寶雞至蘭州客運(yùn)專線最大坡度值研究

王 維

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

1 概述

寶雞至蘭州客運(yùn)專線位于陜西、甘肅兩省境內(nèi),正線全長(zhǎng) 399.972 km,線路東起陜西省寶雞市,經(jīng)天水、定西市至甘肅省會(huì)蘭州,是隴?？瓦\(yùn)專線(徐州—蘭州)的重要組成部分。該項(xiàng)目東端與西寶、鄭西客運(yùn)專線相接,向東可直達(dá)中原及華北、華東地區(qū),向西可連通青海、新疆,并通過蘭州樞紐與包蘭鐵路、蘭渝鐵路銜接,在鐵路網(wǎng)中主骨架特征明顯。

本項(xiàng)目經(jīng)過地區(qū)地形地貌復(fù)雜,沿線地貌單元可劃分為關(guān)中盆地區(qū)、南隴山與西秦嶺北緣過渡帶中山區(qū)、天禮盆地低山丘陵區(qū)、黃土高原溝壑梁峁區(qū)及黃河河谷蘭州盆地區(qū)[1],工程地質(zhì)及地形起伏變化較大。在線路走向較為確定的前提下,合理選擇線路的最大坡度值,對(duì)于線路適應(yīng)地形變化,降低工程施工及運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn),控制工程投資及提高行車安全和客車旅行速度有顯著的作用。

寶雞至蘭州客運(yùn)專線坡度采用一般 20‰,個(gè)別困難地段 25‰,全線正線建筑長(zhǎng)度 399.972 km,橋隧比例為 92.34%。其中:橋梁 97.20 km,占正線長(zhǎng)度24.30%;隧道 272.13 km,占正線長(zhǎng)度 68.04%;路基30.64 km,占正線長(zhǎng)度 7.66%[1]。

2 不同速度等級(jí)電動(dòng)車組對(duì)最大坡度的適應(yīng)性分析

2.1 國(guó)外高速鐵路最大坡度選取

國(guó)外高速鐵路最大坡度一般在 25‰～35‰,但僅限局部地段使用;國(guó)內(nèi)除臺(tái)灣省臺(tái)北—高雄鐵路最大坡度采用 35‰外,大陸運(yùn)營(yíng)和在建的高速鐵路最大坡度一般未超過 20‰,這是因?yàn)檫\(yùn)營(yíng)和在建項(xiàng)目大多位于中東部相對(duì)平緩低山丘陵地區(qū),地形平坦,足坡地段長(zhǎng)度一般不超過 10 km。

國(guó)內(nèi)外高速鐵路在長(zhǎng)隧道地段采用的最大坡度見表1。從已運(yùn)營(yíng)及擬建的國(guó)內(nèi)外客運(yùn)專線分析,長(zhǎng)度10 km以上的隧道最大坡度一般不超過 20‰,隧道內(nèi)坡度超過 12‰的足坡地段也較短。

表1 國(guó)內(nèi)外高速鐵路在長(zhǎng)隧道地段采用的最大坡度[2]

2.2 電動(dòng)車組坡度適應(yīng)性分析

目前國(guó)內(nèi)已運(yùn)營(yíng)的時(shí)速 300 km及以上的動(dòng)車組有 CRH2-300和 CRH3兩種類型,不同速度目標(biāo)值對(duì)應(yīng)均衡速度運(yùn)行坡道值見表2。CRH3型動(dòng)車組在12‰、15‰、20‰、25‰、30‰的最大坡道上對(duì)應(yīng)的均衡速度分別為 280.3、261.8、233.3、207.2、184.9 km/h。由此可見,要保持均衡速度在 200 km/h以上時(shí),最大坡度不宜超過 25‰。

作用于列車上的力主要由 3部分組成:一是列車的牽引力;二是客服列車運(yùn)行的阻力,此阻力又包含了基本阻力、附加阻力及列車起動(dòng)阻力;三是列車的制動(dòng)力[5]。不同動(dòng)車組與坡度、速度的適應(yīng)性見表3。

表2 動(dòng)車組均衡速度運(yùn)行坡道值[3～4]

以 CRH3為例,不同足坡上坡地段初速度為 340 km/h運(yùn)行工況如圖1所示。

表3 電動(dòng)車組與坡度、速度的適應(yīng)性

圖1 不同最大坡度V-S曲線

由圖1可見,持續(xù)足坡地段運(yùn)行 10 km后,速度均在 250 km/h以上,運(yùn)行 20 km后速度均在 200 km/h以上。在 12‰、15‰、20‰、25‰、30‰不同上坡地段分別運(yùn)行 60km后的速度分別為 281.4、262.8、234.2、207.4、184.9 km/h,分別降低為最高速度的 80%、75%、67%、59%、53%。表明動(dòng)車組動(dòng)能闖坡性能優(yōu)良,對(duì)大坡度適應(yīng)性較好,在持續(xù)大坡道上坡地段,動(dòng)車組能夠保持以較高的速度運(yùn)行。

2.3 電動(dòng)車組追蹤間隔的要求

若列車走行于長(zhǎng)大下坡地段,勢(shì)能的損失會(huì)使列車速度增大,但同時(shí)列車的制動(dòng)性能又必須滿足其相對(duì)應(yīng)地段的追蹤間隔。以 CRH3型動(dòng)車組為例,列車區(qū)間追 蹤間 隔 按 I區(qū)=3.6+t附計(jì)算[6],本線設(shè)計(jì)列車追蹤間隔 3 min,通過對(duì)其在20‰、25‰、30‰最大下坡上的追蹤模擬計(jì)算,得出對(duì)應(yīng)的追蹤間隔分別為 151、164、181 s,20‰、25‰坡度方案小于 3 min,滿足 3 min追蹤間隔的要求。30‰坡度方案不滿足 3 min追蹤間隔的要求。

為了滿足相應(yīng)最大下坡追蹤間隔要求,同時(shí)考慮實(shí)際信號(hào)機(jī)分布及安全余量,列車追蹤間隔按 170 s控制,不同坡度足坡下坡對(duì)應(yīng)的最高速度見表4。

表4 滿足 3 min追蹤間隔限速 km/h

3 最大坡度方案的比選

線路最大坡度值作為鐵路的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一,對(duì)線路的走向、工程造價(jià)、運(yùn)營(yíng)時(shí)分、輸送能力和牽引質(zhì)量均有較大影響。高速鐵路采用電動(dòng)車組,電機(jī)功率大、列車質(zhì)量輕,車體采用空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì),對(duì)大坡道的適應(yīng)能力強(qiáng)。因此,必須合理選擇設(shè)計(jì)坡度,利用電動(dòng)車組優(yōu)良的動(dòng)力性適應(yīng)地面自然縱坡變化,減少工程投資,確保工程建設(shè)可靠性。

3.1 坡度比較方案構(gòu)成

最大坡度選擇主要受沿線地形、動(dòng)車組對(duì)坡度的適應(yīng)性、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用、工程投資及與相鄰線的匹配等因素的影響。區(qū)間正線的最大坡度,一般條件下不應(yīng)大于20‰,困難條件下,經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,不應(yīng)大于30‰[7～8]。由于在 30‰的坡道上,其均衡速度只有184.9 km/h,小于 200 km/h,且下坡制動(dòng)距離近 13.0 km,理論計(jì)算雖可滿足 3 min列車追蹤間隔要求,但基本無(wú)富余量,因此,從行車安全以及提高客車旅行速度等角度考慮,同時(shí)結(jié)合本線較為復(fù)雜的地形地質(zhì)條件,本次研究了 20‰、20‰(個(gè)別 25‰)、25‰、30‰4個(gè)最大坡度方案。

3.2 最大坡度方案比較

3.2.1 寶雞至東岔段

本段地處南隴山與西秦嶺北緣過渡帶的高-低中山區(qū),地形起伏較大,河流曲折。線路全部在渭河南岸行進(jìn),基本為橋隧相連,最長(zhǎng)隧道不超過 7 km,橋梁高度均不超過 40m,該段僅有 1處長(zhǎng) 3250 m的坡段采用了 20‰的坡度,若采用 25‰或 30‰坡度,對(duì)工程基本沒有改善,因此本段采用 20‰適應(yīng)地形能力好,線路順直,推薦本段最大坡度采用 20‰。

3.2.2 東岔至天水段

該段線路地處南隴山與西秦嶺北緣過渡帶的高-低中山區(qū),地形險(xiǎn)峻,溝谷狹窄。受禁區(qū)設(shè)施影響,元龍之前線路穿行于渭河南岸西秦嶺余脈腹地中,若采用 20‰坡度將使筆架山隧道延長(zhǎng)至 22.05 km,將嚴(yán)重控制工期,且隧道設(shè)置為兩座單線隧道,增加工程投資;若采用 25‰的坡度可使該隧道減短至 14.79 km,而采用 30‰的坡度對(duì)該隧道長(zhǎng)度無(wú)明顯改善,故穿越筆架山段采用一處長(zhǎng) 13.50 km、25‰的坡度,可有效縮短越嶺主隧道長(zhǎng)度,縮短工期、節(jié)約工程投資。

本段另一座 13.56 km太祿特長(zhǎng)隧道采用了 20‰的坡度,若采用 25‰的坡度對(duì)隧道長(zhǎng)度無(wú)明顯改善,且造成個(gè)別溝谷淺埋,而采用 30‰的坡度可使該隧道分為兩座各 6.7 km的隧道。但考慮到該隧道緊鄰全線最長(zhǎng)的 14.79 km筆架山隧道,該隧道不控制工期,且隧道總長(zhǎng)度變化不大,節(jié)約工程投資有限,故本段采用 20‰的坡度是合適的。

綜上所述,東岔至天水段采用 20‰的坡度,僅穿越筆架山段采用一處長(zhǎng) 13.55 km、25‰坡度。

3.2.3 天水至榆中段

本段線路大部分在渭河、葫蘆河峽谷及黃土高原山峁中穿行,地形起伏大、高差大,20‰坡度方案最長(zhǎng)隧道為長(zhǎng) 12.42 km朱家山隧道,最高橋?yàn)榉Q溝驛特大橋,有近一百米橋身高達(dá) 47 m。若采用 25‰坡度可使朱家山特長(zhǎng)隧道分設(shè)兩座長(zhǎng)度為 3.20 km及 9.15 km隧道,但隧道在滑坡區(qū)露頭,存在安全隱患;稱溝驛特大橋因受上跨隴海線高程限制,采用更大的坡度無(wú)法改善工程。若采用 30‰的坡度對(duì)本段工程改善有限,雖可縮短部分隧道長(zhǎng)度,但造成局部橋梁高度增加,個(gè)別橋高達(dá) 70 m,且最大坡度地段僅使用了約 18.6 km,節(jié)省工程效果不明顯。同時(shí)該方案動(dòng)車組牽引特性受限,無(wú)法完全發(fā)揮動(dòng)車性能。因此推薦本段采用 20‰坡度方案。

3.2.4 榆中至蘭州段

本段線路走行于黃河河谷蘭州盆地區(qū),需穿越白虎山、古城嶺及皋蘭山等山梁,線路主要受禁區(qū)及城市布局和規(guī)劃的影響,本段最長(zhǎng)隧道為長(zhǎng) 12.97 km古城嶺隧道,最高橋?yàn)闃蚋呒s 46 m西園特大橋,其中僅西園特大橋?yàn)榱私档蜆蚋?、盡快接入蘭州西客站,采用了一處長(zhǎng)約1 880 m的 25‰坡度?？紤]到該段處于蘭州西進(jìn)站前半徑為1 200 m的曲線上,速度較低,使用25‰的坡度對(duì)運(yùn)營(yíng)速度影響甚小。若使用 20‰的坡度將造成橋梁加長(zhǎng) 400 m,且造成蘭州西客站整體西移,不能充分利用既有設(shè)施。若本段使用 30‰的坡度,受跨越城市道路凈空所限,西園特大橋長(zhǎng)度無(wú)法縮短,僅降低了少部分橋梁的高度,節(jié)約工程投資不明顯。

綜上,榆中至蘭州段采用 20‰的坡度,僅西園特大橋采用一處長(zhǎng) 1.88km長(zhǎng)的 25‰坡度。

3.3 最大坡度方案工程投資比較(表5)

表5 最大坡度方案工程投資比較

由表5可見,各坡度方案線路長(zhǎng)度最大差 0.291 km,橋隧總長(zhǎng)最大差 1.50km。并且 20‰(個(gè)別 25‰)方案最長(zhǎng)隧道均不超 15 km,工程設(shè)置合理,適應(yīng)地形較好,投資分別較 25‰方案及 30‰方案增加 0.03%及 0.72%,而較 20‰方案節(jié)省 0.81%。

以上分析表明,在越嶺高差基本確定,各坡度方案均不展線(高速鐵路曲線半徑大,展線條件很差)、采取長(zhǎng)大隧道穿越山嶺時(shí),各方案線路長(zhǎng)度、橋隧總長(zhǎng)差異不大,主要體現(xiàn)在越嶺主隧道長(zhǎng)度的差異上,繼而體現(xiàn)在施工條件、總工期及投資的差異上。若越嶺主隧道差別均在合理長(zhǎng)度內(nèi),則 20‰及以上坡度方案工程投資差異性不大。30‰及 25‰坡度方案比 20‰(個(gè)別25‰)方案工程投資分別節(jié)省 3.88億元及 0.17億元,約占總投資 0.72%及 0.03%,但是在縮短線路、施工工期及主隧道長(zhǎng)度方面并無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)。

3.4 最大坡度方案運(yùn)營(yíng)費(fèi)用比較

根據(jù)鐵道科學(xué)研究院《高速鐵路運(yùn)營(yíng)支出定額》的研究,運(yùn)營(yíng)費(fèi)用主要由建筑物養(yǎng)護(hù)費(fèi)用、設(shè)備維修費(fèi)用、運(yùn)輸費(fèi)用及其他費(fèi)用 4大類組成[9]。由于 4個(gè)最大坡度方案的線路長(zhǎng)度差別較小,故只有能耗費(fèi)用隨最大坡度的不同存在變化。

對(duì)于電能耗費(fèi)用的計(jì)算,采用 4個(gè)最大坡度方案動(dòng)車組的運(yùn)行模擬結(jié)果,計(jì)算出各種最大坡度下每公里列車的能耗,乘以列車公里數(shù)即得出總能耗(kW·h)[10]。由表6可見,本段采用不同最大坡度方案時(shí),運(yùn)行時(shí)分相差較小,能耗相差不大。

3.5 推薦意見

綜上所述,本段適宜的最大坡度應(yīng)在 20‰ ～25‰,上述方案運(yùn)營(yíng)長(zhǎng)度、運(yùn)營(yíng)成本、運(yùn)行時(shí)分相差均較小,從工程及運(yùn)營(yíng)安全方面考慮,20‰(個(gè)別 25‰)方案可有效縮短主隧道長(zhǎng)度,動(dòng)車組制動(dòng)性能亦良好,因此本次研究最大坡度推薦 20‰(個(gè)別 25‰)方案。

表6 不同坡度方案綜合經(jīng)濟(jì)比較

4 結(jié)論

本線開行的列車均為動(dòng)車組,動(dòng)車組電機(jī)功率大,列車質(zhì)量輕,適應(yīng)最大坡度的能力較強(qiáng),最大坡度標(biāo)準(zhǔn)的確定以適應(yīng)地形、跨越控制高程的需求為主。20‰的最大坡度基本適應(yīng)了全線大部分地段地形,但局部地段采用大于 20‰的坡度可以減短越嶺主隧道長(zhǎng)度,節(jié)省工程投資,降低施工難度,使工程的安全風(fēng)險(xiǎn)低,工期合理,且局部采用的最大坡度未超過 25‰。因此,本線推薦最大坡度為 20‰,個(gè)別地段 25‰是合理可行的。

[1] 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院.新建鐵路寶雞至蘭州客運(yùn)專線可行性研究總說(shuō)明書[R].西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院,2009.

[2] 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院.新建鐵路西安至成都客運(yùn)專線西安至江油段可行性研究總說(shuō)明書[R].西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院,2009.

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[5] 郝 瀛.鐵道工程[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2002:289-298.

[6] 蘇順虎,田長(zhǎng)海,陳治亞.客運(yùn)專線通過能力的分析計(jì)算[J].中國(guó)鐵道科學(xué),2008(5):119-124.

[7] 中華人民共和國(guó)鐵道部.高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)[S].北京:中國(guó)鐵道出版社,2010:20-21.

[8] 中華人民共和國(guó)鐵道部.新建時(shí)速 300～350 km客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定(上、下)[S].北京:中國(guó)鐵道出版社,2007:20-21.

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[12] 王 輝.東北東部鐵路通道白河至和龍段線路限制坡度的選擇[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2008(5):7-10.