白孝勇

(中铁工程设计咨询集团有限公司, 北京 100055)

新建京张城际铁路线路穿越军都山段,针对地形、地质、八达岭景区等影响,考虑更好地兼顾市郊和旅游列车的开行,进行多个越岭方案综合分析研究比选。

为带动延庆县社会经济发展,改善北京市西部市民出行条件,目前已开通北京北至延庆市郊铁路S2线。市郊S2线由既有京张铁路和康延支线组成。京张铁路八达岭站距长城入口1.1 km,交通接驳条件差,加之列车开行间隔时分和运行时分长,大多数游客不选择乘火车去长城。S2线开通以来只有21.36万人在八达岭站上下车,而同期与S2线列车相同路线的919路公交车,因在景区汽车停车场(滚天沟)停靠,距长城入口约600 m,可以方便景区旅客,上下车人数达116.6万人。景区相关设施如图1所示,图中红线为拟建铁路线位。

受地形条件控制,京张城际铁路采用25‰坡度需连续设3座隧道越岭,最长隧道近11.59 km,在八达岭长城地下通过,隧道出口端距长城入口较近。长城入口地面高程约635 m,线路位于长城地下100 m，以隧道通过。

根据规划,长城景区游客接待能力上限为800万人。运输方式有京包线(S2线)、旅游巴士、公交车、自驾车等。京张城际铁路若经八达岭并设站,预测近、远期通过铁路运输的游客分别为416万、525万人。从运输能力和景区环境保护等进行技术经济分析看,京张城际兼顾景区游客运输是合理的。八达岭车站设置应考虑方便乘客便捷、快速到达景区入口购票游览,为此,需研究地面设站、地下设站站位方案比选(如图2所示)。在地下站方案中需研究延庆方案联络线出线方式、车站有效长、车站埋深、车站结构形式等方案,向决策部门提供全面详实的决策数据。

图2 八达岭站位比较方案示意

1 站位方案研究

1.1 地面设站方案

本方案出八达岭隧道后在程家窑设地面站。距长城入口平面距离4 km,需修建高标准公路(路线长5 km,按二级混凝土路面考虑,估算投资1亿元)和停车场等附属设施,由大量公交车转运至长城入口。该方案景区内修建公路因占地，破坏现有植被,公路运输消耗燃油并排放大量废气,不利于景区环境保护。

解决延庆县客流运输,自车站张家口端设计修建联络线接康延支线,然后利用并改建康延支线进既有延庆站。

1.2 地下设站方案

本方案线路平面与地面站方案比,主要是地下车站平面位置有局部调整,车站设于滚天沟地下,距滚天沟地面约100 m,需设电扶梯将游客运至地面。解决延庆县客流运输,也需设计修建联络线接康延支线,存在康延支线联络线自地下站或区间引出的方案。

若自车站引出,出站后两条联络线与正线分离并逐渐由一个隧道面过渡为三个隧道面,线路总长增加5.3 km,折算单线隧道总长较方案Ⅰ多5.7 km,工程投资估算多约5.4亿元(见图3)。地下车站主体范围外的四线隧道段约815 m,跨度约26.6 m,隧道跨度大,设计及施工难度高,工程造价较高。出口段为第四系黄土层,洞身及基础均位于黄土层,洞身浅埋段下穿程家窑村庄,三洞并行施工,风险较大。联络线与正线分开后形成三洞隧道,隧道运营通风组织比较困难,且联络线内设S形曲线,后期的运营养护及维修比较困难,故在区间引出接康延支线。

图3 地下设站方案比选

1.3 方案综合分析与推荐意见

方案主要工程数量及技术经济比较见表1。

表1 八达岭站位方案比较(CK35+500～CK85+500)

注:地下站方案工程车站到发线有效长按450 m长计列。

地下站与地面站方案相比,车站设于地下100 m左右,由此引起的隧道开挖工程量、照明设施、通信设施、牵引变电设施、给排水系统、排风换气系统、疏散系统、消防设施、安装费用等其他相关投资大幅增加,工程投资多7.8亿元。地下设站年运营维护成本较地面站比增加1 900万元。地面设站方案施工简单,地下设站方案施工复杂,难度较大,国内无先例,国际上也无如此规模地下站工程,需开展综合性技术专题研究。

考虑地面站方案离景区远,游客需转换公交车方可达目的地,且需在景区建公路及相关设施,对环境影响大,采用地下站为宜。

2 地下车站到发线有效长方案比选

地下设站方案仅考虑旅游运输,车站到发线可选用450 m,若考虑长途、城际列车也停靠,到发线有效长需采用650 m。两方案工程比较情况如表2。

表2 八达岭地下站到发线有效长方案工程比较

由表2可见,到发线有效长按650 m设计,投资估算比到发线有效长450 m增加约3.16亿元,年运营成本多193.9万元。

到发线有效长650 m方案虽工程大,投资和运营、维护成本高,实际运营中不可排除张家口及以远方向到京长途车需在八达岭地下站停靠,以便长城游客上下,故该站宜按到发线有效长650 m进行设计。

3 地下站不同埋深方案比选

车站埋深不同,工程量和施工风险、工期不同,需研究不同埋深方案。车站埋深大小与越岭坡度和纵断面设计有关,为此研究了不同埋深方案比选。

3.1 线路平面控制因素

主要为水关长城处既有铁路、滚天沟地下站位。保证既有线安全,线路距既有铁路东侧大于23 m控制设计线路平面。地下站位经与景区管理部门多次现场踏勘沟通,地面厅以设于长城博物馆北侧为佳。

3.2 方案构成

昌平西高架站至隧道进口段约7.2 km地段地势平缓,线路跨越G110国道、京张高速公路,设计应尽量控制桥高。进隧道后,线路高程主要受青龙桥“人”字形展线处既有铁路和地下站埋深影响。与既有铁路两处交叉,既有轨面高程为564.6 m、581.2 m；滚天沟地面高程为635 m。考虑工程规模和景区要求,车站主体不露于地面,据此进行纵断面设计而派生不同埋深方案。

共有七个可能方案,各方案纵断面主要特点见表3。

表3 地下站不同埋深方案纵断面特征

方案Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ均上跨青龙桥处既有线,线路出昌平站都直接采用了大坡度抬升高度,导致南口特大桥桥高大于50 m的地段总长分别为6.8 km、4.15 km、2.43 km,最大桥高分别为110 m、85 m、70 m,工程投资大量增加之外,地势平缓地段设置长大高墩桥,从工程可实施性与合理性方面考虑,三个方案均不可取。方案Ⅶ下穿青龙桥既有线,车站埋深仍达71 m,地质条件并无明显改善,线路抬高导致水关长城处450 m长线路露于地面,对景区有影响,该方案也不宜采用。重点对方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ进行比较分析。

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ方案主要工程数量及技术经济比较见表4。

表4 地下站不同埋深方案比较

3.3 方案综合分析与评价

(1)工程地质条件方面

危岩落石是军都山段的主要不良地质问题,方案Ⅰ多以隧道通过,不突出,线路抬高后露头次数增多,增加了危岩落石对工程的危害程度。线路穿过花岗岩地层,线路抬高使原来基本处于弱风化地层中的线路大多处于强风化带中,局部埋深较浅段甚至处于全风化带中。特别是八达岭地下站位附近,由于岩体破碎,加之埋深浅,隧道围岩级别以Ⅴ、Ⅳ级为主,工程地质条件较差。

综合评价采用大坡度方案后地质条件略差。

(2)桥梁工程方面

方案Ⅱ与方案Ⅲ桥梁长度增加较多,与方案Ⅰ相比,分别增加5.024 km和1.725 km。

方案Ⅱ与方案Ⅲ桥高增加较多,与方案Ⅰ相比,平均墩高由原来的10 m分别增加至26 m、15 m；最高桥高也由原来的24 m分别增加至70 m、60 m,设计、施工的难度及工程造价均明显增加。

另方案Ⅱ中墩高在30 m以上的桥梁连续长度约为2 km,高墩、大坡度的长大段落桥梁在客运专线铁路的设计及施工上尚无先例,并且高桥墩的桥梁结构对于大坡度无砟轨道的适应性还需进一步的论证研究。

(3)隧道工程方面

采用大坡度后隧道总长分别短3.306 km、2.836 km,但隧道进出口数量明显增加且大多位于半山腰上,地形陡峭,施工条件较差,施工便道较长,施工对景区的影响也较为显著。且隧道浅埋段多位于景区核心区内,对工程施工工艺的要求相对较高,对景区的干扰也较大。

(4)线路与景区关系方面

方案Ⅰ在核心区内出露3处,总长为583 m,最大出露长度为273 m,线路均以隧道形式下穿长城,对地面植被和生物资源影响最小,全段埋深较大,对长城的影响也最小。

方案Ⅱ与方案Ⅲ在核心区内出露10处,总长分别为3 440 m、3 060 m,最大出露长度分别为1 230 m、1 190 m,均位于水关长城处,导致该段线路在此范围内与长城平面相距约70 m的区域内与长城平行展布,对水关长城景观的影响十分突出,并且两个方案在八达岭森林公园范围内也都出露于地面,相对于环保部门的审批及方案的可实施性均较差；另由于线路埋深相对较小,对长城破坏的可能性也相应增大。

综上分析,采用大坡度方案,虽然可以减少地下站埋深而施工、运营安全有所改善,工程投资稍有节省,长隧道变为多座短隧,线路在景区出露地段增加变长,危岩落石问题变得较为突出,较多地段工程地质条件出现恶化；高墩、大坡度的长大段落桥梁在客运专线铁路的设计及施工上尚无先例,并且对于大坡度Ⅱ型无砟轨道的稳定性还需进一步的论证研究方可确定。考虑25‰以上坡度客运专线在我国尚无成功经验借鉴,线路在景区出露地段增加变长,隧道浅埋段增加,隧道施工开挖面增加,方案难于获取环保部门的审批。故宜采用长隧、低桥、景区出露次数少而车站深埋的纵断面设计方案。

4 车站不同结构形式方案比选

八达岭地下站位于新八达岭隧道内,隧道长11.59 km,从结构形式分析,尽量减小结构跨度,降低施工风险,有单洞、两洞和三洞方案比选。

4.1 方案介绍

(1)方案Ⅰ

区间正线与车站到发线不分开,到发线位于正线两侧,车站为侧式站台车站,如图4所示。

图4 方案Ⅰ车站形式(单位：mm)

(2)方案Ⅱ

区间正线与车站到发线分开,在车站范围以单洞双线独立通过(正线线间距保持4.6 m不变),到发线位于正线两侧,车站为侧式站台车站,如图5所示。

图5 方案Ⅱ车站形式(单位：mm)

(3)方案Ⅲ

区间正线在车站范围内分开,分别与到发线的左、右线合并,形成双洞四线,正线线间距为25 m,侧站台分别布置在两洞的外侧,如图6所示。

图6 方案Ⅲ车站形式(单位：mm)

(4)方案Ⅳ

区间正线在车站范围内分开,分别与到发线的左、右线合并,形成双洞四线,正线线间距为53 m,侧站台分别布置在两洞的内侧,如图7所示。

图7 方案Ⅳ车站形式(单位：mm)

(5)方案Ⅴ

区间正线分至两侧,线间距57.5 m,在两正线间设到发线(车站),车站为岛式站台,如图8所示。

图8 方案Ⅴ车站形式(单位：mm)

受水关长城处的既有京包线、八达岭地下站站位的控制,以上各方案中左线平面位置均相同,在水关长城处与长城水平距离约70 m,平行走向约570 m。方案Ⅳ与方案Ⅴ右线中心线距长城仅为17 m和12.5 m,且由于此处地面高程较低,区间隧道拱顶覆土约15 m,施工过程中对长城影响太大,难以确保其安全,方案Ⅳ与方案Ⅴ无研究价值,对方案Ⅰ、方案Ⅱ与方案Ⅲ进行详细比较。

4.2 方案分析及推荐意见

方案分析结果如表5。

表5 地下站方案综合分析

根据分析,三个方案在车站功能上差别不大,施工难度综合分析方案Ⅱ最优,从工程总投资上分析,方案Ⅰ较优,从施工和运营期间消防、安全方面看方案Ⅱ最优,宜采用方案Ⅱ。

5 结束语

通过八达岭车站方案研究,对于位于特殊环境下的车站,应该在分析影响方案的各类因素基础上,进行多层次、多方案研究分析比选,为抉择者提供充分的决策依据。方案研究应首先分析所有可能的方案,在各可能方案中分析具有可比价值的方案,在可比方案的基础上再进行同精度比选。在不遗漏方案的同时,能抓住重点,在有限的勘察周期内做好勘察设计工作。

[1] 中铁工程设计咨询集团有限公司.新建京张铁路可行性研究报告[R].北京：中铁工程设计咨询集团有限公司，2009

[2] 中铁工程设计咨询集团有限公司.京张铁路八达岭(地下)站综合技术研究报告[R].北京：中铁工程设计咨询集团有限公司，2009

[3] 铁道部.新建时速300～350 km客运专线铁路设计暂时规定[S].北京：中国铁道出版社,2005

[4] 铁道部.铁路隧道设计规范[S].北京：中国铁道出版社,2005

[5] 铁道部.地铁设计规范[S].北京：中国计划出版社,2003