和邢鐵路限制坡度的選擇

閆興志

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京102600)

1 工程概述

和(順)至邢(臺(tái))鐵路位于山西省和順縣、左權(quán)縣及河北省邢臺(tái)地區(qū)，線路西接陽涉鐵路和順站，東接京廣鐵路邢臺(tái)站，線路全長(zhǎng)128.631 km。本線橫跨太行山脈，地勢(shì)西高東低，落差大，并呈臺(tái)階式下降。和順地區(qū)高程約1 275 m，邢臺(tái)地區(qū)高程約75 m，兩端直線距離約85 km，高差達(dá)1 200 m左右。沿線地貌可分為中低山區(qū)、低山丘陵區(qū)、山間河谷區(qū)及河北平原區(qū)。項(xiàng)目的特點(diǎn)是線路行徑地區(qū)無大的政治經(jīng)濟(jì)據(jù)點(diǎn)，影響線路走向的主要因素是高程控制。選線方案示意見圖1。

圖1 和順至邢臺(tái)線線路方案示意

2 沿線地形的分析

和邢鐵路為煤炭運(yùn)輸通路，主要貨物流向明顯，上下行方向運(yùn)量差別較大，且沿線地勢(shì)西高東低落差大，并呈臺(tái)階式下降。影響本線方案的主要為輕車方向限制坡度的選擇。本次研究首先對(duì)重車方向6‰、輕車方向13‰曲線、隧道不折減方案進(jìn)行線路平、縱斷面指標(biāo)分析統(tǒng)計(jì)，指標(biāo)見表1。

段落1:太行山主脈嶺西，清障河河谷臺(tái)地地形，自然坡度為重車下坡，重車方向拔起高度10.9 m，輕車方向拔起高度240.3 m，展線系數(shù)1.26。

段落2:越嶺隧道向中低山區(qū)過渡地段，線路沿太行山脈東麓引線，自然坡度為輕車足坡地段，足坡段占段落88.4%，其它坡段位站坪坡，本段無返坡，輕車方向拔起高度731.9 m，展線系數(shù)1.31。

段落3:中底山區(qū)向丘陵區(qū)過渡地段，自然坡度為輕車上坡地段，局部自然坡度小于輕車限制坡度，本段無反坡，輕車拔起高度193.3 m，展線系數(shù)1.03。

段落4:丘陵向平原區(qū)過渡地段，本段主要是繞避平面障礙，重車拔起高度7.0 m，輕車拔起高度57.3 m展線系數(shù)1.29。

從表1中來看，嶺東線路展線系數(shù)最大，足坡段落也較長(zhǎng)，說明輕車方向較大的限制坡度能夠更好地適應(yīng)地形特征。

3 重車方向限制坡度的選擇

本線為煤炭運(yùn)輸通路，主要貨物流向明顯，上行為重車方向，上下行方向運(yùn)量差別較大，且沿線地勢(shì)西高東低落差大，并呈臺(tái)階式下降。根據(jù)本線運(yùn)量特征及地形特點(diǎn)，采用輕、重車方向以不同的限制坡度，可以有效地適應(yīng)地形條件，縮短線路長(zhǎng)度，節(jié)省工程投資。

從沿線自然條件來看，重車方向限制坡度的選擇基本不受地形限制，上坡地段主要用于和順、邢臺(tái)地區(qū)跨越等級(jí)公路。重車方向研究了4‰和6‰兩個(gè)限制坡度方案，方案比較見表2。

表1 線路平、縱斷面指標(biāo)分析表

表2 重車方向4‰和6‰限坡比較表

從上表可以看出，重車方向6‰與4‰方案處于同一平面，且重車上坡地段占全線長(zhǎng)度比例極低，均不足5%;兩方案橋隧比例相差0.1%，4‰方案較6‰方案路基土石方多1.8×104m3，橋梁長(zhǎng)110 m，投資貴240萬元。

從本線工程條件來看，由于重車方向上坡段很少，采用6‰與4‰方案差別不大?？紤]到本線與邢黃鐵路的貨物交流通過小康莊至東北流疏解線進(jìn)入邢黃鐵路，而東北流疏解線往黃驊港方向設(shè)計(jì)中采用了6.4‰的上坡，坡段長(zhǎng)達(dá)1 881.6 m。為使通路坡度協(xié)調(diào)統(tǒng)一，擬將該段坡度進(jìn)行適當(dāng)軟化。從線路平縱斷面條件來看，該段坡度調(diào)整為6‰比較可行，若要降到4‰則存在較大難度，也必然產(chǎn)生較大工程。結(jié)合通路坡度統(tǒng)籌考慮，本線重車方向限制坡度推薦采用6‰方案。

4 輕車方向限制坡度的選擇

本線中間7個(gè)區(qū)間除車站外全部為連續(xù)長(zhǎng)大下坡道，影響本線輕車方向限制坡度的選擇的主要因素為列車制動(dòng)力。

4.1 受充風(fēng)緩解時(shí)間限制的最大坡度分析

重載列車在長(zhǎng)大下坡道上以較高速度運(yùn)行時(shí)，單用動(dòng)力制動(dòng)往往不足以使列車減速。為了不超過規(guī)定速度，需要用空氣制動(dòng)的周期制動(dòng)調(diào)速，即制動(dòng)、緩解、再制動(dòng)、再緩解……直至駛出長(zhǎng)大下坡道。周期制動(dòng)時(shí)，在每次制動(dòng)前，車輛制動(dòng)機(jī)的副風(fēng)缸空氣壓力應(yīng)當(dāng)恢復(fù)到規(guī)定壓力，所需的時(shí)間稱為副風(fēng)缸充風(fēng)時(shí)間tc?！读熊嚑恳?jì)算規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱《牽規(guī)》)中規(guī)定“長(zhǎng)大下坡道的牽引輛數(shù)受制動(dòng)機(jī)充風(fēng)時(shí)間和空走時(shí)間的限制”，即每次制動(dòng)緩解后的增速時(shí)間tz應(yīng)不小于列車副風(fēng)缸充風(fēng)時(shí)間tc和下一次制動(dòng)的空走時(shí)間tk之和，這個(gè)原則可以用式tz≥tc+tk表達(dá)。

列車制動(dòng)機(jī)副風(fēng)缸充風(fēng)時(shí)間與編組輛數(shù)和減壓量有關(guān)，《牽規(guī)》附錄K提供了貨物列車副風(fēng)缸充風(fēng)時(shí)間與編組輛數(shù)和減壓量的關(guān)系。5 000 t列車的編組輛數(shù)為60輛。長(zhǎng)大下坡道上常用制動(dòng)調(diào)速減壓量的確定，既要考慮不同下坡度的減速需要，又要考慮制動(dòng)主管漏泄和多次周期制動(dòng)后副風(fēng)缸壓力可能有些衰減，但又不宜取最大減壓量，以免不必要地延長(zhǎng)副風(fēng)缸充風(fēng)時(shí)間。

根據(jù)以上分析，本次研究過程中使用的主要參數(shù)見表3。

表3 主要計(jì)算參數(shù)表

經(jīng)計(jì)算，牽引質(zhì)量5 000 t，列車編組60輛，單機(jī)SS4B電力機(jī)車牽引，在16‰的下坡道上由上次制動(dòng)末速30 km/h上升到下坡限制速度69 km/h，充風(fēng)緩解時(shí)間141.4 s，增速時(shí)間157.5 s，可以滿足充風(fēng)緩解時(shí)間要求;在17‰的下坡道上由上次制動(dòng)末速30 km/h上升到下坡限制速度68 km/h，充風(fēng)緩解時(shí)間149.9 s，增速時(shí)間135.6 s，不能滿足充風(fēng)緩解時(shí)間要求。因此理論計(jì)算受副風(fēng)缸充風(fēng)緩解時(shí)間限制的最大下坡道可以達(dá)到16‰。

4.2 輕車方向限制坡度方案

根據(jù)以上分析，結(jié)合沿線地形情況及本線運(yùn)量特征，輕車方向限制坡度主要研究了13‰曲線、隧道折減方案，13‰、16‰曲線、隧道不折減三個(gè)方案，各方案概況分別介紹如下。

4.2.1 重車6‰，輕車13‰曲線、隧道不折減方案

該方案新建正線長(zhǎng)度128.631 km，主要工程有:橋梁24.461 km，計(jì)57座，隧道44.202 km，計(jì)17座，橋隧比例53.4%，展線系數(shù)1.487，工程靜態(tài)投資540 135萬元。

4.2.2 重車6‰，輕車16‰曲線、隧道不折減方案

該方案新建正線長(zhǎng)度120 561 km，主要工程有:橋梁20.797 km，計(jì) 47座，隧道 45.592 m，計(jì) 11座，橋隧比例55.1%，展線系數(shù)1.394，工程靜態(tài)投資501 059萬元。

4.2.3 重車6‰，輕車13‰曲線、隧道折減方案

該方案新建正線長(zhǎng)度139.994 km，主要工程有:橋梁24.856 km，計(jì) 55座，隧道 52.115 m，計(jì) 22座，橋隧比例55.0%，展線系數(shù)1.619，工程靜態(tài)投資578 158萬元。

4.2.4 方案綜合分析比較

各方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較見表4。

表4 限制坡度方案比較表

從表4可以看出，輕車方向限制坡度越大，展線系數(shù)相對(duì)越低，線路長(zhǎng)度越短，工程投資也越小。13‰曲線、隧道折減方案線路長(zhǎng)度最長(zhǎng)，工程投資最大;采用13‰不折減方案，較13‰折減方案線路長(zhǎng)度縮短11.636 km、投資省38 024萬元，節(jié)省效果非常明顯;16‰曲線、隧道不折減方案分別較13‰不折減方案線路長(zhǎng)度縮短8.07 km，節(jié)省工程投資39 076萬元。

因本線輕車方向運(yùn)量較小，預(yù)計(jì)將來也不致發(fā)生巨大變化，重車方向除和順～平松、西黃村～邢臺(tái)外，中間7個(gè)區(qū)間幾乎全部為連續(xù)長(zhǎng)大下坡道，長(zhǎng)達(dá)107 km，列車需持續(xù)周期制動(dòng)，以保證在下坡限速下運(yùn)行。長(zhǎng)大下坡道越長(zhǎng)，坡度越大，對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)要求也越高，列車運(yùn)行安全系數(shù)也相應(yīng)降低，也使機(jī)車車輛維修量大大增加。因線路、信號(hào)或天氣不良等情況下需要低速限速運(yùn)行時(shí)，操縱難度更大。同時(shí)，由于下坡制動(dòng)問題涉及因素較多，需要通過大量的牽引試驗(yàn)后方可得出可靠的數(shù)據(jù)。鑒于此，國(guó)內(nèi)5 000 t及以上牽引質(zhì)量貨運(yùn)鐵路，長(zhǎng)大下坡道地段，盡管理論計(jì)算可以采用更大的坡度，但實(shí)際大于13‰限坡的很少，特別是區(qū)間存在連續(xù)長(zhǎng)大下坡地段，目前投入運(yùn)營(yíng)的最大坡度基本在13‰及以下。根據(jù)以上分析，本次研究輕車方向限制坡度推薦采用13‰曲線、隧道不折減方案。

5 結(jié)束語

限制坡度的選擇應(yīng)結(jié)合沿線所經(jīng)地區(qū)地形、運(yùn)輸需求、相鄰線的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等因素綜合比選確定，它直接影響線路的走向、長(zhǎng)度、工程投資和運(yùn)營(yíng)支出。采用適當(dāng)限制坡度可以有效地適應(yīng)地形，縮短線路長(zhǎng)度，節(jié)省工程投資，提高運(yùn)輸能力;反之較大地限制坡度必然會(huì)降低運(yùn)輸能力，增大運(yùn)營(yíng)成本。

［1］GB 50090－2006鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范［S］

［2］TB/T 1407－1998列車牽引計(jì)算規(guī)程［S］

［3］郝瀛.鐵道工程［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2004