克服大高差鐵路線路創(chuàng)新設(shè)計(jì)的探討

黃志相 楊麗玲

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031；2.中鐵城市發(fā)展投資集團(tuán)有限公司， 成都 610218)

大高差鐵路線路是指位于地形高差大的復(fù)雜山區(qū)鐵路，尤其是地形高差超過(guò)鐵路的最大縱坡，并需要展長(zhǎng)線路，以降低最大橋跨和最長(zhǎng)隧道的鐵路。我國(guó)西南山區(qū)山高谷深，地勢(shì)陡峻，河流切割劇烈，常形成深“ V”型和 “U”型河谷，構(gòu)造發(fā)育，巖性多變，不僅造成地質(zhì)異常復(fù)雜，還需面臨克服地形巨大高差的鐵路選線設(shè)計(jì)難題。

為克服地形的巨大高差，常規(guī)做法是根據(jù)TB 10098-2017《鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范》[1](以下簡(jiǎn)稱(chēng)《線規(guī)》)，適當(dāng)選取最大限制坡度和加力坡度的前提下，通過(guò)展長(zhǎng)線路[2]，從而獲得技術(shù)可行且經(jīng)濟(jì)合理的大跨橋梁和最長(zhǎng)隧道工程，最終取得較佳的線路方案。

本文以西南山區(qū)某鐵路工程設(shè)計(jì)為背景，提出了一種創(chuàng)新的思路和方法，不僅能夠有效縮短線路長(zhǎng)度和節(jié)省工程投資，還繞避了更多不良地質(zhì)，降低了工程風(fēng)險(xiǎn)，效果顯著。

1 西南山區(qū)某鐵路概況

該鐵路位于西南省份，地形地質(zhì)十分復(fù)雜，主要不良地質(zhì)為：活動(dòng)斷裂、高地溫、高地應(yīng)力、滑坡、巖溶、放射性、有害氣體等，線路總長(zhǎng)332 km，其中橋隧長(zhǎng)度為307 km，占線路長(zhǎng)度比重為92.5%，其中隧道占比為84%[3]。主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。

表1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)表

該線路主要穿越無(wú)量山山脈、哀牢山山脈及四角山山脈，跨李仙江、紅河等大江(河)，山高谷深、溝谷深切，地形起伏劇烈，沿線地形高程，如表2所示。

表2 沿線地形高程表

由表2可知，有4處自然坡度大于20‰，其中2處自然坡度超過(guò)30‰。根據(jù)《線規(guī)》及結(jié)合目前成熟的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，取限制坡度為12‰[4]，雙機(jī)牽引加力坡為24‰為基礎(chǔ)，作進(jìn)一步研究。

2 創(chuàng)新設(shè)計(jì)

根據(jù)《線規(guī)》規(guī)定，160 km/h客貨共線鐵路，單洞單線隧道內(nèi)(其隧道軌面以上凈空面積42.11 m2)的線路坡度，線路坡度的折減系數(shù)應(yīng)符合(如表3所示)規(guī)定。

表3 內(nèi)燃、電力牽引鐵路隧道內(nèi)線路最大坡度折減系數(shù)表

隧道長(zhǎng)度/m內(nèi)燃牽引電力牽引160 km/h及以下客貨共線鐵路單洞單線重載鐵路單洞單線4004 0000.750.85

本線隧線比高達(dá)84%，且多數(shù)為大于4 km的長(zhǎng)隧道，折減系數(shù)為0.85[5]。如按10 km的線路長(zhǎng)度，且均位于隧道內(nèi)，按最大加力坡24‰以及0.85的折減系數(shù)，實(shí)際坡度值僅為20.4‰，在10 km范圍內(nèi)爬升204 m。相比較24‰的坡度損失了36 m的高差，為彌補(bǔ)這一損失，只能通過(guò)展線，通過(guò)線路長(zhǎng)度來(lái)彌補(bǔ)。

換一種思路，如能通過(guò)減少隧道地段的縱坡折減值，則可最大限度地用足坡度，達(dá)到縮短線路展線長(zhǎng)度和降低工程投資[6]。根據(jù)《線規(guī)》規(guī)定，不同的設(shè)計(jì)速度、隧道斷面積和隧道長(zhǎng)度，所采用的折減系數(shù)不同，并且隧道斷面越大，隧道附加空氣阻力越小[7]，線路縱坡的減緩值越小。另外隧道空氣附加阻力與線路坡度標(biāo)準(zhǔn)或隧道擬設(shè)坡度無(wú)關(guān)，相對(duì)于最大坡度的影響，隧道斷面對(duì)隧道坡度折減的影響更大。故可適當(dāng)加大隧道斷面積，以達(dá)到縮短線路長(zhǎng)度和降低工程投資的目標(biāo)。

《線規(guī)》規(guī)定,長(zhǎng)度大于 1 000 m的電力牽引客貨共線鐵路120 km/h及以上單洞雙線和200 km/h單洞單線隧道內(nèi)的線路坡度，線路坡度的減緩值，如表4所示。

表4 電力牽引客貨共線鐵路隧道內(nèi)線路最大坡度減緩值(‰)

隧道長(zhǎng)度/m設(shè)計(jì)速度200 km/h160 km/h120 km/h單洞單線單洞雙線單洞雙線單洞雙線1 00025 0000.930.370.430.66

客貨共線鐵路速度標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)隧道斷(凈空)面積[8]，如表5所示。

表5 速度目標(biāo)值對(duì)應(yīng)隧道斷(凈空)面積(m2)

故同樣在最大加力坡24‰和10 km長(zhǎng)隧道條件下，通過(guò)加大隧道斷面至200 km/h單洞單線標(biāo)準(zhǔn)(隧道軌面以上凈空面積52.01 m2)，縱坡減緩值為0.76，實(shí)際坡度值為23.24，在10 km范圍內(nèi)可爬升232.4 m，較按0.85的折減系數(shù)，多爬升28.4 m，可節(jié)省線路長(zhǎng)度1.39 km，節(jié)省靜態(tài)投資1.32億元。如在較長(zhǎng)的線路長(zhǎng)度范圍內(nèi)比較，則節(jié)省工程投資更為明顯。

這一創(chuàng)新設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)牽引計(jì)算，可滿(mǎn)足列車(chē)運(yùn)輸需求，但由于僅為理論計(jì)算和推導(dǎo)，尚缺乏運(yùn)營(yíng)實(shí)踐證明。尤其是對(duì)于非正常工況下的檢驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)，如在雙機(jī)或三機(jī)加力坡條件下采用更大線路縱坡，列車(chē)是否能夠正常啟動(dòng)，尚需要進(jìn)一步實(shí)踐檢驗(yàn)。另外從運(yùn)輸組織看，本段采用更大線路縱坡后，還需結(jié)合相鄰路網(wǎng)牽引質(zhì)量、到發(fā)線有效長(zhǎng)及最大縱坡的采用情況，進(jìn)一步分析影響和適應(yīng)性。

從我國(guó)客運(yùn)電力機(jī)車(chē)發(fā)展方向看，和諧系列將逐步取代SS系列客車(chē)，且機(jī)車(chē)性能將不斷提高，是完全可以滿(mǎn)足線路采用更大縱坡的需求。

3 案例分析

為更好總結(jié)和分析創(chuàng)新方法的工程對(duì)比和實(shí)際效果，擬分別按照越嶺地段、隧道密集段、過(guò)渡展線隧道段等三個(gè)典型場(chǎng)景進(jìn)行詳細(xì)分析。

根據(jù)表2中的4處自然坡度大于20‰段落，按照標(biāo)準(zhǔn)隧道斷面標(biāo)準(zhǔn)(42.11 m2)和加大隧道斷面后(52.01 m2)的不同縱坡折減標(biāo)準(zhǔn)兩方案，進(jìn)行具體線路方案設(shè)計(jì)，并統(tǒng)計(jì)各自主要技術(shù)指標(biāo)。

3.1 越嶺段(哀牢山脈-紅河段)

本段主要受哀牢山越嶺控制，線路展線長(zhǎng)度較長(zhǎng)，用更大的坡度能有效縮短展線長(zhǎng)度，并節(jié)省工程投資。根據(jù)研究，分別按照不同隧道斷面積所對(duì)應(yīng)的縱坡折減值，進(jìn)行線路方案設(shè)計(jì)。兩方案主要技術(shù)指標(biāo)，如表6所示。

表6 方案主要技術(shù)指標(biāo)表

由表7可知，本段線路方案采用標(biāo)準(zhǔn)隧道斷面，按照《線規(guī)》折減坡度，最大坡度為20.4‰，線路總長(zhǎng)62 km,投資51.62億元。加大隧道斷面后，同樣按照《線規(guī)》折減坡度，最大坡度高達(dá)23.11‰，與原標(biāo)準(zhǔn)隧道斷面比較，線路長(zhǎng)度縮短7.397 km，總投資節(jié)省2.51億元。

3.2 隧道密集段(無(wú)量山脈-李仙江-哀牢山)

本段隧道占線路總長(zhǎng)度比例高達(dá)93%以上，同時(shí)受李仙江橋跨控制，李仙江水面較寬，水較深，從不設(shè)水中墩角度考慮，使用較大坡度并不能縮短橋梁主跨長(zhǎng)度，故在維持李仙江同一主跨橋梁方案情況下縮短線路長(zhǎng)度。根據(jù)研究，推薦李仙江橋跨為(42+154+280+154+126+112)m連續(xù)雙層鋼-混結(jié)合桁梁橋方案?；谶@一橋跨，分別按照不同隧道斷面積所對(duì)應(yīng)的縱坡折減值，進(jìn)行線路方案設(shè)計(jì)。兩方案主要技術(shù)指標(biāo)，如表7所示。

表7 方案主要技術(shù)指標(biāo)表

由表6可知，本段線路方案采用標(biāo)準(zhǔn)隧道斷面，按照《線規(guī)》折減坡度，最大坡度為20.4‰，線路總長(zhǎng)59.9 km,投資51.88億元。加大隧道斷面后，同樣按照《線規(guī)》折減坡度，最大坡度高達(dá)23.11‰，與原標(biāo)準(zhǔn)隧道斷面比較，線路長(zhǎng)度縮短4.361 km，總投資節(jié)省1.92億元。

3.3 過(guò)渡展線隧道段(紅河-四角山脈段)

本段線路展長(zhǎng)系數(shù)為，為過(guò)渡展線隧道段。線路受紅河、龍岔河橋跨及越嶺四角山控制，區(qū)域地質(zhì)較復(fù)雜，沿線所經(jīng)河流兩岸滑坡、危巖落石等不良地質(zhì)較發(fā)育，加上受采空區(qū)、活動(dòng)斷裂、地?zé)岙惓^(qū)等因素影響，通過(guò)加大隧道斷面后，使用更大坡度無(wú)法有效縮短線路長(zhǎng)度，但能有效降低大跨橋梁工程和改善設(shè)站條件。

根據(jù)研究，分別按照不同隧道斷面積所對(duì)應(yīng)的縱坡折減值，進(jìn)行線路方案設(shè)計(jì)。兩方案主要技術(shù)指標(biāo)，如表8所示。

表8 方案主要技術(shù)指標(biāo)表

由表8可知，本段線路方案采用標(biāo)準(zhǔn)隧道斷面，按照《線規(guī)》折減坡度，最大坡度為20.4‰，線路總長(zhǎng)67.5 km,投資65.15億元。加大隧道斷面后，同樣按照《線規(guī)》折減坡度，最大坡度高達(dá)23.11‰，與原標(biāo)準(zhǔn)隧道斷面比較，線路長(zhǎng)度縮短0.1 km，總投資節(jié)省1.66億元。

3.4 方案比選

上述三段線路方案，采用160 km/h單線單洞標(biāo)準(zhǔn)隧道斷面進(jìn)行隧道內(nèi)線路最大坡度折減，線路緊坡段落線路長(zhǎng)121.9 km，通過(guò)加大隧道斷面，減少線路縱坡的折減，有效縮短了線路長(zhǎng)度11.858 km，降低了大跨橋跨及改善了設(shè)站條件等，共節(jié)省工程投資6.09億元，經(jīng)濟(jì)效果顯著。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合《線規(guī)》規(guī)定，根據(jù)工程實(shí)例，在克服地形巨大高差的山區(qū)鐵路選線設(shè)計(jì)中提出一種創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路和方法。

為克服大高差，結(jié)合《鐵規(guī)》中關(guān)于線路縱坡折減的新規(guī)定，提出了一種創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，針對(duì)線路緊坡地段，首先盡量選用最大坡度，適當(dāng)加大隧道斷面積，以減小縱坡減緩值，最大限度地用足坡度，達(dá)到縮短線路長(zhǎng)度和節(jié)省工程投資的目標(biāo)。