阿富汗國家鐵路Torkham經Kabul至Hairatan線限制坡度方案研究

張曉東

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043)

1 工程概況

新建阿富汗國家鐵路位于阿富汗東北部，東連巴基斯坦白沙瓦地區，途經阿富汗首都Kabul，北接烏茲別克斯坦泰爾梅茲鎮(Termez)。

該線路東起楠格哈爾省(Nangarhar)阿巴邊境的托克汗姆(Torkham)，向西經賈拉拉巴德(Jalalabad)、首都喀布爾(Kabul)后折向北，經帕爾旺省(Parwan)，沿興都庫什山南側西行，通過巴米揚省(Bamiyan)，從Bahgandan山口翻越興都庫什山，向北經巴格蘭省(Baghlan)至昆都士省(Kunduz)，折向西經薩曼甘省(Samangan)的胡勒姆(Kholm)、巴爾赫省(Balkh)的Naibabad轉向北至終點巴爾赫省(Balkh)的海拉塘(Hairatan)。該新建線路行經阿富汗8省市，全長835.28 km。

該線路將為阿富汗國家鐵路網的形成奠定基礎。線路翻越興都庫什山，溝通阿富汗南北交通，北接烏茲別克斯坦共和國、塔吉克斯坦共和國等中亞國家，東接巴基斯坦等南亞國家，未來將是中亞、阿富汗通達印度洋鐵路通道最為便捷的組成部分。

2 工程特點和研究思路

2.1 工程特點

線路沿線無外部供電條件，地形復雜，越嶺工程量大，車站布設困難。沿線經濟據點少，運營經驗少。

2.2 限制坡度選擇的研究思路

從通道大致走向及所經地區地形特點看，線路地形起伏較大，越嶺地段橋隧相連，自然縱坡大，工程艱巨。為減少線路展線、降低工程投資，應選用較大坡度方案。本文主要對18‰，25‰，30‰三個大坡度方案進行分析比較，主要從地形適應性、工程投資、運營費用、運營安全等方面進行定性、定量分析，推薦經濟、適用、安全的限制坡度方案。

3 影響限制坡度選擇的因素分析

限制坡度是影響鐵路選線全局的主要技術參數。它不僅對線路走向、長度和車站分布有很大影響，而且直接影響運輸能力、行車安全、工程費與運營費。影響限制坡度選擇的因素分析如下。

3.1 牽引種類

推薦采用內燃牽引，預留電化條件。

3.2 機車類型

推薦采用中國HXN3機車。

3.3 設計規范有關規定

《鐵路線路設計規范》(GB 50090—2006)規定，各級鐵路電力、內燃牽引的加力牽引坡度值分別不得大于 30‰，25‰。

3.4 機車牽引制動性能

在25‰以上坡度，多機牽引的牽引質量均受制動安全性控制，坡度越大，其牽引和制動的匹配性越弱，采用多機牽引提高牽引質量的經濟性和安全性越差。本次研究建議坡度以30‰及以下為宜。受牽引制動性能限制，18‰，25‰，30‰方案分別按照雙機牽引5 000 t、雙機牽引3 500 t(三機5 000 t)、三機牽引4 000 t控制。

4 限制坡度方案研究

從本線行經地貌單元看，主要有兩次越嶺。

Torkham至Kabul段沿Kabul河谷布線，主要翻越興都庫什山支脈Wuch Char山，自然縱坡較大;Kabul至Dowshi段線路翻越興都庫什山，山體寬厚，自然地形起伏較大，溝谷狹窄，越嶺地段基本為橋隧工程。采用不同的坡度，引線工程有較大的差別。本文結合牽引質量與站間距的布設，重點針對以上兩段線路(Dowshi至 Hairatan段地形較為平坦，本文不做研究)，研究不同坡度對地形的適應情況，以采取合理的工程措施來降低工程投資、節約能源、改善運營條件。

4.1 Torkham至Kabul段

4.1.1 地形特征

Torkham位于開伯爾山口處，高程約 700 m，Jalalabad為河谷平原區，高程為600～650 m，Kabul為山間盆地，高程約為1 800左右，Wuch Char山橫亙其間，海拔1 800～2 600 m。

地形整體上為西高東低，西陡東緩，線路基本沿Kabul河布線。東段河谷區階地發育，河床自然縱坡為6‰～10‰;西段山區，山大溝深，沿河流切割山體呈“V”形溝谷，河床縱坡＞25‰。公路在該段山區穿行時蜿蜒曲折，多以S形在溝谷中布線，局部以隧道通過。

4.1.2 坡度方案比選

Torkham向西至Jalalabad段60 km范圍內線路高差下降100 m左右(圖1)，18‰坡度適應地形條件較差。為與全線坡度一致，降低橋隧工程比例，減少工程投資，采用25‰的坡度。

圖1 Torkham至Jalalabad段地形示意

Jalalabad至Kabul段為越嶺地段(圖2)，結合雙機對大坡道的適應性分析，對該越嶺段分別研究了18‰，25‰，30‰三個坡度方案。

圖2 Jalalabad至Kabul段地形示意

1)地形適應性及工程設置條件分析

18‰方案適應該段地形條件較差。線路過Jalalabad后沿Kabul河左側的河谷階地以路基形式緊坡抬升高程。到達峽谷區時，線路在山區內圍繞Wreshwn Ghar山展線，以獲取足夠的線路長度滿足抬升高程的需要，橋隧比例大，設站條件差，工程艱巨。

25‰方案基本能適應該段地形條件。線路能充分利用部分Kabul河流階地，以自由坡引線設置路基工程，部分河流階地需抬升線路高程。到達峽谷區時，線路開始緊坡布線，基本以順直的線路達到設計高程位置，本段坡度基本適應地形，地形平緩地段多以路基工程通過，地形狹窄地段多以橋隧工程通過，個別車站設站條件差。

30‰方案適應該段地形條件較好。線路能充分利用Kabul河流階地，以自由坡設置簡易路基工程。到達峽谷區時，線路開始緊坡布線，基本以順直的線路達到設計高程位置。工程設置合理，橋隧總長略短。

2)主要技術特征分析

根據線路設計縱斷面，對Torkham至Kabul段各方案線路縱斷面主要特征進行對比分析，見表1。

表1 各方案縱斷面主要特征

由表1可見，該段線路為由低向高抬升，呈單面坡態勢，越嶺隧道長度相差不大。但坡度越小，適應性越差，需要較長的線路長度來抬升高程，橋隧工程相應增多;坡度越大，適應性越強，線路越順直，橋隧工程相應較少。18‰方案不適應地形，線路最長，橋隧工程最大;25‰坡度方案適應自然地形，橋隧工程合理;30‰坡度方案與25‰坡度方案線路長度相當，橋隧工程略短。

3)工程投資對比分析(表2)

表2 Torkham to Kabul不同坡度方案經濟比較

由表2可見，18‰方案線路長，橋隧工程大，工程設置條件差，施工技術及施工難度大，投資最高;25‰與18‰坡度方案相比，能有效縮短線路長度，減少橋隧工程，節約工程投資達1.23億美元;30‰坡度方案與25‰坡度方案相比節約1 669萬美元。

4)運營成本分析及費用現值評價

為進一步分析論證各坡度方案，按最小費用現值法進行經濟性分析，計算期采用30年，財務折現率取3%。不同坡度方案經濟性綜合比較見表3。

表3 不同坡度方案經濟性比較 萬美元

5)本段坡度方案推薦意見

30‰方案適應地形條件較好。工程投資比18‰坡度方案省1.40億美元，比25‰方案省1 669萬美元。經濟性分析表明，18‰坡度方案經濟性差，25‰經濟性最優。

結合本線的地形特征和機務設施布局條件，考慮經濟性最優化原則，本段坡度采用25‰方案。

4.2 Kabul至 Dowshi段

4.2.1 地形特征

Kabul至Charikar段線路為山間盆地，地形平坦，高程約為1 800 m左右。

Charikar至杜希段越嶺，東端 Charikar高程約為1 800 m，越嶺埡口Bande-Charbandak高程為2 800 m，杜希高程約為800 m。

興都庫什山Bande-Charbandak埡口高程為2 800 m，Charikar至 Bande-Charbandak間的 Sekan River平均河床縱坡約12‰。其中上游河床縱坡為20‰，中游河床縱坡為10‰，下游河床縱坡為6‰。河谷基本呈V形結構，兩側階地不發育。地形如圖3所示。

圖3 Bande-Charbandak埡口段地形示意

中部Shekan為山間V形狹谷區，溝谷深切，且其縱坡呈緩陡交替變化。線路沿Sekari河向北前行，Sekari河上游河床自然縱坡為30‰，中游河床自然縱坡為8‰，下游河床自然縱坡為35‰，平均自然縱坡達20‰，局部河床狹窄深切，自然縱坡達50‰。地形如圖4所示。

圖4 中部Shekan段地形示意

北部線路沿Surkaw河布線，河流在興都庫什山北部崇山峻嶺間蜿蜒前行，河谷較為開闊，杜希高程約為800 m。地形如圖5所示。

圖5 北部Surkaw河谷段地形示意

4.2.2 坡度方案比選

本段地形條件變化較大，線路縱坡特征為起伏較大，拔起高度高，長大緊坡段落長。結合機車對大坡道的適應性分析，對該段越嶺方案分別研究了18‰，25‰，30‰三個坡度方案。

1)地形適應性及工程設置條件分析

18‰方案需設置較長隧道通過山體，線路坡度不適應河谷地形。線路需于河谷兩側以橋隧相連工程迂回展線，長大緊坡段落長，車站設站條件差，橋隧比例大，工程艱巨。

25‰方案適應該段地形條件較好。在翻越Bande-Charbandak埡口的越嶺隧道為6.16 km，線路在嶺頂兩端利用支溝進行局部展線，其余段落基本沿河谷而行，充分利用河流階地布線。在Kohe Kaftarkhana山口兩端河谷縱坡大，線路適應能力差，無法利用河谷布線，需利用各支溝展線以延長線路長度，降低線路高程。在該段長大緊坡段落長，橋隧工程布設困難。

30‰方案翻越Bande-Charbandak埡口的越嶺隧道為6.1 km。基本沿兩側河谷而行，充分利用河流階地布線，在翻越Kohe Kaftarkhana山口時，利用傘狀分布支溝的有利地形，局部展線到達開闊的河谷階地，充分利用河流階地布線。該方案適應地形條件較好，長大緊坡長度適中，有兩處車站布設困難。

2)主要技術特征分析(表4)

表4 各方案縱斷面主要特征

由表4可見，兩處越嶺高程起伏較大，不同的坡度引起的越嶺隧道長度及線路工程有較大的差異。18‰方案不適應地形，越嶺隧道最長，線路展線最長，長大緊坡段落最長，引起的橋隧工程增加最多;25‰坡度方案受地形限制，局部段落需展線，其余部分適應自然地形，橋隧工程合理。30‰方案能減少長大緊坡長度，但在線路長度和越嶺隧道方面與25‰坡度相比沒有較大的改善。

3)工程投資對比分析(表5)

表5 不同坡度方案比較

由表5可見，18‰方案線路長，橋隧工程大，工程設置條件差，施工技術及施工難度大，投資最高;25‰與18‰方案相比，能有效縮短線路長度，減少橋隧工程，工程投資節省達3.68億;30‰方案比25‰方案只節省投資0.60億美元，占總投資的1.18%。

4)運營成本分析及費用現值評價

為進一步分析論證各坡度方案，按最小費用現值法進行經濟性分析，計算期采用30年，財務折現率取3%。不同坡度方案經濟性綜合比較見表6。

表6 不同坡度方案經濟性比較 萬美元

5)本段坡度方案推薦意見

18‰坡度方案雖然運營條件較好，但適應地形能力差，線路展線長，引起工程投資最大，經濟性最差。

25‰坡度方案運營條件較好，工程投資較30‰方案多0.60億美元，但由于本段線路運營條件改善，運營能耗節約較多，總費用現值比30‰方案節約0.50億美元。

30‰坡度方案優勢未得到充分發揮，線路長度相當，節省投資有限，且惡化了運營條件，運輸組織難度大，并存在較大的安全隱患。總費用現值比25‰方案多0.50億美元。

25‰方案能較好地適應地形，經濟性最優，因此本段最大坡度推薦采用25‰方案。

5 結論

結合地形條件、工程投資和運營費用，考慮盡量統一主要標準、減少技術作業、工程投資及運營成本整體最優，推薦Torkham經Kabul至Dowshi段限制坡度采用25‰。

［1］中鐵第一勘察設計院集團有限公司.新建阿富汗國家鐵路Torkham經Kabul至Hairatan線可行性研究報告［Z］.西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2014.

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［5］中華人民共和國國家發展和改革委員會，中華人民共和國住房和城鄉建設部.建設項目經濟評價方法與參數［M］.北京:中國計劃出版社，2006.

［6］中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家發展和改革委員會，中華人民共和國鐵道部.鐵路建設項目經濟評價方法與參數［M］.北京:中國計劃出版社，2012.

［7］楊英.西部山區脆弱環境下鐵路工程地質選線設計［J］.鐵道建筑，2007(2):84-85.

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［10］韓長虎，劉杰民.列車優化運行與操作［M］.北京:中國鐵道出版社，2012.

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