大西客運專線最大坡度值的研究

程 彬

1 工程概述

大同—西安客運專線位于山西、陜西兩省境內(nèi),正線全長847 km,由北向南經(jīng)過山西省大同、忻州、太原、晉中、運城等市及陜西省孝感市和西安市,是京昆客運通道的重要組成部分。建設(shè)大西客運專線,可極大地擴充同蒲鐵路通道的運輸能力,提高運輸質(zhì)量,實現(xiàn)同蒲鐵路通道客貨分線。同時,可與鄭西、石太客運專線形成客運專線網(wǎng),優(yōu)化鐵路運輸結(jié)構(gòu),充分發(fā)揮客運專線網(wǎng)絡(luò)的整體效益。本線穿越大同盆地、恒山低中山區(qū)、忻定盆地、系舟山余脈丘陵區(qū)、晉中盆地、太岳山低山丘陵區(qū)、臨汾和運城盆地、中條山低中山和丘陵區(qū)、三門峽盆地、華山山前傾斜平原。低中山和丘陵區(qū)地形起伏大,盆地區(qū)地形平緩,山前傾斜平原地形起伏。對最大坡度的研究必須考慮以下三方面的因素:首先必須論證動車組能適應(yīng)的最大坡度,及其在最大坡度上運行時的速度衰減;其次要分析不同的最大坡度對土建工程投資的影響;第三要分析不同坡度動車組能耗;最后經(jīng)綜合技術(shù)經(jīng)濟比選,確定合適的最大坡度。

2 電動車組對最大坡度的適應(yīng)性分析

2.1 國外高速鐵路最大坡度選取

客運專線采用電動車組,電機功率大,列車質(zhì)量較輕,兩端為流線形車頭。車體充分利用空氣動力學(xué),空氣阻力小,對不同坡度的適應(yīng)能力較強。國外高速鐵路最大坡度取值較為靈活,根據(jù)地形情況可采用較大的坡度值。如:法國Paris-Sud-Est(PSE)和Atlantique LGVs大部分線路都采用了15‰的最大坡度,個別地段為避免修建隧道和橋梁,采用了35‰的坡道;日本的Shinkansen大部分保持最大坡度為15‰～20‰,北陸、九州新干線有的地段分別采用了少量30‰和38‰的最大縱坡;意大利的Direttissima線路最大坡度為15‰;德國的Neubaustrecke線路采用的最大坡度為12.5‰,科隆—萊茵/美茵新線坡度高達(dá)40‰。

2.2 電動車組的性能與最大坡度關(guān)系分析

2.2.1 電動車組性能及適應(yīng)性分析

提高列車速度須通過提高列車單位質(zhì)量牽引功率或系統(tǒng)地降低列車質(zhì)量來實現(xiàn)?？瓦\專線上將運行最高速度為200 km/h,350 km/h的動車組列車,列車總質(zhì)量分別為1 080 t,768 t,根據(jù)對國內(nèi)外高速列車研究分析,結(jié)合電動車組的現(xiàn)狀及發(fā)展,速度為200 km/h的列車最大功率為14 400 k W,單位質(zhì)量牽引功率為13 133 kW/t;速度為350 km/h的列車最大功率為21 120 kW,單位質(zhì)量牽引功率為2 715 k W/t。

2.2.2 速度與坡度的適應(yīng)性分析

在列車運行過程中,列車牽引功率必須滿足牽引時啟動加速能力及最高速度目標(biāo)值時剩余加速度的要求,不同高速列車的阻力和牽引質(zhì)量不同,對功率要求也有差異。給定功率下列車速度與坡度適應(yīng)情況分析見表1。

表1 列車運行速度與坡度適應(yīng)情況

由表1可見,最高速度為350 km/h的列車在平坡上運行仍有0.057 m/s2的加速度;在14‰的坡道上能以 300 km/h勻速運行;在23‰的坡道上也可以250 km/h勻速運行,但較最高速度降低了30%。最高速度200 km/h的列車在20‰的坡道上能以速度為160 km/h勻速運行。

因克服坡道阻力,會使列車在大坡道上持續(xù)速度低,但可以利用動能減小速度損失。通過對兩種列車分別進(jìn)行12‰,20‰的動能闖坡模擬,其結(jié)論是:列車以較高速度進(jìn)入大坡運行至坡頂時的速度損失較小,尤其是坡長在5 km以內(nèi),即使是20‰的上坡,速度損失也不到10‰。上述分析說明電動車組不同于常規(guī)的機動車輛,具有良好的坡度適應(yīng)性。

3 線路最大坡度值的技術(shù)經(jīng)濟比較

由于本線上運行的是動車組,結(jié)合上述分析,動車組具有電機功率大、列車質(zhì)量輕等特點,對不同坡度都有很強的適應(yīng)能力。因此,原則上對小于12‰的坡度不予以研究,重點研究12‰以上的大坡度對本線工程投資及動車組的影響。

3.1 大坡度區(qū)段的選擇

大西客專原平—太原西段,起點DK 166+800在原平市西側(cè)的唐林中學(xué),線路在尚家莊西設(shè)原平西站,出站后從解村西通過,沿蘭村中學(xué)東側(cè)向南,從東常村和西常村之間穿過,跨北云中河,于蔚家野場附近上跨在建忻保高速公路,之后折向西南,以隧道形式穿過百草山,于河拱村東側(cè)上跨大運高速、云中河,線路向南在小齊村西設(shè)忻州西站,出站后線路以短隧道穿過磨盤山一角,先后跨過牧馬河、北同蒲鐵路,后以5.77 km隧道穿過南山上,出隧道后,再次跨過北同蒲鐵路,隨后線路折向西南方案,在北留村西設(shè)陽曲西站,至區(qū)段終點DK 244+500,線路長度77.7 km。

線路在該區(qū)段中若采用20‰以下小坡度的方案,則可以減少隧道工程,但同時卻增加了橋梁工程,且由于平縱斷面平順性及河流、道路的控制因素的影響,出現(xiàn)橋梁“吊空”現(xiàn)象。DK230+000～DK241+000區(qū)段內(nèi),黃土丘陵區(qū)沖溝發(fā)育,溝壁突兀,造成橋梁基礎(chǔ)難以穩(wěn)定。線路若采用適應(yīng)地面高程的小于20‰小坡度方案,則出現(xiàn)短隧道群,橋隧路反復(fù)過渡,隧道及路塹排水難度增加,使基礎(chǔ)處理難度增大。若該區(qū)段采用20‰坡度長隧道形式通過,則可以避免小坡度方案出現(xiàn)的問題。

20‰方案較12‰方案路塹短 1 500 km,投資省8 500萬元。小于20‰方案有5座長隧道,分別長1 300 m,1 850 m,950 m,800 m,440 m;20‰則只有1座長隧道,長度為8 695 m;小于20‰,20‰方案墩高30 m左右的橋梁分別為5座1 100 m,0座。

3.2 電動車組運行模擬結(jié)果

根據(jù)小于 20‰,20‰最大坡度方案線路平縱斷面,模擬350 km/h,200 km/h電動車組在各種線路條件下的運行。模擬結(jié)果為:采用不同的最大坡度對電動車組的平均運行速度與能耗影響不大。小于20‰坡度相對于20‰最大坡度,一組350 km/h電動車組每千米牽引能耗少0.33 k W·h,200 km/h電動車組牽引能耗少0.26 kW·h。

3.3 最大坡度區(qū)段方案運營費比較

運營費由線路及建筑物養(yǎng)護(hù)費用、設(shè)備維修費用、運輸費用及其他費用四大類組成,由于兩方案線位及線路長度差別不大,所以其中隨最大坡度變化而變化的費用主要是能耗費用。

對于電動車組能耗費用的計算,采用各種最大坡度方案,電動車組的運行模擬結(jié)果,計算出各種最大坡度下每千米列車的能耗,乘以列車千米數(shù)即得出總能耗。

能耗費用計算采用0.55元/(kW·h),計算期取25年,則20‰方案運營費較小于20‰方案多3 565萬元。

3.4 綜合技術(shù)經(jīng)濟比較及推薦意見

20‰方案相對于小于20‰方案,節(jié)省的工程投資大于增加的工程運營費,工程實施難度小,DK 230+000～DK 241+000段線路最大坡度推薦采用20‰方案。

4 結(jié)語

最大坡度的選取對土建工程造價存在一定的影響,但必須切合每條線的實際,需根據(jù)各線的不同地形條件確定。

最大坡度是客運專線的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一,它不是一個孤立的指標(biāo),它與其他主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)存在關(guān)聯(lián),因此在選用階段應(yīng)考慮各主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之間的合理匹配。

[1]鐵道部,鐵路中長期發(fā)展規(guī)劃[S].

[2]鐵道第三勘察設(shè)計院,京滬高速鐵路設(shè)計暫行規(guī)定[S].

[3]西南交通大學(xué).鐵路選線設(shè)計[M].成都:西南交通大學(xué),1979.

[4]胡敘洪.高速鐵路總體設(shè)計體會[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2005(1):31-32.

[5]吳彩蘭.客運專線鐵路總體設(shè)計有關(guān)問題探討[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2005(7):17-18.

[6]科技發(fā)展動態(tài),國際鐵路聯(lián)盟高速部速度300 km/h～350 km/h的新線設(shè)計[Z].2001.