毛斌 趙愛軍

（1中國(guó)鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院　提高待遇高級(jí)工程師，北京 100038；2中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 高級(jí)工程師，天津　300142）

0　引言

由于鐵路運(yùn)輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)性特點(diǎn)和對(duì)貨物運(yùn)輸快捷化、高效化追求，要求貨物流動(dòng)方向上的相關(guān)鐵路具有相同的坡度值，以便簡(jiǎn)化運(yùn)輸組織環(huán)節(jié)，縮短運(yùn)達(dá)時(shí)間，然而，遼闊的疆土用一個(gè)坡度值去限定所有的鐵路線路未免脫離實(shí)際，因此，在鐵路建設(shè)中，尋求一個(gè)既滿足鐵路網(wǎng)運(yùn)輸需要，又與地形基本適應(yīng)、工程投資較少的坡度，就成了鐵路項(xiàng)目前期論證中的重要內(nèi)容之一。坡度論證，就是結(jié)合已建成的相鄰鐵路路網(wǎng)坡度、運(yùn)輸設(shè)施布局、地形地質(zhì)條件而進(jìn)行的鐵路坡度值的研究、選擇過程。

不同的坡度，會(huì)有不同的合理的線路路徑。工程地質(zhì)條件也是限制線路路徑選擇的另一因素，因此，地質(zhì)條件和合理的坡度值往往成為線路方案、標(biāo)準(zhǔn)決策中的矛盾，既要選擇合理的坡度，又要找出地質(zhì)條件較好的路徑，是鐵路工程技術(shù)人員需要做的工作。由于坡度值對(duì)運(yùn)輸影響較大，且具有不易更改的特性，一般情況下，決策中會(huì)將利于運(yùn)輸?shù)钠露确旁跊Q策的優(yōu)先位置。在復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境下，機(jī)械地固守這種決策思路來確定坡度，就可能會(huì)帶來建設(shè)期較大的工程風(fēng)險(xiǎn)、工期風(fēng)險(xiǎn)，或會(huì)產(chǎn)生較大運(yùn)營(yíng)維護(hù)投入，甚至是留下運(yùn)營(yíng)隱患。在這種時(shí)候，就需要將利于運(yùn)輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)與其他不利的缺點(diǎn)進(jìn)行深度評(píng)估后決策，切忌生搬硬套。太原至中衛(wèi)至銀川鐵路（以下簡(jiǎn)稱太中銀鐵路）綏德至靖邊段的坡度方案決策就是一例，作者將該段坡度、線路方案論證資料整理出來，供有意者參考。

1　工程背景

太中銀鐵路東起山西省太原市，途經(jīng)晉中市、呂梁市，陜西省榆林市，寧夏回族自治區(qū)的吳忠市、中衛(wèi)市，在包蘭鐵路的中衛(wèi)站接軌。同時(shí)自榆林市定邊站修建至包蘭線銀川站的鐵路（如圖1）。太原至中衛(wèi)長(zhǎng)747.7 km，定邊至銀川長(zhǎng)193 km，橋隧占總長(zhǎng)的36.8%。按國(guó)鐵I級(jí)，時(shí)速160 km，預(yù)留200 km/h條件設(shè)計(jì)建設(shè)，太原至定邊雙線，定邊以西單線預(yù)留復(fù)線條件，限制坡度 6‰，太原(榆次)至靖邊雙機(jī)坡13‰。本線與石太普速鐵路，南同蒲、包西、包蘭等多條路網(wǎng)干線相連。它的建設(shè)將形成又一條連接西北與華北的快捷通道，是絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶上新亞歐大陸橋的組成部分，將為區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)有力的支撐[1]。

圖1　太原至中衛(wèi)至銀川鐵路地理位置示意圖

太中銀鐵路2006年開工建設(shè)，2011年已建成通車。

綏德至靖邊為太中銀鐵路中的一段，長(zhǎng)約141 km。綏德站為包西鐵路上的一個(gè)中間站，具有補(bǔ)機(jī)折返的技術(shù)作業(yè)條件，本線接入該站。該段線路全部處于陜西省榆林市境內(nèi)，屬陜北黃土高原地貌，黃土梁峁溝壑縱橫，地形零亂，地勢(shì)西高東低，海拔在820～1 600 m之間。研究區(qū)域內(nèi)發(fā)育無定河及其支流，靖邊附近為其源頭，總體上自西向東流，流經(jīng)綏德附近時(shí)變?yōu)樽员毕蚰?。大理河、小理河、螞蟻河自西向東流入無定河。綏德至靖邊的航空線上將穿越無定河支流的分水嶺（如圖 2）。

圖2　綏德至靖邊線路走向和限坡方案示意圖

該段主要不良地質(zhì)為：黃土滑坡、坍滑、陷穴和古煤層采空區(qū)。

2　坡度論證研究

2.1　相關(guān)路網(wǎng)坡度及坡度論證思路

鐵路運(yùn)輸經(jīng)驗(yàn)表明，只有在貨物流向上的編組站之間或貨物到發(fā)地之間減少編組，避免增減軸，減少機(jī)車換掛等技術(shù)作業(yè)，貨物在途時(shí)間才會(huì)較短，運(yùn)輸效率才會(huì)高。這就要求貨物流向上的鐵路線路應(yīng)具有相同的坡度，或具有匹配的坡度系統(tǒng)。

與本線相關(guān)的既有鐵路和在建鐵路的坡度為：石太普速鐵路15‰；南同蒲榆次至介休段4‰，介休至侯馬12/6‰（輕車方向12‰）；太焦線榆次至?xí)x城北12‰；包頭至綏德至西安6‰（其中綏德至甘泉北段為雙機(jī)13‰）；包蘭線大壩至迎水橋6‰，迎水橋至干塘13‰；石家莊至德州4‰；德州至大家洼至煙臺(tái)6‰。太原（榆次）、迎水橋、西安（新豐鎮(zhèn)）為編組作業(yè)的車站。

研究認(rèn)為，本線主要的貨物運(yùn)輸任務(wù)是將寧夏寧東能源化工基地（古窯子附近）、陜北榆林地區(qū)的煤炭運(yùn)向華北及東部港口。因此，本線坡度的選擇主要與貨流徑路上的包頭至綏德，太原—石家莊—德州—煙臺(tái)鐵路的坡度有關(guān)。石家莊至太原，普速鐵路坡度為15‰（有改造計(jì)劃），石太客專具備開行貨車條件，重車方向?yàn)?3‰，其余的包頭至綏德，石家莊—德州—煙臺(tái)鐵路，可認(rèn)為屬于6‰（13‰）系列坡度，所以，本線應(yīng)采用6‰或6‰（13‰）的坡度系統(tǒng)。

依據(jù)前述分析，結(jié)合地形、地質(zhì)條件，太中銀鐵路太原至綏德段已確定為限坡6‰，雙機(jī)坡13‰，靖邊以西采用6‰的坡度方案。為此，本文要研究的綏德至靖邊段的坡度，要么是6‰，要么是13‰。若選擇6‰的坡度，可以縮短雙機(jī)牽引地段長(zhǎng)度，同時(shí)有利于利用既有綏德站的機(jī)務(wù)設(shè)施及管理機(jī)構(gòu)，顯然6‰是更有利的坡度。

綏德站設(shè)計(jì)標(biāo)高為830 m，靖邊站為1 330 m，航空距離140 km，自然平均坡度為3.6‰，越嶺高程約1 280 m，航空距離約100 km，自然平均坡度為4.5‰，均小于6‰坡度，可以得出，綏德至靖邊段采用6‰的坡度與地形基本適應(yīng)，不需“展線”獲得標(biāo)高。按經(jīng)驗(yàn)，6‰是該段坡度研究的主要方案，13‰是支撐性方案。

2.2　線路走向及坡度研究

沿河修建鐵路可有效利用地形，節(jié)省工程投資，因此選線方案往往會(huì)沿河流尋找。在航空線上，分布著大理河、小理河和螞蟻河。按照前面的分析和研究習(xí)慣，該段應(yīng)分別選出6‰、13‰的合理路徑方案，然后再進(jìn)行比較。按6‰的坡度方案，設(shè)計(jì)分別沿三條河研究了線路方案，從中選出工程較優(yōu)的沿螞蟻河6‰的線路方案參與坡度方案比較。同樣研究了13‰的坡度沿三條河的線路方案，也將工程較優(yōu)的沿螞蟻河13‰的線路方案作為后續(xù)坡度方案論證的比較方案（如圖2）。

螞蟻河6‰方案，自綏德站開始沿大理河向西，由于克服高差需要，自子洲站開始足坡向靖邊方向爬升，線路可選擇余地小，利用螞蟻河河谷地段較少。該方案線路長(zhǎng)140 km，橋隧總長(zhǎng)96.9 km，占69.2%，最長(zhǎng)的興旺峁隧道11.2 km，橋梁最高72 m。

螞蟻河13‰方案，出綏德站后，先沿大理河向西，至螞蟻河匯入大理河河口再足坡爬升至比較終點(diǎn)，線路長(zhǎng)141.4 km，橋隧總長(zhǎng)88.1 km，占62.3%，最長(zhǎng)的興旺峁隧道14.03 km，橋梁最高49 m。兩方案工程及投資情況如表1[2]。

表1　限坡方案比較表

表1顯示，6‰的坡度方案線路并未明顯增長(zhǎng)，反而縮短約1.4 km，可以說6‰的坡度與地形基本適應(yīng)(橋隧比例偏高)，土建投資多約7億元，機(jī)車車輛可節(jié)省1.5億元，計(jì)入10年運(yùn)營(yíng)投入費(fèi)用后，僅比13‰的方案多約2億元，但該方案工程地質(zhì)條件較差。

6‰的坡度方案因?yàn)闃蛩肀壤^高，地質(zhì)條件差，所以工程投資較高，計(jì)入10年運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用后仍然投資較高。按一般思路考慮，如果把運(yùn)輸效率放在重要位置，從更長(zhǎng)久的時(shí)間來看，6‰的坡度還是具有優(yōu)勢(shì)的。最終放棄6‰坡度方案的原因是地質(zhì)問題，是工程地質(zhì)條件帶來的建設(shè)期的工程風(fēng)險(xiǎn)、投資風(fēng)險(xiǎn)、工期風(fēng)險(xiǎn)和潛在的可能超預(yù)期的維護(hù)投入與獲得的運(yùn)輸利好不匹配的問題，這正是本文想探討的內(nèi)容。

該段處于新黃土地區(qū)，河谷以外的區(qū)域，沖溝發(fā)育，基巖以白堊系砂巖、第三系粉質(zhì)黏土、侏羅系砂巖夾泥巖為主。為爭(zhēng)取標(biāo)高，6‰的方案線路較早離開地形條件較好的大理河河谷緩坡地段，而進(jìn)入黃土沖溝區(qū)，鐵路工程多以橋、隧通過，局部地段為深挖高填工程，黃土路基邊坡防護(hù)及橋梁附屬工程較大。經(jīng)勘察揭示，6‰的坡度方案涉及48座隧道（合計(jì)長(zhǎng)約54 km）處于黃土與基巖的接觸帶或黃土中，占隧道總長(zhǎng)的81.5%，其中，處于土石接觸帶上的累積長(zhǎng)度達(dá)34 km，鉆探揭示土石界面及砂巖地下水較為豐富，該地層砂巖成巖較差。以往工程經(jīng)驗(yàn)表明，隧道工程處于富水的土石界面或穿越該砂層時(shí)，巖（土）體自穩(wěn)能力較弱，隧道工程施工成洞困難，工程實(shí)施難度較大，工期和投資難以控制。上述判斷，在興旺峁隧道施工中（13‰的坡度方案）也得到證實(shí)，該隧約425 m穿越土石界面，巖層風(fēng)化和差異風(fēng)化嚴(yán)重，富水，穩(wěn)定性差，極易坍塌，施工期間在約8.7 km范圍內(nèi)進(jìn)行了變更設(shè)計(jì)，增加了約1.6億元的投資[3]。按此類推，6‰的坡度方案將會(huì)至少增加10多億元的投資。

運(yùn)營(yíng)實(shí)踐表明，地質(zhì)條件較差地段，基礎(chǔ)設(shè)施維修工作量及費(fèi)用較大，發(fā)生運(yùn)輸安全事故的比例較高。而13‰的坡度方案，坡度值較大，爬坡能力較強(qiáng)，線路可較長(zhǎng)地段走行于大理河河谷階地內(nèi)，谷地內(nèi)地形平緩，避免了大量短隧道群。在向越嶺點(diǎn)爬升的過程中，鐵路僅一次與土石界面交叉（興旺峁隧道），縮短了鐵路穿越不良地質(zhì)地段的長(zhǎng)度。

在如此工程地質(zhì)條件下，有必要進(jìn)一步評(píng)價(jià)6‰在路網(wǎng)中給運(yùn)輸帶來的實(shí)際利好，并把它與可能的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行比較、權(quán)衡，從而做出選擇。前面已經(jīng)提到，本線太原至綏德段已確定為13‰的雙機(jī)坡，因此，無論怎么選擇本段（綏德至靖邊）的坡度值，列車在本線（太原至銀川）運(yùn)行中，總有一次摘掛機(jī)車的作業(yè)，所不同的是單雙機(jī)地段長(zhǎng)度的不同，可以減少機(jī)車臺(tái)數(shù)（體現(xiàn)在投資中）以及不同機(jī)車臺(tái)數(shù)維護(hù)投入上的差異。表1中用于計(jì)算10年運(yùn)營(yíng)支出的參數(shù)，來自于一般線路條件下的統(tǒng)計(jì)資料。若在本線的工程地質(zhì)條件下，6‰的工務(wù)維護(hù)投入會(huì)高于表1給出的7.5億元（10年）的數(shù)值，因此，6‰的運(yùn)營(yíng)維護(hù)就沒有優(yōu)勢(shì)?；诓捎美谶\(yùn)輸?shù)妮^緩的6‰的坡度所帶來的長(zhǎng)大段落的隧道工程地質(zhì)條件較差（約54 km），可能存在建設(shè)期投資、工期風(fēng)險(xiǎn)，運(yùn)營(yíng)期維護(hù)投入大，換來運(yùn)營(yíng)利好較少的問題，原鐵道部批準(zhǔn)該段采用13‰的雙機(jī)坡度方案。

3　體會(huì)與建議

第一，設(shè)計(jì)必須堅(jiān)持為運(yùn)營(yíng)服務(wù)的理念。坡度，作為主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一，在項(xiàng)目前期論證中均放在重要位置，由于鐵路建成后運(yùn)營(yíng)的長(zhǎng)期性和基礎(chǔ)設(shè)施的不易更改性，決策時(shí)，一般偏重于在建設(shè)期間克服困難，或適當(dāng)增加一些投資，以換來運(yùn)營(yíng)期間的高效運(yùn)行。與既有路網(wǎng)相同的、較小的坡度，或者匹配的坡度是設(shè)計(jì)者應(yīng)該首先考慮的方案。然而，為運(yùn)營(yíng)服務(wù)的理念不能僅僅機(jī)械地理解為是否便于運(yùn)輸組織，還應(yīng)考慮運(yùn)營(yíng)線路維護(hù)的投入，運(yùn)營(yíng)線路是否會(huì)存在安全隱患，是否會(huì)通暢運(yùn)輸?shù)纫蛩?。在地形困難、地質(zhì)復(fù)雜的環(huán)境下，設(shè)計(jì)論證時(shí)應(yīng)特別注意。

第二，系統(tǒng)、全面、客觀，是項(xiàng)目論證中要堅(jiān)持的原則，為運(yùn)輸服務(wù)的理念也要在這樣的大前提下體現(xiàn)。固守服務(wù)運(yùn)輸?shù)睦砟?，走過場(chǎng)性地論證就容易導(dǎo)致決策失誤，尤其在地形地質(zhì)復(fù)雜的環(huán)境下更要堅(jiān)持這個(gè)原則。若本案例選擇了利于運(yùn)輸組織的6‰的方案，可以推斷，類似于興旺峁隧道地質(zhì)條件的48座隧道可能會(huì)因此產(chǎn)生較多的變更設(shè)計(jì)，并增加較多的工程費(fèi)用 （推斷增加的投資應(yīng)在10億元以上），該段因此會(huì)成為全線工期控制點(diǎn)，或因此推遲全線通車時(shí)間，也不敢奢望運(yùn)營(yíng)期間該段病害較少。將其與采用6‰的坡度可縮短雙機(jī)地段長(zhǎng)度、節(jié)省機(jī)車臺(tái)數(shù)的優(yōu)點(diǎn)相比，損失實(shí)在太大。

第三，在鐵路項(xiàng)目的論證實(shí)踐中，工程技術(shù)人員應(yīng)充分運(yùn)用、堅(jiān)持馬克思主義哲學(xué)原理和方法論。利用自然、改造自然的前提是尊重、保護(hù)自然，探索規(guī)律，獲得、利用規(guī)律的前提是尊重規(guī)律，規(guī)律是不以人的意志為轉(zhuǎn)移的。思想解放，勇于探索，實(shí)事求是，科學(xué)客觀，做到主觀和客觀的統(tǒng)一是我們應(yīng)該堅(jiān)持的工作原則。在過去的鐵路工程實(shí)踐中，我們認(rèn)識(shí)到了該段采用6‰的好處，也認(rèn)識(shí)到了隧道工程長(zhǎng)大段落處于弱成巖富水地段對(duì)工程投資、項(xiàng)目建設(shè)總工期的影響，乃至對(duì)運(yùn)營(yíng)期間維護(hù)費(fèi)用的不利，甚至可能存在的潛在的運(yùn)營(yíng)隱患。所以，在此我們放棄了對(duì)運(yùn)輸組織稍好的6‰的坡度方案，采用了13‰的坡度方案。

鐵路選線設(shè)計(jì)具有系統(tǒng)性、綜合性、全過程的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)理念、思想也會(huì)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與進(jìn)步而變化。如何更好地把握這三個(gè)特點(diǎn)，做好復(fù)雜環(huán)境坡度論證與方案論證工作，選定利于高效運(yùn)輸?shù)募夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)和線路方案，建成具有前瞻性的鐵路工程，仍需要我們?cè)趯?shí)際工作中不斷運(yùn)用與總結(jié)。

[1]鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.新建太原至中衛(wèi)（銀川）線可行性研究報(bào)告[R].天津，2005

[2]鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.新建太原至中衛(wèi) （銀川）線可行性研究補(bǔ)充材料（綏靖段限坡方案）[Z].天津，2005

[3]太中銀鐵路有限責(zé)任公司.關(guān)于太中銀鐵路興旺峁隧道修改初步設(shè)計(jì)專題工作會(huì)議紀(jì)要（2007年12號(hào)）[Z].靖邊，2007