晋中南铁路通道煤系地层线路选线设计浅析

陈 剑

(铁道第三勘察设计院集团有限公司广东分公司，广东深圳 518052)

晋中南铁路西起山西省兴县瓦塘镇、东至山东省日照港，横贯晋、豫、鲁三省，全长1 259.57 km;是应国家能源建设战略、山西煤炭基地有序开发要求，以重载标准修建的大能力铁路运输通道。对洪洞以西铁路选线如何既考虑山区地形的复杂性又考虑煤炭矿区的开发服务功能进行浅析。

1 沿线自然特征

晋中南铁路洪洞以西共穿越了三大地貌单元，分述如下。

黄土高原丘陵及低山区:地势自东向西倾斜，上覆厚层黄土，微地貌以深切冲沟为主。

吕梁山脉低中山区:吕梁山脉为主干的构造侵蚀、剥蚀基岩山区地貌，高差300～500 m。

临汾盆地冲洪积平原区及边缘丘陵区:边缘丘陵区是东邻汾河河谷，西侧多以断层崖与吕梁山地相连;汾河冲洪积平原区地势开阔平坦。

不良地质类型:压煤与采空、滑坡与顺层、岩溶、地震液化、有害气体等。

2 沿线煤矿分布

晋中南铁路穿越河东煤田、霍西煤田。其中瓦塘至临县段为河保偏矿区;临县至柳林段为柳林矿区;柳林至蒲县段为石楼—隰县矿区;隰县至洪洞北段为乡宁矿区和霍西煤田霍州矿区，详细分布见图1。

图1 晋中南铁路宏观线路走向示意

3 功能定位

研究年度本通道与侯月、石太、邯长一起构成山西中南部地区煤炭外运主骨架，故晋中南铁路的功能定位为以煤炭为主的大能力货运通道。

4 线路选线

线路平面位置和纵断面高程不仅与技术标准、地形、地质、环境敏感点等有密切关系，还受煤炭规划及开采现状等因素影响。

与规划煤矿的关系处理:一方面晋中南铁路不同于矿区修建的普通运煤专用线，安全事故的出现将导致国家能源干线的运输中断，负面影响大，据国家相关政策性文件要求:“在铁路线路两侧路堤坡脚、路堑坡顶、铁路桥梁外侧起各1 000 m范围内，以及在铁路隧道上方中心线两侧各1 000 m范围内，禁止从事采矿、采石及爆破作业。”故晋中南铁路的修建，对铁路线位两侧各1 000 m范围内将来的采矿工作有距离限制;另一方面，煤炭作为不可再生资源，铁路设计时应尽量避开采矿范围，减少资源占压。晋中南铁路对规划(未开采)煤矿主要采取绕避和缩减穿越矿区长度的方式来处理。

与既有煤矿的关系处理:既有煤矿(采空区)对铁路建设和使用将带来很大隐患，如导致路基连续下沉，突然下沉，线路偏移，曲率、纵坡改变等，铁路设计线位必须穿越既有煤矿和采空区时需高度重视，慎重调查沿线采空情况，废巷、煤柱、冒落沉陷及其他地质资料，针对既有煤矿(采空区)主要有绕避和处理通过方式。

4.1 绕避方案

铁路与规划、既有煤矿的关系处理应首选绕避方案，绕避方式分为平面绕避和立面绕避2种。

4.1.1 平面绕避

晋中南铁路是服务矿区运输的主干线铁路，即使绕避矿区，也不宜距离太远，否则不能充分发挥铁路集运输能力，影响服务效果，铁路起点瓦塘至兴县区间全部位于山西省兴县境内，线路附近主要存在斜沟井田和兴县井田，两井田煤层埋深从东向西逐渐加深，煤矿东部因埋深较浅(小于500 m)，存在较多已开采的小煤窑、采空区，开采年代久远，有关开采数据翔实收集的难度非常大，铁路从此通过安全隐患很大，故考虑铁路从西侧埋深超过1 000 m外尚未开采的范围通过，通过对该区域矿界范围和地形的分析，理论上最佳位置为铁路运输安全保护区边界与矿界恰好重合处，但另考虑适应地形、车站布置及地方政府要求等因素，通过综合比较，本段线路采取从井田西侧范围距井田边界1～7 km范围区间绕避，线路走向如图2所示。

图2 晋中南铁路绕避矿界线路方案示意

4.1.2 立面绕避

结合煤炭范围、埋深及开采深度，掌握纵面煤系地层的分布，对采空区位置作出稳定判断，从立面分析线路下穿通过煤层及采空区的可行性，晋中南铁路南吕梁山越岭方案就采取立面绕避方式。

该段落位于晋中南铁路蒲县至洪洞段(DK297+400～DK359+834)，南吕梁山隧道和汾河特大桥是该区段的两大重点工程，主要控制线路的因素为:蒲县煤矿采空区、龙子祠泉域、洪洞姚头采空区、汾河桥位等;就如何通过煤矿采空区、缩短越岭隧道长度、保全龙子祠泉域水系等方面开展了广泛且深入的方案研究，有关煤矿(采空区)和泉域简要介绍如下。

南吕梁山越岭长隧道段沿线煤矿采空区发育，线路自南沟至洪洞越岭将不可避免的穿越众多已采煤矿，其中西端最接近线路高程的蒲县兴乐煤矿煤层批采深度高程为1 040～1 130 m，探明批准开采煤层储量深度高程850～1 130 m。

龙子祠泉域出露位置位于临汾市西南13 km的西山山前。泉域保护范围属吕梁山南段东翼的一部分，面积达2 250 km2。铁路自蒲县至洪洞越岭不可避免地穿越龙子祠泉域保护范围，穿越泉域保护范围达20 km。根据已掌握的勘探资料计算，长隧道出口端岩溶地下水位高程492 m，泉域保护范围西侧边界处岩溶地下水位高程867 m，岩溶地下水位线平均纵坡18.2‰。

越岭长隧道穿越煤矿采空区与泉域岩溶地下含水层，同时受采空区高程与岩溶地下水位线高程双重制约。为消除煤层范围可能存在的采空区对长隧道带来安全隐患，为保证长隧道的建设不致对泉域水系造成破坏，线路设计高程应距离煤层底部及岩溶地下水位线均有一定的安全距离，围绕以上控制内容，开展不同纵坡越岭方案研究，结合各方案投资估算，机车选型，和对泉域、采空区的工程风险分析，最终推荐采用13‰限坡不折减方案为贯通方案，纵断面方案研究见图3。

图3 南吕梁山隧道设计纵坡与泉域及煤层、采空区关系

4.2 穿越方案

当线路不可避免要通过矿区，或绕避矿区须增加巨大工程投资时，应尽可能减少铁路在矿区中间穿行长度，穿行长度减少，则压煤面积相应减少，在同样满足运输要求的前提下，节省国家资源、减少本线工程投资，取得各方利益平衡。此种方式需与地方政府、矿区业主协商，取得政府主管部门和企业对穿行矿区方案的认可，依托铁路线位研究或调整煤矿开采方向，巷道布置等技术指标，将铁路占压煤矿的不利影响降到最低，晋中南铁路在针对郭家沟煤矿就曾开展过缩减通过长度和绕避方案的技术经济比较，方案简述如下。

综合区段内各控制因素，郭家沟煤矿段线路方案首先应满足在建太中银铁路、既有青银高速公路跨线要求基础上进行，尽可能削弱拟建铁路对郭家沟煤矿优质煤炭资源的占压影响，其次应结合沿线地形地质条件合理确定线路平面位置及设计高程，纵坡设计用足坡度，使线路尽量短直，为减少线路对矿区影响而开展了取直方案、大绕矿区方案、小绕矿区方案研究，见图4。各方案主要工程内容及投资估算见表1。

从主要工程数量上来看，因取直方案线路长度最短，故工程投资最省。

从压煤方面来看，考虑到区段内另有太中银铁路和青银高速公路对周边矿区形成占压，综合统计后，取直方案占压煤炭资源量最大;但对于区域内煤炭资源占压总量而言，一方面取直方案线路通过矿区长度最短，对煤炭资源总占压量最小，另一方面取直方案自矿区中部穿过，设计线路西侧仍保有大面积具备开采价值的煤炭资源，可形成有效开采空间，未对矿区形成明显的破坏，故本段落推荐采用矿区取直方案。

图4 郭家沟煤矿段线路方案示意

表1 郭家沟煤矿段方案主要工程内容及工程投资对照

4.3 处理通过方式

当线路通过已开采的浅部小煤窑、采空区上方时，依据准确地质资料可判断煤层上覆岩性、结合开采技术条件、预留的保安煤柱情况及其他各相关参数能进行电算预测和试算是否能采取处理通过(方式一般为充填)，其通过的适宜性评价是一综合课题，须认真对待，通过方案确定后，在实施前，协同政府主管部门提前对正在开采的煤矿进行压矿评估及关停的相关手续。但因个别小煤窑生产无计划，具备盲目性，甚至是非法开采，导致开采资料不齐全，其地表变形规律也将不容易被掌握，故需慎重考虑处理通过的方案。

5 结论

通过上述对晋中南铁路通过山区、矿区的线路方案描述，在山区、矿区的线路方案遵循由大到小、由面至点的思路，重视地形困难、服务矿区、安全施工及运营等方面的有机结合;应深入收集并分析矿区、采空区范围、埋藏深度等实际情况，充分研究平面、纵断面绕避方案和穿越工程处理方案，多方案技术经济比选，才能选定工程合理、实施容易的线路走向。

［1］中华人民共和国铁道部.GB50090—2006 铁路线路设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2006.

［2］赵清为，等.铁路工程设计技术手册线路［M］.北京:中国铁道出版社，1994.

［3］铁道第三勘察设计院集团有限公司.山西中南部铁路通道预可行性研究［R］.天津:铁道第三勘察设计院集团有限公司，2009.

［4］铁道第三勘察设计院集团有限公司.山西中南部铁路通道可行性研究［R］.天津:铁道第三勘察设计院集团有限公司，2009.

［5］铁道第三勘察设计院集团有限公司.山西中南部铁路通道初步设计线路篇文件［R］.天津:铁道第三勘察设计院集团有限公司，2009.