既有單線鐵路直通運(yùn)行高速動(dòng)車組提速方案研究

劉 派，李問(wèn)秋，琚珺喆

(1.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031； 2.武漢紡織大學(xué)管理學(xué)院，湖北 武漢 430073； 3.昆明軌道交通集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650051)

近年來(lái)，中國(guó)高速鐵路建設(shè)進(jìn)程快速推進(jìn)，截至2020年底，中國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程已達(dá)到3.79萬(wàn)km，居世界首位，高速鐵路網(wǎng)已經(jīng)基本成型。目前，高速鐵路網(wǎng)已基本覆蓋國(guó)內(nèi)各省會(huì)與主要大中型城市，然而仍存在部分地區(qū)雖有高速列車的運(yùn)行需求，卻并不具備新建高速線的條件。因此，有必要對(duì)高速動(dòng)車組直通既有線問(wèn)題進(jìn)行相關(guān)研究。

井岡山市地處江西省南部，羅霄山脈中段，是由吉安市代管的縣級(jí)市，每年有大量的外出務(wù)工客流、經(jīng)商客流以及返鄉(xiāng)客流。此外，井岡山也是我國(guó)重要的旅游城市，境內(nèi)的井岡山風(fēng)景區(qū)為國(guó)家AAAAA級(jí)旅游景區(qū)，且已列入世界遺產(chǎn)預(yù)備名單，長(zhǎng)期以來(lái)吸引著來(lái)自全國(guó)各地乃至海外的游客前往參觀。因此，井岡山地區(qū)需要大運(yùn)量、快速、便捷的對(duì)外交通方式來(lái)應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)的客流，鐵路客運(yùn)便是滿足以上需求的最佳選擇。本文將以吉衡線吉安南—井岡山段為例，結(jié)合其平面條件對(duì)高速動(dòng)車組直通運(yùn)行的影響，提出既有單線鐵路直通運(yùn)行高速動(dòng)車組提速方案。

1 吉衡鐵路概況

吉衡鐵路自京九線吉安南站引出，到達(dá)江西省井岡山市后，穿越羅霄山脈進(jìn)入湖南省，途經(jīng)炎陵縣、茶陵縣、攸縣與安仁縣，最后接入衡陽(yáng)樞紐，與京廣鐵路、衡柳鐵路等線路連通。吉安至井岡山鐵路始建于2005年，2007年開(kāi)通運(yùn)營(yíng)[1]，吉井鐵路(井岡山鐵路)建成初期為內(nèi)燃單線鐵路，線路允許速度為120 km/h，后在衡茶吉線建設(shè)時(shí)完成電氣化改造。井岡山至衡陽(yáng)鐵路始建于2008年底，2013年底運(yùn)行貨物列車，2014年7月起開(kāi)行旅客列車，該段為國(guó)鐵Ⅰ級(jí)單線電氣化鐵路，設(shè)計(jì)速度為160 km/h，預(yù)留200 km/h平面條件[2]。吉衡鐵路(吉安南—顏家壟)平面示意圖如圖1所示。

井岡山地區(qū)對(duì)外鐵路交通依靠吉衡鐵路，旅客列車可通過(guò)吉衡鐵路通達(dá)北京、上海、廣州、長(zhǎng)春、青島、南寧等地。目前，吉衡線運(yùn)行的客車均為普速列車，暫未開(kāi)行動(dòng)車組列車，現(xiàn)有線路已很難滿足井岡山及附近地區(qū)日益增長(zhǎng)的客運(yùn)需求。而位于吉衡線終點(diǎn)的湖南省衡陽(yáng)市，早在2009年底便開(kāi)通武漢—廣州高速動(dòng)車組列車，2013年底開(kāi)通衡柳鐵路方向動(dòng)車組，2018年底又開(kāi)通了懷邵衡鐵路方向動(dòng)車組列車；吉安市區(qū)也于京港高速線昌贛段通車后迎來(lái)高速動(dòng)車組列車。若吉衡線開(kāi)行動(dòng)車組列車，通過(guò)昌贛客專等線路即可通達(dá)全國(guó)各地，并能大幅壓縮井岡山至各地的運(yùn)行時(shí)間，對(duì)加強(qiáng)井岡山市對(duì)外交通聯(lián)系，促進(jìn)地區(qū)間合作與人才交流，推動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用。吉衡線與鄰線主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)表見(jiàn)表1。

表1 吉衡線與鄰線主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)表

2 高速列車穩(wěn)定運(yùn)行試驗(yàn)

根據(jù)現(xiàn)行線路維修規(guī)則，高速列車在有砟軌道最大欠超高值為一般40 mm，困難60 mm，此標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)保守，具備調(diào)整欠超高限值的條件[4]。為進(jìn)一步驗(yàn)證欠超高對(duì)高速列車運(yùn)行穩(wěn)定性的影響，本文結(jié)合吉衡線鄰線贛瑞龍線相關(guān)試驗(yàn)，對(duì)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行分析。贛瑞龍線起于江西贛州，終至福建龍巖，設(shè)計(jì)為200 km/h客貨共線鐵路，最小曲線半徑為一般地段3 500 m，困難地段2 800 m。原中國(guó)鐵路總公司曾于贛瑞龍線K6～K60段進(jìn)行速度適應(yīng)性試驗(yàn)[5]，試驗(yàn)段位于贛縣站與會(huì)昌北站間，下行線最小曲線半徑4 500 m。最高試驗(yàn)速度達(dá)到310 km/h，局部限速270 km/h～280 km/h，具體如表2所示。

贛瑞龍?jiān)囼?yàn)段曲線中，其緩和曲線長(zhǎng)與超高按照均衡速度160 km/h設(shè)置，按200 km/h運(yùn)行時(shí)最大欠超高為40 mm，即規(guī)定最大欠超高的一般值。測(cè)試結(jié)果表明，試驗(yàn)動(dòng)車組在310 km/h運(yùn)行工況下脫軌系數(shù)、輪重減載率及輪軸橫向力均在其相應(yīng)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)限值內(nèi)，具體如表3所示。當(dāng)列車欠超高達(dá)到試驗(yàn)最大值140.58 mm時(shí)，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)方出現(xiàn)偏差，此時(shí)試驗(yàn)動(dòng)車組通過(guò)R-4 500曲線半徑，通過(guò)速度280 km/h，超出試驗(yàn)允許速度10 km/h。

表2 贛瑞龍線速度適應(yīng)性試驗(yàn)速度表(下行)

表3 試驗(yàn)列車穩(wěn)定性指標(biāo)最大值列表

表4為試驗(yàn)段不同速度下欠超高值，從表4可以發(fā)現(xiàn)，動(dòng)車組運(yùn)行速度為300 km/h時(shí)，大部分曲線超高超過(guò)100 mm，最高達(dá)127 mm，有效證明了高速列車在欠超高100 mm的條件下的運(yùn)行安全。當(dāng)運(yùn)行速度為250 km/h時(shí)，曲線欠超高均不超過(guò)100 mm，且低于最高試驗(yàn)速度50 km/h以上，安全余量足夠。因此，設(shè)計(jì)速度200 km/h的贛瑞龍線曲線要素具備高速列車按250 km/h運(yùn)行的條件。進(jìn)而得出結(jié)論，高速列車在欠超高100 mm的條件下穩(wěn)定性指標(biāo)符合規(guī)范要求，工程中為留有安全冗余，可取90 mm。

表4 贛瑞龍線試驗(yàn)段不同速度下欠超高值

3 曲線要素與既有工程分析

吉井鐵路，即吉衡線吉井段，在最初設(shè)計(jì)時(shí)按120 km/h預(yù)留提速條件的內(nèi)燃單線標(biāo)準(zhǔn)，最小曲線半徑一般1 600 m，困難1 200 m，實(shí)際實(shí)施時(shí)，吉安南至井岡山間除吉安南疏解區(qū)外最小曲線半徑均取到一般條件1 600 m，理論上講滿足提速160 km/h的困難條件。不過(guò)，吉衡線吉井段存在隧道截面積較小的問(wèn)題，受隧道截面積限制，難以保證160 km/h穩(wěn)定性指標(biāo)不超限。根據(jù)昆玉河線提速的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)[6]，隧道段提速目標(biāo)值選為140 km/h較為合理。表5為吉衡線吉井段隧道表，由表5可知，吉衡線吉安南站出站后第一個(gè)隧道為洲門隧道，中心里程為K35.595，位于永陽(yáng)街—石坑區(qū)間；接下來(lái)便為K43～K62隧道群，位于石坑—江邊區(qū)間；江邊站出站后，分別經(jīng)過(guò)江邊隧道與井岡山隧道，到達(dá)原吉井鐵路終點(diǎn)站井岡山站。

表5 吉衡線吉安南—井岡山段隧道表

由此，本次研究吉衡線吉井段提速的重點(diǎn)區(qū)段為位于禾水谷地的吉安南—石坑段，如表6所示，吉衡線吉井段曲線超高按照貨物列車均衡速度設(shè)置，在不變更曲線超高的情況下，吉安南—洲門隧道大部分區(qū)段滿足160 km/h運(yùn)行要求，若維持欠超高60 mm的標(biāo)準(zhǔn)，便無(wú)法實(shí)現(xiàn)全線140 km/h及以上的貫通。參考前文研究成果，若按欠超高90 mm考慮，則需在南街線路所限速140 km/h，隴陂灣大橋—洲門隧道限速145 km/h，洲門隧道—石坑站限速140 km/h。

因此可得出初步結(jié)論，吉衡線吉井段全線具備提速至140 km/h及以上的條件，吉安南—石坑段有進(jìn)一步提速至160 km/h(局部限速)的條件，這一標(biāo)準(zhǔn)也更能適應(yīng)吉衡線井衡段以及鄰線京九線、京廣線的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，提升了動(dòng)車組列車直通質(zhì)量。

吉井段提速后，近期由于客貨列車速差變大，對(duì)提高通過(guò)能力有一定影響。但遠(yuǎn)期隨著分茶線改造，將吉井段貨物列車分流后，吉井段將僅運(yùn)行客車。由于提速至140 km/h及以上，列車區(qū)間運(yùn)行時(shí)分減少，在無(wú)貨物列車運(yùn)行的情況下，相比提速前，吉井段通過(guò)能力將有較大提高。由于目前吉衡線吉井段仍處于客貨混運(yùn)狀態(tài)，無(wú)法編制平行運(yùn)行圖，因而實(shí)際通過(guò)能力有所下降。目前，吉衡線有8對(duì)貨物列車，現(xiàn)狀平圖能力為29對(duì)。待提速完成后，初期仍然存在著客貨列車混跑現(xiàn)象，因此，初期運(yùn)行列車對(duì)數(shù)在20對(duì)左右相對(duì)合理。自2019年初，向塘西—衡陽(yáng)北貨物列車改由單機(jī)HXD1C型機(jī)車牽引，牽引定數(shù)降至2 800 t。由于牽引定數(shù)的降低，貨物列車運(yùn)行對(duì)軌道的磨損減小，軌道不平順程度降低。線路提速后，特別是增開(kāi)動(dòng)車組列車后，為保證運(yùn)行平穩(wěn)，對(duì)軌道精度要求更高，因此牽引定數(shù)的降低會(huì)減小軌道維護(hù)的壓力。

表6 吉衡線吉安南—石坑段不同欠超高下通過(guò)速度表

4 結(jié)論與展望

一直以來(lái)，中國(guó)鐵路建設(shè)的定位是：客運(yùn)逐步轉(zhuǎn)移至新建高速鐵路，既有線路以貨運(yùn)為主兼顧客運(yùn)，并提高牽引質(zhì)量。不過(guò)，需要指出的是，在干線成網(wǎng)之后，仍有大量運(yùn)輸需求很大的地區(qū)沒(méi)有高鐵干線經(jīng)過(guò)，井岡山市便是典型例子，通過(guò)技術(shù)改造實(shí)現(xiàn)高速列車從高速線直通至既有線，是實(shí)現(xiàn)該地區(qū)高速列車運(yùn)營(yíng)的重要途徑。

吉衡線作為井岡山市目前唯一鐵路通道，為單線電氣化鐵路，吉井段目前限速120 km/h，可在南街線路所實(shí)現(xiàn)與京港高速線昌贛段連接，直通運(yùn)行實(shí)現(xiàn)后，有望實(shí)現(xiàn)井岡山地區(qū)與包括省會(huì)南昌在內(nèi)的省內(nèi)外主要城市的高速列車運(yùn)營(yíng)服務(wù)。為充分利用高速列車性能，研究表明，吉衡鐵路吉安南—井岡山段全線具備提速至140 km/h及以上的條件，吉安南—石坑段局部可提速至160 km/h。研究成果除了為吉衡線高速動(dòng)車組直通方案提供參考外，對(duì)于其他單線鐵路也具有一定的普適性。