包西高鐵銅川至延安段速度目標(biāo)值方案研究

顧 博

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

1 概述

包西高鐵銅川至延安段(銅川至延安鐵路)位于陜西省北部，南起西銅城際鐵路銅川站，向北途經(jīng)銅川市南市區(qū)、北市區(qū)、宜君縣，延安市黃陵縣、洛川縣、富縣、甘泉縣，至包西鐵路延安站，縱貫兩市八區(qū)縣。

本線向南通過西安至銅川城際鐵路連接“大西安”都市圈，向北延伸經(jīng)榆林、鄂爾多斯至包頭與京包蘭通道銜接，形成縱貫西部地區(qū)、溝通呼包鄂和關(guān)中城市群的快速客運(yùn)大通道，在路網(wǎng)中自北向南依次連接京包蘭、青太銀、徐鄭蘭、西安至成都、西安至武漢、西安至重慶高鐵等路網(wǎng)干線，是國家高速鐵路網(wǎng)的重要組成，是蒙西和陜北地區(qū)通達(dá)關(guān)中、西南、中南地區(qū)的便捷客運(yùn)通道。同時(shí)，本線擔(dān)負(fù)著由西安向北帶動(dòng)沿線城鎮(zhèn)發(fā)展的重任，對(duì)架構(gòu)關(guān)中城市群城際鐵路網(wǎng)北向主骨架，完善陜西省“米”字形高鐵網(wǎng)具有重要意義。

2 項(xiàng)目在路網(wǎng)中的定位

2.1 與相關(guān)線路的合理分工

根據(jù)項(xiàng)目的地理位置和研究年度，路網(wǎng)中相關(guān)線路有鄭西高鐵、大西高鐵、包西鐵路、蒙華通道和太中銀鐵路，結(jié)合各通道的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、運(yùn)輸能力、運(yùn)輸時(shí)效性、通道地域文化資源及條件等因素，經(jīng)比較分析，進(jìn)行相關(guān)線路的合理分工，如表1所示。

表1 本線與路網(wǎng)中相關(guān)線路的合理分工

2.2 項(xiàng)目功能定位

根據(jù)上述線路的合理分工，可確定包西高鐵在區(qū)域客運(yùn)網(wǎng)中主要承擔(dān)陜北、蒙西與西安、中南、西南等地的區(qū)際旅客運(yùn)輸任務(wù)和陜北與關(guān)中地區(qū)的城際客流運(yùn)輸任務(wù)。

因此，銅川至延安鐵路功能定位為：國家高速鐵路網(wǎng)中區(qū)域性快速鐵路，兼顧關(guān)中城市群城際鐵路功能。

本線不僅要滿足快速、直達(dá)的高速路網(wǎng)功能，還要體現(xiàn)高服務(wù)頻率的城際功能，速度目標(biāo)值的研究是項(xiàng)目建設(shè)的重點(diǎn)之一。

3 速度目標(biāo)值選擇分析

本線為西安至包頭高速鐵路的組成部分，速度目標(biāo)值的研究首先應(yīng)滿足高鐵通道需求，其次考慮城際鐵路的需求。

3.1 包西高速鐵路速度目標(biāo)值分析

3.1.1時(shí)間目標(biāo)值[1-2]

(1)滿足通道需求的時(shí)間目標(biāo)值

包西高鐵建成后，包西通道將形成鐵路、公路、航空并存的交通運(yùn)輸系統(tǒng)。西安至包頭間航空飛行時(shí)間為1.3 h，考慮兩端附加時(shí)間3 h，全程旅行時(shí)間約4.3 h。本線建成后，不但擁有安全、正點(diǎn)、全天候等優(yōu)勢，而且在旅行時(shí)間上應(yīng)與航空基本持平，西安至包頭旅行時(shí)間宜控制在4 h左右。

(2)適應(yīng)區(qū)域發(fā)展和城際功能的時(shí)間目標(biāo)值

關(guān)中城市群城際鐵路時(shí)間目標(biāo)值應(yīng)符合關(guān)中地區(qū)發(fā)展戰(zhàn)略和城鎮(zhèn)化進(jìn)程對(duì)城鎮(zhèn)間客流出行的需要。城際客流主要是與公路競爭，西安至延安公路旅行時(shí)間為3 h，為具備競爭優(yōu)勢，西安至延安間鐵路的時(shí)間目標(biāo)值宜在2 h內(nèi)。

從通道客流需求及滿足未來城鎮(zhèn)發(fā)展需求方面綜合考慮，西安至延安、包頭的時(shí)間目標(biāo)值宜為2 h、4 h。

3.1.2速度目標(biāo)值的研究[3]

考慮通道兩端需兼顧城際客流運(yùn)輸，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[1]，速度目標(biāo)值合理范圍為200～350 km/h，共研究了200 km/h，250 km/h，250 km/h預(yù)留300 km/h，250 km/h預(yù)留350 km/h，300 km/h，350 km/h等6個(gè)方案。

(1)對(duì)工程投資的影響分析

①平面曲線半徑對(duì)工程的影響

從地形適應(yīng)性分析：通道兩端樞紐范圍內(nèi)，處于城市建筑物密集地段或城市規(guī)劃區(qū)域，小曲線半徑有利于減少拆遷工程和對(duì)城市切割干擾。通道南段西安至銅川線路走行于平原區(qū)、渭北黃土臺(tái)塬區(qū)，北段綏德至包頭線路主要走行于毛烏素南緣沙地區(qū)，曲線半徑對(duì)工程投資影響不明顯，小曲線半徑便于站位靈活設(shè)置，減少拆遷、立交有一定的優(yōu)勢；銅川至綏德段基本以橋隧工程通過，各方案工程設(shè)置差異不大。

②橋梁結(jié)構(gòu)選型：200 km/h方案可采用箱梁或T梁；其余方案均采用箱梁，梁體體量隨線間距的不同略有不同[4-5]。

③隧道斷面積：350 km/h，300 km/h方案均采用100 m2，而250 km/h方案采用90 m2，200 km/h方案采用72 m2[4-5]。

④軌道類型：350 km/h，300 km/h方案均采用無砟軌道，而250 km/h預(yù)留350 km/h，250 km/h預(yù)留300 km/h，250 km/h經(jīng)比選宜采用無砟軌道，200 km/h方案采用有砟軌道[4-5]。

⑤信號(hào)系統(tǒng)：350 km/h，300 km/h方案均采用CTCS-3，250 km/h預(yù)留350 km/h，250 km/h預(yù)留300 km/h，250 km/h方案經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選后宜采用CTCS-3，而200 km/h方案采用CTCS-2[4-5]。

⑥牽引供電方式、接觸網(wǎng)懸掛類型：各方案沒有本質(zhì)區(qū)別，但在接觸網(wǎng)的彈性不均勻度、接觸網(wǎng)與承力索的材質(zhì)及額定工作張力、腕臂柱材質(zhì)以及主要零部件選材等方面，速度目標(biāo)值越高要求相應(yīng)越高。

包西高速鐵路通道速度目標(biāo)值方案工程經(jīng)濟(jì)比較見表2。

由表2可見，350 km/h，300 km/h，250 km/h預(yù)留350 km/h，250 km/h預(yù)留300 km/h四個(gè)方案工程投資相差不大，250 km/h和200 km/h方案較其他方案橋隧比重降低較多，工程投資顯著減小。

表2 包西高速鐵路通道速度目標(biāo)值方案工程經(jīng)濟(jì)比較

(2)對(duì)時(shí)間目標(biāo)值的適應(yīng)性分析

包西高速鐵路通道全長達(dá)868 km，不同速度目標(biāo)值方案旅行時(shí)間相差較大，350 km/h較250 km/h方案旅行時(shí)間節(jié)省58.5 min，節(jié)時(shí)較多。從時(shí)間目標(biāo)值適應(yīng)性分析，200 km/h方案略差，其他各方案旅行時(shí)間均能滿足時(shí)間目標(biāo)值的需求。見表3、表4。

表3 不同速度目標(biāo)值方案旅行時(shí)間比較 min

表4 350 km/h與其他速度目標(biāo)值方案旅行時(shí)間比較 min

(3)路網(wǎng)協(xié)調(diào)性分析

從銜接路網(wǎng)分析，包西高速鐵路通道與西安、包頭樞紐及綏德地區(qū)銜接的西武、西渝、西寶、西成、京呼蘭等高鐵密切相關(guān)，區(qū)域相鄰線路速度目標(biāo)值見表5?？傮w分析，包西高速鐵路通道南端銜接線路以350 km/h為主。從客流流向分析，包西高速鐵路通道跨線客流主要是與鄭西、西武、西渝、西寶等高鐵速度目標(biāo)值為350 km/h高鐵間交流為主，因此，從與相鄰線協(xié)調(diào)匹配方面分析，包西高鐵通道宜采用350 km/h的速度目標(biāo)值[6-13]。

表5 區(qū)域路網(wǎng)現(xiàn)狀及規(guī)劃線路速度目標(biāo)值

(4)客流吸引能力分析

根據(jù)中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司相關(guān)調(diào)研成果，西北地區(qū)客流出行平均距離和在途時(shí)間大于全國其他地區(qū)，對(duì)旅行時(shí)間的敏感性強(qiáng)于票價(jià)的敏感性，速度越快，旅行時(shí)間越短，對(duì)客流的吸引能力則越強(qiáng)。以鄭西高鐵、集包線為例，西安—鄭州間旅行時(shí)間最短客車G95(1 h 54 min)[14]上座率明顯高于其他高鐵車次，包頭—集寧間旅行時(shí)間最短客車D6773(2 h 14 min)[14]的上座率也明顯高于其他車次。因此，對(duì)西北地區(qū)客流而言，在旅客支付能力范圍內(nèi)，線路速度目標(biāo)值越高，對(duì)客流吸引能力越強(qiáng)。

(5)經(jīng)濟(jì)效益分析

不同速度目標(biāo)值方案的工程投資、客流吸引能力、票價(jià)水平、運(yùn)營成本等對(duì)鐵路建設(shè)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益有很大影響。見表6。

表6 不同速度目標(biāo)值方案經(jīng)濟(jì)效益比較

注：計(jì)算期采用30年；250 km/h預(yù)留350 km/h和250 km/h預(yù)留300 km/h方案按近期后提速考慮。

由表6可見，350 km/h方案經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，其次為300 km/h，250 km/h和200 km/方案經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較差。

考慮按目前的票價(jià)水平，350 km/h和250 km/h兩種速度目標(biāo)值方案，運(yùn)價(jià)率差距較大，350 km/h約為250 km/h的1.8倍，旅客支付的費(fèi)用與時(shí)間節(jié)省不盡合理。根據(jù)國家發(fā)改委發(fā)布的《關(guān)于改革完善高鐵動(dòng)車組旅客票價(jià)政策的通知》，鐵路企業(yè)對(duì)200 km/h及以上的動(dòng)車組可自主定價(jià)，若將250 km/h動(dòng)車的票價(jià)提高至0.40元/人·km后。各方案財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率見表7。

表7 不同速度目標(biāo)值方案經(jīng)濟(jì)效益比較(提價(jià)后)

注：計(jì)算期采用30年；250 km/h預(yù)留350 km/h和250 km/h預(yù)留300 km/h方案按近期后提速考慮。

由表7可見，即使將250 km/h的動(dòng)車票價(jià)提高至0.40元/人·km，350 km/h方案經(jīng)濟(jì)性仍最優(yōu)，250 km/h方案財(cái)務(wù)狀況有所改善，較350 km/h方案的財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率差距縮小。

3.1.3 包西高鐵速度目標(biāo)值的選擇

包西高鐵是國家高鐵網(wǎng)的重要組成部分，在路網(wǎng)中起著連通南北的作用，承擔(dān)蒙西地區(qū)與西南、中南區(qū)際旅客交流，采用350 km/h的速度目標(biāo)值，與通道功能定位相符；與路網(wǎng)相鄰高鐵線路標(biāo)準(zhǔn)一致，協(xié)調(diào)匹配性較好，可有效縮短蒙西地區(qū)與西南、中南地區(qū)及關(guān)中和呼包鄂兩大城市群的時(shí)空距離，更有利于吸引長途客流，經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。

3.2 銅延鐵路速度目標(biāo)值選擇分析[2]

從通道建設(shè)時(shí)序考慮，在運(yùn)營初期，高鐵通道未形成，以承擔(dān)城際客流為主，需細(xì)化研究本線速度目標(biāo)值方案。

3.2.1 不同速度目標(biāo)值方案工程投資影響分析

銅川至延安段線路主要走行于低山丘陵區(qū)、黃土梁峁區(qū)，地形破碎，起伏較大，溝梁相間，城市多分布于狹窄的溝谷中。不同方案的最小曲線半徑均不能完全適應(yīng)地形，橋隧比重大。各方案工程投資比較見表8。

由表8可見，銅川至延安段各方案橋隧比重均較高，350 km/h，300 km/h，250 km/h預(yù)留350 km/h方案，250 km/h預(yù)留300 km/h四個(gè)方案工程投資相差不大，250 km/h方案較350 km/h投資節(jié)省約8.6%；200 km/h方案較250 km/h投資節(jié)省約14.2%。

表8 銅川至延安段各速度目標(biāo)值方案工程經(jīng)濟(jì)比較

3.2.2 財(cái)務(wù)效益分析

財(cái)務(wù)效益分析表明，350 km/h的速度目標(biāo)值方案經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，其次為300 km/h，250 km/h和200 km/h方案經(jīng)濟(jì)性相對(duì)差，與通道研究結(jié)果趨勢一致。

3.2.3 銅延鐵路速度目標(biāo)值的選擇

上述分析表明，不同速度目標(biāo)值方案中項(xiàng)目工程投資差異、財(cái)務(wù)效益趨勢研究結(jié)果與通道基本一致(350 km/h方案最優(yōu))。但考慮本線在運(yùn)營初期，高鐵通道未形成，以承擔(dān)城際客流為主，平均運(yùn)距短，350 km/h的速度優(yōu)勢暫不能充分發(fā)揮。因此，速度目標(biāo)值推薦采用250 km/h預(yù)留350 km/h。

包西高鐵通道銅川至延安段南側(cè)的西安至銅川段，受站位、渭河橋位、引入西安樞紐拆遷工程以及鋪設(shè)有砟軌道、預(yù)留其他線路接軌條件等因素控制，在樞紐內(nèi)局部限速[3]。北側(cè)的延安至榆林段速度目標(biāo)值為350 km/h[15]。

本線采用250 km/h預(yù)留350 km/h的速度目標(biāo)值方案，既可以滿足城際客流需求，節(jié)省工程投資，也可以滿足未來高鐵通道的需求。

4 結(jié)語

包西高鐵銜接西武、西渝、鄭西、西寶高鐵等多條高標(biāo)準(zhǔn)的線路，主要承擔(dān)中長途跨區(qū)客流和沿線城際客流，具備建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)通道需求。速度目標(biāo)值的選擇需統(tǒng)籌考慮通道內(nèi)各段落承擔(dān)的各種運(yùn)輸任務(wù)，通過比較不同速度目標(biāo)值方案的特點(diǎn)，結(jié)合建設(shè)時(shí)序，進(jìn)行多方面分析比較，最終確定適合本線功能定位的速度目標(biāo)值方案為250 km/h預(yù)留350 km/h。