朔黃重載鐵路局部區(qū)段擴(kuò)能改造方案研究

尚培培

國(guó)能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北滄州 062350

朔黃鐵路是我國(guó)西煤東運(yùn)第二大通道（神府東勝煤田—黃驊港運(yùn)煤專用鐵路）的重要組成部分，全線總長(zhǎng)594 km，屬國(guó)家Ⅰ級(jí)干線、電氣化重載鐵路，已開通運(yùn)營(yíng)20余年［1］。朔黃鐵路自開通運(yùn)營(yíng)以來(lái)運(yùn)量逐年攀升，2020年全年貨運(yùn)總量達(dá)到3.46億t，并提出進(jìn)一步規(guī)模化開行1萬(wàn)t和2萬(wàn)t重載列車擴(kuò)能改造方案，年運(yùn)量將從3.5億t提高至4.5億t［2］。伴隨著年運(yùn)量大幅增加，部分區(qū)段通過能力偏緊、可停放2萬(wàn)t列車的車站站間距過大，部分車站咽喉區(qū)能力不足，到發(fā)線數(shù)量不足，山區(qū)小半徑曲線過多，信號(hào)、聯(lián)鎖、閉塞設(shè)備老化等問題逐漸顯現(xiàn)［3］。

本文針對(duì)解決朔黃鐵路下行線譚家莊線路所—肅寧北站區(qū)間通過能力不足的問題，對(duì)該區(qū)間線路擴(kuò)能改建方案及其控制性工程王佐下聯(lián)特大橋上跨京九鐵路、肅寧上聯(lián)線的橋型方案進(jìn)行比選，確定合理改擴(kuò)建方案。

1 現(xiàn)狀分析

1.1 區(qū)間及車站概況

朔黃鐵路下行線譚家莊線路所—肅寧北站區(qū)間線路總長(zhǎng)約2.5 km，跨京九鐵路特大橋1座，橋梁全長(zhǎng)2 117.4 m［4］。

譚家莊線路所位于朔黃鐵路下行線K411+478處，設(shè)道岔2組、安全線1條，大里程端分別與朔黃鐵路太師莊站、京九鐵路王佐站相連，小里程端與朔黃鐵路肅寧北站相連。

肅寧北站位于朔黃鐵路與京九鐵路交會(huì)處，車站中心里程為K406+571，按一級(jí)三場(chǎng)橫列式布置，自北向南依次設(shè)有上行重車場(chǎng)、中間場(chǎng)和下行空車場(chǎng)［5］。站房位于南側(cè)，站場(chǎng)東西長(zhǎng)7.4 km，具備2萬(wàn)t列車接發(fā)條件。肅寧北站大里程端通過四條聯(lián)絡(luò)線分別與京九鐵路肅寧站、王佐站相連，其中肅寧上聯(lián)線直接從肅寧北站上行場(chǎng)引出，肅寧下聯(lián)線直接引入肅寧北站下行空車場(chǎng)；王佐上聯(lián)線經(jīng)肅寧上聯(lián)線上的柳科線路所引出，王佐下聯(lián)線經(jīng)譚家莊線路所接入朔黃鐵路下行線后，再引入肅寧北站下行空車場(chǎng)。

1.2 區(qū)間存在的問題

在現(xiàn)行運(yùn)輸組織條件下譚家莊線路所—肅寧北站區(qū)間采用自動(dòng)閉塞方式，貨物列車平均追蹤間隔時(shí)間為12.5 min。考慮到車流不均衡和不同方向車流運(yùn)輸組織的空費(fèi)時(shí)間，利用率按90%計(jì)算，區(qū)間平圖通過能力為97列/d。按照2021年朔黃鐵路開行列車運(yùn)行圖，譚家莊線路所—肅寧北站區(qū)間每日實(shí)際安排開行列車黃驊南方向82列，王佐方向14列，通勤車1列，合計(jì)每日開行97列。由此可見，該區(qū)間通過能力已達(dá)到滿負(fù)荷狀態(tài)。隨著朔黃鐵路近遠(yuǎn)期運(yùn)量進(jìn)一步增長(zhǎng)，該區(qū)間通過能力將無(wú)法滿足運(yùn)輸要求。受該區(qū)間通過能力制約，譚家莊線路所與鄰近京九鐵路王佐站、朔黃鐵路太師莊站間運(yùn)輸組織繁瑣，黃驊南方向與王佐方向返回空車互相干擾，不僅造成通過能力浪費(fèi)，而且增加車輛周轉(zhuǎn)時(shí)間。綜上所述，朔黃鐵路下行線譚家莊線路所—肅寧北站區(qū)間亟待進(jìn)行擴(kuò)能改造，以提高運(yùn)輸能力。

2 改建線路走向方案

2.1 方案設(shè)計(jì)

為徹底解決譚家莊線路所—肅寧北站區(qū)間通過能力不足的問題，經(jīng)研究確定取消譚家莊線路所，再新增一條引入肅寧北站下行空車場(chǎng)的平行進(jìn)路，使王佐下聯(lián)線與朔黃鐵路下行線由目前的共線引入肅寧北站下行空車場(chǎng)改為利用平行進(jìn)路分別引入肅寧北站下行空車場(chǎng)。考慮肅寧北站現(xiàn)狀、工程特點(diǎn)、施工難點(diǎn)及技術(shù)措施，同時(shí)盡可能減少施工對(duì)運(yùn)輸?shù)挠绊懀瑪M定了兩個(gè)改建線路走向方案，見圖1。

圖1 改建線路走向方案

1）改建王佐下聯(lián)線方案（方案1）

取消譚家莊線路所，首先改建王佐下聯(lián)線向西與朔黃鐵路下行線并行，線間距18 m，然后采用半徑700 m曲線上跨京九鐵路、肅寧上聯(lián)線，折向北跨越小白河后再采用半徑500 m曲線與肅寧下聯(lián)線并行，線間距25 m，最后采用半徑500 m曲線引至肅寧北站下行場(chǎng)107#岔前。需對(duì)王佐下聯(lián)線改線3.405 km，最大坡度5.5‰，進(jìn)站前為5.9‰的下坡。該方案控制性工程為跨京九鐵路特大橋，橋梁全長(zhǎng)2 054.56 m，主跨上跨京九鐵路、肅寧上聯(lián)線時(shí)采用1×96 m鋼-混凝土組合桁架梁。路基土石方量共計(jì)30.23萬(wàn)m3。該方案投資估算總額為20 398萬(wàn)元。

2）改建朔黃鐵路下行線方案（方案2）

取消譚家莊線路所，將王佐下聯(lián)線與既有朔黃鐵路下行線相連，再取消既有101#道岔，將既有朔黃鐵路下行線引至肅寧北站下行空車場(chǎng)107#岔前；同時(shí)改建朔黃鐵路下行線，在朔黃鐵路既有下行線南側(cè)還建朔黃鐵路下行線，與既有下行線并行，線間距18 m，再采用半徑800 m曲線上跨京九鐵路、肅寧上聯(lián)線、肅寧下聯(lián)線、小白河后，新建101#道岔，道岔直股與既有朔黃鐵路下行線采用一對(duì)半徑600 m反向曲線連接，側(cè)股引至肅寧北站下行空車場(chǎng)103#岔前。該方案需對(duì)朔黃鐵路下行線改線4.033 km。還建朔黃鐵路下行線最大坡度5.0‰，進(jìn)站前為8.1‰、0.8‰的下坡，進(jìn)站信號(hào)機(jī)外緊急制動(dòng)距離內(nèi)進(jìn)站方向?yàn)?.8‰的下坡。該方案控制性工程為跨京九鐵路特大橋，橋梁全長(zhǎng)2 192.5 m，主跨上跨京九鐵路、肅寧上聯(lián)線時(shí)采用1×72 m鋼-混凝土組合桁架梁，上跨肅寧下聯(lián)線時(shí)采用1×32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁。路基土石方量共計(jì)37.30萬(wàn)m3。該方案投資估算總額為22 958萬(wàn)元。

2.2 方案比選

方案1的優(yōu)點(diǎn)：①對(duì)朔黃鐵路下行線影響較小；②方案1改建線路長(zhǎng)度較方案2短0.628 km，投資較方案2少2 560萬(wàn)元；③方案1新征用地較方案2少5 653.33 m2；④方案1路基土石方較方案2減少7.07萬(wàn)m3；⑤對(duì)小白河水上公園無(wú)影響，征地拆遷難度較小。缺點(diǎn)：①線路上跨京九鐵路、肅寧上聯(lián)線時(shí)，改建王佐下聯(lián)線采用的曲線半徑（700 m）較小；②線路上跨京九鐵路、肅寧上聯(lián)線時(shí)，改建王佐下聯(lián)線與其交角較小，需采用1×96 m鋼-混凝土組合桁架梁進(jìn)行上跨，跨度和施工難度均較大；③拆除譚家莊線路所進(jìn)行改線施工時(shí)需采取過渡措施，以保證施工與運(yùn)輸兩不誤。

方案2的優(yōu)點(diǎn)：①線路上跨京九鐵路、肅寧上聯(lián)線時(shí)，改建朔黃下行線采用的曲線半徑（800 m）較大；②線路上跨京九鐵路、肅寧上聯(lián)線時(shí)，改建朔黃下行線與其交角較大，可采用1×72 m鋼-混凝土組合桁架梁進(jìn)行上跨，跨度和施工難度均較小；③改建朔黃下行線可先施工對(duì)既有線無(wú)干擾的相關(guān)工程，然后再進(jìn)行線路撥接，無(wú)需進(jìn)行施工過渡。缺點(diǎn)：①對(duì)朔黃鐵路下行線影響較大，需對(duì)該下行線進(jìn)行改線，改線長(zhǎng)度較方案1長(zhǎng)，新征用地、路基土石方和投資均較方案1多；②需侵占部分小白河水上公園，征地拆遷難度大。

綜上所述，方案1對(duì)既有線影響較小，改建線路較短，新征用地、土石方和投資均較少，對(duì)小白河水上公園的影響較小，雖然施工難度較大，但可采取工程措施加以解決，故推薦方案1（改建王佐下聯(lián)線方案）。

3 上跨京九鐵路橋梁的橋型選擇

3.1 方案設(shè)計(jì)

改建王佐下聯(lián)線需上跨京九鐵路、肅寧上聯(lián)線。京九鐵路為直線、線間距4.0 m的雙線電氣化鐵路。肅寧上聯(lián)線為半徑800 m曲線、單線電氣化鐵路。由于改建線路大小里程端接軌點(diǎn)相距較近，且受朔黃鐵路下行線和肅寧上聯(lián)線位置影響，上跨位置不宜偏離既有線較遠(yuǎn)，宜選在京九鐵路和肅寧上聯(lián)線開始分開地段。改建線路與京九鐵路、肅寧上聯(lián)線交角均較小，路基高度3～4 m。根據(jù)線路條件、地形條件以及改建線路對(duì)既有線的影響，并結(jié)合以往設(shè)計(jì)及施工經(jīng)驗(yàn)［6-8］，設(shè)計(jì)了矮塔斜拉橋、鋼-混凝土組合桁架梁橋、預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋和簡(jiǎn)支T梁橋四種上跨京九鐵路的橋型方案。梁底標(biāo)高以高于京九鐵路接觸網(wǎng)承力索0.5 m為準(zhǔn)，并考慮施工期間梁體下?lián)?.5 m，即梁底高于京九鐵路接觸網(wǎng)承力索1.0 m。

1）矮塔斜拉橋方案（方案Ⅰ）

該方案（圖2，箭頭表示轉(zhuǎn)體方向）改建線路于CK1+513.60處跨越京九鐵路，交角為48.3°；于CK1+552.57處跨越肅寧上聯(lián)線，交角為34.6°。

圖2 矮塔斜拉橋（單位：m）

橋梁主跨采用（60+110+60）m矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)形式跨越京九鐵路、肅寧上聯(lián)線，全橋跨徑組合為（11×32+3×24+3×32+60+110+60+16×32+2×24+21×32）m，橋全長(zhǎng)2 039.79 m。斜拉橋采用轉(zhuǎn)體施工，分別在京九鐵路西北側(cè)和肅寧上聯(lián)線東南側(cè)設(shè)置橋塔，平行于鐵路施工。橋塔及主梁施工完畢后，在京九鐵路、肅寧上聯(lián)線天窗時(shí)間利用墩底轉(zhuǎn)動(dòng)球鉸將獨(dú)塔斜拉橋轉(zhuǎn)至線位處。

2）鋼-混凝土組合桁架梁橋方案（方案Ⅱ）

該方案（圖3）改建線路于CK1+506.93處跨越京九鐵路，交角為49°；于CK1+541.66處跨越肅寧上聯(lián)線，交角為36°。

圖3 鋼-混凝土組合桁架梁橋方案（單位：m）

橋梁主跨采用1×96 m鋼-混凝土組合桁架梁跨越京九鐵路、肅寧上聯(lián)線，全橋跨徑組合為（3×32+3×24+13×32+1×96+41×32）m，橋全長(zhǎng)2 054.56 m。主跨施工時(shí)首先在京九鐵路、肅寧上聯(lián)線外側(cè)分別修建19#、20#橋墩，在京九鐵路西北側(cè)平行于鐵路采用滿堂支架法施工槽形梁，張拉預(yù)應(yīng)力后槽形梁與鋼桁架形成整體結(jié)構(gòu)；然后修建移梁滑道跨越京九鐵路、肅寧上聯(lián)線，并將移梁滑道引至20#墩處；最后以19#墩為中心，利用移梁滑道將梁體平轉(zhuǎn)至橋梁中軸線處，就位后再高位落梁。

3）預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋方案（方案Ⅲ）

該方案（圖4）改建線路于CK1+516.94處跨越京九鐵路，交角為48.5°；于CK1+562.46處跨越肅寧上聯(lián)線，交角為32.3°。

圖4 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋方案（單位：m）

橋梁主跨采用（72+120+72）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁跨越京九鐵路、肅寧上聯(lián)線，全橋跨徑組合為（10×32+4×24+3×32+72+120+72+38×32）m，橋全長(zhǎng)2 048.60 m。

為了減小對(duì)既有線運(yùn)營(yíng)的影響，主跨采用轉(zhuǎn)體施工。首先將連續(xù)箱梁分為兩個(gè)（60+60）m的T構(gòu)，分別設(shè)置于京九鐵路西北側(cè)和肅寧上聯(lián)線東南側(cè)，平行于鐵路采用懸臂澆筑法進(jìn)行施工。兩個(gè)T構(gòu)懸臂澆筑完成后，再利用京九鐵路和肅寧上聯(lián)線相同天窗時(shí)間將T構(gòu)轉(zhuǎn)體至橋位，之后澆筑連續(xù)梁中跨和邊跨現(xiàn)澆段，最后對(duì)現(xiàn)澆段進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉。

4）簡(jiǎn)支T梁橋方案（方案Ⅳ）

該方案（圖5）改建線路于CK1+505.47處跨越京九鐵路，交角為48.5°；于CK1+538.35處跨越肅寧上聯(lián)線，交角為36.9°。橋梁采用簡(jiǎn)支梁跨越京九鐵路、肅寧上聯(lián)線，全橋跨徑組合為（60×32+3×24）m，橋全長(zhǎng)2 055.2 m。

圖5 簡(jiǎn)支T梁橋方案（單位：m）

為了優(yōu)化線路條件、降低施工難度，先在京九鐵路和肅寧上聯(lián)線兩側(cè)路基邊坡填筑施工平臺(tái)，施工橋墩和基礎(chǔ)，然后利用天窗時(shí)間采用架橋機(jī)架梁。

3.2 方案比選

不同橋型方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表1。

表1 不同橋型方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

由表1可知，雖然方案Ⅰ投資最高，但矮塔斜拉橋的梁高較低，梁跨較大、平衡轉(zhuǎn)體施工安全系數(shù)高。方案Ⅱ不平衡轉(zhuǎn)體施工安全系數(shù)較低；方案Ⅲ線路抬升高度較大，坡度大，遠(yuǎn)期反向運(yùn)輸適應(yīng)性較差；方案Ⅳ對(duì)既有線影響較大。因此，改建王佐下聯(lián)線跨越京九鐵路、肅寧上聯(lián)線時(shí)暫推薦方案Ⅰ，即矮塔斜拉橋方案。如不考慮反向運(yùn)輸需求，僅考慮煤炭空車返回，推薦采用方案Ⅲ。

4 運(yùn)輸能力與運(yùn)輸需求的適應(yīng)性分析

根據(jù)國(guó)家能源集團(tuán)及國(guó)能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司“十四五”發(fā)展規(guī)劃，對(duì)朔黃鐵路煤炭運(yùn)量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，初期（2025年）、近期（2030年）、遠(yuǎn)期（2040年）煤炭運(yùn)量分別為38 200、40 700、42 700萬(wàn)t。

朔黃鐵路貨物列車運(yùn)輸采用普通列車、1萬(wàn)t列車、2萬(wàn)t列車混合運(yùn)輸模式［9-10］。基于朔黃鐵路現(xiàn)行列車運(yùn)行圖，考慮朔黃鐵路運(yùn)量增長(zhǎng)及各種貨車的年輸送能力，以優(yōu)先開行1萬(wàn)t列車、2萬(wàn)t列車為原則，設(shè)計(jì)研究年度貨物列車開行方案，見表2。可知，初期、近期、遠(yuǎn)期研究年度肅寧北站—黃驊南站區(qū)段開行列車分別為94列/d、99列/d、103列/d（各含通勤車1列），肅寧北站—王佐站區(qū)間返回空車均為15列/d，肅寧北站—肅寧站區(qū)間返回空車均為5列/d。本次改造不涉及肅寧北站—肅寧站區(qū)間，維持現(xiàn)狀，其能力可滿足運(yùn)輸需求。朔黃鐵路下行線譚家莊線路所—肅寧北站區(qū)間擴(kuò)能改造完成后，黃驊南站、王佐站和肅寧站方向下行貨物列車通過各自進(jìn)路返回肅寧北站，可避免返回空車互相干擾。改造后太師莊站—肅寧北站區(qū)間維持自動(dòng)閉塞方式，參照朔黃鐵路現(xiàn)行列車運(yùn)行圖中各類貨物列車的追蹤間隔時(shí)間，朔黃鐵路貨物列車追蹤間隔時(shí)間取平均值12.5 min，太師莊站—肅寧北站區(qū)間單方向平圖通過能力為108列/d。王佐站—肅寧北站區(qū)間采用半自動(dòng)閉塞方式，圖定列車運(yùn)行時(shí)間15 min，連發(fā)間隔時(shí)間3 min，該區(qū)間單方向平圖通過能力為75列/d。由此可見，改造后以上兩個(gè)區(qū)間初期、近期、遠(yuǎn)期通過能力均能滿足運(yùn)輸需求。

表2 研究年度貨物列車開行方案

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)朔黃鐵路下行線譚家莊線路所—肅寧北站區(qū)間擴(kuò)能改造方案進(jìn)行研究，最終確定采用改建王佐下聯(lián)線，使其向西與朔黃鐵路下行線并行引入肅寧北站的線路走向方案。對(duì)該方案控制性工程特大橋上跨京九鐵路、肅寧上聯(lián)線的四種橋型方案進(jìn)行了比選，選定采用（60+110+60）m矮塔斜拉橋方案。按照以上方案改造完成后，該段線路運(yùn)輸能力可滿足朔黃鐵路運(yùn)能增長(zhǎng)需求。