哈綏鐵鐵路主要技術標準及運輸組織方案研究

趙 鵬 丁學鋒 孫文廣

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 概述

新建哈爾濱至綏化至鐵力鐵路位于黑龍江省中部,南起哈爾濱市,途經呼蘭區(qū)、綏化市、慶安縣,終至鐵力市,是黑龍江省“一核一橫三縱多聯(lián)通”快速鐵路網的組成部分。 本項目哈爾濱北站(不含)至鐵力站(不含)間新建正線長187.34 km,利用哈齊高鐵哈北聯(lián)絡線4.66 km、濱洲鐵路哈爾濱北至哈爾濱段13.24 km,擬建鐵力至伊春鐵路0.78 km,哈爾濱站至鐵力站總運營長度為206.04 km。

2 區(qū)域路網概況

2.1 區(qū)域既有路網概況

黑龍江省鐵路網已形成以哈爾濱樞紐為中心,以京哈、哈齊、哈牡、哈佳鐵路為快速客運網主骨架,以京哈、濱洲、濱綏、濱北、平齊、通讓線為客貨運網絡骨干,以北黑、綏佳、齊富、富西、佳鶴線等支線鐵路為補充的路網格局[4]。 主要技術標準見表1。

表1 區(qū)域路網既有及在建高速、快速鐵路主要技術標準

2.2 規(guī)劃區(qū)域鐵路網

根據2016 年7 月國務院印發(fā)的《中長期鐵路網規(guī)劃》有關內容,研究年度區(qū)域鐵路網將進一步加密,主要通道實現客貨分線,高速鐵路網絡骨架基本建成,口岸鐵路得到加強,沿邊鐵路通道形成,資源開發(fā)性鐵路逐步完善,既有線服務質量和運輸能力進一步強化。

根據2018 年6 月黑龍江省發(fā)改委印發(fā)的《黑龍江省鐵路“十三五” 規(guī)劃》[5], 研究年度規(guī)劃遠期(2035 年)打造“一核一橫三縱多聯(lián)通”的快速鐵路網,形成以哈爾濱為中心,通達周邊地市1 ～2 h,通達周邊重要城市群2 ～3 h,與邊境城市、主要旅游景區(qū)、景點快速通達或夕發(fā)朝至,進京通道縮短至5 h 內[6]。

至目前為止,黑龍江省中長期鐵路網規(guī)劃項目中已建成哈牡高鐵、哈齊高鐵、哈佳鐵路等項目,在建有牡佳高鐵、同江鐵路大橋等項目。 本項目建成后,將與哈牡高鐵、哈齊高鐵、哈佳鐵路、牡佳高鐵等一同形成以哈爾濱為中心,輻射黑龍江省全境的快速鐵路網。本項目是“一核一橫三縱多聯(lián)通”快速鐵路網之“中縱”的組成部分。

3 建設方案研究

從功能定位分析:本項目是國家高速鐵路網的北延伸線,是黑龍江省“一核一橫三縱多聯(lián)通”快速鐵路網的組成部分。 通道內需要建設一條高標準、大能力的快速客運通道,滿足通道內客流增長需求,提高旅客運輸質量。

從客貨運量特征分析:研究年度通道內客流增長較快,旅客列車在行車量中占比較大,通道內新建線應以滿足旅客高質量出行作為首要目標。

從運輸能力分析:研究年度通道最大行車量為133 對;我國鐵路的運營經驗表明,雙線鐵路最大合理負荷可達130 對左右。 因此,既有鐵路兩線格局基本可擔當通道預測運量。

從時間目標分析:本項目若按貨運專線建設,不滿足“環(huán)哈爾濱1 h、2 h 經濟圈”的時間目標要求;若按客貨共線鐵路方案,客車最高運行速度一般為160 km/h(客車分時段最高運行速度為200 km/h),亦不滿足“環(huán)哈爾濱1 h、2 h 經濟圈”時間目標要求,且客貨共線鐵路的客貨列車速度差較大,其通過能力要遠小于客運專線。

綜上分析,通道內新建貨運專線方案、新建客貨共線方案均不合理;為滿足哈爾濱至綏化至鐵力通道沿線旅客快速出行、提高經濟效益的需要,著重研究新建客運專線方案

4 主要技術標準選擇

4.1 速度目標值

(1)功能定位

哈爾濱至綏化至鐵力鐵路是《中長期鐵路網規(guī)劃》“八縱八橫”高速鐵路主通道中“京哈-京港澳通道”的北延伸線,也是《黑龍江省鐵路“十三五”規(guī)劃》中“一核一橫三縱多聯(lián)通”快速鐵路網的重要組成部分,建成后將有效縮短哈爾濱與綏化、伊春、黑河等主要城市間的時空距離,也將成為伊春和綏化等沿線城市南下至北京、天津、大連等地的主要通道,路網地位重要,客流需求強;哈綏鐵通道既有線速度標準偏低,區(qū)域內缺乏高鐵通道,本線的建成將對提升旅客出行質量、縮短出行時間、構建“環(huán)哈爾濱1 h、2 h 經濟圈”具有重要意義。 因此,從技術政策、路網規(guī)劃、設計規(guī)范、項目功能定位及客流特征等方面考慮,研究比選了200 km/h、250 km/h、300 km/h、350 km/h 四個方案。

(2)客流特征

客流預測表明,本線城際客流占比為54%左右,跨線客流占比為46%左右。 因此,本項目是一條主要承擔城際客流、兼顧中長途客流的區(qū)域高速鐵路。

按運距進行劃分,運距500 km 以下的客流占比為55%;500 ～1 000 km運距客流占比為25%;1 000 km以上運距客流占比為20%,本線客流平均運程為550 km(見圖1)。

圖1 客流運距構成

(3)市場競爭能力分析

高速公路:目前,哈爾濱—綏化、鐵力、伊春間通過鶴哈高速和G222 等公路通道實現旅客交流,大巴運營長度分別為115 km、215 km、330 km,旅行時間為1.6 h、3.0 h、3.7 h。

本線若采用200 km/h 速度目標值,哈爾濱至綏化、鐵力、伊春間最短旅行時間為0.6 h、1.1 h、1.6 h,鐵路競爭優(yōu)勢明顯;本線若采用250 km/h 速度目標值,哈爾濱至綏化、鐵力、伊春間最短旅行時間為0.5 h、1 h、1.5 h,可實現“以哈爾濱為中心的1 h、2 h交通圈”目標。

民航:研究范圍主要機場有哈爾濱、黑河、伊春、加格達奇等,由于本項目各城市間距離較短,且黑河、伊春、加格達奇為支線機場,吞吐量小,每日航班數量較少,且值乘飛機多數為中小型機,航行速度相對低,載客量小,票價較鐵路高,無法滿足旅客日常出行的需要。

對于長途客流,當鐵路速度目標值為250 km/h、300 km/h、350 km/h 時,考慮附加出行時間因素,運程為800 km、1 100 km、1 500 km及以內時,高鐵較民航具備較強的市場競爭優(yōu)勢。 經驗表明,在運程為1 000 ～2 000 km的客運市場中,高鐵與航空的競爭最為激烈;本線運程在1 000 km以上的客流主要經由京哈高鐵及規(guī)劃線路(速度均以250 km/h 及以上)為主,具備與民航競爭的基本條件,宜采用較高的設計速度。

綜合本線長度、客流特征,以及高鐵正點率、舒適性、經濟性方面的優(yōu)勢,同時考慮到與既有線協(xié)調互補等因素,本線哈爾濱—綏化間時間目標值宜控制在0.5 h 左右,哈爾濱—鐵力間時間目標值宜控制在1.0 h 左右,哈爾濱—伊春間時間目標值宜控制在2.0 h 左右。

經初步計算,采用250 km/h 及以上方案對時間目標值適應性較好,運行時分見表2。

表2 不同速度目標值方案運行時分比較 min

(4)工程標準及工程投資

綜合考慮本項目功能定位、時間目標值要求,以及地形、地貌、地質條件等因素,本次主要對200 km/h、250 km/h、300 km/h、350 km/h 四個速度目標值方案進行研究比選。 各方案主要技術指標見表3。

表3 不同速度目標值方案工程標準比較

表4 為各方案的工程投資比較,由表4 可知,350 km/h 方案較250 km/h 方案投資增加51.52 億元,時間減少12 min,單程投資節(jié)時比為42 936萬元/min;300 km/h 方案較250 km/h 方案投資增加42.87 億元,時間減少7 min,單程投資節(jié)時比為61 249萬元/min;200 km/h 方案較250 km/h 方案投資減少21.40 億元,單程投資節(jié)時比為19 456萬元/min[9]。

(5)收益及成本

運價方面:200 ～250 km/h 動車綜合運價為0.29 元/人km、300 ～350 km/h 動車動車綜合運價為0.52 元/人公里。 經統(tǒng)計,東北地區(qū)已運營的200 ～250 km/h 高速鐵路二等座票價為0.35 ～0.39 元/km,均有一定程度的上浮。 未來高鐵運價還將進一步受市場綜合競爭能力影響[10]。

表4 不同速度目標值方案工程投資比較

成本方面:目前時速300 ～350 km 客運專線有關成本支出率為1800 元/萬人km、無關成本支出率為230 萬元/正線公里,而200 ～250 km 客運專線有關成本支出率為1 400 元/萬人km、無關成本支出率為180 萬元/正線公里,兩者相差近30%。

動車單價方面:350 km/h 動車組較250 km/h 動車組單價高50%。

收益率:對200 km/h,250 km/h,300 km/h,350 km/h 方案在運量、運價、運營成本、工程投資等方面的綜合影響進行分析:本項目全投資稅前財務內部收益率依次為-3.40%、-3.19%、-3.24%、-3.39%,250 km/h 方案財務效益最優(yōu)。

(6)與相鄰線速度目標值的協(xié)調配合及規(guī)劃要求

①與主要銜接線路技術標準匹配性

與本線客運交流密切的高鐵路網中,京哈高鐵設計速度為350 km/h,哈齊高鐵為250 km/h(預留300 km/h 條件)、哈牡高鐵為250 km/h,哈佳鐵路為200 km/h,鐵力至伊春、通齊高鐵均規(guī)劃為250 km/h。因此,從與相關路網協(xié)調匹配分析,本線選擇250 km/h 更能與相關線相匹配,以形成同標準的客運聯(lián)絡通道。

②相關規(guī)劃對時間目標的要求

根據黑龍江省鐵路“十三五”及中長期鐵路網規(guī)劃,構建“以哈爾濱為中心的1 h、2 h 交通圈”,實現“以哈爾濱為中心通達周邊城市1 ～2 h,溝通周邊重要城市2 ～3 h”目標,縮短與周邊各城市(綏化、伊春、黑河、大興安嶺等)的時空距離,綜合考慮鐵路網布局、交通圈及哈綏鐵通道整體時間目標要求,本線時間目標宜控制在1.0 h 以內,哈爾濱至伊春時間目標宜控制在2.0 h 以內。

(7)速度目標值研究結論

綜上所述,結合功能定位、客流構成、客流量級、經濟效益等方面綜合分析,本線采用250 km/h 速度目標值符合功能定位要求,有利于區(qū)域高鐵、快速鐵路的標準協(xié)調,綜合經濟效益較好。 因此,本次推薦采用250 km/h 速度目標值。

4.2 最大坡度

(1)動車組坡度適應性研究

客運專線主要運行高性能的電力動車組,最大坡度的選取主要受沿線地形、動車組對坡度的適應性、運營費用及與相鄰線路的匹配等因素影響。 研究表明,小于12‰坡度方案對改善動車組運營條件影響小而工程投資增加較大,目前在建和已開通運營的客運專線多采用20‰的最大坡度[1112]。

本線經過地區(qū)以平原為主,并伴有低山丘陵,地勢自東北向西南傾斜。 本線大部分地段采用20‰的最大坡度即能很好地適應地形的變化,采用30‰的最大坡度方案適應地形的條件有所改善,但對全線的工程投資影響很小,工程意義不大。 因此,本線最大坡度推薦20‰。

(2)普速車上線坡度適應性研究

①牽引方面

本項目上線客機機車考慮采用HXD1D、HXD3D兩種,其性能基本相當,機車持續(xù)速度為80 km/h,最高運營速度為160 km/h。 以HXD3D 為例,檢算其在12‰、15‰、20‰長大上坡道上的起動能力及持續(xù)牽引能力:不同坡度下,限坡牽引質量分別為1 850 t、1 530 t、1 190 t(34、26、20 輛車),起動牽引質量分別為2 340 t、1 940 t、1 500 t(40、33、25 輛車)。

經過檢算,在不大于20‰坡道上牽引和起動均不存在問題。 在15‰的長大上坡道上,持續(xù)速度也可達到120 km/h。 在初速度155 km/h 的情況下,進入12‰、15‰、20‰長大上坡道上后,前進1 km,列車最大降速分別為2.3 km/h、4.5 km/h 和8.0 km/h,隨后降速減緩,并最終達到持續(xù)速度134 km/h、118 km/h和98 km/h。

②制動方面

普速客車全部采用電控空氣制動,從目前已經運營的線路來看,石太客專下坡方向采用坡度達到18.5‰,客車制動方面不存在問題。

《鐵路技術管理規(guī)程》(高速鐵路部分)規(guī)定:160 km/h 的旅客列車(動車組除外)在任何線路上的緊急制動距離限值為1 400 m。 坡度大于20‰的下坡道,列車制動限速根據實際試驗確定。 坡度在20‰及以下的下坡道,限速值根據《鐵路技術管理規(guī)程》確定。 按照280 kN 換算閘瓦壓力查表,12‰時限速158 km/h,15‰時限速155 km/h,20‰時限速151 km/h[13]。

目前,已投入運營的大功率HXD3D 機車已在沈陽局、西安局、蘭州局、北京局、南寧局、昆明局以及沿海鐵路上運用,可滿足15‰坡道持續(xù)120 km/h 牽引客車的需要,可適應的最大坡度達到25‰(80 km/h 持續(xù)牽引)。 本線實際牽引計算表明,全線基本達速160 km/h,滿足本線的運營要求。

綜上所述,本項目即使采用普速車上線的運行組織模式,也可適應本線的最大坡度(20‰)。 因此,本次研究推薦最大坡度為20‰。

4.3 主要技術標準

(1)鐵路等級:高速鐵路;

(2)設計速度:250 km/h;

(3)正線數目:雙線;

(4)正線線間距:4.6 m;

(5) 最小平面曲線半徑: 一般3 500 m, 困難3 000 m;

(6)最大坡度:20‰;

(7)牽引種類:電力;

(8)動車組及機車類型:CRH 系列、HXD 系列;

(9)到發(fā)線有效長度:650 m;

(10)列車運行控制方式:自動控制;

(11)調度指揮方式:綜合調度集中;

(12)最小行車間隔:5 min。

5 運輸組織及運營管理模式研究

5.1 普速車上線研究

(1)相關區(qū)域線路運輸組織模式

濱洲線哈齊段線路允許速度為160 km/h,哈齊高鐵設計速度為250 km/h(預留300 km/h 條件,只運行動車組列車);濱綏線哈牡段線路允許速度為120 km/h,哈牡高鐵設計速度250 km/h(只運行動車組列車);哈佳鐵路為200 km/h 客貨共線鐵路,開通運營后,只開行動車組列車,哈爾濱-佳木斯方向間普速客車和貨物列車仍經濱北線、綏佳線運行;鐵伊鐵路已確定250 km/h 速度標準,采用動車組兼顧普速車上線的運輸組織模式。

(2)200 ～250 km/h 客專線路普速車上線運營經驗

普速車上線的原因多種多樣:我國目前是一個發(fā)展中國家,人均收入較低,上線普速客車的經濟性與舒適性較突出,尤其是“過夜”的長途客車;通道內的普速線技術標準較低,相關普速線的能力不足,必須分流普速車上客專運行;同時,也是提高客運專線效益的需要。

通過對秦沈(即現京哈線秦皇島沈陽段)、石太、膠濟客運專線,南昌鐵路局管轄線路昌九城際、杭深線、昌福線等上線普速車的特征分析,上線普速車平均編組輛數約為18 輛(最大19 輛,最小15 輛);上線普速車全部是跨線車和“過夜”的長途車。

(3)本項目的上線普速車

①普速車上線運行的原則

采用160 km/h 普速車底;普速車上線宜為跨線車(重要節(jié)點城市間、重要節(jié)點城市和重要旅游景區(qū)間)。

②具備上線條件的既有普速車

根據規(guī)劃路網,本項目可能上線的既有普速車多來自伊春、黑河、加格達奇、漠河等站,參照普速車上線研究結論,現狀開行具備本線運行條件的普速客車有12 對,見表5。

表5 具備上線運行條件普速客車對數

③研究年度上線的普速車

研究年度普速車上線運行開行方案見表6。

表6 哈綏鐵鐵路普速車上線開行方案

通道內佳木斯和鶴崗方向的普速客車經由哈佳鐵路、佳鶴線,其運輸時間更短、徑路最優(yōu)。 因此,本項目不考慮佳木斯方向普速車上線。

通道內伊春方向普速列車經由哈綏鐵鐵路、鐵伊鐵路,相較于濱北線、綏佳線、南烏線,本線運輸徑路縮短約121 km,普速車上線可提高旅客列車服務質量、縮短旅行時間。 除維持1 對普速車(齊齊哈爾—烏伊嶺)承擔沿途地方客流外,其余普速旅客列車可選擇哈綏鐵鐵路運行。

通道內北安方向以遠普速列車經由新線,相較于濱北線,運輸徑路長度相當(新建線短30 km)。 因此,上線普速車僅考慮黑河、加格達奇、漠河等重要節(jié)點城市和重要旅游景點五大連池等徑路,其他普速車仍維持既有線運行。

經預測,遠期本線最大區(qū)段日行車量為75 對(G/D 車58 對、普速車17 對),客運專線通過能力尚有較大富余,故普速車上線不會對250 km/h 速度動車組運行組織造成較大影響。

(4)通過能力適應性及運行時間

在普速車上線的客運專線中,日總行車量最大的是杭深線福廈段,達122 對(G/D 車119 對、普速車3 對);其次是京哈線秦沈段93.5 對(G/D 車63 對、普速車31.5 對);第三是膠濟82 對(G/D 車57 對、普速車25 對)。 研究年度本線遠期最大行車為75 對(G/D車58 對、普速車17 對),通過能力尚有一定富余[14]。

普速車在哈綏段和哈綏鐵段運行時分分別為47 min、87 min,較既有線節(jié)省41 min、64 min。 由此可見,普速車上線后,運輸服務質量有很大提高(見表7)。

表7 普速車上線時分對比 min

(5)上下線聯(lián)絡線

本項目普速車上線的節(jié)點為綏化、哈爾濱北,綏化地區(qū)需修建聯(lián)絡線7.43 km(單線),工程投資約3.03 億元。

(6)系統(tǒng)配套工程

客專到發(fā)線有效長為650 m,站臺長為450 m;普速車需要的到發(fā)線有效長為650 m、站臺長為550 m。

本線采用CTCS-2 級列控系統(tǒng)設計,動車組正常運行時按C2 級列控系統(tǒng)運行,以車載信號為行車憑證;普速車上線區(qū)間需按四顯示自動閉塞方式設置地面通過信號機,普速機車按列車運行監(jiān)控裝置(LKJ)及機車信號運行,以地面信號為行車憑證。 因此,需增設地面通過信號機,增加的工程投資約1 170萬元。

5.2 運輸組織模式推薦意見

根據普速車上線研究成果,本項目為高速鐵路,采用動車組客車、普速客車共線運行的運輸組織模式。

中國鐵路總公司《旅客列車開行方案編制管理辦法》(鐵總運函〔2015〕1127 號)規(guī)定:“時速300 km 線路開行去往時速200 ～250 km 線路的跨線列車,原則上實行高速下線。 時速300 km 線路不增開時速200 ～250 km 動車組列車?！北卷椖颗c京哈高鐵間的跨線車采用350 km/h 標準動車組,本線動車組、其余跨線動車組均采用250 km/h 標準動車組。

6 結論

哈綏鐵通道內尚無快速鐵路,既有濱北線、綏佳線建設年代早,線路允許速度低,旅客出行質量差,哈爾濱與沿線城市間迫切需要建設新的高速鐵路來提升通道運輸能力和運輸速度。 本項目將有效提高通道內哈爾濱—綏化—鐵力—伊春段技術標準和運輸能力,增強對中長途客流的吸引力,明顯提升城際旅客出行質量。 本項目對于構建國家高鐵線網、促進完善東北區(qū)域快速鐵路網的發(fā)展、縮短相關城市間出行時間、建設“以哈爾濱為中心的1h、2h 交通圈”具有重要意義。