新建包海通道西康高速鐵路最大坡度研究

王小紅

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 軌道交通工程信息化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710043)

1 概述

西康高速鐵路(西安東—安康北)位于陜西省南部，連接關(guān)中城市群核心城市西安和陜南重鎮(zhèn)安康，向南延伸至成渝城市群核心城市重慶，是西渝高速鐵路(西安東—重慶北)的北段，為國(guó)家“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)之縱向包海通道的重要組成部分。西康高速鐵路北起西安樞紐西安東(紡織城)站，向南途經(jīng)西安市灞橋區(qū)、長(zhǎng)安區(qū)，商洛市柞水縣、鎮(zhèn)安縣，安康市旬陽(yáng)縣、漢濱區(qū)，在安康新區(qū)新設(shè)安康北高速鐵路站，預(yù)留向重慶方向延伸的條件，縱貫3市6區(qū)縣，線路全長(zhǎng)170.365 km，其中西安市境內(nèi)32.162 km、商洛市境內(nèi)82.253 km、安康市境內(nèi)54.950 km。全線共分布西安東、引鎮(zhèn)、秦楚古道、柞水西、鎮(zhèn)安西、小河西、安康北7處車站[1]。根據(jù)運(yùn)量預(yù)測(cè)，西康高速鐵路客流密度近期(2030年) 1 829萬人公里/ km、遠(yuǎn)期(2040年)2 322萬人公里/ km，開行動(dòng)車組列車近期80對(duì)/d、遠(yuǎn)期105對(duì)/d[2]。西康高速鐵路線路走向示意圖如圖1所示。

圖1 西康高速鐵路線路走向示意圖Fig.1 Xi’an-Ankang high-speed railway alignment

西康高速鐵路主要通過渭河盆地、秦嶺山地、安康盆地三大地貌單元。①渭河盆地：海拔高程350 ～ 700 m。線路走行于浐河、庫(kù)峪河兩岸的一、二級(jí)階地，地形平坦，地勢(shì)開闊。浐河至大峪口段通過少陵塬及山前洪積扇，少陵塬塬面平坦開闊，山前洪積扇地形起伏較大。沿線村莊星羅棋布，交通便利。②秦嶺山地：海拔高程500 ～ 2400 m，相對(duì)高差300 ～ 820 m，屬中山區(qū)。秦嶺山脈在渭河沖積平原南緣拔地而起，是長(zhǎng)江、黃河兩大水系的分水嶺，溝谷十分發(fā)育，山巒起伏，溝壑縱橫，植被茂密，人煙稀少，交通不便。③安康盆地：沖積平原區(qū)，海拔高程260 ～ 400 m，線路走行于月河、漢江一、二級(jí)階地上，地形相對(duì)平坦[3]。

結(jié)合沿線地貌特征，西康高速鐵路全線地形總體走勢(shì)呈現(xiàn)中間高兩端低的格局。翻越秦嶺段山勢(shì)陡峻，支溝短淺無展線條件，需要采用大坡度抬坡適應(yīng)地形，以縮短越嶺隧道長(zhǎng)度；秦嶺南岸支溝發(fā)育，溝長(zhǎng)坡緩，線路坡度基本不受控制，以設(shè)置合理工程為主。西康高速鐵路線路縱斷面示意圖如圖2所示。

2 新建包海通道西康高速鐵路最大坡度研究

2.1 方案分析

最大坡度是高速鐵路重要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一，對(duì)線路的走向、長(zhǎng)度、工程投資、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用、運(yùn)輸質(zhì)量、輸送能力等均具有較大影響，尤其對(duì)于山高溝深的復(fù)雜地形，選擇經(jīng)濟(jì)合理的坡度方案更為重要。因此，主要結(jié)合線路所經(jīng)沿線地形、地質(zhì)條件，綜合分析工程投資、運(yùn)輸質(zhì)量、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用、運(yùn)輸能力等影響因素，對(duì)新建包海通道西康高速鐵路最大坡度方案進(jìn)行研究。

圖2 西康高速鐵路線路縱斷面示意圖Fig.2 Profile of Xi’an-Ankang high-speed railway

目前秦嶺地區(qū)分布的既有線主要有寶成鐵路(寶雞東—成都)、西康鐵路(新豐鎮(zhèn)—安康東)、寧西鐵路(新豐鎮(zhèn)—合肥東)及西成高速鐵路(西安北—成都東)，規(guī)劃建設(shè)的有西武高速鐵路(西安東—武漢)[4]。相關(guān)鐵路翻越秦嶺最大坡度及相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 相關(guān)鐵路翻越秦嶺最大坡度及相關(guān)技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Ruling gradients and relevant technical indicators of relevant railway crossing Qinling mountains

《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：“區(qū)間正線的最大坡度不宜大于20‰，困難條件下經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后不應(yīng)大于30‰。”[5]區(qū)域路網(wǎng)內(nèi)大西高速鐵路(大同—西安北)最大坡度一般20‰、局部30‰，鄭西高速鐵路(鄭州東—西安北)、西寶高速鐵路(西安北—寶雞南)最大坡度20‰，銀西高速鐵路(銀川—西安北)、西成高速鐵路、西延高速鐵路(西安東—延安)、西武高速鐵路最大坡度一般20‰、局部25‰。

參考相關(guān)鐵路越秦嶺最大坡度及相關(guān)技術(shù)指標(biāo)及《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》，結(jié)合沿線地形條件，西康高速鐵路柞水至安康段線路基本與既有西康鐵路平行布線，西康鐵路采用13‰的坡度與地形相適應(yīng)，高速鐵路在該段采用20‰的坡度亦能適應(yīng)地形，僅考慮部分工程設(shè)置的合理性，局部采用25‰的坡度。西康高速鐵路西安至柞水越嶺段落最大自然縱坡達(dá)35‰，大坡度可以縮短隧道長(zhǎng)度，降低橋梁高度，有效節(jié)省工程投資，但增加運(yùn)營(yíng)成本，降低運(yùn)輸能力和線路能力，因而對(duì)西安至柞水越嶺段研究20‰，25‰，30‰ 3個(gè)最大坡度方案。西安至柞水坡度方案構(gòu)成示意圖如圖3所示。

2.2 方案比選

2.2.1 工程經(jīng)濟(jì)性分析

20‰坡度方案考慮工程的合理性，線路展長(zhǎng)1.75 km，主越嶺隧道長(zhǎng)20.74 km，工程投資增加較大。25‰坡度方案，線路基本順直，主越嶺隧道長(zhǎng)15.88 km，嶺前最大橋高70 m。30‰坡度方案為縮短越嶺隧道長(zhǎng)度，選擇在溝口上游處進(jìn)洞，雖然越嶺主隧道縮短1.11 km，但大峪河段河床縱坡達(dá)到10%，隧道進(jìn)口標(biāo)高抬高110 m，嶺前橋梁高達(dá)105 m，相比25‰坡度方案節(jié)省工程有限。西安至柞水坡度方案工程經(jīng)濟(jì)對(duì)照如表2所示。

線路所經(jīng)地形山高谷深，地勢(shì)陡峻，采用25‰的坡度方案能較好適應(yīng)地形，并且能有效縮短隧道長(zhǎng)度、降低橋梁高度[6]，經(jīng)比較分析，25‰方案較20‰方案縮短線路1.75 km，工程投資節(jié)省5.01億元，節(jié)省效果明顯，30‰方案較25‰方案線路長(zhǎng)度縮短0.48 km，相差不大，越嶺隧道長(zhǎng)度和橋梁高度均沒有明顯改善，投資僅節(jié)約0.55億元，工程投資相當(dāng)。

2.2.2 運(yùn)輸質(zhì)量、運(yùn)營(yíng)能耗適應(yīng)性分析

因動(dòng)車組爬坡能力強(qiáng)，在克服高程障礙相差不大的情況下，不同坡度方案運(yùn)輸質(zhì)量、能耗相差不大。針對(duì)不同坡度方案的線路長(zhǎng)度、坡度分布情況，通過模擬牽引計(jì)算分析[7]，采用CRH380型動(dòng)車組，8輛編組，對(duì)各方案運(yùn)行時(shí)分、技術(shù)速度及運(yùn)營(yíng)能耗指標(biāo)進(jìn)行分析，不同坡度方案運(yùn)輸質(zhì)量及運(yùn)營(yíng)能耗比較如表3所示。

圖3 西安至柞水坡度方案構(gòu)成示意圖Fig.3 Gradient of Xi’an to Zhashui section

表2 西安至柞水坡度方案工程經(jīng)濟(jì)對(duì)照表Tab.2 Contrast of engineering economyof gradient schemesof Xi’an to Zhashui section

不同坡度方案線路長(zhǎng)度相當(dāng)，運(yùn)輸質(zhì)量、列車運(yùn)營(yíng)能耗相差較小。

2.2.3 運(yùn)輸能力適應(yīng)性分析

根據(jù)高速鐵路現(xiàn)狀技術(shù)裝備(動(dòng)車組、車載等)及實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況，動(dòng)車組在不同坡度方案，尤其在持續(xù)長(zhǎng)大下坡段落制動(dòng)距離、追蹤間隔影響明顯，導(dǎo)致運(yùn)輸能力差別較大[8]。高速鐵路列車區(qū)間追蹤間隔可表示為

式中：l列為列車長(zhǎng)度，按16輛編組，取420 m；l分區(qū)為分區(qū)長(zhǎng)度，m；l防為列車防護(hù)距離，取110 m；l制為列車制動(dòng)距離，m；t附為附加運(yùn)行時(shí)分，按15 s考慮；V運(yùn)為列車運(yùn)行速度，km/h。

表3 不同坡度方案運(yùn)輸質(zhì)量及運(yùn)營(yíng)能耗比較Tab.3 Comparison of transportation quality and operation energy consumption of different gradientschemes

通過理論計(jì)算，在-20‰的坡度上，運(yùn)行速度由305 km/h降至0 km/h，制動(dòng)距離為17 083 m、追蹤間隔為4.5 min；運(yùn)行速度由205 km/h降至0 km/h，制動(dòng)距離為11 237 m、追蹤間隔3.6 min。在-25‰的坡度上，運(yùn)行速度由305 km/h降至0 km/h，制動(dòng)距離為23 994 m、追蹤間隔為5.9 min；運(yùn)行速度由205 km/h降至0 km/h，制動(dòng)距離為14 609 m、追蹤間隔為4.5 min。在-30‰的坡度上，運(yùn)行速度由305 km/h降至0 km/h，制動(dòng)距離為37 879 m、追蹤間隔為9.1 min；運(yùn)行速度由205 km/h降至0 km/h，制動(dòng)距離為21 331 m、追蹤間隔為6.1 min。

由不同坡度方案下列車制動(dòng)距離及追蹤間隔的計(jì)算結(jié)果可見，持續(xù)長(zhǎng)大下坡地段，25‰方案、30‰方案較20‰方案制動(dòng)距離增幅較大，最小追蹤間隔同步增加，對(duì)線路能力有較大影響。高速鐵路20‰以上的持續(xù)長(zhǎng)大坡段應(yīng)慎用，需經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選后采用，在工程投資相差不大時(shí)，應(yīng)盡量選擇較小坡度，以便為運(yùn)營(yíng)創(chuàng)造良好條件。

2.3 方案選擇

綜合以上分析，采用25‰坡度方案，符合相關(guān)規(guī)范要求，與相鄰高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)相統(tǒng)一，路網(wǎng)匹配性好；能適應(yīng)沿線地形條件，節(jié)省工程投資明顯，經(jīng)濟(jì)性較好；線路能力可滿足運(yùn)輸需求，而且能保證較好的運(yùn)輸質(zhì)量。因此，西康高速鐵路最大坡度應(yīng)采用25‰。

3 結(jié)束語(yǔ)

新建包海通道西安至安康高速鐵路最大坡度方案的確定，為主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、線路走向、工程投資的確定奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐，為沿線居民出行及地方經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展起到了積極的促進(jìn)作用，對(duì)中長(zhǎng)期高速鐵路網(wǎng)規(guī)劃及西部大開發(fā)戰(zhàn)略、“一帶一路”倡議的實(shí)施具有重要的推動(dòng)意義。西康高速鐵路采用的25‰最大坡度方案與地形適應(yīng)強(qiáng)、工程經(jīng)濟(jì)性好，符合路網(wǎng)規(guī)劃，滿足運(yùn)輸需求，保證運(yùn)輸安全，同時(shí)為高速鐵路在翻越秦嶺地段及復(fù)雜山區(qū)最大坡度選擇上提供研究依據(jù)。