延榆鄂高速鐵路最大坡度方案研究

李澤宇

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司 線路運輸設計院，陜西 西安 710043)

0 引言

鐵路主要技術標準對鐵路選線設計、鐵路運輸能力、工程造價、運營質量以及選定其他有關技術標準起顯著作用[1]。最大坡度是主要技術標準中最重要的一項指標，在一定的自然條件下，線路的最大坡度不僅影響線路的走向、長度及沿線的車站分布，而且對行車安全、運輸能力、工程投資及效益有重要影響，是一項全局性的指標[2-4]。陳軍團[5]以黔張常鐵路(黔江—常德)為例分析了巖溶地區鐵路最大坡度的選擇，提出可以通過采用較大坡度方案來分解長大隧道以減小工程風險。陳俊等[6]根據預測的鐵路近、遠期運量確定了鄭萬鐵路(鄭州—萬州)等級和正線數目，在此基礎上結合地形、工程投資和鄰線的技術標準確定了速度目標值、最大坡度等。王小紅[7]主要從沿線地形地貌出發，對復雜艱險山區高速鐵路的最大坡度方案設計進行了研究。趙敬敬[8]采用多目標優化的決策理論方法，對越嶺地段客運專線的最大坡度方案進行比較分析和優化。郭靖等[9]研究了困難山區鐵路最大坡度對工程投資的影響。王靖[10]研究了日喀則至亞東鐵路最大坡度，提出小運量、大高差地區的線路應采用較大的最大坡度。也有學者對客貨共線鐵路、改擴建線路的最大坡度進行了研究[11-12]。但是，對于高速鐵路特別是西北地區高速鐵路最大坡度的研究相對較少。

根據我國《國民經濟和社會發展第十四個五年規劃綱要》和《中長期鐵路網發展規劃》，未來西北地區是鐵路建設的重點區域。西北地區具有地形地質復雜、高程落差大的特點[13]，而最大坡度又是鐵路設計的控制性指標，研究該地區高速鐵路最大坡度的選定具有重要意義。為此，以新建延榆鄂高速鐵路(延安—榆林—鄂爾多斯)為例，對高速鐵路最大坡度的選定進行探討，以期為今后該地區類似項目的最大坡度選擇提供一定的參考。

1 延榆鄂高速鐵路坡度分析

1.1 延榆鄂高速鐵路概況

延榆鄂高速鐵路位于陜西省北部和內蒙古自治區西南部，是一條設計速度為350 km/h的高速鐵路。線路自西延高速鐵路(西安—延安)終點延安站貫通引出，向北依次經延安市寶塔區、延川縣，榆林市清澗縣、綏德縣、米脂縣、橫山區、榆陽區和神木市，鄂爾多斯市伊金霍洛旗，引入鄂爾多斯站至項目終點[14]。項目新建線路長度389.84 km，其中，延安市境內79.0 km，榆林市境內257.54 km，鄂爾多斯市境內53.3 km，延榆鄂高速鐵路地理位置如圖1所示。

圖1 延榆鄂高速鐵路地理位置Fig.1 Geographical location of the Yan’an-Yulin-Ordos high speed railway

延榆鄂高速鐵路是國家“八縱八橫”高速鐵路通道之包海通道(包頭—海口)的組成部分，是內蒙古自治區南向客運通道的重要構成，同時也是陜西省“米”字型高速鐵路網縱向脊梁骨的主要區段，榆林—鄂爾多斯段是呼包鄂榆城市群城際鐵路網的骨架線路。因此，延榆鄂高速鐵路是一條以路網通道功能為主、兼顧沿線城際鐵路客流的高標準國家鐵路干線。

1.2 最大坡度影響因素

1.2.1 沿線地形地貌

延榆鄂高速鐵路主要經黃土粱峁區、河谷區、毛烏素沙地區及剝蝕丘陵區4大地貌單元，沿線區域的地勢總體北高南低，延安—魚河段線路穿插走行于河谷區與黃土梁峁溝壑區，先后翻越蘆草梁、九里山，2次越嶺地形起伏大；魚河—紅堿淖段走行于毛烏素風沙區，地形平坦，線路緩慢向上；紅堿淖—鄂爾多斯段，剝蝕丘陵區地形起伏。延榆鄂高速鐵路縱斷面示意圖如圖2所示。

圖2 延榆鄂高速鐵路縱斷面示意圖Fig.2 Profile of the Yan’an-Yulin-Ordos high speed railway

1.2.2 預測客流量

根據運量預測，延榆鄂高速鐵路主要承擔包海通道及對外的中長途跨區域客流，同時兼顧呼包鄂榆城市群的城際客流。最大坡度越小，旅客舒適度越高。對于中長途跨區域客流，運輸距離長，易造成旅途疲憊感，而采用較小的坡度可使列車擁有較大的行車速度和平穩性，有效縮短在途時間、減緩旅途疲勞，從而最大程度吸引中長途旅客依賴鐵路出行，增強運輸市場競爭力；對于城際鐵路客流，所處區域經濟發達、人均生活水平高、支付意愿和能力強，采用較小的坡度才能滿足居民對鐵路出行方式的時效性和舒適性要求。

延榆鄂高速鐵路客流密度及旅客列車對數匯總如表1所示，延榆鄂高速鐵路遠期(2045年)旅客列車對數、客流量增長幅度不大，并且考慮到沿線地區的經濟發展水平，線路需要有良好的運營條件及較低的運輸成本來吸引客流和提升旅客舒適性，故從符合客流特征、滿足客運需求方面分析，延榆鄂高速鐵路應采用較小的最大坡度。

表1 延榆鄂高速鐵路客流密度及旅客列車對數匯總Tab.1 Summary of passenger density and passenger train pairs on the Yan’an-Yulin-Ordos high speed railway

1.2.3 安全運營要求

安全是鐵路運營的核心，因動車組爬坡能力強，線路沿線高程變化不大時，不同坡度方案運輸質量、能耗均相差不大，但不同坡度方案持續長大下坡地段列車制動距離差別較大，從而對運輸質量、運輸能力、運輸成本、維修成本等產生重大影響。根據高速鐵路技術裝備及實際運營情況，在最大坡度下坡區段，列車制動距離、追蹤間隔如表2所示。列車在長大下坡道運行時速度會逐漸升高，為了使列車不超過規定的速度，需要采取制動措施來降低速度，坡道越長制動次數越多，從而影響列車運營的安全性和平穩性。延榆鄂高速鐵路設計速度為350 km/h，線路最大坡度增大，制動距離和列車追蹤間隔都會相應增加，列車制動初速為305 km/h時，30‰坡度方案的制動距離是25‰坡度方案的1.58倍，是20‰坡度方案的2.13倍。

表2 列車制動距離、追蹤間隔Tab.2 Braking distances and tracking intervals of trains

2 延榆鄂高速鐵路最大坡度方案比選

為了更準確科學地分析最大坡度方案，采用分路段研究的方法，按照線路經過地區的地形、地貌及縱斷面呈現出的總體狀態將全線分為延安—魚河、魚河—紅堿淖、紅堿淖—鄂爾多斯3段進行研究。

2.1 延安—榆河段

延安—魚河段線路穿插走行于河谷區與黃土梁峁溝壑區，先后翻越蘆草梁、九里山，2次越嶺、地形起伏大。延安—魚河段縱斷面示意圖如圖3所示。

延安—延安新區段線路引入延安新區站之前設置2跨T型梁跨越包西鐵路及延河，立體交叉后線路快速降低高程，引入延安新區站。受立交標高及延安新區站合理站坪標高控制，采用25‰坡度1處，坡長1.2 km (圖3所示位置①)。出延安新區李渠—姚店段局部線路為繞避建成區，橋隧工程穿行于延河西側粱峁區，在隧道工程跨越包西鐵路后，為改善姚店二號淺埋隧道洞身條件，減少隧道出露，采用25‰坡度1處快速降低線路標高，坡長1.70 km (圖3所示位置②)。

姚店—延川段需翻越蘆草梁，越嶺高程978 m，線路坡度相對自由，20‰左右坡度能較好地適應地形，為減少中、短隧道工程設置，并盡量使隧道洞身位于基巖中，以特長隧道工程越嶺，越嶺隧道18.04 km (隧道范圍設計坡度3‰)，最大橋高24 m。延川出站端為改善寨子溝隧道淺埋地段洞身條件，采用25‰坡度1處，坡長1.9 km (圖3所示位置③)。

圖3 延安—魚河段縱斷面示意圖Fig.3 Profile of the Yan’an-Yuhe section

清澗—綏德段翻越九里山，越嶺高程1 025 m，坡度有所起伏，但最大坡度控制在20‰及以內，區間線路主要設置橋隧相連工程，越嶺工程分別采用長度為9.26 km與10.38 km的2座長隧道組合(隧道范圍最大設計坡度20‰)。

綏德經米脂—魚河段，自然地形略有起伏，區間以低橋、中長隧為主，線路坡度自由，多設置人字坡改善隧道排水條件，最大坡度16.5‰，20‰左右坡度能較好地適應地形，更大坡度改善工程空間有限。故本段最大坡度采用20‰、困難地段采用25‰。

2.2 魚河—紅堿淖段

魚河—紅堿淖段主要走行于毛烏素沙地區，地勢平坦、開闊，略有起伏，相對高差較小，自然坡度平均約3.5‰；線路縱斷面上微有起伏，坡度自由，設計坡度均不大于20‰，工程以低橋為主，無隧道工程。魚河—紅堿淖線路縱斷面示意圖如圖4所示。因此，本段最大坡度推薦采用20‰。

圖4 魚河—紅堿淖線路縱斷面示意圖Fig.4 Profile of the Yuhe-Hongjiannao section

2.3 紅堿淖—鄂爾多斯段

線路穿過毛烏素沙地區后進入剝蝕丘陵區，地形起伏較大，個別地段采用25‰的坡度可有效節省工程投資，增加縱斷面設計的靈活性，降低橋高，減少長大深挖路塹。紅堿淖—鄂爾多斯線路縱斷面示意圖如圖5所示。根據沿線特征及線路走向，紅堿淖—鄂爾多斯段共采用25‰的坡度4處(圖5所示位置①，②，③，④)，總長9.85 km，占區間線路總長約14.6%。因此，本段最大坡度采用20‰、困難地段采用25‰。

圖5 紅堿淖—鄂爾多斯線路縱斷面示意圖Fig.5 Profile of the Hongjiannao-Ordos section

2.4 最大坡度方案比選

通過對高速鐵路最大坡度選擇的影響因素分析，沿線地形條件是影響最大坡度選擇的主要因素，需要采用合理的設計方案來適應地形、優化工程設置、降低工程量和保證運營安全性及旅客舒適性?！陡咚勹F路設計規范》規定區間正線最大坡度不宜大于20‰，困難條件下經技術經濟比較后不應大于30‰。選擇較大坡度方案可有效縮短隧道長度、降低橋高、減小路基填挖方，減少路基支擋工程，改善工程設置條件。

延安—魚河段線路受制于地形地勢與最小曲線半徑影響，主要以橋隧相間的形式布線，線路無法通過利用地形展長線路避免最大坡度的使用；紅堿淖—鄂爾多斯段區間內線路主要以路橋形式布線，采用最大坡度困難值可優化局部段落工程設置，增加了縱斷面靈活性。2個區段坡度方案工程經濟比較如表3所示。

表3 2個區段坡度方案工程經濟比較Tab.3 Economic comparison between two gradient schemes

（1）全線20‰ (困難地段25‰)坡度方案。該方案優點為在采用困難值的特征區段能夠適應地形，減少路基填挖方和橋隧工程量，工程經濟效益較好。線路運輸條件好，旅客舒適度高。缺點為相較于全線20‰ (困難地段30‰)坡度方案，個別地段橋長、橋高均略有增加。

（2） 全線20‰ (困難地段30‰)坡度方案。該方案優點為線路順直，在部分選線困難區段可以較好適應地形、優化工程設置，橋隧長度及橋梁高度較全線20‰ (困難地段25‰)坡度方案均略有減小。缺點為該坡度方案對列車限速影響大，對國家鐵路大通道行車組織造成一定的限制，線路運輸條件一般，旅客舒適度較低。

根據分區段研究高速鐵路最大坡度的方法，通過對3個區段坡度方案的綜合比較分析可知，延榆鄂高速鐵路采用20‰坡度基本可以適應地形，個別困難地段采用25‰坡度可降低橋高，改善隧道、路基工程設置條件，滿足立交控制標高條件，增加縱斷面設計的靈活性。因此，經過綜合比選分析，全線最大坡度推薦采用全線20‰ (困難地段25‰)方案。

3 結束語

高速鐵路的最大坡度影響著線路設計、工程量及投資和運營安全性，應充分考慮沿線的地形條件、預測運量和工程建設量等因素，以工程投資和運營效益為原則進行綜合確定。根據延榆鄂高速鐵路沿線地形地質特征，將全線劃分為3個特征區段研究各區段的最大坡度，通過對區段方案進行全方位、多角度地綜合比選分析，給出采用全線20‰ (困難地段25‰)的最大坡度方案。西北地區具有地形地質條件復雜、海拔高、高差變化大的特點，而高速鐵路線路通常會跨越多個條件不同的區域，通過將高速鐵路線路全路段劃分為特征區段分析最大坡度的選擇，能充分考慮到沿線的地理特征，研究可以為今后高海拔、大高差地區高速鐵路最大坡度的選擇提供一定的參考。