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(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

蘭新鐵路第二雙線穿越大風(fēng)區(qū)綜合選線研究

張?zhí)t

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

大風(fēng)區(qū)段對鐵路的建設(shè)及運(yùn)營安全存在著各種危害，高速鐵路由于具有速度高、車體輕的特點(diǎn)，其安全受到強(qiáng)風(fēng)威脅會更大，高速鐵路穿越大風(fēng)區(qū)防風(fēng)設(shè)置是世界性難題，目前尚無已成功運(yùn)營的先例，高速鐵路大風(fēng)區(qū)綜合選線需綜合考慮防風(fēng)設(shè)置、防排水、防沙、接觸網(wǎng)防風(fēng)等因素，科學(xué)合理進(jìn)行方案比選研究。通過分析新疆境內(nèi)四大風(fēng)區(qū)分布及特點(diǎn)，利用既有蘭新鐵路設(shè)施及防風(fēng)科研成果，對蘭新鐵路第二雙線在穿越大風(fēng)區(qū)段落綜合進(jìn)行選線設(shè)計研究，充分分析路基地段的防風(fēng)設(shè)施設(shè)置以及線路平縱斷面的防風(fēng)布置選擇，確保高速鐵路在大風(fēng)區(qū)安全、快速通過，以確定科學(xué)、合理的線路設(shè)計方案。

蘭新鐵路第二雙線； 大風(fēng)區(qū)； 線路平面；縱斷面設(shè)計；綜合選線

1 項(xiàng)目概述

新建蘭新鐵路第二雙線正線全長1 776 km，速度目標(biāo)值為200 km/h以上，為以客運(yùn)為主的高等級快速鐵路干線。線路橫跨甘肅、青海、新疆三省區(qū)，其中新疆境內(nèi)線路長度710 km，建成后將是亞歐大陸橋快速通道的重要組成部分，在國民經(jīng)濟(jì)與路網(wǎng)中均具有非常重要的意義和作用。線路主要通過甘肅境內(nèi)安西風(fēng)區(qū)和新疆境內(nèi)的煙墩風(fēng)區(qū)、百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)、達(dá)坂城風(fēng)區(qū)五大風(fēng)區(qū)。全線大風(fēng)區(qū)線路的長度合計579.599 km，占線路總長的32.6%。新疆境內(nèi)線路通過大風(fēng)區(qū)長度462.409 km，占新疆段線路總長的65.1%。

1.1 沿線大風(fēng)區(qū)概況

本線大風(fēng)區(qū)自然條件惡劣，人煙稀少，多為戈壁，是我國乃至世界上鐵路風(fēng)災(zāi)最嚴(yán)重的地區(qū)之一。其中以新疆境內(nèi)的百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)的風(fēng)力最為強(qiáng)勁，歷史以及近年來多次威脅蘭新鐵路、南疆鐵路的行車安全和造成翻車等重大安全事故。新疆鐵路沿線主要風(fēng)口分布見圖1。

圖1 新疆鐵路沿線主要風(fēng)口分布

根據(jù)既有資料，新疆鐵路大風(fēng)地區(qū)大風(fēng)主要有風(fēng)速高、風(fēng)期長、季節(jié)性強(qiáng)、風(fēng)向穩(wěn)定、變化速度快的特點(diǎn)。

風(fēng)速高：據(jù)現(xiàn)場實(shí)測，百里風(fēng)區(qū)最大風(fēng)速達(dá)60 m/s，新疆鐵路風(fēng)區(qū)是全世界鐵路內(nèi)陸大風(fēng)風(fēng)速最高的地區(qū)。百里風(fēng)區(qū)風(fēng)速分布以既有蘭新線十三間房附近為最大，東西兩端遞減。

風(fēng)期長：上述主要風(fēng)口一年中的大風(fēng)天數(shù)也相當(dāng)高，大于8級風(fēng)的大風(fēng)天數(shù)基本上都超過百天，大于12級的概率在10%～15%。近年來由于全球氣候變化，大風(fēng)天數(shù)增加十分明顯。據(jù)2002年至2007年烏局大風(fēng)監(jiān)測資料統(tǒng)計，蘭新線百里風(fēng)區(qū)大風(fēng)天數(shù)約131 d，蘭新線三十里風(fēng)口地區(qū)大風(fēng)天數(shù)約121 d。

季節(jié)性強(qiáng)：每年冬春交替季節(jié)大風(fēng)最為集中，占全年大風(fēng)天數(shù)的30%以上，風(fēng)速也最大。秋冬交替季節(jié)大風(fēng)天氣也較多，但最大風(fēng)速小于冬春交替季節(jié)。由于近年地球環(huán)境變化的因素，夏季大風(fēng)有增多的趨勢。

風(fēng)向穩(wěn)定：風(fēng)區(qū)大風(fēng)主要受寒潮天氣影響，因素單一，加之區(qū)域遼闊平坦，每次大風(fēng)所經(jīng)路線較為固定，主風(fēng)向主要在NW0°～40°范圍內(nèi)。

起風(fēng)速度快：風(fēng)區(qū)大風(fēng)天氣起風(fēng)速度約在15～40 min內(nèi)風(fēng)速可由0～5 m/s迅速增加到19～20 m/s以上。以2008年4月17日開始的一場大風(fēng)為例，十三間房西測風(fēng)點(diǎn)風(fēng)速從22:37～22:54由0.8 m/s迅速增加到了19.1 m/s，只用了17 min；鐵泉西2測風(fēng)點(diǎn)風(fēng)速從1.2 m/s增加到20 m/s只用了15 min，其后用了不到1.5 h風(fēng)速便達(dá)到了32.7 m/s(12級)以上。風(fēng)區(qū)起風(fēng)速度之快實(shí)屬罕見，大風(fēng)突如其來，具有較強(qiáng)的破壞性。

1.2 大風(fēng)對鐵路安全的危害

根據(jù)對既有線運(yùn)營的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和大風(fēng)對既有線的危害分析，新建鐵路運(yùn)營面臨列車傾覆、軌道積沙、沙石擊碎玻璃、接觸網(wǎng)受流不穩(wěn)、列車停運(yùn)、限速天數(shù)多等問題，嚴(yán)重影響鐵路運(yùn)營安全及正常運(yùn)營。

新建蘭新第二雙線速度目標(biāo)值高、車體輕，大風(fēng)對鐵路運(yùn)營的威脅遠(yuǎn)甚于既有鐵路，因此，為了保證鐵路行車安全及大風(fēng)環(huán)境下正常運(yùn)營，大風(fēng)區(qū)進(jìn)行綜合選線設(shè)計及設(shè)置防風(fēng)設(shè)施十分必要。

2 強(qiáng)風(fēng)區(qū)高速鐵路設(shè)計采用的主要防風(fēng)結(jié)構(gòu)形式

為了解決蘭新鐵路第二雙線大風(fēng)區(qū)工程設(shè)計面臨的技術(shù)難題，滿足各階段勘測設(shè)計的需要，在廣泛調(diào)研、搜集已有防風(fēng)資料的基礎(chǔ)上，我院先期與中南大學(xué)、西南交大等院校合作，開展了路基、橋梁、防風(fēng)明洞的防風(fēng)科研工作。

風(fēng)區(qū)內(nèi)線路防風(fēng)設(shè)施主要有單側(cè)擋風(fēng)墻、雙側(cè)擋風(fēng)墻、半封閉防風(fēng)走廊、防風(fēng)(渡槽)明洞、橋梁擋風(fēng)屏等，動模型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图皩?shí)驗(yàn)情況見圖2。

圖2 模型實(shí)驗(yàn)情況

3 大風(fēng)區(qū)高速鐵路綜合選線設(shè)計原則研究

蘭新第二雙線線路經(jīng)過大風(fēng)區(qū)地段長，完全繞避風(fēng)區(qū)不可能，加上蘭新第二雙線采用的設(shè)計速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于既有蘭新線，因而選線原則特別重要，在盡量減少穿越大風(fēng)區(qū)的情況下，合理選擇線路走向及進(jìn)行必要的措施，對降低工程造價、避免行車事故、提高運(yùn)輸安全有著極其重要的作用。

以下綜合沿線大風(fēng)分布情況及特點(diǎn)，參照既有蘭新鐵路防風(fēng)成果及鐵一院同其他科研單位前期研究成果，充分考慮擬采用的防風(fēng)設(shè)施，兼顧沿線戈壁漫流區(qū)地形、地質(zhì)條件，對高速鐵路穿越大風(fēng)區(qū)選線進(jìn)行綜合研究。

3.1 線路平面位置及線形的選擇

根據(jù)大風(fēng)區(qū)風(fēng)向特點(diǎn)及既有鐵路運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)資料，高速鐵路穿越大風(fēng)區(qū)平面選線設(shè)計中，除了要考慮一般地區(qū)鐵路選線的要求外，還應(yīng)主要遵循以下原則。

(1)平面線位宜選擇在靠近既有鐵路下風(fēng)口一側(cè)平行布設(shè)

靠近既有鐵路，能充分利用已經(jīng)多年運(yùn)營的既有蘭新鐵路防風(fēng)設(shè)施和防風(fēng)成果、試驗(yàn)資料，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開展科研實(shí)驗(yàn)研究，更大限度保障高速鐵路運(yùn)營安全。

線位選擇在平行既有鐵路下風(fēng)口一側(cè)，能充分利用既有防風(fēng)設(shè)施，一定程度降低大風(fēng)風(fēng)速和強(qiáng)度，減弱大風(fēng)對高速鐵路的影響。

(2)平面線位宜選擇以直線穿越大風(fēng)區(qū)

根據(jù)防風(fēng)實(shí)驗(yàn)成果，鐵路選線宜直線通過大風(fēng)區(qū)，可以較大限度減少因右偏曲線兜風(fēng)對防風(fēng)帶來不利因素，同時以最短距離穿越風(fēng)區(qū)，減少風(fēng)害的影響，因此盡量采用直線穿越大風(fēng)區(qū)，不可避免時盡量以較大曲線半徑快速通過風(fēng)區(qū)。

3.2 線路縱斷面設(shè)計的選擇

依據(jù)既有鐵路運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)資料，結(jié)合蘭新第二雙線在大風(fēng)區(qū)設(shè)置的防風(fēng)工程設(shè)施可以看出，高速鐵路穿越大風(fēng)區(qū)線路縱斷面設(shè)計中，除了要考慮一般地區(qū)鐵路選線的要求外，還應(yīng)主要遵循以下原則。

(1)風(fēng)區(qū)線路縱斷面宜選擇以低填方和路塹通過

根據(jù)高速鐵路在風(fēng)區(qū)設(shè)置的防風(fēng)設(shè)施可以看出，風(fēng)區(qū)線路縱斷面設(shè)計應(yīng)盡量避免高填方，宜選擇以低填方和路塹通過，減少防風(fēng)設(shè)施設(shè)置，節(jié)約工程投資。

(2)在滿足防洪要求條件下降低鐵路高程，減少橋梁高度

在滿足防洪要求下線路縱斷面盡量壓低，以降低鐵路高程，避免大于30 m的高橋出現(xiàn)，確保高速鐵路在大風(fēng)區(qū)運(yùn)營安全。

3.3 路基地段防風(fēng)設(shè)施設(shè)置主要研究

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及理論計算結(jié)果，綜合列車運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的均衡匹配，適當(dāng)兼顧防沙因素，可以得出擋風(fēng)墻設(shè)置高度的綜合結(jié)論。

(1)路塹

路塹深度≥5 m時，宜在塹頂設(shè)置不小于2.0 m的擋風(fēng)墻，此時在環(huán)境風(fēng)速不超過45 m/s條件下，動車組可以以推薦運(yùn)行規(guī)則安全運(yùn)行。

2 m<路塹深度≤5 m時，宜在塹頂設(shè)置不小于3.0 m的擋風(fēng)墻，此時在環(huán)境風(fēng)速不超過45 m/s條件下，動車組可以以推薦運(yùn)行規(guī)則安全運(yùn)行。

路塹深度≤2 m時，宜在塹頂設(shè)置不小于3.5 m的擋風(fēng)墻，此時在環(huán)境風(fēng)速不超過45 m/s條件下，動車組可以以推薦運(yùn)行規(guī)則安全運(yùn)行。

(2)路堤

路堤高度≤3 m 時，宜在路肩設(shè)置不小于4.0 m高的擋風(fēng)墻，此時在環(huán)境風(fēng)速不超過45 m/s條件下，動車組可以以推薦運(yùn)行規(guī)則安全運(yùn)行。

3 m<路堤高度≤5 m時，宜在路肩設(shè)置不小于4.0 m高的擋風(fēng)墻，此時在環(huán)境風(fēng)速不超過45 m/s條件下，動車組可以以推薦運(yùn)行規(guī)則安全運(yùn)行。

5 m<路堤高度≤7 m時，宜在路肩設(shè)置不小于3.5 m高的擋風(fēng)墻，此時在環(huán)境風(fēng)速不超過40 m/s條件下，動車組可以以推薦運(yùn)行規(guī)則安全運(yùn)行。

路堤高度>7 m時，宜設(shè)置封閉(半封閉結(jié)構(gòu))，此時在環(huán)境風(fēng)速不超過50 m/s條件下，動車組可以以推薦運(yùn)行規(guī)則安全運(yùn)行。若設(shè)置單側(cè)擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)，則在環(huán)境風(fēng)速不超過35 m/s條件下，動車組可以以推薦運(yùn)行規(guī)則安全運(yùn)行。

需指出的是，路堤狀況下?lián)躏L(fēng)墻的防護(hù)效果同路堤高度、環(huán)境風(fēng)速密切相關(guān)。就列車氣動性能而言，路堤越高，大風(fēng)的增速效應(yīng)越明顯，擋風(fēng)墻所能防護(hù)的環(huán)境風(fēng)速越低。對于相同狀況下路堤，環(huán)境風(fēng)速增大，4.0 m高擋風(fēng)墻的防護(hù)效果要優(yōu)于3.5 m，但墻高再進(jìn)一步升高會在二線產(chǎn)生負(fù)壓。對于高路堤，擋風(fēng)墻所能防護(hù)的環(huán)境風(fēng)速值是降低的，4.0 m墻高以上再升高墻高就意義不大了。因此，就路堤而言，僅考慮列車傾覆力矩，擋風(fēng)墻的最優(yōu)高度應(yīng)為路肩以上3.5～4.0 m。具體設(shè)置時，還應(yīng)考慮擋風(fēng)墻設(shè)置的均衡、連續(xù)、景觀以及適度防沙，綜合設(shè)置。

3.4 與線路方案研究中防風(fēng)相關(guān)的其他設(shè)計研究

(1)線路平縱斷面選擇中防風(fēng)與防排水的綜合選擇

大風(fēng)區(qū)大部分位于戈壁荒灘區(qū)，考慮防風(fēng)設(shè)施設(shè)置安全及節(jié)約投資，線路縱坡設(shè)置較低，必定會對戈壁漫流區(qū)排水造成較大影響。鐵路選線中應(yīng)進(jìn)行綜合比選，既要考慮節(jié)約投資，又要考慮滿足排水要求，科學(xué)合理進(jìn)行防排水處理，以滿足高鐵運(yùn)營安全。

(2)線路平縱斷面選擇中防風(fēng)與防沙的綜合選擇

風(fēng)區(qū)內(nèi)往往沙害伴隨大風(fēng)發(fā)育，特別是大風(fēng)吹起的沙礫對行車危害較大，在設(shè)置擋風(fēng)墻后，因線路縱坡設(shè)置較低，在溝口地形、低路堤、淺路塹、順坡等地段線路上的積沙問題可能會比較突出，除了本次設(shè)置的防沙措施外，運(yùn)營中應(yīng)做好風(fēng)沙監(jiān)測和及時清理積沙的工作。

(3)線路平縱斷面選擇中防風(fēng)設(shè)施對接觸網(wǎng)的影響

由于低擋風(fēng)墻對接觸網(wǎng)處的風(fēng)速具有加速效應(yīng)，目前的擋風(fēng)墻設(shè)置主流是惡化了接觸網(wǎng)的受力條件，接觸網(wǎng)必須通過自身加強(qiáng)來解決。需結(jié)合目前的擋風(fēng)墻設(shè)置對列車較高速度運(yùn)行時，大風(fēng)條件下接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的可靠性、耐久性進(jìn)行深入研究，依靠接觸網(wǎng)本身的工程措施保證擋風(fēng)墻設(shè)置后接觸網(wǎng)設(shè)備的安全性及可靠性。

4 蘭新第二雙線新疆段穿越大風(fēng)區(qū)綜合選線具體設(shè)計研究及說明

4.1 煙墩風(fēng)區(qū)

該風(fēng)區(qū)東起DK1123+063，西至DK1256+000長129.325 km，該段線路一直走在蘭新鐵路的南側(cè)，在既有煙墩車站前上跨既有線走在既有蘭新線北側(cè)，后接入既有哈密站。該風(fēng)區(qū)的平均風(fēng)速相對較小，設(shè)計中主要考慮以擋風(fēng)墻為主的防風(fēng)結(jié)構(gòu)形式。為了節(jié)省工程投資，線路平縱斷面設(shè)計中盡量考慮以低填方的路基通過，減少橋梁工程，尤其是高橋的出現(xiàn)。該區(qū)段內(nèi)共設(shè)橋3 428 m/4座，隧道1座長1 050 m。

4.2 百里風(fēng)區(qū)

該風(fēng)區(qū)東起DK1370+000，西至DK1540+000，長170.114 km，該段線路一直走在既有蘭新鐵路南側(cè)，由于該風(fēng)區(qū)風(fēng)速大，風(fēng)期長等特點(diǎn)，本次設(shè)計中采用重型防護(hù)，主要以防風(fēng)明洞為主。結(jié)合防風(fēng)工程的設(shè)置和線路防排水設(shè)計，本段線路平面主要以直線通過，防止因右偏曲線兜風(fēng)對防風(fēng)帶來不利；線路縱斷面設(shè)計盡量采用低填路堤和深挖方路塹的路基工程通過，深挖方的路塹地段采用防風(fēng)明洞上排水。在該段范圍內(nèi)平縱斷面設(shè)計中嚴(yán)格控制橋梁座數(shù)、長度和高度，特別是高度大于30 m的高橋，更要加以嚴(yán)格控制，僅在柳樹泉南出站D1K1372+190.00處的百里風(fēng)區(qū)進(jìn)口影響較弱區(qū)，由于受地形、地質(zhì)條件限制，出現(xiàn)1座淀泉特大橋外，其余橋梁的橋高均小于30 m。該段風(fēng)區(qū)共設(shè)橋18 665 m/34座，隧道5座長5 833.0 m。

4.3 三十里風(fēng)區(qū)

該風(fēng)區(qū)東起DK1656+000，西至DK1746+227，長86.398 km，該段線路一直走在既有蘭新鐵路南側(cè)，三十里風(fēng)區(qū)，是內(nèi)陸風(fēng)力最為強(qiáng)勁的地區(qū)之一。大風(fēng)曾多次造成既有蘭新、南疆鐵路翻車、停輪，給鐵路運(yùn)輸帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的社會影響，設(shè)計中對該風(fēng)區(qū)的重點(diǎn)段落采用重型、重點(diǎn)防護(hù)。該段線路需翻越天山山脈，受地形地質(zhì)條件的限制，該段線路80%以上段落為足坡地段。線路縱斷面設(shè)計中盡量結(jié)合防風(fēng)工程的設(shè)置，在坡度允許的情況下采用低路堤、深路塹和低高度橋梁，以減小防風(fēng)工程的投資。該段風(fēng)區(qū)共設(shè)橋19 415 m/26座，隧道2座長2 738 m。

4.4 達(dá)坂城風(fēng)區(qū)

該風(fēng)區(qū)東起DK1746+227，西至DK1822+760，長76.572 km，該段線路一直走在既有蘭新鐵路南側(cè)，過達(dá)坂城濕地后上跨既有蘭新線，線路走在吐烏大高速公路北側(cè)。該風(fēng)區(qū)的平均風(fēng)速相對較小，設(shè)計中主要考慮以擋風(fēng)墻為主的防風(fēng)結(jié)構(gòu)形式。為了節(jié)省工程投資，線路平縱斷面設(shè)計中盡量考慮以低填方的路基通過，減少橋梁工程，尤其是高橋的出現(xiàn)。該區(qū)段內(nèi)共設(shè)橋16 081 m/45座，隧道4座長7 707 m。

5 結(jié)語

高速鐵路穿越大風(fēng)區(qū)防風(fēng)設(shè)置是世界性難題，目前尚無已成功運(yùn)營的先例，高速鐵路大風(fēng)區(qū)綜合選線需綜合考慮防風(fēng)設(shè)置、防排水、防沙、接觸網(wǎng)防風(fēng)等因素，科學(xué)合理進(jìn)行方案比選研究，從而得出比較經(jīng)濟(jì)合理的線路方案，最大限度在節(jié)約工程投資基礎(chǔ)上達(dá)到滿足高速鐵路在風(fēng)區(qū)安全、快速運(yùn)營。蘭新鐵路第二雙線已于2014年12月27日開通運(yùn)營，經(jīng)受住了2015年第一個春運(yùn)大客流的考驗(yàn)，全線路基、橋梁、隧道等基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)良好，列車運(yùn)行安全平穩(wěn)，社會效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著。

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[9] 姚立強(qiáng)，左合君，李鋼鐵，等.臨策鐵路戈壁段路堤二維風(fēng)速流場特征研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2013(9)：4-9．

[10]劉改紅.風(fēng)區(qū)擋風(fēng)墻/屏影響下接觸網(wǎng)設(shè)計風(fēng)速計算研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2013(9)：90-93．

[11]郝國林，楊有海，劉輝，等.太中銀鐵路典型地段沙害治理效果研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2014(1)：24-27．

[12]靳寶成.鐵路拱形防風(fēng)明洞風(fēng)荷載研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2014(4)：61-64．

The Alignment of Second Double Track of Lanzhou-Urumqi Railway in Gale Area

ZHANG Tai-hong

(China Railway First Survey & Design Institute Group Co., Ltd.， Xian 710043， China)

Gale area exposes hazards to railway construction and operation. The high-speed railway characteristic of high speed and light car body is more venerable to strong wind. High speed railway passing through strong wind zones has become a world wide problem without successful operational practices. There are many factors to be considered for integrated alignment of high-speed railway， such as wind proof setting， dewatering and drainage， wind sand and some others. This paper analyzes the distribution and characteristics of the four major wind zones in Xinjiang. With reference to the existing facilities and the results of windproof research on Lan-Xin railway， the alignment of the second double track of Lan-Xin railway is studied with focus on the setting of windproof facilities along the subgrade section and their distributions in the level longitudinal profile in order that the safety of high-speed train to pass wind zones is ensured and rational selection of alignment is determined．

Lan～Xin railway second double， Gale area， Line plane， Longitudinal profile， Integrated alignment

2014-10-23；

2014-11-07

鐵道部科技研究開發(fā)計劃(2010G019-G)

張?zhí)t(1980—)，男，工程師，2004年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：lzzth@126.com。

1004-2954(2015)07-0028-04

U212.32

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.07.008