新建荊州至岳陽鐵路主要技術標準的研究

葉 偉

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司線站院,北京 100055)

1 概述

荊州至岳陽鐵路地處長江沿岸,線路經過江漢平原和洞庭湖平原地區(qū)(簡稱兩湖平原),是焦柳線、漢宜線和京廣線間重要的聯絡通路。線路自荊沙線沙市站引出,于宋家臺跨長江至公安縣,穿荊江分洪區(qū)至藕池、石首后線路折向東南,經華容縣穿洞庭湖蓄洪區(qū),在洞庭湖公路大橋下游 4.2 km處跨洞庭湖口進入岳陽市,分上下行引入既有京廣線岳陽北站,線路全長171.183 km。該項目對于改善沿線交通運輸條件,促進沿線區(qū)域經濟發(fā)展;完善路網結構,增強路網機動靈活性;完善區(qū)域綜合交通體系,實現可持續(xù)發(fā)展;加強戰(zhàn)備及長江防洪抗災;對于盤活國有固定資產、提高資產利用效率等方面均具有重要的意義。

鐵路主要技術標準是鐵路建筑物和設備的類型、能力和規(guī)模的基本標準,對鐵路能否滿足國家的要求、運營效率的高低、投資的規(guī)模及經濟效益的大小有重要的影響。鐵路的主要技術標準中,如正線數目、限制坡度、最小曲線半徑、到發(fā)線有效長等屬于基建標準,建成后很難改變,應按遠期需要選定其標準;而牽引種類、機車類型、閉塞方式及機車交路等屬于技術設備類型標準,可隨著運量的增長逐步實現技術裝備的更新改造,宜結合近期和遠期的需要統籌考慮。選擇鐵路主要技術標準要貫徹固本簡末、強干弱支的方針、以運量為依據、保證合理的經濟效益。

2 本項目技術標準選擇的研究

2.1 鐵路等級

荊岳鐵路是焦柳線、漢宜線和京廣線間重要的聯絡通道,其近期最小區(qū)段年客貨運量為 22.4Mt(客車8對、貨運 14.4Mt),大于 20Mt。根據本線在路網中的作用和承擔的運量,按照《鐵路線路設計規(guī)范》(GB50090—2006),鐵路等級為Ⅰ級。

2.2 正線數目

本線在路網中貨運主要承擔鄂西、西北、川渝與長沙以北、岳陽等地及沿線地區(qū)貨物交流;客運主要承擔鄂西、西北、川渝與長沙、岳陽以遠間對速度要求相對較低的旅客交流。根據運量預測,本線沙市—君山段近、遠期年客貨運量分別為 22.4、35.1Mt,君山—岳陽北段近、遠期年客貨運量分別為 29.2、41.7Mt,近期單線能力可以滿足運輸需求。遠期君山—岳陽北段行車量達 41對,超過單線鐵路最大合理負荷,經研究,根據線路條件,可采取七公嶺—岳陽北段建成雙線的擴能措施。經檢算,七公嶺—岳陽北段建成雙線后,可滿足運輸需求?？紤]到該段線路經過區(qū)域為東洞庭湖國家級濕地保護區(qū),為減小對保護區(qū)的影響不宜設站過多。因此,七公嶺—岳陽北應一次建成雙線。

根據區(qū)域鐵路網規(guī)劃及本線在路網中的作用,本線遠景要求的年輸送能力為 55Mt(3 500×104t/年、客車 20對 /d(不含市域列車)),按 5000 t牽引質量計算,日均行車量為 49對,單線能力不能滿足要求,因此,遠景應全線預留增建二線的條件。

綜上所述,本線七公嶺—岳陽北段一次建成雙線,其余部分正線數目為單線,全線預留雙線條件。

2.3 路段旅客列車設計行車速度

(1)時間目標值的選擇

本線為客貨共線鐵路,客貨運量各約占 50%;從開行客車來看,客?！胀ㄨF路間的跨線車約占30%,普通鐵路間的客車約占 70%。從客車開行方案分析,本線短途客流主要是荊州—長沙間。目前公路里程約 400 km,公路最快旅行時間約 4 h;根據鐵路與公路的競爭經驗,鐵路旅行時間應與公路相當,目前京廣線岳陽—長沙間旅行時間約為 1.5 h,故荊州—岳陽間旅行時間不宜大于 2.5h。

(2)速度目標值方案構成

本線為路網干線間的聯絡線,其速度目標值主要取決于相關干線的速度目標值。研究年度相關線路的速度目標值為:焦柳線襄樊—荊門南段 120 km/h、京廣線武昌—長沙段 140 km/h、漢宜線 200 km/h、武廣鐵路客運專線 300km/h(預留350km/h),與本線密切相關線路的速度目標值為:長荊線和石長線 120 km/h、漢丹線 200 km/h。

從本線單線運輸組織特點看,由于存在上、下行客車區(qū)間會讓的技術作業(yè)要求,過高的速度目標值難以發(fā)揮優(yōu)勢,速度目標值不宜高于 200 km/h;本線預留遠景雙線條件,速度目標值的選擇還應留有發(fā)展余地。

根據本線功能定位,考慮與相鄰線路速度目標值匹配,與本線單線運輸組織模式相適應以及預留發(fā)展條件等因素,結合時間目標值的要求、工程情況,本次研究對 120、140、160 km/h 3個方案做了進一步分析研究。

本線各區(qū)段運量相當,線路經過地區(qū)主要為平原區(qū)地貌單元、局部丘陵區(qū)。因此,速度目標值按一個路段進行研究。

(3)速度目標值方案的經濟比選

①不同速度目標值方案對工程投資影響分析

線路平縱斷面:速度目標值不同,線路平縱斷面參數不同,基礎設施建設標準也不盡相同,其中最小曲線半徑對速度目標值最為敏感。本線地處江漢平原、洞庭湖平原,局部丘陵區(qū),不同速度目標值方案線位基本相同,對橋隧工程數量影響較小。不同速度目標值方案基礎設施主要建設標準見表1。

表1 不同速度目標值方案基礎設施主要建設標準對照

②與時間目標值的適應性分析

根據鋪畫運行圖,160 km/h速度目標值方案荊州—岳陽間旅客列車全程旅行時間平均為 1.8 h,平均旅行速度為 96 km/h;140、120 km/h方案旅客列車全程旅行時間平均為 2.1、2.4 h,而其中的部分特快客車可達 1.7、2.0 h,因此,3個速度目標值方案均能滿足2.5 h的時間目標值要求。

③速度目標值研究結論

160 km/h近期投資增加不多,且與本線單線運輸組織模式相適應,與相鄰路網速度目標值匹配。因此,本線速度目標值推薦 160km/h方案。

④進一步提速的可行性

本線行經地區(qū)地貌以平原為主,局部丘陵,曲線半徑變化對工程情況影響不大。據預測的客貨運量,本線遠景為雙線,為更好適應將來雙線運輸組織模式,結合鐵路運輸發(fā)展的趨勢,本線平面設計在工程增加不大的情況下,曲線半徑采取較大值,為進一步提速創(chuàng)造條件。

2.4 最小曲線半徑

線路最小曲線半徑根據設計行車速度確定,據速度目標值方案研究結論,本線旅客列車設計行車速度160km/h。按《鐵路線路設計規(guī)范》(GB50090—2006)要求,本線最小曲線半徑一般 2 000 m,困難 1 600 m。引入岳陽地區(qū)客車加(減)速地段,曲線半徑與行車速度相適應。

2.5 限制坡度

限制坡度的選擇應在滿足牽引質量的前提下,以適應地形起伏,減小工程投資,降低施工難度,提高工程可靠度;與移動設備、相鄰線限制坡度匹配為原則。

(1)方案構成

本線相鄰的焦柳、京廣線限制坡度均為 6‰,漢宜限制坡度為 9‰、荊沙線限制坡度下行 6‰,上行10‰?？紤]與相鄰線路限制坡度相匹配,本線限制坡度研究了 6‰方案;結合“和諧型”大功率電力機車目前使用情況及未來發(fā)展規(guī)劃,研究了 9‰方案。

(2)限制坡度方案綜合比選

①從工程投資方面分析

本線地處平原,地勢平坦,9‰限坡方案對線路平面基本沒有影響,全線使用較少。不同限制坡度方案技術經濟比較詳見表2。

表2 不同限制坡度方案技術經濟比較

②從對機車類型的選擇方面分析

機車、牽引質量、限制坡度關系見表3。根據牽引計算模擬動能闖坡,當限坡為 6‰時,SS6B型機車單機可以牽引 4000 t;當限坡為 9‰時,HXD1型機車單機可以牽引 4000 t。因此,6‰限坡方案機車類型的選擇近期可采用 SS6B、遠期采用 HXD3型機車牽引;9‰限坡方案機車類型需采用 HXD1型機車牽引。從機車車輛價格來看,目前 SS6B、HXD3和 HXD1型機車單價依次為 656萬元、2 300萬元和 3 000萬元,采用 9‰限坡方案機車車輛購置費較高;從機車車輛能力使用上來看,本線地處平原地區(qū),地勢較為平坦,多數線路坡度在 6‰以下,全線按照 9‰的坡度配備機車,易造成機力虛糜。

表3 機車、牽引質量、限制坡度關系

③從換算工程運營費方面比較分析

按照 6‰限坡方案近期采用 SS6B、遠期采用HXD3型機車牽引;9‰限坡方案采用 HXD1型機車牽引,進行換算工程運營費比較,計算結果見表4。

表4 工程運營費(現值)比較 萬元

6‰方案較 9‰方案工程投資增加不多,僅17596.9萬元(靜態(tài)投資,占總投資 1.8%),而總的換算工程運營費節(jié)省 38 827萬元。

④從相鄰路網及運輸發(fā)展的適應性方面分析

本線相鄰線路焦柳、京廣線限制坡度均為 6‰,本線采用 6‰有利于與相鄰路網協調,方便運輸組織。重載、快速是未來貨物運輸的發(fā)展趨勢,目前 850m系列到發(fā)線有效長已開行有 4500 t貨物列車,隨著新型貨物車輛使用的比重增加,6‰限坡方案較 9‰限坡方案更能適應未來貨運向重載、快速發(fā)展的需要。

(3)限制坡度推薦意見

6‰限坡方案較 9‰限坡方案工程投資增加不大,換算工程運營費省,與相鄰路網協調性好,更能適應未來運輸發(fā)展的需要,故限制坡度推薦采用 6‰。

2.6 牽引種類

(1)從相鄰路網干線牽引種類的協調性方面分析

研究年度相關的焦柳線、京廣線、滬漢蓉通道、京廣客運專線等路網干線均為電氣化鐵路,為實現區(qū)域內相關線路的協調配合,充分發(fā)揮電化鐵路的網絡效應,本線宜采用電力牽引。

(2)從我國節(jié)能、環(huán)保和能源政策要求方面分析我國是世界石油消費主要大國之一,自身的石油資源儲量和開采量遠遠不能滿足經濟社會發(fā)展需要,原油對外依存度逐年提高,去年已達到 46%,能源結構不夠合理。大力優(yōu)化交通運輸業(yè)的能源結構是應對石油短缺的主要戰(zhàn)略途徑之一,而近期內鐵路電氣化是最有可能利用電力作為動力源改造的行業(yè),《中國節(jié)能技術政策大綱(2005年征求意見稿)》明確提出鐵路運輸應大力推進牽引動力改革,降低牽引動力能耗,大力發(fā)展電力牽引。內燃機車平均熱效率約為 25%;電力牽引的平均效率為:水電供電時約為 60%;高參數火電供電時最大可達 40%。本線采用電力牽引是節(jié)約能源的需要。采用電力牽引也可以降低有害氣體排放量,減輕對環(huán)境的影響。

因此,本線采用電力牽引是規(guī)避石油風險、降低能源消耗,貫徹國家節(jié)能、環(huán)保和能源政策的需要。

(3)從外部電源配置條件分析

本線沿線電力資源豐富,有安全、穩(wěn)定的電力系統,具備向電氣化鐵路供電的條件。

(4)從經濟方面分析

考慮荊沙線現狀為內燃牽引,本次對本線采用電力牽引方案與電力牽引內燃過渡方案進行了經濟比較分析,經濟比較采用費用現值比較法,計算期采用 25年、折現率為鐵路行業(yè)的基準收益率 3%,柴油價格按目前的市場價格 7 040元/t,電力價格采用 0.70元/度。比較情況見表5。

表5 不同牽引種類換算工程運營費比較 萬元

從表5可知,采用一次電化方案更為經濟。

綜上所述,本線采用電力牽引符合國家能源發(fā)展政策,與區(qū)域路網牽引種類相適應,運營成本省、綜合效益優(yōu)。本線推薦采用電力牽引。

2.7 機車類型

根據我國鐵路運營現狀和機車研制生產情況和本線的速度目標值等,可能采用的客運機車主要有SS7C、SS8、SS9型或電動車組等,可能采用的貨運機車有 HXD1、HXD2、HXD3、SS4B、SS6B型等 。各備選機型的技術經濟指標見表6和表7。

由表6可見,SS7C型機車適用于 120 km/h路段,而 SS8、SS9適用于 160 km/h路段,但 SS8型機車功率較小、研發(fā)時間較早。

表6 客運機車技術經濟指標

HXD1、HXD2型兩種機車最大可牽引 6 000 t,SS4B型機車最大可牽引 5 000 t,而 HXD3型機車最大可牽引 4500 t,SS6B型機車最大可牽引 4 000 t。

研究年度與本線相關線路焦柳線和京廣線武昌—長沙段旅客列車均采用 SS9型機車牽引,貨物列車采用 SS6B型機車牽引;漢宜線客車采用電動車組,貨車采用 HXD3型機車牽引 3 500 t。

本線速度目標值為 160 km/h,根據區(qū)域內相關線路協調配合的原則,客運機車采用 SS9型為宜、漢宜線下線客車采用動車組?？紤]到目前我國機車生產與供應、機車性價比、鐵路貨車的升級換代、本線運輸貨物的構成、本線與相關線的配合協調、經濟效益等因素,貨運機車可先采用 SS6B型機車牽引4 000 t,根據機車車輛的升級換代與相鄰線的情況,逐步采用 HXD3型機車牽引 4 000～4 500 t。

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綜上所述,推薦采用客機 SS9型,貨機近期 SS6B型、遠期 HXD3型。

2.8 牽引質量

研究年度,京廣線貨物列車采用 SS6B型機車牽引4 000 t;焦柳線襄石段采用 SS6B型機車牽引4000 t;漢宜線貨車采用 HXD3型機車牽引 3500 t。

本線貨物列車主要為襄樊北以遠與本線各站、岳陽北站、岳陽—長沙間的煤炭直達列車,荊門南與岳陽北間的區(qū)段、摘掛列車。與本線進行貨物列車交流的焦柳線和京廣線,研究年度牽引質量均為 4 000 t。為了便于運輸組織,避免增減軸作業(yè),本線牽引質量推薦采用 4 000 t。

2.9 到發(fā)線有效長度

到發(fā)線有效長度須滿足列車長度的要求,并考慮信號保護區(qū)段長度、安全停車附加距離;按允許貨車增載規(guī)定計算,到發(fā)線有效長 850m基本滿足 5 000 t煤炭、鐵礦石列車的要求。從 2006年起,新造貨車均為70型,按 70型貨車計算,到發(fā)線有效長度 850、1050m時限制的牽引質量為 5 148、6 552 t。鐵道部重載運輸規(guī)劃研究指出:到發(fā)線有效長度 850、1050m對應的牽引質量將是 5000、6 000 t。目前實際運營達到的最大牽引質量為 5000、6 500 t,詳見表8。

與本線相關的漢宜線、京廣線武昌—廣州段、滬昆線等到發(fā)線有效長度均為 850m,石長線和焦柳線襄石段到發(fā)線有效長度為 850m預留 1 050m,荊沙線改造后到發(fā)線有效長為 850m。從與本線各相關線的到發(fā)線有效長度來看,基本上屬于 850m系列,本線到發(fā)線有效長宜采用 850m。

表8 到發(fā)線有效長度、機車車輛與牽引質量關系 t

由于焦柳線襄石段到發(fā)線有效長度預留了1 050 m,本線有與焦柳線組成煤運重載通道的可能性;經計算,對 5000 t煤運列車來說,到發(fā)線有效長 850m即可滿足要求。綜上所述,從鐵路發(fā)展方向、相關線路的配合協調、本線的運輸特點等方面綜合考慮,本線到發(fā)線有效長度宜采用 850m。

2.10 閉塞類型

本線為單線預留雙線條件。根據相關規(guī)范,單線區(qū)段應采用半自動閉塞或自動站間閉塞,根據運輸需要亦可采用自動閉塞。

從能力適應性分析,研究年度采用以上 3種閉塞類型均可滿足運量需求。自動閉塞由于可實現列車追蹤運行,區(qū)間通過能力最大,較半自動閉塞提高通過能力15%～20%;自動站間閉塞與半自動閉塞相比,由于可縮小列車車站間隔作業(yè)時間,其區(qū)間通過能力也略有提高。

從保證行車安全方面分析,自動閉塞和自動站間閉塞方式采用了軌道電路或計軸設備,可實時監(jiān)控區(qū)間列車運行情況,更有利于行車安全,更適宜新建 160 km/h鐵路,是單線鐵路閉塞類型的發(fā)展趨勢。

綜上所述,以上 3種閉塞類型均能滿足本線運輸需要,自動站間閉塞較半自動閉塞投資增加不多,有利于行車安全,且較自動閉塞節(jié)省投資較多,是單線區(qū)間閉塞類型的發(fā)展趨勢。故本線閉塞類型推薦采用自動站間閉塞。

2.11 建筑限界

根據鐵道部《鐵路雙層集裝箱通道規(guī)劃研究》,本線銜接的焦柳線襄石段和京廣線均不是雙層集裝箱通道,僅銜接的滬漢蓉為雙層集裝箱通道。考慮到本線通過運量為煤,而地方貨運量品類多為農副產品和工業(yè)用品,且集裝箱運輸需求量小,即使有少量的集裝箱運量,也可組織單層集裝箱列車運輸。因此,結合區(qū)域路網雙層集裝箱通道情況,本線不考慮開行雙層集裝箱,故推薦采用建限 -1電力牽引鐵路建筑限界。

3 結論

經研究,荊州至岳陽新建鐵路工程推薦主要技術標準如下。

鐵路等級:Ⅰ級;

正線數目:單線,部分復線,全線預留雙線條件;

設計行車速度:160 km/h;

最小曲線半徑:一般 2 000m,困難 1 600m;

限制坡度:6‰;

牽引種類:電力;

機車類型:客車 SS9,貨車 SS6B;

牽引質量:4 000 t;

到發(fā)線有效長度:850m;

閉塞類型:自動站間閉塞;

建筑限界:采用建限-1電力牽引鐵路建筑限界。

所選用鐵路主要技術標準符合相關規(guī)范要求,滿足運量需求,投資合理,經濟效益良好。

[1]GB50090— 2006,鐵路線路設計規(guī)范[S].

[2]GB50091—2006,鐵路車站及樞紐設計規(guī)范[S].