侯 淼

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 概述

张家口至呼和浩特铁路(简称“张呼铁路”，下同)东起河北省张家口市张家口南站，经过河北省怀安县后穿大尖山隧道进入内蒙古自治区境内，经兴和县、乌兰察布市(原集宁市)、卓资县，西迄于呼和浩特市呼和浩特东站。设计正线全长286.773 km，其中河北省境内75.766 km，内蒙古自治区境内211.007 km。

张呼铁路建成后，与京张城际一起形成一条蒙西至北京的快速铁路，呼包鄂地区至北京间全程旅行时间有望缩短到2～3h左右，并可进一步延伸至银川和兰州，可形成联系西北和华北的又一条快速铁路通道，对于加强内蒙古“呼包鄂经济圈”与北京的经济联系，满足区域间客流运输具有重要意义。

2 大尖山越岭地区自然概况

2.1 地形地貌特征

大尖山越岭段线路穿越西洋河、东洋河分水岭，属低中山区，分水岭主山脊位于DK73+600附近，该段小里程方向位于于西洋河一侧，大里程方向位于东洋河一侧。区段最高海拔约1 420 m，最低海拔约950 m，最大高差约470 m。山体上方有多条冲沟发育，地形起伏较大，总体地势西北高，东南低。山体基岩裸露，植被发育情况一般。

2.2 地层岩性及构造

地层岩性:本段主要地层为太古界麻粒岩，侏罗系泥岩、砂岩等。麻粒岩层中分布有辉绿岩、花岗岩等岩脉，岩质较硬，但节理发育，岩体完整性较差。侏罗系岩层具有中－强膨胀性。

地质构造:该段处于阴山东西向复杂构造带南部，中朝准地台一级构造单元的燕山沉降带及内蒙地轴两个二级构造单元之上。中生代的构造运动以燕山期构造运动表现最为强烈，多为压扭性断裂，褶皱在这一时期则表现相对较弱。新生代地壳运动以上升为主，构造变动不显著。经长时间多期构造影响，隧道所在区域山体断裂构造发育，主要为高角度正、逆断层，岩体节理较发育－发育，出口端侏罗系砂岩夹泥岩为单斜岩层，倾角约25°。

2.3 线路穿过的主要断层构造

大尖山越岭范围内分布有8条断层。根据本项目地震安全评价报告结论，线路范围内所经过断裂构造均为非活动性断裂，可不考虑断层错断问题，但断层部位岩体破碎，地下水丰富，隧道穿过时应做好地质超前预报并加强支护措施。

2.4 水文地质条件

大尖山为西洋河水系与东洋河水系分水岭，其主脊位于DK73+600一带，小里程方向属于西洋河水系，大里程方向属于东洋河水系。山体表层冲沟发育，以分水岭主脊为界，小里程方向冲沟水流流向西洋河，大里程方向水流流向东洋河。其中小里程方向线路通过的规模较大冲沟有19条，绝大部分冲沟内均有地表水流，水量较小;大里程方向线路经过的主要冲沟有2条，其中一条有少量地表水。冲沟地表水受大气降水及冲沟两侧山体泉流补给，为山体基岩裂隙水主要排泄通道。

3 大尖山越岭方案研究

3.1 张家口至乌兰察布段方案研究

张家口市地处河北省西北部，乌兰察布市地处内蒙高原南部地带，两地间航空距离149 km，相对高差700 m。沿线分布的经济据点有张家口市怀安县和乌兰察布市兴和县，结合经济据点分布位置和地形地质条件，研究了经由张家口—怀安—张皋—乌兰察布方案(简称西线方案)、张家口—怀安—兴和—乌兰察布方案(简称中线方案)、张家口—兴和—乌兰察布方案(简称东线方案)和沿在建张集线通道的中－西线组合方案共四个方案(如图1)。

图1 张家口至乌兰察布段

(1)西线方案

线路出张家口南站，以20.68 km特大桥依次跨越张石高速、环城西路、国道G110、货物直通线、京藏高速公路、G207国道、大洋河至河南岸，经新东阳规划区北侧沿县道X454西行，经第十屯以北依次跨越南洋河、西洋河、既有京包铁路，于县城北环路以南设怀安站。出站后经沙家屯北侧西行进入山西省境内，于新平堡北侧上跨明长城遗址、西洋河至河北侧，经喇嘛营以7.62 km长隧道穿越大岔梁，于兴和县张皋镇设站。跨准兴重载高速公路、张集铁路，经黄旗海湿地保护区实验区，沿丹拉高速公路南侧至乌兰察布站。新建线路145.892 km，桥梁总长86.028 km，隧道总长11.41 km，桥隧比65.28%，估算投资1 521 832万元。

(2)中线方案

线路自西线方案怀安站西端引出，于西洋河水库大坝下游以8.03 km特大桥依次跨越西洋河、国道G110、东纵高速公路。为了预留规划京新高速公路的线位条件，本线下行线路中心距西洋河古城墙100 m处通过，于平远头村西侧以10.45 km长隧道下穿明长城遗址及京藏高速公路、大尖山进入内蒙境内，改国道G110后沿国道北侧西行，上跨张集铁路后设兴和北站。经大淖海、小淖海南侧，于二台沟南侧上跨国道G110、京藏高速公路至比较终点。新建线路144.642 km，桥梁总长78.468 km，隧道总长18.97 km，桥隧比68.34%，估算投资1 556 791万元。

(3)东线方案

线路出张家口南站，沿张集铁路西北行，于张集铁路旧堡隧道北侧以14.29 km长隧道越岭，至小蒜沟设小蒜沟北站。并行张集铁路，于兴和县环城路北侧设兴和北站，出站后接入中方案至比较终点。新建线路135.083 km，桥梁总长76.469 km，隧道总长29.79 km，桥隧比78.66%，估算投资1519311万元。

(4)中－西线组合方案

该方案自中线方案CK89+000引出，上跨G110国道、京藏高速公路，于小滩北侧设兴和南站。出站后沿张集铁路南侧向西行进，于DK126+900处接入西线方案至比较终点。新建线路147.819 km，桥梁总长88.293 km，隧道总长14.150 km，桥隧比69.30%，估算投资1 564 844.93万元。

该方案线路长度最长，虽局部段落与张集铁路共通道，可以减少对土地的分割，兴和站在国道和京藏高速公路西侧，离县城较远，不利于乘客出行。总体而言，方案价值不大，首先予以放弃，重点对其他三方案进行技术经济比选。

(5)方案综合分析与评价

工程地质条件分析如表1。

表1 各方案工程地质条件评价

东线方案中北高山越岭隧道长14 290 m，穿过多条区域断层，岩层破碎，地下水丰富，断层带富水，发生涌水、突泥风险高，地质条件与张集线的旧堡隧道相似，工程地质条件极差，各方案隧道工程风险评估见表2。

表2 越岭隧道风险评估

西方案经过怀安县，于兴和县张皋镇设站，张皋镇人口稀少距县中心城区约23 km;中方案经过怀安、兴和两县;东方案只经过兴和县。中方案经过经济据点多。

(6)研究结论

根据地质调绘、深孔钻探、孔内测试及论证，大尖山、喇嘛营隧道均位于太古界变质岩中，岩体受构造影响较重，节理发育，完整性较差，地下水位高，岩体尤其是破碎带富水性好。中、西方案地质条件相当，经工程措施处理后不控制方案选择。

西方案线路稍长，经过松软土地段也相对较多，但通过膨胀岩地段较短，沿线地形条件好，喇嘛营越岭隧道地质条件复杂，工程实施相对简单，但该方案不经兴和县城，与地方政府要求不一致。中方案大尖山越岭隧道岩体破碎、地下水较丰富，施工风险相对较高，但中线方案经怀安、兴和县城。考虑到本项目是客运专线铁路，若线路不经过兴和县，对客流吸引作用较差且不符合地方规划。综上所述，推荐经怀安、兴和县修建大尖山越岭隧道的中线方案。

3.2 中线越岭—京藏高速公路东、西侧方案研究(在20‰基础上进行比选)

大尖山越岭的中线方案线路沿京藏高速公路走行并需穿越大尖山，考虑到京藏高速公路西侧是山西省，东侧是河北省，本次设计研究了线路走行于山西省境内的京藏高速公路西侧越岭和走行于河北省境内的京藏高速公路东侧越岭两方案，见图2。

图2 中线越岭方案线路比较方案示意

(1)方案说明

京藏高速公路西侧越岭方案(西侧越岭方案):该方案线路于西洋河水库大坝下游以8.197 km特大桥跨越西洋河、G110国道，进入山西省境内，下行线路中心距西洋河古城墙100m，在山西省天镇县平远头村西侧以10.517 km隧道穿越明长城遗址(高差约20 m)、大尖山、京藏高速公路进入内蒙境内至比较终点。新建线路 31.5 km，桥梁总长 14.893 km，隧道总长10.517 km，桥隧比80.67%，估算投资33 346.5万元。该方案有6.9 km线路在山西省境内。

京藏高速公路东侧越岭方案(东侧越岭方案):该方案于西洋河水库大坝下游跨西洋河、G110国道、京藏高速公路后，在京藏高速公路东侧以15.390 km隧道越岭大尖山至比较终点，线路未进山西省境内。新建线路 31.489 km，桥梁总长 9.936 km，隧道总长15.390 km，桥隧比80.43%，估算投资353 129万元。该方案未经过山西省境内。

(2)方案综合分析与评价

工程投资:两方案线路长度相当。西侧方案较东侧方案少19 782万元。

工程地质条件:西侧方案岩体完整性相对较好，隧道进口段松散地层长度短，工程地质条件相对较好;东侧方案岩体完整性相对较差，尤其进口第四系地层段落长约2.1 km，工程地质条件较差。

外部环境条件:西侧方案需两次改移G110国道，还需改移S201，线路经过山西省境内只有6.9 km，无设站条件，需办理山西省各类手续，项目可实施性较差。东侧方案无需改移等级道路，且只经过河北省和内蒙古自治区，不需办理经过山西省境内的各类手续。

(3)研究结论

京藏高速公路东、西侧方案隧址区地形地貌及地层岩性较接近，大尖山越岭地区地下水丰富，存在突发性的大规模的突水突泥可能性较小。考虑到京藏高速公路东侧方案线路完全走行于河北省境内，项目的可实施性较好，推荐线路走行于京藏高速公路东侧的越岭方案。

根据上述研究结论，大尖山越岭地段方案采用线路走行于京藏高速公路东侧的走向方案。在此方案的基础上分别对大尖山越岭隧道进口段和越岭段线路坡度两个问题进行了专题研究。

3.3 大尖山越岭隧道进口段方案研究(在20‰基础上进行比选)

张呼铁路出怀安站后线路向西北方向行进，进入内蒙古自治区，线路必将同西洋河、京藏高速公路发生交叉，考虑明长城遗址的位置及京藏高速公路跨越点的选择，隧道进口段方案研究了西洋河北岸引线方案、西洋河南岸引线方案。

(1)方案说明

西洋河北岸引线方案:线路出怀安站跨西洋河(交角21°)，京藏高速(交角 39°)，穿 500 kV 丰万Ⅰ、Ⅱ线，海万Ⅰ、Ⅱ线，于沙沟遗址东北侧通过进入大尖山。线路长度33.704 km，其中隧道全长9.492 km、最长隧道为韭菜沟2号隧道(3.106 km)，桥梁全长13.619 km，最高桥为西洋河特大桥(38 m)，桥隧比68.25%。

该方案于D1K60+060～D1K60+350及D1K69+000～D1K69+270段线路以桥梁、隧道形式跨越烽火台的建设控制地带，距保护范围边界最近距离小于10 m;在D1K67+210～D1K67+370段线路以隧道形式跨越烽火台保护范围建设控制地带，且此段线路在数个相邻烽火台的连线上交叉穿越5次。

西洋河南岸引线方案:该方案于西洋河水库下游跨西洋河(交角38°)，京藏高速(交角50°)，穿500 kV丰万Ⅰ、Ⅱ线，海万Ⅰ、Ⅱ线后进入大尖山。由于跨西洋河特大桥桥高的不同将导致大尖山越岭隧道长度的不同，本次研究了50 m、60 m、70 m三个桥高方案，工程情况见表3。

表3 不同桥高方案比较

50 m高桥方案中共设马市口隧道1座，隧道长10.232 km，隧道最大埋深179 m。为满足4年工期要求，需在D1K72+800处设置一处长约450 m的斜井。

由于该隧道洞身5处浅埋下穿主要冲沟，丰水季节冲沟内如有明流，会造成隧道涌水量增大，且暗挖穿越中等膨胀性围岩约3150 m，占全隧总长度的30.8%，隧道施工风险较大，工程地质条件较差。

70 m桥高方案桥梁最大墩高70 m，50 m以上高墩范围2.47 km。高墩施工难度大、工期长、造价高，后期养护维修困难。

综上所述，50 m、70 m桥高方案均存在较大风险，经研究后首先予以放弃，以60 m桥高方案与北岸方案进行比选。

60 m桥高方案线路长35.729 km，桥梁总长13.864 km，隧道总长9.881 km，桥隧比66.46%。一处以桥梁形式平行烽火台跨越其建设控制地带，三处以隧道形式穿越烽火台保护范围及建设控制地带。

(2)方案综合评价

工程投资条件分析:南岸引线方案投资290 369.006万元，北岸引线方案投资289 969.788万元。南案引线方案较北岸方案线路长2.025 km，桥隧总长长0.633 km，工程投资多399万元。

工程地质条件分析:北岸方案越岭段划分为12个隧道，单个隧道长度最小，隧道抬高到冲沟底部高程以上，地下水水头压力降低，能有效改善水文地质条件，降低隧道施工风险。

南岸方案越岭段划分为3个隧道。由于隧道埋深较大，围岩分级条件相对较好，但隧道在大尖山多处冲沟底部浅埋通过，水文地质条件相对较差。

外部条件分析:北方案跨越西洋河交角21°。防洪评价单位建议河道范围内桥墩与水流方向一致或采用圆形桥墩，减少阻水面积，桥梁设计高程应满足百年一遇洪水位要求。

北岸方案在D1K53+700至 D1K59+771间交叉穿过9处烽火台5次，穿越次数过多，不利于沿线长城主体构筑的整体保护，张家口市文物局表示该方案的可行性有待研究，建议向省级文物厅申请，派专家组对沿线烽火台进行现场勘测、定位研究，并完成相关专题报告，待研究可行后再另行上报。南岸方案穿越长城已得到国家文物局批复。

(3)研究结论

西洋河南方案较北方案长2.025 km，工程投资多399万元。但北岸方案同西洋河交角较小(21°)，防洪评估工作较难通过;且同明代古长城烽火台走向相同，多次同烽火台的连线产生交叉，较难获得文物部门的批准。结合地方政府意见，考虑到北岸方案长城问题较难获得文物部门的批准，推荐西洋河南岸引线方案。

3.4 大尖山越岭坡度方案研究

考虑采用较大坡度进行设计，可以进一步抬高越岭段设计高程并缩短隧道长度、降低西洋河桥高，本次设计对西洋河南岸引线方案进行了20‰和25‰的坡度研究。

(1)方案说明

20‰坡度方案:跨西洋河特大桥桥高最高为60 m，线路全长35.729 km，隧道全长9.881 km(最长隧道5.285 km)，桥梁全长13.864 km，桥隧比66.458%。

25‰坡度方案:跨西洋河特大桥桥高为41 m，线路全长35.727 km，隧道全长8.508 km(最长隧道3.016 km)，桥梁全长15.115 km，桥隧比66.12%。

(2)方案综合评价

工程投资条件分析:20‰方案桥梁总长13.864 km，隧道总长9.881 km，投资290 369.006万元。25‰方案桥梁总长15.115 km，隧道总长8.508 km，投资285 124.246万元。25‰方案投资较 20‰方案少5 244.759万元。

工程地质条件:20‰方案与25‰方案相比较而言，25‰方案由于其隧道高程更高，隧道相应变短，浅埋段增加，围岩级别有所降低。尽管围岩条件不具有优势，但水文地质条件明显改善，大大降低了隧道施工风险，因此25‰相对较优。

运营分析:本次模拟分别采用CRH1、CRH2和CRH5计算，下行方向按照由张家口南站起动，结合运输安全及3 min追踪间隔研究，考虑长大下坡的局部限速。

经模拟验算，20‰方案采用CRH1在DK73+458处速度降至最低，最低速度158.9 km/h;采用CRH2在DK73+431处速度降至最低，最低速度为160.3 km/h;采用CRH5在DK73+446处速度降至最低，最低速度为148.2 km/h。25‰方案采用CRH1在DK72+259处速度降至最低，最低速度145.8 km/h;采用CRH2在DK72+275处速度降至最低，最低速度为146.81 km/h;采用CRH5在DK72+269处速度降至最低，最低速度为134.54 km/h。

经比较，采用20‰方案和25‰方案运行时间及速度相差不大，采用各型动车组上下行运行时间相差均在10s之内。

(3)研究结论

从工程、地质条件和运营影响分析，25‰坡度方案工程地质条件改善、投资省，运行时分不受影响，推荐25‰坡度方案。

［1］ 赵清为．铁路工程技术手册:线路［M］．北京:中国铁道出版社，1994．

［2］ 郝瀛．铁路选线设计［M］．北京:中国铁道出版社，1996

［3］ TB 10020—2009 高速铁路设计规范(试行)［S］

［4］ 易思蓉．铁路选线设计［M］．成都:西南交通大学出版社，2001

［5］ 郝瀛．中国铁路建设概论［M］．北京:中国铁道出版社，1998

［6］ 中铁工程设计咨询集团有限公司．新建张家口至呼和浩特铁路预可行性研究报告［R］．北京:中铁工程设计咨询集团有限公司，2009

［7］ 中铁工程设计咨询集团有限公司．新建张家口至呼和浩特铁路可行性研究报告:第一篇总说明书［R］．北京:中铁工程设计咨询集团有限公司，2010

［8］ 中铁工程设计咨询集团有限公司．新建张家口至呼和浩特铁路初步设计报告:第一篇总说明书［R］．北京:中铁工程设计咨询集团有限公司，2012