西安至成都客運專線翻越秦嶺地段最大坡度研究分析

楊 勃

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 研究背景

新建西安至成都客運專線,是我國高速鐵路網的重要組成部分,是一條高標準、高密度、大能力的西南(川渝)地區快速客運北通道。本線對加快西部大開發進程,打造成都、西安成為我國西部經濟發展高地,促進關中和成渝兩大城市圈的融合,加快沿線旅游資源整合,保障國民經濟可持續發展,開辟川渝地區北出快速客運新通道,實現川渝地區與全國快速客運專線的聯網,釋放既有鐵路貨運能力,提升區域綜合交通運輸體系,構建資源節約型和環境友好型社會等方面具有十分重要的意義。

本線需翻越秦嶺山脈,其兩側西安、漢中兩盆地高程約 400～500m,秦嶺橫亙其間,海拔1800～3760m,整體上北陡南緩,山勢巍峨高聳;尤其秦嶺北坡,在航空距離 30km范圍內高差達1300～3260m,形成逾越十分困難的自然屏障。北坡可供線路選用的自然溝谷縱坡均在 15‰以上,大部分河段自然縱坡大于 20‰及 25‰。

本段線路最大坡度的研究確定,對線路走向、工程設置、運行安全及舒適度均有決定性作用。

2 西成客運專線秦嶺段最大坡度的方案研究

2.1 既有鐵路穿越秦嶺的最大坡度總結

既有鐵路穿越秦嶺的有寧西、西康及寶成鐵路,其翻越秦嶺的主要技術特征如表1所示。

表1 既有鐵路秦嶺越嶺最大坡度及相關技術指標

總結不同時期所修建鐵路的最大坡度、越嶺隧道長度及引線間的關系,可見:線路穿越秦嶺在不展線的情況下,采用 12‰～15‰坡度時越嶺隧道長度在 30～50km及以上,采用 20‰坡度時越嶺隧道長度在 15～25km,采用25‰及以上坡度時越嶺隧道長度在 10～15km。

2.2 高速鐵路在長隧道地段的最大坡度總結

國外高速鐵路最大坡度基本都大于 20‰,一般在20‰～40‰,但僅限局部地段使用;國內除臺灣省臺北—高雄鐵路最大坡度采用 35‰外,大陸在建及擬建的高速鐵路最大坡度一般不超過 20‰。由于目前在建、擬建工程主要位于中東部相對平緩低山丘陵地區,足坡地段長度一般不超過 10km。

國內外高速鐵路在長隧道地段采用的最大坡度見表2。從已運營及擬建的國內外客運專線分析,長度10km以上的隧道最大坡度一般不超過 20‰。

2.3 動車組大坡度適應性分析

2.3.1 運輸安全

國內已投入運營及今后長期運營的有 5種主型動車組。其中時速 200km動車組有 CRH1型、CRH2-200型、CRH5型,時速 300km動車組有 CRH2-300型、CRH3型。本線建成運營初、近期,以上 5種動車組都有上線運行的可能。鑒于此,從運輸安全方面對 5種動車組進行分析。

(1)動車組下坡最大坡度

在連續長大下坡道地段,施加全電制動力,CRH1對應的最大坡度為 29‰,其他 4種動車組對應的最大坡度均在 34‰以上。若只施加 75%電制動力,除CRH1對應最大坡度為 24‰外,其他 4種動車均可在25‰的連續長大坡道勻速運行。從動車組的緊急制動距離看,CRH3型動車組坡度在 25‰下坡地段雖不滿足《鐵路主要技術政策》350km/h制動至停車不超過4800m的要求,但滿足《京津城際鐵路技術管理辦法》(鐵科技[2008]99號)文件技術要求。CRH2-300動車組在 0‰～30‰的下坡地段均不滿足《鐵路主要技術政策》350km/h制動至停車不超過4800m的要求,在京津城際鐵路中已做了不超過6500m的技術規定,25‰的坡度方案對應的制動距離為7407m,比京津城際鐵路技術規定僅長 907m,若考慮隧道空氣附加阻力,則差距更小。

表2 國內外高速鐵路在長隧道地段采用的最大坡度

(2)動車組起動對應的最大坡度

各型動車組起動牽引對應的最大坡度在 40‰～70‰,由此可見,各型動車組在 30‰及以下坡度均能正常起動。

2.3.2 運輸質量

不同動車組與坡度、速度的適應性用 v-S曲線反映;以 CRH3為例,在不同足坡上坡地段初速度為 340 km/h運行工況如圖1。

圖1 CRH3動車組不同最大坡度v-S曲線

由圖1可見,持續足坡地段運行 10km后,速度均在 250km/h以上,運行 20km后速度均在 200km/h以上。在 15‰、20‰、25‰、30‰不同上坡地段分別運行 60km后的速度分別為 262.8、234.2、207.4、184.9 km/h分別降低為最高速度的 75%、67%、59%、53%。以上分析表明,動車組闖坡及持續運行性能良好,對大坡度適應性較好,在持續大坡道上坡地段,動車組能夠保持以較高的速度運行。

2.4 最大坡度方案比選

西安至成都客運專線必經漢中,西安至漢中必越秦嶺且以澇峪佛坪(高速公路)通道為優。研究區域內秦嶺山脈呈近東西向展布,航空線附近主峰為東梁(高程2965m),秦嶺北坡地形陡峻,河流及支溝不發育,僅澇峪相對下切較深,其大部分河谷彎曲狹窄,河床縱坡15‰～35‰;嶺南山勢相對平緩,水系發育,支脈河流呈條帶狀間隔分布,主要可利用的溝峪為旬河源頭江河及子午河(西河、蒲河、椒溪河)等,總體溝谷河床彎曲狹窄,上游縱坡 25‰～35‰、中下游縱坡 15‰～25‰。

《新建時速 300～350km客運專線設計暫行規定》中第3.3.1條指出正線的最大坡度,一般條件不應大于 20‰,困難條件下,經技術經濟比較,不應大于30‰。秦嶺越嶺地段克服高差巨大,需充分發揮動車組爬坡能力強的特點。所以根據區域地形特點,分別研究了 20‰、25‰、30‰三個最大坡度方案。

2.4.1 線路平縱斷面分析說明

在線路方案中,采用不同坡度時線路總體走向基本一致。為縮短引線,降低橋高,改善長隧道的施工條件,線路在嶺北引線及越嶺隧道地段,線位略有不同;其中 30‰方案可順直出山,于戶縣北設站;而其他方案線路則均需略作展長,于戶縣東設站。各方案主要特征見表3。

表3 各方案縱斷面主要特征

根據表3分析,采用 25‰及 30‰大坡度方案,越嶺隧道減短,拔起高度增加,持續緊坡地段縮短;但30‰較 25‰方案減緩趨勢不甚明顯。

2.4.2 分析比選

(1)運輸安全性分析

根據動車組在長大坡度上的運輸安全性分析,持續長大坡道主要受動車組制動條件控制,各型動車組均能在 9km范圍內進行緊急停車,僅制動距離有所差異:時速 350km的動車組制動距離 25‰、30‰分別比20‰方案長約 0.6、1.3km,時速 200km的動車組制動距離 25‰、30‰分別比 20‰方案長約 0.2、0.2km。比較而言,25‰方案、30‰方案在安全性方面,較 20‰方案略差,但無明顯惡化。

(2)運輸質量分析

本段線路需克服嶺北高程障礙,線路以持續長大上坡(42～52km)隧道群通過,針對不同坡度方案,采用各型動車組進行模擬牽引計算,西安至漢中全段242km范圍內,以 CRH3為例,采用 20‰及 25‰坡度方案,運行時分僅差 0.4min,平均速度僅差3.5km/h;能耗差異僅 332kW?h;25‰和 30‰兩方案運行時分及能耗差別甚微。

不同坡度方案坡頂的速度差別較大,平均速度也有差異;但在克服高差為一定數的情況下,當持續坡度大時,坡頂速度降低,但連續上坡地段減短,全程運行時分、平均速度和能耗差異較小。

故從運輸質量分析,25‰方案具有優勢。

(3)運輸能力分析

根據運輸組織模式研究結論,本線近期采用 A、B類動車組共線運行的運輸組織模式,追蹤間隔采用 4 min,遠期運行動車組全部為 A類,追蹤間隔采用 3min。

(4)地形適應性及工程投資比較分析

最大 25‰和 30‰坡度方案相比,主隧道長度差別小,投資差別也不大(越嶺線路長度增加約 1.5km,工程投資增加約 1.85億元;),說明最大坡度加大至25‰以上,工程上無優勢。見表4。

表4 秦嶺越嶺地段不同坡度方案的工程投資比較

最大 25‰和 20‰坡度方案相比,線路長度短約0.8km,橋隧總長短 0.8km,越嶺主隧道短 10km,輔助坑道(雙線)設置減少 16km/6座(均采用 4年工期),工程投資節省 11.7億元。說明采用 25‰坡度,更加適應地形,減少工程投資等優勢更為明顯。

(5)工期合理性分析及工程實施難度

在越嶺方案中,局部采用 25‰方案較 20‰方案,可降低兩端引線段橋梁高度,改善工程實施條件。尤其可將越嶺主隧道由24.8km減短至14.9km,兩方案按同一工期考慮,25‰方案可大幅減少輔助坑道及便道工程,工程實施難度大幅降低。故局部采用 25‰在工期及工程實施難度方面均較有利,而在東梁特長隧道地段其優勢則更為明顯。

2.5 最大坡度推薦意見

綜上分析,局部采用 25‰與 20‰坡度方案相比,全程運行時分、平均速度和能耗差異均較小(分別差0.3min、3.9～2.4km/h、332～ 524(kW? h),即運營指標相當;線路長度分別可縮短 0.8、4.5km,投資節省 11.7、5.98億元,工程改善明顯;尤其主越嶺隧道可縮短至 14.8km。故推薦翻越秦嶺地段局部采用 25‰坡度方案。

3 結語

最大坡度是影響客運專線建設標準的最核心指標之一,科學合理地決策顯得非常重要。本文通過對新建鐵路西安至成都客運專線越嶺地段最大坡度方案的研究分析,提出了適合本項目最大坡度的推薦意見。期望本項目的研究分析思路,能為其他項目的研究與決策提供參考。

[1]錢立新.世界高速鐵路技術[M].北京:中國鐵道出版社,2003.

[2]鐵建設[2007]47號,新建時速 300～350km客運專線鐵路設計暫行規定[S].

[3]鐵建設[2005]140號,新建時速 200～250km客運專線鐵路設計暫行規定[S].

[4]GB50090— 2006,鐵路線路設計規范[S].

[5]中鐵第一勘察設計集團有限公司,新建鐵路西安至成都客運專線可行性研究[R].西安:2009.