高速鐵路長大坡道設(shè)置對列車運行安全與線路運輸能力的影響

曾榜榮 任志偉 鄭昊迪 時瑾

1.中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，成都610031；2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044

我國西南地區(qū)地形復(fù)雜，地勢起伏變化劇烈，修建高速鐵路時常采用長大坡道，如滬昆高速鐵路采用了25‰坡段長度16 km 的連續(xù)長大坡道，西成高速鐵路中25‰坡段長度達45 km。長大坡道設(shè)置對動車組線路運行造成諸多影響，我國現(xiàn)行高速鐵路設(shè)計規(guī)范對長大坡道的規(guī)定過于保守，難以滿足艱險山區(qū)高速鐵路設(shè)計需求，因此開展艱險山區(qū)長大坡道設(shè)置問題的研究十分必要［1］。

高國隆等［2］研究了高速鐵路長大下坡道閉塞分區(qū)布置對區(qū)間通過能力的影響并提出了優(yōu)化模型。張守帥等［3］對長大下坡道坡度、列車運行速度、監(jiān)控制動距離、閉塞分區(qū)長度以及列車追蹤間隔時間之間的相互關(guān)系進行了研究，并得到了各因素對線路通過能力的影響規(guī)律。張凌等［4］研究了長大坡道設(shè)置對列車運輸質(zhì)量和線路運輸能力的影響，并提出坡長設(shè)置建議。江清萍等［5］分析了國內(nèi)外規(guī)范關(guān)于動車組緊急制動距離的規(guī)定，提出了建議限值，并對空氣緊急制動工況進行了仿真研究。任沖［6］對長大下坡道普速列車運行限速進行了研究，并提出相應(yīng)建議值。

既有研究主要集中在單一影響因素對長大坡道設(shè)置的影響，缺乏對長大坡道設(shè)置影響因素的系統(tǒng)研究，特別是近年來以復(fù)興號為代表的高速動車組對線路適應(yīng)性有了很大改善，長大坡道設(shè)置尚未充分考慮移動裝備的適應(yīng)能力。本文以我國新型標(biāo)準(zhǔn)動車組為背景，從列車運行安全性、動車組對坡度坡長適應(yīng)性、線路運輸能力等方面對高速鐵路長大坡道設(shè)置進行綜合性研究，以期為艱險山區(qū)高速鐵路設(shè)計提供技術(shù)參考。

1 長大坡道坡度與坡長的匹配

1.1 上坡道運行條件下坡度與坡長的適應(yīng)性

動車組在長大上坡道運行時，因為重力產(chǎn)生的坡道阻力過大，牽引力無法完全抵消阻力，運行速度會逐漸降低，到達坡頂時速度降為最小。為了保證動車組在坡頂?shù)哪┧俣炔贿^低，應(yīng)深入研究動車組對各坡度、坡長的適應(yīng)性。

選取設(shè)計速度為350 km/h 的中國標(biāo)準(zhǔn)動車組復(fù)興號和設(shè)計速度為250 km/h的CRH2動車組進行動能闖坡模擬。不同坡度下動能闖坡時動車組運行速度隨路程的變化曲線見圖1。兩種動車組編組均為4 動4 拖；標(biāo)準(zhǔn)動車組采用牽引7 級（88%牽引力），爬坡初始速度為340 km/h；CRH2 動車組牽引力使用率取1，爬坡初始速度為240 km/h。

圖1 動能闖坡時動車組運行速度隨路程的變化曲線

由圖1可知：對于設(shè)計速度350 km/h的動車組，在坡度15‰坡段上運行19.1 km 時運行速度降至設(shè)計速度的85%，在坡度20‰、25‰、30‰、35‰坡段上分別運行 16.0、10.4、7.7、6.2 km 時降至設(shè)計速度的80%；對于設(shè)計速度250 km/h 的動車組，在坡度20‰、25‰、30‰、35‰坡段上分別運行8.0、5.1、3.8、3.0 km時運行速度降至設(shè)計速度的80%。根據(jù)TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》和TB 10098—2017《鐵路線路設(shè)計規(guī)范》，動車組坡頂末運行速度不應(yīng)低于設(shè)計速度的80%～85%。因此，坡度25‰、30‰、35‰的坡段長度分別應(yīng)設(shè)置為不大于5.0、3.8、3.0 km。

完全按照現(xiàn)行規(guī)范設(shè)置坡長不能滿足我國西南山區(qū)采用長大坡道克服高差、繞避不良地質(zhì)的現(xiàn)實需求，因此建議適當(dāng)降低對于運行速度的要求。若考慮動車組在坡頂末的運行速度不低于設(shè)計速度的70%，對于僅開行350 km/h 動車組的線路，坡長可初步設(shè)置為：坡度15‰及以下的坡段不作限制，坡度20‰、25‰、30‰、35‰的坡段長度分別不大于58、20、13、10 km；對于開行350 km/h 和250 km/h 動車組的線路，坡長可初步設(shè)置為：坡度15‰及以下的坡段不作限制，坡度20‰、25‰、30‰、35‰的坡段長度分別不大于17、9、6、5 km。

1.2 下坡道運行安全性分析

1.2.1 緊急制動工況

緊急制動系統(tǒng)是列車在遭遇特殊不利狀況時確保列車在一定距離內(nèi)停車，保證列車運行安全的重要保障措施。鐵科技〔2008〕99 號《京津城際鐵路技術(shù)管理暫行辦法》第49條和鐵科技〔2009〕212號《鐵路客運專線技術(shù)管理辦法（試行）》（300 ～350 km/h 部分）第116 條規(guī)定，動車組由350 km/h 至停車的緊急制動距離限值為6 500 m，由300 km/h至停車的緊急制動距離限值為3 800 m［6］。鐵總科技〔2017〕221 號《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》只對120 ～160 km/h 動車組的緊急制動距離進行了規(guī)定，并未給出350 km/h 動車組的緊急制動距離限值。因此本文分別以6 500、3 800 m 作為350、300 km/h動車組的緊急制動距離限值。

選取4 動4 拖的標(biāo)準(zhǔn)動車組進行仿真模擬。計算時緊急制動空走時間取1.5 s，分別以初始速度350、300 km/h 在坡度5‰及以上的長大下坡道上進行EB（Emergenay Brake）復(fù)合緊急制動。動車組緊急制動距離見表1。可知：動車組以初始速度350 km/h 緊急制動時，坡度10‰以上的坡段無法滿足6 500 m 的限值要求，在坡度15‰、20‰、25‰、30‰、35‰的長大下坡道運行的動車組制動距離分別超過限值6.4%、14.1%、23.1%、33.8%、46.6%；動車組以初始速度300 km/h 緊急制動時，坡度5‰及以上的各坡段均無法滿足3 800 m的限值要求。

表1 在長大下坡道運行時動車組緊急制動距離

因此，為了保證動車組能夠在規(guī)范要求的距離內(nèi)制動停車，須對運行速度進行合理限制。根據(jù)仿真計算結(jié)果，動車組緊急制動限速建議值見表2。對于設(shè)計速度350 km/h的動車組，在坡度5‰、10‰的下坡道運行時無需限速。

表2 在長大下坡道運行時動車組緊急制動限速建議值

1.2.2 電制動故障工況

動車組在長大下坡道運行時，由于各種原因可能導(dǎo)致電制動系統(tǒng)發(fā)生故障，出現(xiàn)制動力損失。為了保證行車安全，對這種特殊情況下動車組運行情況進行仿真研究。考慮動車組電制動力正常及損失25.0%、50.0%、62.5%的工況，使標(biāo)準(zhǔn)動車組分別以初始速度350、300 km/h 在下坡道進行常規(guī)制動，制動有效率取0.8。制動距離仿真計算結(jié)果見圖2。

圖2 不同制動力損失工況下動車組在長大下坡道運行的制動距離

由圖2可知：①對于初始速度350 km/h動車組，制動力損失25.0%時，制動距離隨著下坡道坡度的增大而增加且增加斜率越來越大，坡度達到30‰時制動距離驟增，達到35‰時已無法正常制動停車；制動力損失50.0%時，在坡度20‰的長大下坡道制動距離為51.7 km，坡度達到25‰時制動距離驟增至121.4 km；制動力損失62.5%時，在坡度15‰的長大下坡道制動距離為52.1km，坡度達到20‰時制動距離驟增至112.9 km。可見，制動力損失25.0%時，動車組在坡度30‰及以上的長大下坡道制動性能降低，無法保證安全運行的要求；制動力損失50.0%時，動車組在坡度20‰及以上長大下坡道運行須及時采取緊急制動或降速運行，做好應(yīng)急處理措施，保證行車安全；制動力損失達到62.5%時，動車組在坡度15‰以上長大下坡道的運行安全風(fēng)險將劇烈增大。②制動力正常工況下，動車組以初始速度350 km/h在坡度35‰的長大下坡道的制動距離為21.3 km，限速至300 km/h 時制動距離減小至12.6 km。可見，限速運行可大幅減小制動距離。因此，在長大下坡道采取限速措施可進一步降低在制動系統(tǒng)發(fā)生故障時列車運行安全風(fēng)險。

1.2.3 電制動和空氣制動均失效時的惰行工況

動車組遭遇極端不利情況時電制動和空氣制動均不能正常工作，只能處于制動完全失效的惰行狀態(tài)。為進一步分析長大坡道列車運行安全性，對此極端情況進行研究。選取4 動4 拖的標(biāo)準(zhǔn)動車組進行仿真模擬。計算動車組以初始速度350 km/h 在坡度20‰、25‰、30‰、35‰的長大下坡道上惰行不同距離的速度。動車組在不同坡度下坡道惰行時運行速度隨距離的變化曲線見圖3。

圖3 動車組在不同坡度下坡道惰行時運行速度隨距離的變化曲線

由圖3 可知：①動車組以初始速度350 km/h 在坡度20‰的下坡道惰行5、10、20、40 km 時，運行速度分別為357.16、363.24、372.83、384.99 km/h。可見，隨著坡長的增加，動車組運行速度也不斷增大，但增加斜率逐漸減小，逐漸趨于穩(wěn)定。②動車組以初始速度350 km/h 在坡度20‰、25‰、30‰、35‰的下坡道惰行10 km 時，運行速度分別為 363.24、377.34、390.89、403.9 km/h。可見，在失控惰行工況下，隨著坡度的增大，動車組運行速度增加得越來越快。動車組在坡度20‰的下坡道運行40 km 后，運行速度已超過最高運營速度380 km/h。因此，坡度20‰坡段的坡長不宜大于40 km。同理，坡度25‰、30‰、35‰坡段的坡長不宜大于20、10、5 km。

1.3 坡長與坡度的匹配設(shè)置建議

綜合考慮坡頂末速度不低于設(shè)計速度70%的要求及制動故障情況下的行車安全性，坡長設(shè)置建議如下：①對于僅開行350 km/h 動車組的線路，坡度15‰及以下的坡段不作限制，坡度20‰、25‰、30‰、35‰的坡段長度分別不大于40、20、10、5 km；②對于開行350 km/h 和250 km/h 動車組的線路，坡度15‰及以下的坡段不作限制，坡度20‰、25‰、30‰、35‰的坡段長度分別不大于17、9、6、5 km。

2 長大坡道運輸能力

2.1 列車區(qū)間追蹤間隔計算

列車在設(shè)置有連續(xù)長大坡道的高速鐵路的下坡道運行時，運行速度越高，坡度值越大，坡段越長，則列車監(jiān)控制動距離也就越長，可能導(dǎo)致列車追蹤間隔無法滿足設(shè)計要求。因此應(yīng)開展長大坡道設(shè)置對線路運輸能力的影響研究。

列車區(qū)間追蹤如圖4 所示。其中L附、L制、L防、L閉、L列、L追分別為區(qū)間追蹤附加時間內(nèi)的運行距離、列車制動距離、列車安全防護距離、閉塞分區(qū)長度、列車長度、列車區(qū)間追蹤距離，單位均為m。

圖4 列車區(qū)間追蹤示意

從圖4可以看出后行列車必須與前行列車保持一定追蹤間隔，包括制動所需距離、信號系統(tǒng)應(yīng)變時間內(nèi)的運行距離、司機確認目標(biāo)距離變化的時間內(nèi)的運行距離以及一定的安全距離。當(dāng)追蹤速度一定時，動車組制動能力越強，制動距離越短，所需區(qū)間追蹤間隔距離和時間也越短，運輸能力越大。

區(qū)間追蹤間隔時間I區(qū)間計算模型表達式為：I區(qū)間=3.6L追/v運= 3.6(L列+L閉+L防+L制)/v運+t附。其中：v運為前后列車間隔距離內(nèi)列車平均運行速度，km/h；t附為區(qū)間追蹤附加時間，CTCS-2 系統(tǒng)取 12 s，CTCS-3系統(tǒng)取16 s。

我國高速鐵路主要應(yīng)用的是CTCS-2、CTCS-3 級列控系統(tǒng)，其采用一次連續(xù)控制模式曲線來控制動車組運行。在區(qū)間追蹤時，根據(jù)前行列車所處閉塞區(qū)間的位置來確定后行列車的允許位置和速度，利用站內(nèi)或區(qū)間軌道電路及應(yīng)答器讀取前方區(qū)間線路等信息，產(chǎn)生制動模式曲線。這種制動控制模式曲線并非列車實際制動特性曲線，而是通過對最大常用制動曲線采用算法計算得到的，動車組實際制動曲線必須在該曲線之下，以保證動車組制動安全。

以4動4拖的標(biāo)準(zhǔn)動車組和CTCS3-300S車載設(shè)備進行仿真模擬，對平直道和坡度5‰ ～35‰下坡道條件下的列車區(qū)間追蹤間隔時間進行檢算，分析大坡度選擇對列車通過能力的影響。計算結(jié)果見表3。其中制動距離為車載設(shè)備監(jiān)控模式曲線得出的制動距離。可以看出，區(qū)間追蹤間隔時間隨著坡度的增大和列車運行速度的提高而逐漸增大。

表3 列車區(qū)間追蹤間隔時間

根據(jù)TB 10621—2014，最小行車間隔時間宜采用3 min，我國京滬、京廣高速鐵路實際采用的是5 min。考慮長大坡道設(shè)置一般在艱險山區(qū)，故分析時以3 min為目標(biāo)，以5 min為控制要求。

根據(jù)表3計算結(jié)果，動車組以350 km/h運行時，在坡度10‰及以下的下坡道上可實現(xiàn)3 min追蹤間隔目標(biāo)，在坡度20‰及以下的下坡道上可控制在4 min 以內(nèi)，在坡度25‰及以下的下坡道上能滿足5 min要求，坡度超過25‰則不能滿足5 min 要求，在坡度30‰的下坡道上追蹤間隔時間達到6 min 以上，而在坡度35‰的下坡道上由于車載列控設(shè)備計算制動距離急劇增大，導(dǎo)致所需的閉塞區(qū)間也大幅增長，區(qū)間追蹤間隔也大大增加。

2.2 滿足追蹤間隔要求的列車運行限速設(shè)置

對于我國西南山區(qū)鐵路建設(shè)中需要集中設(shè)置長大坡道的情況，為保證線路運輸能力，可以采取在長大下坡道段限速運行的措施。

為實現(xiàn)列車追蹤間隔不超過5 min，通過仿真計算，分別得出列車在不同坡度下坡道運行時區(qū)間追蹤間隔時間滿足3、4、5 min的限速建議值，見表4。

表4 滿足追蹤間隔時間要求的下坡道限速設(shè)置

由表4 可知：①坡度10‰及以下的下坡道能夠同時滿足350 km/h 運行速度和3 min 追蹤間隔的要求；坡度20‰及以下的下坡道能夠同時滿足350 km/h 運行速度和4 min 追蹤間隔的要求；若取5 min 為追蹤間隔時間要求，坡度26‰及以下的下坡道能夠同時滿足350 km/h 運行速度和5 min 追蹤間隔的要求。②列車在坡度30‰的長大下坡道上運行時，若滿足3、4、5 min追蹤間隔時間要求，應(yīng)分別限速249、287、314 km/h。

在相同坡度條件下，設(shè)置限速后列車區(qū)間追蹤間隔時間縮短，從而可以提高區(qū)間通過能力和運輸能力。如列車在坡度30‰的長大下坡道上運行時，若不限速，區(qū)間追蹤間隔為368.5 s，超過6min，而采用表4的限速方案后追蹤間隔時間可控制在5 min 內(nèi)。分別按6.5 min 和5.0 min 計算區(qū)間通過能力，限速后運輸能力由每日185對提高到240對，提高了29.7%。

為滿足列車追蹤間隔時間要求，保證線路運輸能力，若采用不限速方案，在縱斷面設(shè)計中大坡度坡段不能連續(xù)設(shè)置，而且長度應(yīng)適當(dāng)縮短。對于長大坡道集中設(shè)置方案，要保證列車追蹤間隔時間滿足要求，應(yīng)根據(jù)線路條件、動車組型號、列控系統(tǒng)性能等因素確定列車在長大下坡道運行的限速。

3 結(jié)論及建議

1）綜合考慮坡頂末速度不低于設(shè)計速度70%的要求及制動故障情況下的行車安全性，對于設(shè)計速度350 km/h 和250 km/h 的線路，坡度15‰及以下的坡段不作限制，坡度20‰、25‰、30‰、35‰的坡段長度分別不大于17、9、6、5 km。

2）綜合考慮動車組在長大下坡道緊急制動距離要求和列車追蹤時間間隔不大于5 min 的要求，須對動車組采取限速措施。設(shè)計速度350 km/h 動車組在坡度15‰、20‰、25‰、30‰、35‰且坡長大于6 500 m的長大下坡道的運行速度應(yīng)分別控制在342、334、326、314、278 km/h以下。