新建包頭至銀川鐵路速度目標(biāo)值方案研究

賀永志

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司,天津 300142)

1 概述

擬建包頭至銀川鐵路項目(以下簡稱“包銀鐵路”)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)和寧夏回族自治區(qū)境內(nèi)，東起包頭東站，向西途經(jīng)內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭、巴彥淖爾、鄂爾多斯、烏海市和寧夏回族自治區(qū)石嘴山、銀川市，止于銀川站，線路全長約537 km[1]。包銀鐵路東與在建京張鐵路、在建張呼鐵路、既有集包線呼包段，南與規(guī)劃銀蘭客專共同構(gòu)筑我國《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃(2016—2030年)》“八縱八橫”京蘭高鐵通道[2]。

速度目標(biāo)值即最高設(shè)計速度，是高速鐵路核心技術(shù)指標(biāo)，不僅決定了未來列車可能實現(xiàn)的最高運行速度，直接影響線路方案和工程投資，也直接關(guān)系高鐵路網(wǎng)功能作用、建設(shè)運營成本和網(wǎng)絡(luò)運營效率效益[3]。因此，深入研究包銀鐵路的速度目標(biāo)值尤為重要。速度目標(biāo)值方案研究應(yīng)結(jié)合既有高鐵建設(shè)運營實踐經(jīng)驗，根據(jù)項目在鐵路快速客運網(wǎng)中的作用、運輸需求、工程條件、旅行時間目標(biāo)值等因素，進行綜合比選后確定。

2 項目功能定位對速度目標(biāo)值選擇的影響

包銀鐵路是跨區(qū)域高速鐵路通道京蘭通道的重要組成部分，其建設(shè)對全線形成京蘭跨區(qū)域高速鐵路通道、構(gòu)筑完善的京蘭大通道及區(qū)域鐵路網(wǎng)是至關(guān)重要的一環(huán)。寧夏沿黃經(jīng)濟區(qū)和呼包鄂榆地區(qū)是國家《全國主體功能區(qū)規(guī)劃》正式定位的國家級重點開發(fā)區(qū)域，呼包鄂榆之呼包鄂地區(qū)是內(nèi)蒙古最重要的經(jīng)濟圈和城市帶，本項目的建設(shè)，將成為兩個經(jīng)濟區(qū)與京津冀及東北地區(qū)聯(lián)系和加強自身聯(lián)系的重要紐帶，包銀鐵路兼具寧夏沿黃經(jīng)濟區(qū)和內(nèi)蒙古呼包鄂地區(qū)城際鐵路功能。因此本項目既承擔(dān)著高速客運通道的路網(wǎng)功能，也兼顧區(qū)域城際鐵路功能，速度目標(biāo)值選擇應(yīng)符合本項目的功能定位要求，宜選擇較高的速度目標(biāo)值[4]，且不宜低于250 km/h。區(qū)域鐵路客運通道構(gòu)成如圖1所示。

圖1 區(qū)域鐵路客運通道構(gòu)成示意

3 項目客流特點對速度目標(biāo)值選擇的影響

北京至蘭州通道是國家“中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃(2016—2030)”規(guī)劃的跨區(qū)域高速鐵路通道之一，主要承擔(dān)西北四省區(qū)與京津冀、東北部分旅客交流，寧夏與京津冀北部、東北主要旅客交流，蒙西及晉北與西北地區(qū)主要旅客交流，以及沿線經(jīng)濟區(qū)內(nèi)城際客流。全線客流總體呈現(xiàn)出兩端較大，中間跨自治區(qū)地段較低的狀態(tài)，研究年度包銀鐵路通道區(qū)段客流密度詳見表1。該項目既服務(wù)于長途跨線客流，又服務(wù)于區(qū)際城際客流，一般而言，客流隨速度目標(biāo)值的提高而增加。新建包銀鐵路共設(shè)車站14座，平均站間距為41.3 km，最大站間距為61.7 km，站間距較大支持較高速度目標(biāo)值。因此，為滿足乘客安全、舒適、快捷的交通需求，最大限度地吸引客流和構(gòu)筑中心城市時間圈的要求，速度目標(biāo)值不宜低于250 km/h。

表1 研究年度包銀鐵路通道區(qū)段客流密度 萬人

4 通道相鄰線路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)對速度目標(biāo)值選擇的影響

為了成段成網(wǎng)形成互聯(lián)互通，更好地發(fā)揮優(yōu)勢、提高運輸效率效益，需要統(tǒng)籌考慮京蘭高鐵客運通道及關(guān)聯(lián)徑路已投產(chǎn)及在建項目的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，包銀鐵路速度目標(biāo)值應(yīng)與通道標(biāo)準(zhǔn)相協(xié)調(diào)。

4.1 既有普速鐵路概況

通道內(nèi)既有普速鐵路主要有包蘭鐵路，該鐵路包頭至惠農(nóng)段線路長度409 km，線路允許速度為120～140 km/h，惠農(nóng)至銀川段線路長度99 km，線路允許速度為200 km/h[5]，現(xiàn)狀客車平均旅行速度最快87.6 km/h，最慢69.6 km/h。銀川地區(qū)旅客出行經(jīng)包蘭鐵路至北京線路長度1 332 km，最快需要運行15 h 18 min，銀川—包頭線路長度508 km，最快需要運行5 h 56 min；烏海—北京線路長度1 185 km，最快需要運行13 h 12 min，烏海—包頭線路長度361 km，最快需要運行3 h 42 min；臨河—北京線路長度1 041 km，最快需要運行11 h 33 min；旅客列車旅行速度低、服務(wù)質(zhì)量差，不利于沿線經(jīng)濟的發(fā)展。

4.2 通道內(nèi)相鄰線路速度目標(biāo)值分析

研究年度京蘭高速鐵路通道除利用既有集包線呼和浩特至包頭段線路長度173 km、運行速度為200 km/h外[6]，在建京張鐵路線路長度174 km、張呼鐵路線路長度286.8 km，均采用250 km/h速度目標(biāo)值，僅有京張鐵路北京至崇禮段線路長度約50 km、采用250 km/h以上速度目標(biāo)值。另外，相鄰路網(wǎng)的銀西客專及規(guī)劃包西客專等均采用250 km/h及以上速度目標(biāo)值[7-9]，因此，考慮與通道其他線路及相鄰路網(wǎng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)性，新建包銀鐵路速度目標(biāo)值宜為250 km/h及以上。

4.3 不同速度目標(biāo)值時分分析

根據(jù)中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃修編的布局方案，包頭至銀川鐵路定位為跨區(qū)域高速鐵路，規(guī)劃目標(biāo)為形成連通省會級城市的高速通達網(wǎng)絡(luò)，因此速度目標(biāo)值應(yīng)滿足通道客流的快捷出行要求。結(jié)合包銀鐵路在路網(wǎng)中的地理位置與吸引范圍，同比國內(nèi)主要省會城市至北京的直達時間一般在8h左右，本項目采用250 km/h及以上速度目標(biāo)值，則蘭州、銀川經(jīng)本線至京津地區(qū)8 h、6 h可到達，詳見表2，因此，從整個路網(wǎng)角度看，包銀鐵路宜采用250 km/h及以上的速度目標(biāo)值。

表2 區(qū)域間直達列車旅行時間 h

5 速度目標(biāo)值的綜合技術(shù)經(jīng)濟分析

綜合上述分析，結(jié)合我國高速鐵路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)及實際情況，包銀鐵路速度目標(biāo)值選擇應(yīng)包括250、300 km/h和350 km/h三個方案。綜合考慮沿線地形條件、不同速度目標(biāo)值對線下基礎(chǔ)設(shè)施工程投資的影響、投資節(jié)時效果、效益評價等因素，速度目標(biāo)值方案補充了250 km/h平面預(yù)留300 km/h和250 km/h工程預(yù)留350 km/h兩個比選方案。

根據(jù)項目前期研究成果，采用300 km/h方案較350 km/h方案，在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、工程方案上差異不大，投資基本相當(dāng)；因此，結(jié)合京包蘭通道線路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，重點對250、250 km/h平面預(yù)留300、250 km/h工程預(yù)留350 km/h和350 km/h等四個速度目標(biāo)值方案進行比選論證[10-11]。

5.1 不同速度目標(biāo)值線路方案說明

包銀鐵路主要位于河套平原，地勢相對平坦，線路平、縱斷面采用較高標(biāo)準(zhǔn)能夠適應(yīng)沿線地形條件，故4個速度目標(biāo)值方案線路平面差別不大，局部地段受外部因素控制，平面曲線存在進一步提速受限的情況，但最低速度也可達到250 km/h。

5.2 不同速度目標(biāo)值主要工程分析

主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)隨著速度目標(biāo)值的提高而相應(yīng)提高，主要體現(xiàn)在線間距加大，最小曲線半徑加大。此外，軌道結(jié)構(gòu)類型、隧道斷面積、橋梁梁型、路基填筑及沉降控制標(biāo)準(zhǔn)等線下基礎(chǔ)設(shè)施工程也都隨速度目標(biāo)值的不同而發(fā)生變化。250 km/h工程預(yù)留350 km/h與350 km/h方案主要差別在路基工程上[12-13]。

5.2.1 軌道工程

有砟軌道對路基、橋梁工后沉降要求低，建設(shè)費用低、破壞時修復(fù)時間短，但有砟軌道運營期間養(yǎng)護維修頻繁、總費用高；無砟軌道對路基、橋梁工后沉降要求高，建設(shè)成本高，對下部基礎(chǔ)沉降適應(yīng)性差，運營期間養(yǎng)護維修少、總費用低，但一旦發(fā)生了破壞，養(yǎng)護維修難。結(jié)合國內(nèi)外實驗、運營經(jīng)驗以及在建銀西鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等情況[14]，本次研究250、250 km/h平面預(yù)留300、250 km/h工程預(yù)留350 km/h三個方案采用有砟軌道，350 km/h方案采用無砟軌道參與比較。

5.2.2 橋梁及隧道工程

橋梁地段一般受承載力控制，基礎(chǔ)費用增加不多，梁部費用無砟軌道較有砟軌道有所增加，沉降標(biāo)準(zhǔn)不同使無砟軌道和有砟軌道的路橋分界高度有較大不同，從而使橋梁比重明顯上升。結(jié)合沿線交叉跨越控制點、重點征拆、地形、地質(zhì)等因素合理設(shè)置橋梁的情況，全線無砟軌道方案橋梁長度較有砟軌道方案增加13.84%，對工程投資影響較大。

影響隧道工程主要因素是軌面以上凈空有效面積，250 km/h速度目標(biāo)值方案約為90 m2，其余方案約為100 m2，隧道斷面大小影響工程投資。

5.2.3 路基工程

不同速度目標(biāo)值在路基設(shè)計方面的差異主要體現(xiàn)在路基面寬度、基床填料和沉降控制標(biāo)準(zhǔn)方面，從而影響工程投資。

不同的沉降標(biāo)準(zhǔn)對路基工程的最大影響體現(xiàn)在地基處理措施的方法和深度上。無砟軌道鐵路需對所有土質(zhì)路基，包括風(fēng)化呈土狀的巖石地基進行沉降分析，對軟土地基和深層軟土地基，無砟軌道一般采用CFG樁樁網(wǎng)復(fù)合地基或螺桿樁等剛性樁加固。有砟軌道對地質(zhì)條件良好的地基一般不需進行沉降分析，對軟土地基和深層軟土地基，一般采用攪拌樁、旋噴樁、CFG樁樁網(wǎng)復(fù)合地基或螺桿樁加固。無砟軌道的處理措施更強、處理深度更深，費用更昂貴。

5.3 不同速度目標(biāo)值投資及經(jīng)濟效益分析

5.3.1 不同速度目標(biāo)值投資等分析

不同速度目標(biāo)值方案投資等綜合比較詳見表3。

表3 不同速度目標(biāo)值方案綜合比較

從表3可以看出，250 km/h平面預(yù)留300、250 km/h工程預(yù)留350、350 km/h分別較250 km/h投資增加2.79億元、12.87億元、90.51億元。經(jīng)測算，為防止提速后道砟飛砟，250 km/h工程預(yù)留350 km/h方案，遠(yuǎn)期軌道部分還需追加投資約13.38億元。包頭至銀川段350 km/h比250 km/h方案節(jié)省32 min，較250 km/h方案投資節(jié)時比為28 284萬元/min，效果不明顯。350 km/h方案采用無砟軌道工程投資最高，較250 km/h方案增加36.34億元。從節(jié)省時分看，尤其京蘭高速鐵路通道中，蘭州至北京和銀川至北京時間差值更加不明顯，從旅客出行總時間角度分析，350 km/h較250 km/h方案旅客平均出行時間節(jié)省6.3%，由此可見，效果并不明顯[15-17]。

5.3.2 不同速度目標(biāo)值的經(jīng)濟效益分析

經(jīng)濟效益最大化，是鐵路企業(yè)運營管理的最核心問題；本次研究從國民經(jīng)濟效益角度，對不同速度目標(biāo)值方案運營成本、旅行時間節(jié)約價值、轉(zhuǎn)移旅客運輸費用等經(jīng)濟要素進行分析。

從運量預(yù)測對速度的敏感性來看，客流隨速度目標(biāo)值的提高而增加，同時按成本構(gòu)成要素分析速度對運輸成本來看，能耗是運營成本增加的主要因素。從國民經(jīng)濟效益來看，隨著速度目標(biāo)值的提高，旅客在途時間縮短，相應(yīng)地節(jié)約旅行時間價值，且由于客流從公路和航空轉(zhuǎn)移至鐵路運輸，綜合單位運輸成本降低，從而引起整個社會運輸成本的降低。經(jīng)濟凈現(xiàn)值與速度目標(biāo)值關(guān)系見表4。

表4 經(jīng)濟凈現(xiàn)值與速度目標(biāo)值關(guān)系

由表4可見，250 km/h方案與250 km/h平面預(yù)留300 km/h方案經(jīng)濟凈現(xiàn)值基本相當(dāng)，250 km/h較250 km/h工程預(yù)留350 km/h方案經(jīng)濟效益略差，350 km/h方案經(jīng)濟效益最差。

6 結(jié)論

6.1 路網(wǎng)匹配方面

根據(jù)前述分析，京蘭鐵路通道除既有集包線呼包段為200 km/h外，其余段落大部分是250 km/h，從通道上看，本線采用250 km/h速度目標(biāo)值是適宜的。

6.2 運行時分方面

根據(jù)前述分析，包銀鐵路采用250、300、350 km/h方案均能實現(xiàn)蘭州至北京8 h以內(nèi)，銀川至北京6 h以內(nèi)，結(jié)合通道速度目標(biāo)值情況，本線采用250 km/h速度方案是適宜的。

6.3 投資及效益方面

350 km/h方案較250 km/h方案增加投資約90.51億元，初期投資較大，經(jīng)濟效益較差。250 km/h工程預(yù)留350 km/h方案雖然經(jīng)濟效益略好，但初期投資比250 km/h方案增加12.87億元，且遠(yuǎn)期提速需追加軌道固結(jié)費用13.38億元，遠(yuǎn)期提速后較250 km/h方案節(jié)約的時分在京蘭高速通道中對于蘭州至北京、銀川至北京的旅客，平均出行時間節(jié)省6.3%，時間差值不明顯[18-20]。250 km/h方案與250 km/h平面預(yù)留300 km/h方案經(jīng)濟凈現(xiàn)值基本相當(dāng)，但250 km/h方案較250 km/h平面預(yù)留300 km/h方案初期投資節(jié)省2.79億元，有利于緩解初期建設(shè)投資壓力。

綜合以上分析，采用宏觀定性分析與翔實工程方案定量計算相結(jié)合的研究方法，確定的包銀鐵路采用250 km/h速度目標(biāo)值方案符合項目功能定位，適應(yīng)跨線及沿線客流特點，與銜接的京張、呼張、規(guī)劃銀蘭等鐵路標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)匹配，工程投資最省，經(jīng)濟效益較好。對于客運專線鐵路的相關(guān)研究具有較高的借鑒價值。