克服大高差鐵路線路創新設計的探討

黃志相 楊麗玲

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031；2.中鐵城市發展投資集團有限公司， 成都 610218)

大高差鐵路線路是指位于地形高差大的復雜山區鐵路，尤其是地形高差超過鐵路的最大縱坡，并需要展長線路，以降低最大橋跨和最長隧道的鐵路。我國西南山區山高谷深，地勢陡峻，河流切割劇烈，常形成深“ V”型和 “U”型河谷，構造發育，巖性多變，不僅造成地質異常復雜，還需面臨克服地形巨大高差的鐵路選線設計難題。

為克服地形的巨大高差，常規做法是根據TB 10098-2017《鐵路線路設計規范》[1](以下簡稱《線規》)，適當選取最大限制坡度和加力坡度的前提下，通過展長線路[2]，從而獲得技術可行且經濟合理的大跨橋梁和最長隧道工程，最終取得較佳的線路方案。

本文以西南山區某鐵路工程設計為背景，提出了一種創新的思路和方法，不僅能夠有效縮短線路長度和節省工程投資，還繞避了更多不良地質，降低了工程風險，效果顯著。

1 西南山區某鐵路概況

該鐵路位于西南省份，地形地質十分復雜，主要不良地質為：活動斷裂、高地溫、高地應力、滑坡、巖溶、放射性、有害氣體等，線路總長332 km，其中橋隧長度為307 km，占線路長度比重為92.5%，其中隧道占比為84%[3]。主要設計標準，如表1所示。

表1 主要技術標準表

該線路主要穿越無量山山脈、哀牢山山脈及四角山山脈，跨李仙江、紅河等大江(河)，山高谷深、溝谷深切，地形起伏劇烈，沿線地形高程，如表2所示。

表2 沿線地形高程表

由表2可知，有4處自然坡度大于20‰，其中2處自然坡度超過30‰。根據《線規》及結合目前成熟的運營經驗，取限制坡度為12‰[4]，雙機牽引加力坡為24‰為基礎，作進一步研究。

2 創新設計

根據《線規》規定，160 km/h客貨共線鐵路，單洞單線隧道內(其隧道軌面以上凈空面積42.11 m2)的線路坡度，線路坡度的折減系數應符合(如表3所示)規定。

表3 內燃、電力牽引鐵路隧道內線路最大坡度折減系數表

隧道長度/m內燃牽引電力牽引160 km/h及以下客貨共線鐵路單洞單線重載鐵路單洞單線4004 0000.750.85

本線隧線比高達84%，且多數為大于4 km的長隧道，折減系數為0.85[5]。如按10 km的線路長度，且均位于隧道內，按最大加力坡24‰以及0.85的折減系數，實際坡度值僅為20.4‰，在10 km范圍內爬升204 m。相比較24‰的坡度損失了36 m的高差，為彌補這一損失，只能通過展線，通過線路長度來彌補。

換一種思路，如能通過減少隧道地段的縱坡折減值，則可最大限度地用足坡度，達到縮短線路展線長度和降低工程投資[6]。根據《線規》規定，不同的設計速度、隧道斷面積和隧道長度，所采用的折減系數不同，并且隧道斷面越大，隧道附加空氣阻力越小[7]，線路縱坡的減緩值越小。另外隧道空氣附加阻力與線路坡度標準或隧道擬設坡度無關，相對于最大坡度的影響，隧道斷面對隧道坡度折減的影響更大。故可適當加大隧道斷面積，以達到縮短線路長度和降低工程投資的目標。

《線規》規定,長度大于 1 000 m的電力牽引客貨共線鐵路120 km/h及以上單洞雙線和200 km/h單洞單線隧道內的線路坡度，線路坡度的減緩值，如表4所示。

表4 電力牽引客貨共線鐵路隧道內線路最大坡度減緩值(‰)

隧道長度/m設計速度200 km/h160 km/h120 km/h單洞單線單洞雙線單洞雙線單洞雙線1 00025 0000.930.370.430.66

客貨共線鐵路速度標準對應隧道斷(凈空)面積[8]，如表5所示。

表5 速度目標值對應隧道斷(凈空)面積(m2)

故同樣在最大加力坡24‰和10 km長隧道條件下，通過加大隧道斷面至200 km/h單洞單線標準(隧道軌面以上凈空面積52.01 m2)，縱坡減緩值為0.76，實際坡度值為23.24，在10 km范圍內可爬升232.4 m，較按0.85的折減系數，多爬升28.4 m，可節省線路長度1.39 km，節省靜態投資1.32億元。如在較長的線路長度范圍內比較，則節省工程投資更為明顯。

這一創新設計經過牽引計算，可滿足列車運輸需求，但由于僅為理論計算和推導，尚缺乏運營實踐證明。尤其是對于非正常工況下的檢驗和實驗，如在雙機或三機加力坡條件下采用更大線路縱坡，列車是否能夠正常啟動，尚需要進一步實踐檢驗。另外從運輸組織看，本段采用更大線路縱坡后，還需結合相鄰路網牽引質量、到發線有效長及最大縱坡的采用情況，進一步分析影響和適應性。

從我國客運電力機車發展方向看，和諧系列將逐步取代SS系列客車，且機車性能將不斷提高，是完全可以滿足線路采用更大縱坡的需求。

3 案例分析

為更好總結和分析創新方法的工程對比和實際效果，擬分別按照越嶺地段、隧道密集段、過渡展線隧道段等三個典型場景進行詳細分析。

根據表2中的4處自然坡度大于20‰段落，按照標準隧道斷面標準(42.11 m2)和加大隧道斷面后(52.01 m2)的不同縱坡折減標準兩方案，進行具體線路方案設計，并統計各自主要技術指標。

3.1 越嶺段(哀牢山脈-紅河段)

本段主要受哀牢山越嶺控制，線路展線長度較長，用更大的坡度能有效縮短展線長度，并節省工程投資。根據研究，分別按照不同隧道斷面積所對應的縱坡折減值，進行線路方案設計。兩方案主要技術指標，如表6所示。

表6 方案主要技術指標表

由表7可知，本段線路方案采用標準隧道斷面，按照《線規》折減坡度，最大坡度為20.4‰，線路總長62 km,投資51.62億元。加大隧道斷面后，同樣按照《線規》折減坡度，最大坡度高達23.11‰，與原標準隧道斷面比較，線路長度縮短7.397 km，總投資節省2.51億元。

3.2 隧道密集段(無量山脈-李仙江-哀牢山)

本段隧道占線路總長度比例高達93%以上，同時受李仙江橋跨控制，李仙江水面較寬，水較深，從不設水中墩角度考慮，使用較大坡度并不能縮短橋梁主跨長度，故在維持李仙江同一主跨橋梁方案情況下縮短線路長度。根據研究，推薦李仙江橋跨為(42+154+280+154+126+112)m連續雙層鋼-混結合桁梁橋方案。基于這一橋跨，分別按照不同隧道斷面積所對應的縱坡折減值，進行線路方案設計。兩方案主要技術指標，如表7所示。

表7 方案主要技術指標表

由表6可知，本段線路方案采用標準隧道斷面，按照《線規》折減坡度，最大坡度為20.4‰，線路總長59.9 km,投資51.88億元。加大隧道斷面后，同樣按照《線規》折減坡度，最大坡度高達23.11‰，與原標準隧道斷面比較，線路長度縮短4.361 km，總投資節省1.92億元。

3.3 過渡展線隧道段(紅河-四角山脈段)

本段線路展長系數為，為過渡展線隧道段。線路受紅河、龍岔河橋跨及越嶺四角山控制，區域地質較復雜，沿線所經河流兩岸滑坡、危巖落石等不良地質較發育，加上受采空區、活動斷裂、地熱異常區等因素影響，通過加大隧道斷面后，使用更大坡度無法有效縮短線路長度，但能有效降低大跨橋梁工程和改善設站條件。

根據研究，分別按照不同隧道斷面積所對應的縱坡折減值，進行線路方案設計。兩方案主要技術指標，如表8所示。

表8 方案主要技術指標表

由表8可知，本段線路方案采用標準隧道斷面，按照《線規》折減坡度，最大坡度為20.4‰，線路總長67.5 km,投資65.15億元。加大隧道斷面后，同樣按照《線規》折減坡度，最大坡度高達23.11‰，與原標準隧道斷面比較，線路長度縮短0.1 km，總投資節省1.66億元。

3.4 方案比選

上述三段線路方案，采用160 km/h單線單洞標準隧道斷面進行隧道內線路最大坡度折減，線路緊坡段落線路長121.9 km，通過加大隧道斷面，減少線路縱坡的折減，有效縮短了線路長度11.858 km，降低了大跨橋跨及改善了設站條件等，共節省工程投資6.09億元，經濟效果顯著。

4 結束語

本文結合《線規》規定，根據工程實例，在克服地形巨大高差的山區鐵路選線設計中提出一種創新設計思路和方法。

為克服大高差，結合《鐵規》中關于線路縱坡折減的新規定，提出了一種創新設計方法，針對線路緊坡地段，首先盡量選用最大坡度，適當加大隧道斷面積，以減小縱坡減緩值，最大限度地用足坡度，達到縮短線路長度和節省工程投資的目標。