寶雞至蘭州客運專線最大坡度值研究

王 維

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 概述

寶雞至蘭州客運專線位于陜西、甘肅兩省境內,正線全長 399.972 km,線路東起陜西省寶雞市,經天水、定西市至甘肅省會蘭州,是隴海客運專線(徐州—蘭州)的重要組成部分。該項目東端與西寶、鄭西客運專線相接,向東可直達中原及華北、華東地區,向西可連通青海、新疆,并通過蘭州樞紐與包蘭鐵路、蘭渝鐵路銜接,在鐵路網中主骨架特征明顯。

本項目經過地區地形地貌復雜,沿線地貌單元可劃分為關中盆地區、南隴山與西秦嶺北緣過渡帶中山區、天禮盆地低山丘陵區、黃土高原溝壑梁峁區及黃河河谷蘭州盆地區[1],工程地質及地形起伏變化較大。在線路走向較為確定的前提下,合理選擇線路的最大坡度值,對于線路適應地形變化,降低工程施工及運營風險,控制工程投資及提高行車安全和客車旅行速度有顯著的作用。

寶雞至蘭州客運專線坡度采用一般 20‰,個別困難地段 25‰,全線正線建筑長度 399.972 km,橋隧比例為 92.34%。其中:橋梁 97.20 km,占正線長度24.30%;隧道 272.13 km,占正線長度 68.04%;路基30.64 km,占正線長度 7.66%[1]。

2 不同速度等級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

國外高速鐵路最大坡度一般在 25‰～35‰,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,大陸運營和在建的高速鐵路最大坡度一般未超過 20‰,這是因為運營和在建項目大多位于中東部相對平緩低山丘陵地區,地形平坦,足坡地段長度一般不超過 10 km。

國內外高速鐵路在長隧道地段采用的最大坡度見表1。從已運營及擬建的國內外客運專線分析,長度10 km以上的隧道最大坡度一般不超過 20‰,隧道內坡度超過 12‰的足坡地段也較短。

表1 國內外高速鐵路在長隧道地段采用的最大坡度[2]

2.2 電動車組坡度適應性分析

目前國內已運營的時速 300 km及以上的動車組有 CRH2-300和 CRH3兩種類型,不同速度目標值對應均衡速度運行坡道值見表2。CRH3型動車組在12‰、15‰、20‰、25‰、30‰的最大坡道上對應的均衡速度分別為 280.3、261.8、233.3、207.2、184.9 km/h。由此可見,要保持均衡速度在 200 km/h以上時,最大坡度不宜超過 25‰。

作用于列車上的力主要由 3部分組成:一是列車的牽引力;二是客服列車運行的阻力,此阻力又包含了基本阻力、附加阻力及列車起動阻力;三是列車的制動力[5]。不同動車組與坡度、速度的適應性見表3。

表2 動車組均衡速度運行坡道值[3～4]

以 CRH3為例,不同足坡上坡地段初速度為 340 km/h運行工況如圖1所示。

表3 電動車組與坡度、速度的適應性

圖1 不同最大坡度V-S曲線

由圖1可見,持續足坡地段運行 10 km后,速度均在 250 km/h以上,運行 20 km后速度均在 200 km/h以上。在 12‰、15‰、20‰、25‰、30‰不同上坡地段分別運行 60km后的速度分別為 281.4、262.8、234.2、207.4、184.9 km/h,分別降低為最高速度的 80%、75%、67%、59%、53%。表明動車組動能闖坡性能優良,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。

2.3 電動車組追蹤間隔的要求

若列車走行于長大下坡地段,勢能的損失會使列車速度增大,但同時列車的制動性能又必須滿足其相對應地段的追蹤間隔。以 CRH3型動車組為例,列車區間追 蹤間 隔 按 I區=3.6+t附計算[6],本線設計列車追蹤間隔 3 min,通過對其在20‰、25‰、30‰最大下坡上的追蹤模擬計算,得出對應的追蹤間隔分別為 151、164、181 s,20‰、25‰坡度方案小于 3 min,滿足 3 min追蹤間隔的要求。30‰坡度方案不滿足 3 min追蹤間隔的要求。

為了滿足相應最大下坡追蹤間隔要求,同時考慮實際信號機分布及安全余量,列車追蹤間隔按 170 s控制,不同坡度足坡下坡對應的最高速度見表4。

表4 滿足 3 min追蹤間隔限速 km/h

3 最大坡度方案的比選

線路最大坡度值作為鐵路的主要技術標準之一,對線路的走向、工程造價、運營時分、輸送能力和牽引質量均有較大影響。高速鐵路采用電動車組,電機功率大、列車質量輕,車體采用空氣動力學設計,對大坡道的適應能力強。因此,必須合理選擇設計坡度,利用電動車組優良的動力性適應地面自然縱坡變化,減少工程投資,確保工程建設可靠性。

3.1 坡度比較方案構成

最大坡度選擇主要受沿線地形、動車組對坡度的適應性、運營費用、工程投資及與相鄰線的匹配等因素的影響。區間正線的最大坡度,一般條件下不應大于20‰,困難條件下,經技術經濟比較,不應大于30‰[7～8]。由于在 30‰的坡道上,其均衡速度只有184.9 km/h,小于 200 km/h,且下坡制動距離近 13.0 km,理論計算雖可滿足 3 min列車追蹤間隔要求,但基本無富余量,因此,從行車安全以及提高客車旅行速度等角度考慮,同時結合本線較為復雜的地形地質條件,本次研究了 20‰、20‰(個別 25‰)、25‰、30‰4個最大坡度方案。

3.2 最大坡度方案比較

3.2.1 寶雞至東岔段

本段地處南隴山與西秦嶺北緣過渡帶的高-低中山區,地形起伏較大,河流曲折。線路全部在渭河南岸行進,基本為橋隧相連,最長隧道不超過 7 km,橋梁高度均不超過 40m,該段僅有 1處長 3250 m的坡段采用了 20‰的坡度,若采用 25‰或 30‰坡度,對工程基本沒有改善,因此本段采用 20‰適應地形能力好,線路順直,推薦本段最大坡度采用 20‰。

3.2.2 東岔至天水段

該段線路地處南隴山與西秦嶺北緣過渡帶的高-低中山區,地形險峻,溝谷狹窄。受禁區設施影響,元龍之前線路穿行于渭河南岸西秦嶺余脈腹地中,若采用 20‰坡度將使筆架山隧道延長至 22.05 km,將嚴重控制工期,且隧道設置為兩座單線隧道,增加工程投資;若采用 25‰的坡度可使該隧道減短至 14.79 km,而采用 30‰的坡度對該隧道長度無明顯改善,故穿越筆架山段采用一處長 13.50 km、25‰的坡度,可有效縮短越嶺主隧道長度,縮短工期、節約工程投資。

本段另一座 13.56 km太祿特長隧道采用了 20‰的坡度,若采用 25‰的坡度對隧道長度無明顯改善,且造成個別溝谷淺埋,而采用 30‰的坡度可使該隧道分為兩座各 6.7 km的隧道。但考慮到該隧道緊鄰全線最長的 14.79 km筆架山隧道,該隧道不控制工期,且隧道總長度變化不大,節約工程投資有限,故本段采用 20‰的坡度是合適的。

綜上所述,東岔至天水段采用 20‰的坡度,僅穿越筆架山段采用一處長 13.55 km、25‰坡度。

3.2.3 天水至榆中段

本段線路大部分在渭河、葫蘆河峽谷及黃土高原山峁中穿行,地形起伏大、高差大,20‰坡度方案最長隧道為長 12.42 km朱家山隧道,最高橋為稱溝驛特大橋,有近一百米橋身高達 47 m。若采用 25‰坡度可使朱家山特長隧道分設兩座長度為 3.20 km及 9.15 km隧道,但隧道在滑坡區露頭,存在安全隱患;稱溝驛特大橋因受上跨隴海線高程限制,采用更大的坡度無法改善工程。若采用 30‰的坡度對本段工程改善有限,雖可縮短部分隧道長度,但造成局部橋梁高度增加,個別橋高達 70 m,且最大坡度地段僅使用了約 18.6 km,節省工程效果不明顯。同時該方案動車組牽引特性受限,無法完全發揮動車性能。因此推薦本段采用 20‰坡度方案。

3.2.4 榆中至蘭州段

本段線路走行于黃河河谷蘭州盆地區,需穿越白虎山、古城嶺及皋蘭山等山梁,線路主要受禁區及城市布局和規劃的影響,本段最長隧道為長 12.97 km古城嶺隧道,最高橋為橋高約 46 m西園特大橋,其中僅西園特大橋為了降低橋高、盡快接入蘭州西客站,采用了一處長約1 880 m的 25‰坡度。考慮到該段處于蘭州西進站前半徑為1 200 m的曲線上,速度較低,使用25‰的坡度對運營速度影響甚小。若使用 20‰的坡度將造成橋梁加長 400 m,且造成蘭州西客站整體西移,不能充分利用既有設施。若本段使用 30‰的坡度,受跨越城市道路凈空所限,西園特大橋長度無法縮短,僅降低了少部分橋梁的高度,節約工程投資不明顯。

綜上,榆中至蘭州段采用 20‰的坡度,僅西園特大橋采用一處長 1.88km長的 25‰坡度。

3.3 最大坡度方案工程投資比較(表5)

表5 最大坡度方案工程投資比較

由表5可見,各坡度方案線路長度最大差 0.291 km,橋隧總長最大差 1.50km。并且 20‰(個別 25‰)方案最長隧道均不超 15 km,工程設置合理,適應地形較好,投資分別較 25‰方案及 30‰方案增加 0.03%及 0.72%,而較 20‰方案節省 0.81%。

以上分析表明,在越嶺高差基本確定,各坡度方案均不展線(高速鐵路曲線半徑大,展線條件很差)、采取長大隧道穿越山嶺時,各方案線路長度、橋隧總長差異不大,主要體現在越嶺主隧道長度的差異上,繼而體現在施工條件、總工期及投資的差異上。若越嶺主隧道差別均在合理長度內,則 20‰及以上坡度方案工程投資差異性不大。30‰及 25‰坡度方案比 20‰(個別25‰)方案工程投資分別節省 3.88億元及 0.17億元,約占總投資 0.72%及 0.03%,但是在縮短線路、施工工期及主隧道長度方面并無明顯優勢。

3.4 最大坡度方案運營費用比較

根據鐵道科學研究院《高速鐵路運營支出定額》的研究,運營費用主要由建筑物養護費用、設備維修費用、運輸費用及其他費用 4大類組成[9]。由于 4個最大坡度方案的線路長度差別較小,故只有能耗費用隨最大坡度的不同存在變化。

對于電能耗費用的計算,采用 4個最大坡度方案動車組的運行模擬結果,計算出各種最大坡度下每公里列車的能耗,乘以列車公里數即得出總能耗(kW·h)[10]。由表6可見,本段采用不同最大坡度方案時,運行時分相差較小,能耗相差不大。

3.5 推薦意見

綜上所述,本段適宜的最大坡度應在 20‰ ～25‰,上述方案運營長度、運營成本、運行時分相差均較小,從工程及運營安全方面考慮,20‰(個別 25‰)方案可有效縮短主隧道長度,動車組制動性能亦良好,因此本次研究最大坡度推薦 20‰(個別 25‰)方案。

表6 不同坡度方案綜合經濟比較

4 結論

本線開行的列車均為動車組,動車組電機功率大,列車質量輕,適應最大坡度的能力較強,最大坡度標準的確定以適應地形、跨越控制高程的需求為主。20‰的最大坡度基本適應了全線大部分地段地形,但局部地段采用大于 20‰的坡度可以減短越嶺主隧道長度,節省工程投資,降低施工難度,使工程的安全風險低,工期合理,且局部采用的最大坡度未超過 25‰。因此,本線推薦最大坡度為 20‰,個別地段 25‰是合理可行的。

[1] 中鐵第一勘察設計院.新建鐵路寶雞至蘭州客運專線可行性研究總說明書[R].西安:中鐵第一勘察設計院,2009.

[2] 中鐵第一勘察設計院.新建鐵路西安至成都客運專線西安至江油段可行性研究總說明書[R].西安:中鐵第一勘察設計院,2009.

[3] 中華人民共和國鐵道部.高速鐵路設計規范(試行)條文說明[S].北京:中國鐵道出版社,2010:68-72.

[4] 鐵運函[2006]462號,時速 200 km和 300 km動車組主要技術條件[S].

[5] 郝 瀛.鐵道工程[M].北京:中國鐵道出版社,2002:289-298.

[6] 蘇順虎,田長海,陳治亞.客運專線通過能力的分析計算[J].中國鐵道科學,2008(5):119-124.

[7] 中華人民共和國鐵道部.高速鐵路設計規范(試行)[S].北京:中國鐵道出版社,2010:20-21.

[8] 中華人民共和國鐵道部.新建時速 300～350 km客運專線鐵路設計暫行規定(上、下)[S].北京:中國鐵道出版社,2007:20-21.

[9] 后宗彪.京滬高速鐵路最大坡度研究[J].鐵道標準設計,2008(6):5-7.

[10] 陳文科.鄭州至武漢鐵路客運專線最大坡度值研究[J].鐵道勘察,2008(1):44-47.

[11] 俎保峰.寶雞至蘭州客運專線速度目標值決策分析[J].鐵道標準設計,2009(9):13-16.

[12] 王 輝.東北東部鐵路通道白河至和龍段線路限制坡度的選擇[J].鐵道標準設計,2008(5):7-10.