张家界至吉首至怀化铁路凤凰站后穿越杭瑞高速方案比选研究

李 坤

(中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉 430063)

1 张家界至吉首至怀化铁路概况

张家界至吉首至怀化铁路位于湖南省西部，北起张家界市，经湘西土家族苗族自治州，南接怀化市，衔接黔张常、怀邵衡、沪昆客运专线等铁路线，辐射湘西主要地市。该条线路串起张家界、凤凰等著名风景旅游区，对于带动沿线地区快速发展，落实武陵山区精准扶贫攻坚战略，改变湘西片区经济落后现状，实现全省均衡发展具有重要作用。同时张吉怀铁路的建设将构建形成通达南北、连接东西的中西部快速客运新通道，缓解既有焦柳铁路的运输压力，消除路网干线运输瓶颈[1-2]。

张吉怀铁路线路全长246.633 km，设站8座，其中张家界西站和怀化南站为在建和既有站。本线铁路等级为客运专线，一次新建双线。铁路主要技术标准为设计行车速度350 km/h；最小曲线半径一般为7 000 m，困难地段为5 500 m，局部地段限速；最大坡度2%，困难条件下3%。，到发线有效长度650 m[3-4]。

2 凤凰站后上跨、下穿杭瑞高速方案比选

凤凰站后上跨、下穿杭瑞高速方案研究范围自张吉怀铁路DK172+017-DK180+396，线路长度8.379 km。线路自北向南在G209国道以东、包茂高速以西的沱江镇瓦场村设凤凰站后随即与杭瑞高速公路交叉并跨越沱江，影响该段平纵断面的主要控制因素有地质条件、凤凰站布置、杭瑞高速公路及沱江特大桥的工程条件等。由于受车站布置的限制该段线路平面选线方案较为唯一(见图1)，因此，综合考虑以上控制因素，针对纵断面条件分别研究了上跨高速方案和下穿高速方案，见图2。

图1 平面示意图

图2 上跨、下穿杭瑞高公路方案纵断面示意图

2.1 方案说明

1) 上跨杭瑞高速方案(方案一)。凤凰站位于标高H=430.301 m的平坡上，出站后采用一段2 250 m、1.65%上坡后，上跨杭瑞高速公路(关音坳跨杭瑞高速大桥)，桥梁孔跨布置为1×24 m简支梁+1×(60 m+100 m+60 m)连续梁；尔后考虑尽量降低沱江特大桥墩高，改善该桥工程条件，采用一段4 300 m、3%的下坡至凤凰隧道进口，沱江特大桥长869.8 m，孔跨布置为1×32 m+3×24 m+1×(40 m+72 m+40 m)连续梁+7×32 m+1×(40 m+72 m+40 m)连续梁+5×32 m+2×24 m，最大墩高56.35 m。

受凤凰站大里程端纵断面竖曲线限制，该方案凤凰站小里程端咽喉区大部分位于DK172+000-DK172+400段山包内[5],该段工点为深路堑，边坡最大高度75 m。

2) 下穿杭瑞高速长隧道方案(方案二)。凤凰站位于标高H=430.301 m的平坡上，出站后先采用1 500 m、2.8%的下坡，尔后以4 200 m、2%的下坡以隧道形式下穿杭瑞高速至沱江，尽量降低沱江桥墩高，随后以0.65%的下坡跨越沱江至比较终点凤凰隧道进口。该方案跨越沱江特大桥一分为二，分别长352，332 m，桥梁最大墩高约40 m。

相对于上跨杭瑞高速方案，凤凰站大里程端竖曲线长度较短，车站布置可南移100 m，小里程端咽喉区位于DK172+000-DK172+400段山包之外[5]，该段工点为双线隧道。

2.2 主要工程数量及投资比较

两方案工程数量及投资比较见表1。

表1 上跨、下穿杭瑞高方案比较表

方案二比方案一桥隧比高，路基工点少，征地和拆迁工程量少，征拆节省投资983万元。

受凤凰站布置限制，方案一进站端山包需以路基型式通过，路基土石方和支挡工程量大，方案一路基工程投资比方案二多1.208亿元。

方案一桥梁较方案二长617.9 m，且沱江特大桥桥墩更高，方案一比方案二投资多0.593亿元。

方案一隧道较方案二短2 402 m，方案二隧道工程需设辅助坑道泄水，方案一短隧道多，洞口个数和圬工方也更多，方案一隧道工程投资比方案二少1.496亿元。

综合考虑以上因素，方案一较方案二工程静态投资多0.403亿元。

两方案出凤凰站后纵断面区别较大，方案一列车出站后立即以大坡度上跨杭瑞高速，而方案二则是下坡下穿高速，对凤凰至麻阳西段动车组走行费进行检算，计算期按25年，近远期列车对数分别为46，77对/d，折现后，方案一比方案二动车组走行费多460万元。

2.3 优缺点分析

2.3.1上跨杭瑞高速方案(方案一)

优点：工程地质条件相对较好，隧道工程实施难度和风险相对较低。

本段沿线分布的不良地质主要有3段岩溶发育地段，具体如下。

DK175+860-DK176+210段。本段长350 m，岩性主要为灰质砾岩，地下水类型主要为岩溶水，与地表自由落水洞相连，较发育。预测该段隧道最大涌水量为41 598 m3/d,单位长度正常涌水量为5.82 m3/(d·m)，属强富水区。

DK176+820-DK177+000段和DK177+560-DK177+680段。2段长度均为180 m，岩性主要为灰质角砾岩等。地下水类型主要为岩溶水，岩溶管网较发育，地表水在洼地内汇集形成地下岩溶管道流。预测这2段范围的隧道最大涌水量分别为13 866，11 092.8 m3/d；单位延米正常涌水量分别为5.66 ，6.79 m3/d，属强富水区。

方案一DK175+100-DK179+500段以短隧道群形式走行于岩溶发育区上部，受岩溶、岩溶水影响较小，工程地质条件相对较好，隧道工程实施难度和工程风险相对较低。

缺点：

1) 路基工程条件困难，工程量大。受凤凰站大里程端纵断面竖曲线限制，该方案凤凰站小里程端咽喉区大部分位于DK172+000-DK172+400段山包内，该段工点为深路堑，边坡最大高度75 m，路基土石方比方案二多128.3万m3。锚索、锚杆较方案二分别多2 950孔/57 299 m，1 336孔/11 544 m，桩板墙比方案二多34 745 m3。

2) 桥梁工程条件较为复杂。方案一沱江特大桥桥长869.8 m，孔跨布置为：1×32 m箱梁+3×24 m箱梁+1×(40 m+72 m+40 m)连续梁+7×32 m箱梁，最大墩高56.35 m，相对于方案二，桥梁工程跨度和实施难度较大。

3) 运营管理条件相对较差。方案一DK175+100-DK179+500段隧道工点多，均为短隧道，沿线多为偏僻山区，地形陡峭，交通不便，运营管理条件相对于方案二较差。

4) 工程投资较方案二多0.403亿元。

5) 纵断面坡度条件相对较差，动车组走行费更高。

该方案出凤凰站后采用2 250 m长的1.65%上坡、4 300 m长的3%的下坡，相对于方案二1 500 m长的2.8%的下坡，2 500 m长1.75%的下坡，纵断面起伏更大，25年动车组走行费折现差值较方案二多460万元。

2.3.2下穿杭瑞高速方案(方案二)

优点：

1) 路基工程条件相对较简单，工程量较小。该方案凤凰站大里程端竖曲线长度较短，车站布置可南移100 m，小里程端咽喉区位于DK172+000-DK172+400段山包之外，可以双线隧道形式通过，消除了高边坡路堑工点。

2) 桥梁工程条件较为简单。相对于方案一，方案二纵断面压低较多，沱江特大桥可一分为二，两桥总长678.285 m，孔跨布置分别为1×24 m箱梁+1×(40 m+72 m+40 m)连续梁+4×32 m箱梁、1×(40 m+72 m+40 m)连续梁+5×32 m箱梁+1×24 m箱梁，最大墩高32.3 m，桥梁工程实施难度较小。

3) 该方案DK175+100-DK179+500段以1座4 339 m的长隧道穿过，而该段方案一分布有4座短隧道+4座桥梁+4处路基工点，方案二运营管理条件相对较好。

4) 工程投资较方案一省0.403亿元。

5) 纵断面坡度条件相对较优，动车组走行费较低。

缺点：工程地质条件相对较差，隧道工程实施难度和风险高。

方案二以1座隧道(大尧隧道)穿过3段岩溶发育区，工程地质条件相对较差。施工过程中易遇到岩溶水及岩溶静态储水，为降低风险，考虑在大尧隧道洞口左侧设置长度294 m的横洞，并在出口线路左侧设置平导长度1 700 m。

2.4 推荐意见

下穿杭瑞高速方案(方案二)采用4 200 m、2%的坡段下穿高速，而上跨杭瑞高速方案(方案一)采用了4 300 m、3%的困难坡度，且坡段较长，对长期运营较为不利，同时方案二投资更省，路基、桥梁工程相对简单，因此推荐采用下穿杭瑞高速方案(方案二)。

3 结语

铁路项目设计在进展到后期初步设计、施工图阶段时，线路平面方案、车站设置方案已基本稳定，本文通过对张吉怀铁路凤凰站后的纵断面方案进行详细比选研究，综合考虑工程投资、地质条件、工程实施难度及风险、运营维护等方面的因素，通过设置横洞和平导等辅助措施降低线路穿越岩溶强发育区的施工风险，推荐采用纵断面坡度条件更优、工程投资更省，对长期运营和维护更为有利的下穿杭瑞高速方案。

[1] 中铁第四勘察设计院集团有限公司．新建铁路张家界至吉首至怀化铁路可行性研究[Z]．武汉:中铁第四勘察设计院集团有限公司，2016．

[2] 中铁第四勘察设计院集团有限公司．新建铁路张家界至吉首至怀化铁路初步设计[Z]．武汉:中铁第四勘察设计院集团有限公司，2017.

[3] 高速铁路设计规范：TB 10621-2014[S].北京：国家铁路局，2015.

[4] 铁路线路设计规范：TB 10098-2017[S]．北京:国家铁路局，2017．

[5] 铁路车站及枢纽设计规范：GB 50091-2017[S].北京：中国计划出版社，2006.