武廣鐵路客運(yùn)專線大坡度適應(yīng)性分析

陳小全,萬昌海,許克亮

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

1 概述

武廣鐵路客運(yùn)專線起自武漢站,經(jīng)湖北、湖南、廣東三省,終至新廣州站,正線全長1 068.6 km。全線越嶺地段中,以湘粵省界附近的郴州至樂昌段、鄂湘省界附近的臨湘至岳陽段,此兩者最為顯著,湘中地區(qū)湘潭至衡山段次之。

項(xiàng)目研究階段,對其主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中的線路最大坡度,曾重點(diǎn)研究過12‰、18‰、24‰、30‰等多個(gè)方案。綜合工程投資與運(yùn)營支出等因素,其時(shí)基于高速客車引進(jìn)動(dòng)車組、中速客車定制新型機(jī)車的認(rèn)知,選取最大坡度12‰方案。初步設(shè)計(jì)時(shí),結(jié)合對日法德三個(gè)高速鐵路技術(shù)原創(chuàng)國綜合考察成果,在明確跨線車統(tǒng)一采用動(dòng)車組的基礎(chǔ)上,最終確定采用一般12‰、最大不超過20‰的最大坡度方案。此立足于技術(shù)裝備的跨越式發(fā)展,將最大坡度選用20‰,是結(jié)合國情創(chuàng)造性地運(yùn)用國際經(jīng)驗(yàn),是對當(dāng)時(shí)高速鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定的合理而又有效的突破。

現(xiàn)武廣鐵路客運(yùn)專線全線共設(shè)計(jì)坡段446個(gè),平均坡段長2.164 km。

全線運(yùn)用了大坡度的重點(diǎn)工程,橋梁有臨湘特大橋、楊塘特大橋、大禾特大橋、高雅嶺特大橋、章水河特大橋、肖家特大橋等,隧道有瀏陽河隧道、新南嶺隧道、大瑤山1號隧道、九子仙隧道、天子嶺隧道、金沙洲隧道等。

2 大坡度運(yùn)用情況

2.1 大坡度運(yùn)用頻率(表1)

全線共使用大于12‰、但不超過20‰的大坡度坡段58個(gè),累計(jì)坡段長度111.607 km,占全線線路長度的11.6%。

表1 大坡度使用頻率

線路拔取高度為下行3 073.807 m、上行3 093.325 m(表2)。

表2 線路上下行拔取高度

綜合而言,20‰坡段共計(jì)運(yùn)用17次(占坡段數(shù)的3.8%),累坡段長度達(dá)34.612 km,占全線長度的3.6%,使用頻率相對較高；從拔取高度看,20‰上坡占下行拔取高度的12.3%,20‰下坡占上行拔取高度的11.3%,所占份額均較大。

2.2 大坡度運(yùn)用地段(圖1)

從超12‰大坡度分布情況可知,其運(yùn)用地段主要集中在郴州至韶關(guān)段、臨湘至岳陽至長沙段,次之集中在衡陽附近。武漢至赤壁、韶關(guān)至新廣州,此兩段超12‰大坡度用之甚少。

圖1 超12‰大坡度分布示意

2.3 大坡度運(yùn)用類型

經(jīng)分析,全線超12‰大坡度運(yùn)用類型如下：瀏陽河、金沙洲2座下穿隧道共計(jì)設(shè)置有5個(gè)大坡度坡段；因立體交叉需要,共計(jì)設(shè)置有11個(gè)大坡度坡段；三大越嶺共計(jì)運(yùn)用了24個(gè)大坡度坡段；余下18個(gè)段坡因應(yīng)其余地段的地形起伏而設(shè)。

3 大坡度運(yùn)用的適應(yīng)性

3.1 大坡度運(yùn)用的工程績效

充分發(fā)揮動(dòng)車組對大坡度的良好適應(yīng)性能,在工程設(shè)計(jì)中采用超12‰的大坡度,在武廣鐵路客運(yùn)專線建設(shè)中取得以下多項(xiàng)工程績效。

(1)拓展了重大線路方案研究空間,豐富了敏感地段可選方案。

運(yùn)用大坡度,較好地拓展了重大線路方案研究空間,在一定程度上豐富了敏感地段可選方案,增強(qiáng)方案選用的靈活性,對推進(jìn)特殊地段高速鐵路和諧建設(shè)具有重大意義。

武廣鐵路客運(yùn)專線長沙北撈刀河至機(jī)場路段橋隧方案研究中,運(yùn)用超12‰大坡度,使得隧道埋置深度滿足安全下穿京珠、機(jī)場兩高速公路要求,使得隧道埋置深度滿足從瀏陽河河床底下安全通過的要求,使得隧道其他地段主體埋置在微風(fēng)化層等有利地層中,非大坡度方案不足以控制隧道方案工程風(fēng)險(xiǎn),非大坡度方案不足以確立隧道方案。此段高速鐵路穿城以隧道方案順利建成,且工程投資不高于橋梁方案,在技術(shù)條件方面,20‰大坡度的運(yùn)用堪稱關(guān)鍵(圖2)。

圖2 瀏陽河隧道縱斷面示意(單位：m)

(2)降低了越嶺地段工程實(shí)施難度,增強(qiáng)了工程的安全可靠性。

選用超12‰的大坡度,可為越嶺地段橋隧工程爭取合適的高程,避免線路成段吊空,降低越嶺地段橋隧工程的實(shí)施難度,增大系列工點(diǎn)的安全性。

此類典型工點(diǎn)有郴州南嶺、九子仙等地段采用20‰縱坡方案。

郴州南嶺北麓：郴州南嶺是武廣全線越嶺埡口中最高者,其北麓原采用12‰縱坡方案時(shí),存在多處線路吊空現(xiàn)象。調(diào)整為20‰縱坡方案后,樂善亭隧道巖溶淺埋段埋深增加13 m,高雅嶺特大橋墩高降低19.5～23.4 m,橋跨方案得以由19孔56 m箱梁改為30孔32 m箱梁。比較而言,現(xiàn)20‰縱坡方案在該越嶺地段有更好的適應(yīng)性(圖3)。

圖3 郴州南嶺北麓線路縱坡方案

郴州九子仙段：即DK1840～DK1845段,線路行經(jīng)荷葉坪西側(cè),受長青水庫等限制,線路高程需由160 m拔高至227 m,原設(shè)計(jì)采用12‰縱坡方案時(shí),屬緊坡地段,存在大禾特大橋嚴(yán)重吊空、明線通過DK1842+750處沖溝和DK1840+700附近巖堆等不足。改用20‰縱坡方案,大禾特大橋墩高降低8～11 m,九子仙隧道埋深增加約25 m,以隧道方式通過地質(zhì)不良區(qū)域,對提高運(yùn)營期間線路安全有利。2006年7月中旬臺風(fēng)“碧利斯”波及該區(qū)域,前述沖溝即發(fā)生較大規(guī)模泥石流,該段采用大坡度的工程績效得以彰顯(圖4)。

圖4 郴州九子仙段線路縱坡方案

(3)減少了一般地段路橋隧工程,有助于控制工程投資。

運(yùn)用大坡度,線路設(shè)計(jì)高程也能更好地適應(yīng)一般地段的地形起伏變化,有助于降低橋高或減少路塹挖深,減少路橋隧工程,控制工程投資。

(4)改善立交工程條件,甚至是減少立交工程,有助于節(jié)省投資。

運(yùn)用大坡度,有助于在較小的范圍內(nèi)處理好公(道)路對線路高程的控制,改善立交工程條件,在一定條件下也能減少部分立交工程,節(jié)省工程投資。

(5)在特殊困難條件下,有助于增強(qiáng)線路平、縱面配合的靈活性。

3.2 模擬行車檢算

確定采用超12‰的大坡度前,對設(shè)計(jì)線路進(jìn)行了高速車速度動(dòng)態(tài)變化模擬,相關(guān)情況見表3。

表3 大坡度地段速度變化值

經(jīng)分析,在采用大坡度后,尤其是其對應(yīng)坡段較長大時(shí),行車速度有一定的變化,除K1 833、K1 835坡段末端外,高速車一般不低于320 km/h,中速車一般不低于180 km/h。

經(jīng)計(jì)算,所設(shè)置的大坡率長大坡段均不影響本線的通過能力,反映了其極強(qiáng)的適應(yīng)性。

4 結(jié)論

武廣鐵路客運(yùn)專線11.6%的地段采用超過12‰的大坡度,取得了良好效果,顯示了極強(qiáng)的適應(yīng)性。

(1)在三大主要越嶺地段以及下穿隧道地段,集中使用了大坡度；另因立交、適應(yīng)地形起伏等要求,也零星使用了大坡度。從本工程建設(shè)過程看,大坡度的使用取得了較好的工程績效,豐富了選線內(nèi)涵。

(2)因使用長大段大坡度,高中速列車運(yùn)行速度均有一定衰減,但不影響本線通過能力,反映了其極強(qiáng)的適應(yīng)性。

(3)最大坡度20‰在本線使用頻率較高,既顯示其確有必要,且預(yù)示著某種條件下需探求運(yùn)用較20‰更大的坡度。

[1] 鐵道第四勘察設(shè)計(jì)院.武漢至廣州客運(yùn)專線烏龍泉至韶關(guān)段最大坡度方案研究[Z].武漢：2004.

[2] 鐵道第四勘察設(shè)計(jì)院.新建鐵路武漢至廣州客運(yùn)專線烏龍泉至花都段修改初步設(shè)計(jì)線路篇[Z].武漢：2005.

[3] 鐵道第四勘察設(shè)計(jì)院.長沙北撈刀河至機(jī)場路段方案修改深化研究補(bǔ)充材料[Z].武漢:2006.

[4] 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.新建鐵路武漢至廣州客運(yùn)專線烏龍泉至花都段施工圖[Z].武漢:2006～2009.