山西中南部鐵路太岳山越嶺方案研究

謝衛民

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司, 北京 100055)

1 概述

1.1 山西中南部鐵路

山西中南部鐵路全長1 367 km,地處華北地區南部,西起晉中南地區,銜接南北向主要鐵路干線,東至山東沿海港口,形成了石太—石德—膠濟鐵路、邯長—邯濟—膠濟鐵路、侯月—新菏兗日鐵路間一條新的“西煤東運”的能源運輸動脈,也是我國東西向路網干線鐵路之一,對我國國民經濟發展具有重要的能源安全保障作用。

1.2 越嶺方案研究的意義

線路從洪洞至晉義之間需同時翻越太岳山和安泰山,兩山之間為沁河河谷,地形較為復雜,存在多個越嶺方案,不同的越嶺方案其越嶺隧道長度、線路長度、工程投資、工程地質、站點布置和工程風險等方面差異較為明顯。該段為全線工程最困難的地段,需要迂回展線來選擇合理的越嶺方案。

2 自然特征

2.1 地形地貌

如圖1所示，該段線路橫跨太岳山脈、安泰山脈和沁河河谷,兩端為臨汾盆地和長治盆地,地形呈“M”形。本段最低點為洪洞北CK348處(高程為480 m),最高點為CK453處(高程為1 030 m)。

圖1 線路所經地區地勢

2.2 工程地質

線路依次通過臨汾盆地、盆地邊緣黃土臺垣及太岳中低山。地層巖性主要為第四系黃土,三疊—二疊系泥巖、砂巖。下部500～1 000 m下伏二疊系下統山西組(P1s)和石炭系上統太原組(C3t)煤系地層,張莊背斜—浮山斷裂以西為太岳山坳緣翹起帶,巖層陡傾,斷層發育,屬霍東煤田；張莊背斜—浮山斷裂以東為寬緩的郭道—安澤近南北向復式背斜,屬沁水煤田。根據永樂北、上馬寨煤炭勘探鉆孔資料,草峪嶺附近,2號煤層高程246～393 m,含煤線地層頂板高程400～550 m,含煤線地層位于路肩線下390～450 m,煤層瓦斯含量1.54～10.36 m3/t。

2.3 經濟據點和交通

沿線主要的經濟據點為臨汾市的浮山縣、古縣、安澤縣,長治市的長子縣。

沿線公路主要為擬建的長臨高速公路、臨汾北環線、國道309等。

3 越嶺限制坡度選擇

本線為萬噸重載線路,雖然13‰方案的線路長度較短，投資省,但其只能滿足牽引5 000 t列車的條件,運能較小,運營成本高,運輸組織不靈活。盡管6/13‰方案有工程投資大、越嶺隧道長等缺點,但是該方案可開行萬噸列車,具有輸送能力大、運營費用低的優點,符合煤運大通道和鐵路跨越式發展的要求。因此,該段采用6/13‰限坡方案。

4 越嶺方案研究

4.1 方案說明

33.1 km長隧道方案(方案Ⅰ)：該方案自比較起點CK348+500起,繞避師村遺址后轉向東北,沿山行至古縣南側張莊附近設古縣站；出站線路轉向東南,跨過洪安澗河后以33.12 km的隧道穿越太岳山,出隧道后跨過沁河,行至白村附近設安澤站；出站后線路轉向東,跨泗河、蘭河后以18.95 km隧道翻越安泰山。之后線路跨過蘭河支流,過晉義鄉到達方案比較終點CK469+400。該方案線路長度119.139 km,橋隧總長為90.93 km,橋隧比例為76.33%,其中10 km以上特長隧道2座,長度分別為33.12 km和18.95 km。投資總額1 130 946.83萬元,技術經濟指標9 492.68萬元/正線 km,靜態投資1 057 293.44萬元,技術經濟指標8 874.45萬元/正線km(如圖2所示)。

16 km短隧道方案(方案Ⅱ)：該方案自比較起點CK348+500起,繞過師村遺址后繼續向南,展線至北韓鄉設北韓站,出站后展線至舊縣鎮,以16.44 km隧道翻越太岳山；之后在安澤縣桃曲村附近設安澤站,出站后跨沁河,而后以10.29 km和16.18 km兩個隧道翻越太岳山余脈,過晉義后到達方案比較終點C3K489+384.4。該方案線路長度139.47 km,橋隧總長為115.40 km,橋隧比例為82.74%,其中10 km以上特長隧道3座,長度為16.44 km、10.29 km和16.18 km。投資總額1 161 122.64萬元,技術經濟指標8 325.01萬元/正線 km,靜態投資1 085 311.33萬元,技術經濟指標7 781.46萬元/正線km(如圖2所示)。

4.2 工程地質評價及比選意見

(1)工程地質評價

33.1 km長隧道方案(方案Ⅰ)：33.1 km長隧道進口段穿越二疊系下統下石盒子組含煤線地層540 m；洞身圍巖主要為三疊—二疊系泥巖、砂巖,圍巖等級以Ⅳ級為主。

根據目前鉆探資料,隧道洞身瓦斯不發育,鑒于下伏含煤地層(含煤地層位于路肩線下150～250 m),在斷層發育段及穹隆構造頂部局部有儲存富集瓦斯的可能,應加強檢測和通風。

16 km短隧道方案(方案Ⅱ)：16 km短隧道洞身圍巖主要為三疊—二疊系泥巖、砂巖,圍巖等級以Ⅳ級為主。但鑒于下伏含煤地層較33.1 km長隧道埋深更大,地質構造相對更簡單,該隧道在圍巖級別及有害氣體方面得以改善，工程地質條件相對較好。但在斷層發育段及穹隆構造頂部，局部仍有富集瓦斯的可能,應加強檢測和通風。

圖2 太岳山越嶺方案示意

16 km短隧道方案展線段隧道進出口黃土高邊坡有9處；隧道洞身位于黃土內的總長為13.45 km,其中隧道洞身位于土石界線內的總長為2.54 km。

(2)工程地質評價及比選意見

太岳山越嶺長短隧道的工程地質條件及存在的工程地質問題基本相同,短隧較長隧隧道縮短17 km,同時地質得以改善,地質風險相對減小。從工程地質角度分析,16 km短隧道優于33.1 km長隧道。

4.3 工程投資比較、優缺點綜合對比分析

工程投資及優缺點綜合對比見表1、表2。

表1 太岳山越嶺方案對比分析

表2 太岳山越嶺方案優缺點分析

4.4 推薦意見

綜上所述,16 km短隧道方案雖然工程投資貴2.8億元,但其沒有控制工期的長隧道工程,工程風險、工期風險小,隧道運營養護及救援較方便,且繞避了安澤縣規劃建設的冀氏煤電工業區和配套建設的桃園、石安煤礦,安澤站位也符合地方規劃。因此本次研究推薦16 km短隧道方案。

5 結束語

山西中南部鐵路翻越太岳山和安泰山段選線,通過工程投資、經濟據點、工程風險、工期風險等方面進行了技術經濟比選，推薦的16 km短隧道方案,在增加投資不多的情況下,大大縮短了控制工期的隧道長度,降低了隧道工程地質風險和工期風險。其引線部分的工程難易程度也是越嶺選線的重要組成部分,也應納入比選范圍,這樣才能選擇合理的越嶺方案,保證工程的順利實施。

[1] GB50090—2006,鐵路線路設計規范[S]

[2] 鐵道部第一勘察設計院.鐵路工程線路設計手冊[M].北京：中國鐵道出版社，1976

[3] 中鐵工程設計咨詢集團有限公司.新建山西中南部鐵路通道可行性研究報告.第五篇線路(下冊)[R].北京:中鐵工程設計咨詢集團有限公司，2009

[4] 中鐵工程設計咨詢集團有限公司.新建山西中南部鐵路通道可行性研究報告.第四篇地質(下冊)[R].北京:中鐵工程設計咨詢集團有限公司，2009

[5] 中鐵工程設計咨詢集團有限公司.新建山西中南部鐵路通道可行性研究報告.第十篇隧道(下冊)[R].北京:中鐵工程設計咨詢集團有限公司，2009

[6] 中鐵工程設計咨詢集團有限公司.新建山西中南部鐵路通道預可行性研究報告(方案競選)[R].北京:中鐵工程設計咨詢集團有限公司，2008

[7] 易思蓉.鐵路選線設計[M].成都：西南交通大學出版社，2001

[8] 何振寧.區域工程地質與鐵路選線[M].北京：中國鐵道出版社,2004