晉中南鐵路通道煤系地層線路選線設計淺析

陳 劍

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司廣東分公司，廣東深圳 518052)

晉中南鐵路西起山西省興縣瓦塘鎮(zhèn)、東至山東省日照港，橫貫晉、豫、魯三省，全長1 259.57 km;是應國家能源建設戰(zhàn)略、山西煤炭基地有序開發(fā)要求，以重載標準修建的大能力鐵路運輸通道。對洪洞以西鐵路選線如何既考慮山區(qū)地形的復雜性又考慮煤炭礦區(qū)的開發(fā)服務功能進行淺析。

1 沿線自然特征

晉中南鐵路洪洞以西共穿越了三大地貌單元，分述如下。

黃土高原丘陵及低山區(qū):地勢自東向西傾斜，上覆厚層黃土，微地貌以深切沖溝為主。

呂梁山脈低中山區(qū):呂梁山脈為主干的構(gòu)造侵蝕、剝蝕基巖山區(qū)地貌，高差300～500 m。

臨汾盆地沖洪積平原區(qū)及邊緣丘陵區(qū):邊緣丘陵區(qū)是東鄰汾河河谷，西側(cè)多以斷層崖與呂梁山地相連;汾河沖洪積平原區(qū)地勢開闊平坦。

不良地質(zhì)類型:壓煤與采空、滑坡與順層、巖溶、地震液化、有害氣體等。

2 沿線煤礦分布

晉中南鐵路穿越河東煤田、霍西煤田。其中瓦塘至臨縣段為河保偏礦區(qū);臨縣至柳林段為柳林礦區(qū);柳林至蒲縣段為石樓—隰縣礦區(qū);隰縣至洪洞北段為鄉(xiāng)寧礦區(qū)和霍西煤田霍州礦區(qū)，詳細分布見圖1。

圖1 晉中南鐵路宏觀線路走向示意

3 功能定位

研究年度本通道與侯月、石太、邯長一起構(gòu)成山西中南部地區(qū)煤炭外運主骨架，故晉中南鐵路的功能定位為以煤炭為主的大能力貨運通道。

4 線路選線

線路平面位置和縱斷面高程不僅與技術(shù)標準、地形、地質(zhì)、環(huán)境敏感點等有密切關系，還受煤炭規(guī)劃及開采現(xiàn)狀等因素影響。

與規(guī)劃煤礦的關系處理:一方面晉中南鐵路不同于礦區(qū)修建的普通運煤專用線，安全事故的出現(xiàn)將導致國家能源干線的運輸中斷，負面影響大，據(jù)國家相關政策性文件要求:“在鐵路線路兩側(cè)路堤坡腳、路塹坡頂、鐵路橋梁外側(cè)起各1 000 m范圍內(nèi)，以及在鐵路隧道上方中心線兩側(cè)各1 000 m范圍內(nèi)，禁止從事采礦、采石及爆破作業(yè)。”故晉中南鐵路的修建，對鐵路線位兩側(cè)各1 000 m范圍內(nèi)將來的采礦工作有距離限制;另一方面，煤炭作為不可再生資源，鐵路設計時應盡量避開采礦范圍，減少資源占壓。晉中南鐵路對規(guī)劃(未開采)煤礦主要采取繞避和縮減穿越礦區(qū)長度的方式來處理。

與既有煤礦的關系處理:既有煤礦(采空區(qū))對鐵路建設和使用將帶來很大隱患，如導致路基連續(xù)下沉，突然下沉，線路偏移，曲率、縱坡改變等，鐵路設計線位必須穿越既有煤礦和采空區(qū)時需高度重視，慎重調(diào)查沿線采空情況，廢巷、煤柱、冒落沉陷及其他地質(zhì)資料，針對既有煤礦(采空區(qū))主要有繞避和處理通過方式。

4.1 繞避方案

鐵路與規(guī)劃、既有煤礦的關系處理應首選繞避方案，繞避方式分為平面繞避和立面繞避2種。

4.1.1 平面繞避

晉中南鐵路是服務礦區(qū)運輸?shù)闹鞲删€鐵路，即使繞避礦區(qū)，也不宜距離太遠，否則不能充分發(fā)揮鐵路集運輸能力，影響服務效果，鐵路起點瓦塘至興縣區(qū)間全部位于山西省興縣境內(nèi)，線路附近主要存在斜溝井田和興縣井田，兩井田煤層埋深從東向西逐漸加深，煤礦東部因埋深較淺(小于500 m)，存在較多已開采的小煤窯、采空區(qū)，開采年代久遠，有關開采數(shù)據(jù)翔實收集的難度非常大，鐵路從此通過安全隱患很大，故考慮鐵路從西側(cè)埋深超過1 000 m外尚未開采的范圍通過，通過對該區(qū)域礦界范圍和地形的分析，理論上最佳位置為鐵路運輸安全保護區(qū)邊界與礦界恰好重合處，但另考慮適應地形、車站布置及地方政府要求等因素，通過綜合比較，本段線路采取從井田西側(cè)范圍距井田邊界1～7 km范圍區(qū)間繞避，線路走向如圖2所示。

圖2 晉中南鐵路繞避礦界線路方案示意

4.1.2 立面繞避

結(jié)合煤炭范圍、埋深及開采深度，掌握縱面煤系地層的分布，對采空區(qū)位置作出穩(wěn)定判斷，從立面分析線路下穿通過煤層及采空區(qū)的可行性，晉中南鐵路南呂梁山越嶺方案就采取立面繞避方式。

該段落位于晉中南鐵路蒲縣至洪洞段(DK297+400～DK359+834)，南呂梁山隧道和汾河特大橋是該區(qū)段的兩大重點工程，主要控制線路的因素為:蒲縣煤礦采空區(qū)、龍子祠泉域、洪洞姚頭采空區(qū)、汾河橋位等;就如何通過煤礦采空區(qū)、縮短越嶺隧道長度、保全龍子祠泉域水系等方面開展了廣泛且深入的方案研究，有關煤礦(采空區(qū))和泉域簡要介紹如下。

南呂梁山越嶺長隧道段沿線煤礦采空區(qū)發(fā)育，線路自南溝至洪洞越嶺將不可避免的穿越眾多已采煤礦，其中西端最接近線路高程的蒲縣興樂煤礦煤層批采深度高程為1 040～1 130 m，探明批準開采煤層儲量深度高程850～1 130 m。

龍子祠泉域出露位置位于臨汾市西南13 km的西山山前。泉域保護范圍屬呂梁山南段東翼的一部分，面積達2 250 km2。鐵路自蒲縣至洪洞越嶺不可避免地穿越龍子祠泉域保護范圍，穿越泉域保護范圍達20 km。根據(jù)已掌握的勘探資料計算，長隧道出口端巖溶地下水位高程492 m，泉域保護范圍西側(cè)邊界處巖溶地下水位高程867 m，巖溶地下水位線平均縱坡18.2‰。

越嶺長隧道穿越煤礦采空區(qū)與泉域巖溶地下含水層，同時受采空區(qū)高程與巖溶地下水位線高程雙重制約。為消除煤層范圍可能存在的采空區(qū)對長隧道帶來安全隱患，為保證長隧道的建設不致對泉域水系造成破壞，線路設計高程應距離煤層底部及巖溶地下水位線均有一定的安全距離，圍繞以上控制內(nèi)容，開展不同縱坡越嶺方案研究，結(jié)合各方案投資估算，機車選型，和對泉域、采空區(qū)的工程風險分析，最終推薦采用13‰限坡不折減方案為貫通方案，縱斷面方案研究見圖3。

圖3 南呂梁山隧道設計縱坡與泉域及煤層、采空區(qū)關系

4.2 穿越方案

當線路不可避免要通過礦區(qū)，或繞避礦區(qū)須增加巨大工程投資時，應盡可能減少鐵路在礦區(qū)中間穿行長度，穿行長度減少，則壓煤面積相應減少，在同樣滿足運輸要求的前提下，節(jié)省國家資源、減少本線工程投資，取得各方利益平衡。此種方式需與地方政府、礦區(qū)業(yè)主協(xié)商，取得政府主管部門和企業(yè)對穿行礦區(qū)方案的認可，依托鐵路線位研究或調(diào)整煤礦開采方向，巷道布置等技術(shù)指標，將鐵路占壓煤礦的不利影響降到最低，晉中南鐵路在針對郭家溝煤礦就曾開展過縮減通過長度和繞避方案的技術(shù)經(jīng)濟比較，方案簡述如下。

綜合區(qū)段內(nèi)各控制因素，郭家溝煤礦段線路方案首先應滿足在建太中銀鐵路、既有青銀高速公路跨線要求基礎上進行，盡可能削弱擬建鐵路對郭家溝煤礦優(yōu)質(zhì)煤炭資源的占壓影響，其次應結(jié)合沿線地形地質(zhì)條件合理確定線路平面位置及設計高程，縱坡設計用足坡度，使線路盡量短直，為減少線路對礦區(qū)影響而開展了取直方案、大繞礦區(qū)方案、小繞礦區(qū)方案研究，見圖4。各方案主要工程內(nèi)容及投資估算見表1。

從主要工程數(shù)量上來看，因取直方案線路長度最短，故工程投資最省。

從壓煤方面來看，考慮到區(qū)段內(nèi)另有太中銀鐵路和青銀高速公路對周邊礦區(qū)形成占壓，綜合統(tǒng)計后，取直方案占壓煤炭資源量最大;但對于區(qū)域內(nèi)煤炭資源占壓總量而言，一方面取直方案線路通過礦區(qū)長度最短，對煤炭資源總占壓量最小，另一方面取直方案自礦區(qū)中部穿過，設計線路西側(cè)仍保有大面積具備開采價值的煤炭資源，可形成有效開采空間，未對礦區(qū)形成明顯的破壞，故本段落推薦采用礦區(qū)取直方案。

圖4 郭家溝煤礦段線路方案示意

表1 郭家溝煤礦段方案主要工程內(nèi)容及工程投資對照

4.3 處理通過方式

當線路通過已開采的淺部小煤窯、采空區(qū)上方時，依據(jù)準確地質(zhì)資料可判斷煤層上覆巖性、結(jié)合開采技術(shù)條件、預留的保安煤柱情況及其他各相關參數(shù)能進行電算預測和試算是否能采取處理通過(方式一般為充填)，其通過的適宜性評價是一綜合課題，須認真對待，通過方案確定后，在實施前，協(xié)同政府主管部門提前對正在開采的煤礦進行壓礦評估及關停的相關手續(xù)。但因個別小煤窯生產(chǎn)無計劃，具備盲目性，甚至是非法開采，導致開采資料不齊全，其地表變形規(guī)律也將不容易被掌握，故需慎重考慮處理通過的方案。

5 結(jié)論

通過上述對晉中南鐵路通過山區(qū)、礦區(qū)的線路方案描述，在山區(qū)、礦區(qū)的線路方案遵循由大到小、由面至點的思路，重視地形困難、服務礦區(qū)、安全施工及運營等方面的有機結(jié)合;應深入收集并分析礦區(qū)、采空區(qū)范圍、埋藏深度等實際情況，充分研究平面、縱斷面繞避方案和穿越工程處理方案，多方案技術(shù)經(jīng)濟比選，才能選定工程合理、實施容易的線路走向。

［1］中華人民共和國鐵道部.GB50090—2006 鐵路線路設計規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2006.

［2］趙清為，等.鐵路工程設計技術(shù)手冊線路［M］.北京:中國鐵道出版社，1994.

［3］鐵道第三勘察設計院集團有限公司.山西中南部鐵路通道預可行性研究［R］.天津:鐵道第三勘察設計院集團有限公司，2009.

［4］鐵道第三勘察設計院集團有限公司.山西中南部鐵路通道可行性研究［R］.天津:鐵道第三勘察設計院集團有限公司，2009.

［5］鐵道第三勘察設計院集團有限公司.山西中南部鐵路通道初步設計線路篇文件［R］.天津:鐵道第三勘察設計院集團有限公司，2009.