大西客運專線最大坡度值的研究

程 彬

1 工程概述

大同—西安客運專線位于山西、陜西兩省境內,正線全長847 km,由北向南經過山西省大同、忻州、太原、晉中、運城等市及陜西省孝感市和西安市,是京昆客運通道的重要組成部分。建設大西客運專線,可極大地擴充同蒲鐵路通道的運輸能力,提高運輸質量,實現同蒲鐵路通道客貨分線。同時,可與鄭西、石太客運專線形成客運專線網,優化鐵路運輸結構,充分發揮客運專線網絡的整體效益。本線穿越大同盆地、恒山低中山區、忻定盆地、系舟山余脈丘陵區、晉中盆地、太岳山低山丘陵區、臨汾和運城盆地、中條山低中山和丘陵區、三門峽盆地、華山山前傾斜平原。低中山和丘陵區地形起伏大,盆地區地形平緩,山前傾斜平原地形起伏。對最大坡度的研究必須考慮以下三方面的因素:首先必須論證動車組能適應的最大坡度,及其在最大坡度上運行時的速度衰減;其次要分析不同的最大坡度對土建工程投資的影響;第三要分析不同坡度動車組能耗;最后經綜合技術經濟比選,確定合適的最大坡度。

2 電動車組對最大坡度的適應性分析

2.1 國外高速鐵路最大坡度選取

客運專線采用電動車組,電機功率大,列車質量較輕,兩端為流線形車頭。車體充分利用空氣動力學,空氣阻力小,對不同坡度的適應能力較強。國外高速鐵路最大坡度取值較為靈活,根據地形情況可采用較大的坡度值。如:法國Paris-Sud-Est(PSE)和Atlantique LGVs大部分線路都采用了15‰的最大坡度,個別地段為避免修建隧道和橋梁,采用了35‰的坡道;日本的Shinkansen大部分保持最大坡度為15‰～20‰,北陸、九州新干線有的地段分別采用了少量30‰和38‰的最大縱坡;意大利的Direttissima線路最大坡度為15‰;德國的Neubaustrecke線路采用的最大坡度為12.5‰,科隆—萊茵/美茵新線坡度高達40‰。

2.2 電動車組的性能與最大坡度關系分析

2.2.1 電動車組性能及適應性分析

提高列車速度須通過提高列車單位質量牽引功率或系統地降低列車質量來實現。客運專線上將運行最高速度為200 km/h,350 km/h的動車組列車,列車總質量分別為1 080 t,768 t,根據對國內外高速列車研究分析,結合電動車組的現狀及發展,速度為200 km/h的列車最大功率為14 400 k W,單位質量牽引功率為13 133 kW/t;速度為350 km/h的列車最大功率為21 120 kW,單位質量牽引功率為2 715 k W/t。

2.2.2 速度與坡度的適應性分析

在列車運行過程中,列車牽引功率必須滿足牽引時啟動加速能力及最高速度目標值時剩余加速度的要求,不同高速列車的阻力和牽引質量不同,對功率要求也有差異。給定功率下列車速度與坡度適應情況分析見表1。

表1 列車運行速度與坡度適應情況

由表1可見,最高速度為350 km/h的列車在平坡上運行仍有0.057 m/s2的加速度;在14‰的坡道上能以 300 km/h勻速運行;在23‰的坡道上也可以250 km/h勻速運行,但較最高速度降低了30%。最高速度200 km/h的列車在20‰的坡道上能以速度為160 km/h勻速運行。

因克服坡道阻力,會使列車在大坡道上持續速度低,但可以利用動能減小速度損失。通過對兩種列車分別進行12‰,20‰的動能闖坡模擬,其結論是:列車以較高速度進入大坡運行至坡頂時的速度損失較小,尤其是坡長在5 km以內,即使是20‰的上坡,速度損失也不到10‰。上述分析說明電動車組不同于常規的機動車輛,具有良好的坡度適應性。

3 線路最大坡度值的技術經濟比較

由于本線上運行的是動車組,結合上述分析,動車組具有電機功率大、列車質量輕等特點,對不同坡度都有很強的適應能力。因此,原則上對小于12‰的坡度不予以研究,重點研究12‰以上的大坡度對本線工程投資及動車組的影響。

3.1 大坡度區段的選擇

大西客專原平—太原西段,起點DK 166+800在原平市西側的唐林中學,線路在尚家莊西設原平西站,出站后從解村西通過,沿蘭村中學東側向南,從東常村和西常村之間穿過,跨北云中河,于蔚家野場附近上跨在建忻保高速公路,之后折向西南,以隧道形式穿過百草山,于河拱村東側上跨大運高速、云中河,線路向南在小齊村西設忻州西站,出站后線路以短隧道穿過磨盤山一角,先后跨過牧馬河、北同蒲鐵路,后以5.77 km隧道穿過南山上,出隧道后,再次跨過北同蒲鐵路,隨后線路折向西南方案,在北留村西設陽曲西站,至區段終點DK 244+500,線路長度77.7 km。

線路在該區段中若采用20‰以下小坡度的方案,則可以減少隧道工程,但同時卻增加了橋梁工程,且由于平縱斷面平順性及河流、道路的控制因素的影響,出現橋梁“吊空”現象。DK230+000～DK241+000區段內,黃土丘陵區沖溝發育,溝壁突兀,造成橋梁基礎難以穩定。線路若采用適應地面高程的小于20‰小坡度方案,則出現短隧道群,橋隧路反復過渡,隧道及路塹排水難度增加,使基礎處理難度增大。若該區段采用20‰坡度長隧道形式通過,則可以避免小坡度方案出現的問題。

20‰方案較12‰方案路塹短 1 500 km,投資省8 500萬元。小于20‰方案有5座長隧道,分別長1 300 m,1 850 m,950 m,800 m,440 m;20‰則只有1座長隧道,長度為8 695 m;小于20‰,20‰方案墩高30 m左右的橋梁分別為5座1 100 m,0座。

3.2 電動車組運行模擬結果

根據小于 20‰,20‰最大坡度方案線路平縱斷面,模擬350 km/h,200 km/h電動車組在各種線路條件下的運行。模擬結果為:采用不同的最大坡度對電動車組的平均運行速度與能耗影響不大。小于20‰坡度相對于20‰最大坡度,一組350 km/h電動車組每千米牽引能耗少0.33 k W·h,200 km/h電動車組牽引能耗少0.26 kW·h。

3.3 最大坡度區段方案運營費比較

運營費由線路及建筑物養護費用、設備維修費用、運輸費用及其他費用四大類組成,由于兩方案線位及線路長度差別不大,所以其中隨最大坡度變化而變化的費用主要是能耗費用。

對于電動車組能耗費用的計算,采用各種最大坡度方案,電動車組的運行模擬結果,計算出各種最大坡度下每千米列車的能耗,乘以列車千米數即得出總能耗。

能耗費用計算采用0.55元/(kW·h),計算期取25年,則20‰方案運營費較小于20‰方案多3 565萬元。

3.4 綜合技術經濟比較及推薦意見

20‰方案相對于小于20‰方案,節省的工程投資大于增加的工程運營費,工程實施難度小,DK 230+000～DK 241+000段線路最大坡度推薦采用20‰方案。

4 結語

最大坡度的選取對土建工程造價存在一定的影響,但必須切合每條線的實際,需根據各線的不同地形條件確定。

最大坡度是客運專線的主要技術標準之一,它不是一個孤立的指標,它與其他主要技術標準存在關聯,因此在選用階段應考慮各主要技術標準之間的合理匹配。

[1]鐵道部,鐵路中長期發展規劃[S].

[2]鐵道第三勘察設計院,京滬高速鐵路設計暫行規定[S].

[3]西南交通大學.鐵路選線設計[M].成都:西南交通大學,1979.

[4]胡敘洪.高速鐵路總體設計體會[J].鐵道標準設計,2005(1):31-32.

[5]吳彩蘭.客運專線鐵路總體設計有關問題探討[J].鐵道標準設計,2005(7):17-18.

[6]科技發展動態,國際鐵路聯盟高速部速度300 km/h～350 km/h的新線設計[Z].2001.