铁13号线与京张高铁并场设置,将地铁昌平南延线、19号支线设置于国铁站台层下方(见图6)。在极其有限的空间内,合理布置国铁、地铁的各项功能空间,在国铁、地铁线形简洁、畅通、不交叉的前提下,在地下一层实现国铁与地铁的“零换乘”,并且实现车站东西两侧居民的自由通行,使清河站与周边城市空间完美结合,达到畅通融合的目的。

图6 清河站剖面示意Fig.6 Profile diagram of Qinghe Station

5 结语

基于京张高铁功能定位高、沿线外部环境复杂、环境敏感点分布多、技术创新程度高、文化传承责任大等特点,结合影响线路走向的主要因素,提出铁路选线原则。选取昌平至沙城段、沙城至张家口段、北京城区段这3处有代表性的线路走向方案进行研究和综合比选,贯彻“规划选线、环保选线、地质选线”的理念,以及尊重自然历史景观、以乘客为本的“人文选线、站城融合选线”的新理念。

在昌平至沙城段,结合客流吸引、城市规划、环境敏感区分布、地形地质条件、工程投资等因素进行综合比选,推荐设站条件好、有利于地方经济发展和吸引客流的八达岭设站方案。八达岭越岭段,考虑对景区环境影响、旅客服务水平、运营安全风险、工程经济性等因素,推荐对长城的景观影响小、最大限度方便旅客出行的滚天沟地下站站址方案。昌平至沙城段,考虑经济据点分布、城市规划、矿区和采空区分布、征地拆迁等因素,推荐客流吸引条件较好、与奥运规划配合较好,绕避不良地质、征地拆迁较少的北线方案。