多豐、虎豐線增建二線限坡方案研究

胡江民

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 項目概況

多豐、虎豐線位于華北北部,起自錫多線多倫站,經內蒙古自治區錫林郭勒盟多倫縣、東水泉，進入河北省承德市豐寧縣境內；經大騾子溝、下窩鋪、上黃旗、南關、東弓匠營、塔黃旗,終接虎什哈至豐寧線一期工程天橋站。線路呈北南走向,研究范圍內既有線全長約140 km。

多豐、虎豐線原按單線、內燃、限制坡度上行12‰/下行15‰、牽引質量上行3 500 t(雙機)/下行3 000 t(雙機)設計。多豐、虎豐線北端錫多鐵路已開展復線、預留電化及萬噸條件改造工程；南端擬建的張唐鐵路為一次雙線、電氣化、萬噸鐵路。隨著路網變化,多豐、虎豐線從為地方服務的鐵路轉變為蒙東煤炭下水錫曹通道的組成部分,其功能定位、運量、流向均發生顯著變化,單線運能已遠不能滿足運輸需求,擴能改造勢在必行。通過對各種擴能方案研究,推薦采用增建二線擴能方式。

多豐、虎豐增建二線后,與錫多鐵路、張唐鐵路共同構成了蒙東煤炭下水錫曹通道,該項目的修建對于開辟蒙東煤炭下海通道,保障東南沿海地區能源供給,優化曹妃甸港鐵路集疏運通道布局,進一步拓展津冀沿海港口群腹地空間,完善蒙東地區鐵路路網結構,增強路網運輸靈活性和機動性,促進沿線經濟發展,帶動貧困地區脫貧致富等均具有重要意義。

多豐、虎豐線原標準低下,坡度大,牽引質量小,合理選擇第二線限制坡度,對二線走向、工程規模、既有設施利用均有較大影響,有必要對影響二線坡度選擇的各種因素進行綜合分析研究。

2 地形特征

多豐、虎豐線內蒙古境內段屬內蒙古高原丘陵區,海拔高度在1 259～1 493 m之間。丘坡呈渾圓狀孤丘,丘間谷地開闊、平緩,略有起伏；河北境內段屬中山區,海拔高度在511～1 438 m之間,地形起伏較大,溝谷下切強烈。

3 沿線自然坡度

自然坡度是地形特征分析的結果,沿線自然坡度的特點對限制坡度的選擇具有一定指導作用。本項目由北向南,沿線自然坡度特征為：多倫至東水泉段,海拔高程1 260～1 350 m,平均自然縱坡8.4‰；東水泉至大騾子溝段,海拔高程1 350～1 128 m,平均自然縱坡11.5‰；大騾子溝至下窩鋪段,海拔高程1 128～1 070 m,平均自然縱坡5‰;下窩鋪至上黃旗段,海拔高程1 070～850 m,平均自然縱坡11.9‰；上黃旗至南關段,海拔高程850～780 m,平均自然縱坡3.5‰；南關至東弓匠營段780～590 m,平均自然縱坡11.7‰；東弓匠營至塔黃旗段590～525 m,平均自然縱坡6.8‰。

由經由點的海拔關系可知,多豐、虎豐線全線自然縱坡為凸形,以東水泉為分界點,東水泉以北段(多倫—東水泉)為上坡地段,其平均自然縱坡約為8.4‰；東水泉以南段(東水泉—塔黃旗)為下坡地段,其平均自然縱坡分布為3.5‰～11.9‰。

分析多豐、虎豐線自然縱坡特征可知,6‰～15‰坡度可以適應項目地形。

4 相鄰鐵路技術標準

多豐、虎豐線相關的既有線路主要有錫多線、集通線、京通線、赤大白線等。其現狀主要技術標準見表1。

表1 現狀相鄰線鐵路主要技術標準

研究年度相關線路的鐵路主要技術標準見表2。

表2 研究年度相鄰線鐵路主要技術標準

由表1、表2可以看出,本線相鄰路網基本是6‰系列。

5 項目貨流特征

多豐、虎豐線外部路網變化后,預測其客貨運量見表3。

表3 多豐、虎豐線貨流密度 104t

由表3可知,多豐、虎豐線以煤炭外運為主,輕重車方向明顯,且預測未來貨流變化趨勢不大,研究年度輕重車比例近期1∶29～1∶19、遠期1∶33～1∶21,限坡方案存在分方向限坡選擇的可能性。

6 機車類型與限制坡度、牽引質量關系

各種機型在不同坡度下所對應的牽引質量見表4。

由表4可知,HXD1、HXD2、SS4B型電力機車,在6‰/13‰的限坡上可滿足單機牽引5 000 t、雙機牽引10 000 t的要求,在15‰/12‰的限坡上,雙機牽引質量能達到5 000 t。

7 重載列車下坡道限制坡度研究

錫多線進行復線改造,同時部分到發線有效長延長至1 700 m,以滿足開行萬噸列車的條件；張唐線建成后,直接開行萬噸列車。因此,為與相鄰線技術標準匹配、減少中間作業環節,提高鐵路服務質量及效率,減少運營成本,錫林浩特地區經多豐、虎豐線發往曹妃甸港的煤炭貨物,應組織開行萬噸列車,即多豐、虎豐線增建二線后可能是一條煤運重載鐵路。

表4 機車類型與限制坡度、牽引質量關系 t

煤運重載鐵路下坡道應當滿足重載列車在長大下坡道上的制動要求。大秦線運營實踐表明：萬噸列車的縱向力并不影響列車運行的安全(即壓鉤力與拉鉤力均在允許范圍之內),多豐、虎豐線增建二線項目主要研究重車方向長大下坡道區間的列車再充風問題。

通過計算,當同時使用電阻制動和空氣制動時,HXD1型機車單機牽引5 000 t(車輛采用C80、編組50輛),在13‰、18‰的長大下坡道上,列車從緩解初速增至限速的增速時間分別為364 s、125 s,而“充風時間+空走時間”分別為79 s、80 s,均小于增速時間,能夠滿足周期制動要求。HXD1型機車雙機重聯牽引10 000 t(車輛采用C80、編組100輛),在13‰的長大下坡道上,列車從緩解初速增至限速的增速時間為364 s,而“充風時間+空走時間”為171 s,小于增速時間,能夠滿足周期制動要求；在18‰的長大下坡道上,列車從緩解初速增至限速的增速時間為125 s,小于“充風時間+空走時間”之和173 s,不能保證萬噸列車的再充風時間要求。

由上述分析可知,多豐、虎豐增建二線后,若組織開行萬噸列車,則萬噸列車走行線限制坡度不宜超過13‰,考慮既有多豐、虎豐線限制坡度為上行12‰/下行15‰,已大于13‰,為避免既有線軟化坡度引起既有線的大拆大改,顯然應將第二線做為萬噸列車走行線,即多豐、虎豐線若組織開行萬噸列車,二線坡度不應大于13‰。

8 限坡方案比選

多豐、虎豐線既有限坡為上行12‰/下行15‰的均衡坡,二線可與既有多豐、虎豐并行,充分利用既有設施,利于節約用地,限制坡度首先研究12‰/15‰的均衡坡方案。

錫多鐵路復線后預留萬噸條件,其限制坡度為6‰/12‰均衡坡；張唐線為雙線萬噸鐵路,其限制坡度亦為6‰/12‰均衡坡。為使錫曹通道技術標準協調統一,減少中間技術環節,同時結合多豐、虎豐線自然坡度特征、貨流特征及機車類型、牽引質量及限制坡度關系,研究了6‰/13‰均衡坡方案方案。多豐、虎豐線既有限制坡度上行12‰/下行15‰,若要在該坡度上開行萬噸列車,不僅需要多機牽引,機車購置費、運營成本增多，且15‰的長大下坡道,難以滿足雙機重聯萬噸單元列車的周期制動要求。故需對坡度進行軟化,若將既有線落坡至上行6‰/下行13‰,線路需改建82.669 km,既有線利用率僅有40.57%,既有線改建土建工程投資約28.7億元,廢棄工程大,明顯不合理,既有線軟化坡度為上行6‰/下行13‰,二線與之并行采用上行6‰/下行13‰的限制坡度方案明顯不合理,首先予以舍棄；重點對第二線采用上行6‰/下行13‰限坡方案進行研究。

6‰/13‰均衡坡方案(第二線牽引質量為10 000 t)和12‰/15‰均衡坡方案(第二線牽引質量為5 000 t)技術經濟比較詳見表5。

表5 限坡方案技術經濟比較 萬元

從第二線與既有線采用不同限坡可行性方面分析,據運量預測,多豐、虎豐線以煤炭外運為主,輕重車方向明顯,且預測未來貨流變化趨勢不大,研究年度輕重車比例近期1∶29～1∶19、遠期1∶33～1∶21,大宗貨流主要為曹妃甸港口下水的煤炭。據左向行車原則,若把第二線布置在既有線左側,則重車在第二線運行,輕車在既有線運行；既有線采用12‰/15‰均衡坡,經檢算在15‰坡度上,采用SS4B或HXD系列機車雙機牽引,牽引質量均可達5 000 t,滿足萬噸列車回空車(車型C70,編組108輛,牽引總重2 570.4 t)及非煤列牽引質量5 000 t的要求,即第二線與既有線采用不同限坡可行。

從工程投資及換算工程運營費方面分析,雖然12‰/15‰方案較6‰/13‰方案,用地省,工程投資節省38 926.48萬元,但牽引5 000 t列車機車購置費、列車走行費均相應增加,30年運營費現值增加了35 013.26萬元,換算工程運營費增加了800.92萬元；且采用雙機牽引5 000 t,列車需在多倫、塔黃旗進行加掛補機作業,車輛中轉時間及貨物在途時間均延長,運營成本增大。

綜上所述,建議新建二線作為重車線使用,限制坡度采用6‰/13‰,既有多豐、虎豐線作為輕車線使用,限制坡度12‰/15‰維持不變。

9 結束語

增建二線限制坡度的選擇,可與既有線限坡一致,亦可不一致。第二線限坡的選定應根據項目貨流特征、地形特征,結合相鄰路網限制坡度、機車類型、牽引質量等因素綜合考慮,并通過技術經濟比較,尤其是換算工程運營費比較,最終確定二線的限制坡度,以控制工程規模,節省投資。

[1]中鐵工程設計咨詢集團有限公司.改建鐵路多倫至虎什哈線多倫至塔黃旗段增建二線工程預可行性研究[R].北京：中鐵工程設計咨詢集團有限公司，2010

[2]中鐵工程設計咨詢集團有限公司.改建鐵路多豐線內蒙古自治區段增建二線工程可行性研究[R].北京：中鐵工程設計咨詢集團有限公司，2010

[3]中鐵工程設計咨詢集團有限公司.改建鐵路多豐線河北省段增建二線工程可行性研究[R].北京：中鐵工程設計咨詢集團有限公司，2010

[4]中鐵工程設計咨詢集團有限公司.改建鐵路虎豐線黃土梁至塔黃旗段增建二線工程可行性研究[R].北京：中鐵工程設計咨詢集團有限公司，2010