焦柳鐵路超限坡區(qū)間擴能改造方案研究

張國虎

(中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司 線路站場設(shè)計院，天津 300308)

1 焦柳鐵路超限坡區(qū)間擴能改造方案分析

焦柳鐵路(焦作—柳州)起于河南省焦作月山站，止于廣西柳州南站，全長1 636.33 km，是我國中西部地區(qū)重要的南北鐵路干線，是南北客貨交流的重要通道之一，是一條以貨為主、兼顧客運的路網(wǎng)干線鐵路。焦柳鐵路懷化至柳州段屬于焦柳鐵路末端，為國鐵I級標(biāo)準(zhǔn)[1]單線鐵路，牽引質(zhì)量為3 000 t，內(nèi)燃機車牽引。為更好地與路網(wǎng)內(nèi)主要鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相匹配，需要對焦柳鐵路懷化至柳州段進(jìn)行電氣化擴能及提速改造[2]，其限制坡度采用6‰，牽引質(zhì)量提高至4 000 t (普超4 500 t)。

牙屯堡(K1373+904)至八斗(K1403+518.8)區(qū)間作為焦柳鐵路懷化至柳州段的超限坡地段，是焦柳鐵路懷化至柳州段電氣化擴能改造的控制工程。該區(qū)間坡度均大于限制坡度6‰。其中，下行方向最大坡度為9.3‰，上行方向最大坡度為11.9‰，超限坡地段高程差為230.5 m[3]。超限坡對列車運行速度和線路輸送能力均有很大影響[4]，對于單線鐵路，超限坡地段列車運行速度降低，增大鐵路運行圖周期，因而影響線路的平圖能力。為滿足焦柳鐵路懷化至柳州段電氣化擴能的需求，提高超限坡地段列車運行速度[5]，必須采取合理可行的超限坡地段擴能改造方案，以克服超限坡的影響。

為解決焦柳鐵路懷化至柳州段牙屯堡至八斗超限坡區(qū)間問題，提出既有線補機牽引方案(方案I)、既有線大功率機車動能闖坡方案(方案II)、展線軟化坡度方案(方案III)及局部增二線方案(方案IV) 4個擴能改造方案，并通過限制坡度與機車選型匹配性分析、方案工程技術(shù)經(jīng)濟比較和方案優(yōu)缺點分析進(jìn)行綜合評價[6-7]。

（1）方案I。牙屯堡至八斗區(qū)間既有線路長度29.615 km，包含水團、三江縣兩座車站，橋梁16座(有效長1.952 km)，隧道29座(有效長13.033 km)。方案I維持既有線路平面和縱斷面，超限坡地段采用雙機牽引，在八斗站設(shè)置補機點，牙屯堡站折返，由于區(qū)間既有坡度最大達(dá)到11.3‰，故雙機牽引坡度按12‰考慮。

（2）方案II。同方案I一樣，既有線路長度29.615 km，維持既有線路平面和縱斷面。但方案II對超限坡地段進(jìn)行牽引計算分析，采用大功率機車動能闖坡的方式跨越超限坡。采用動能坡原則上闖過坡頂速度應(yīng)不低于機車計算速度。但由于受氣象變化(暴風(fēng)雨、大霧、嚴(yán)寒冰凍等)、司機操作或列車調(diào)度不當(dāng)及線路維修需要減速等原因，常易造成列車運行緩慢或中途停車事故，一般不輕易采用動能闖坡。

（3）方案III。由于牙屯堡至八斗區(qū)間線路穿行于山區(qū)之間，地形條件復(fù)雜，橋隧相連，不具備沿既有線位落坡條件，因而考慮采用展線方式克服超限坡的高程差，限制坡度采用6‰。改建線路自既有鐵路牙屯堡站大里程側(cè)引出，沿既有線東側(cè)林溪河一路順應(yīng)地形迂回展線，以6‰足坡下行最終接入八斗站。方案III展線正線全長39.366 km，廢棄既有線長度29.018 km，沿線新設(shè)3座會讓站，新建大中橋40座(有效長10.22 km)，新建隧道18座(有效長17.53 km)。

（4）方案IV。由于牙屯堡至八斗區(qū)間超限坡主要集中在上行方向，而下行方向超限坡較短且最大坡度為9.3‰，對牽引質(zhì)量影響不大，故下行方向利用既有線，上行方向按新建二線考慮，限制坡度采用9‰。新建二線自既有鐵路牙屯堡站大里程側(cè)引出，基本并行既有線以9‰的坡度順應(yīng)地形展線后接入既有八斗站。方案IV下行方向超限坡地段可利用動能闖坡，上行方向增建二線正線全長29.178 km，取消2個會讓站，新建大中橋16座(有效長3.20 km)，新建隧道16座(有效長18.88 km)。

2 焦柳鐵路超限坡區(qū)間機車選型匹配性分析

機車牽引動力是受限制坡度影響因素之一，對鐵路提高運能、減少工程投資、降低工程風(fēng)險起到重要的作用。焦柳鐵路提速改造牽引定數(shù)4 000 t (普超4 500 t)，機車選型需滿足牽引4 500 t需求。目前，我國鐵路主要以“和諧型”為代表的機車，逐步實現(xiàn)機車大功率、交流化，提高貨物列車運行速度至120 km/h。通過自主研發(fā)并運營的交－直－交型和諧電力機車主要有八軸輪軸功率9 600 kW的HXD1型機車、八軸輪軸功率10 000 kW的HXD2型機車、六軸輪軸功率9 600 kW的HXD1B(HXD2B、HXD3B)型機車、六軸輪軸功率7 200 kW的HXD3(HXD1C、HXD2C、HXD3C)型機車。從滿足運輸需求出發(fā)，結(jié)合焦柳鐵路超限坡區(qū)間擴能改造4個方案中不同限制坡度進(jìn)行機車選型合理匹配性分析。

2.1 機車選型

（1）方案I。對于限制坡度6‰ (雙機坡12‰)，HXD1、HXD2、HXD2B、HXD3B機力富余過大，不宜采用；HXD3、HXD1B、HXD1C(HXD2C/HXD3C)可以滿足要求。研究年度內(nèi)(初期2020年、近期2025年、遠(yuǎn)期2035年)區(qū)域路網(wǎng)貨機以HXD3型機車為主，為實現(xiàn)長交路，提高機車運用效率，減少列車技術(shù)作業(yè)，有效縮短貨物列車旅行時間，機車類型宜采用HXD3型機車。

（2）方案II。通過闖坡方式經(jīng)過八斗至牙屯堡上行方向12‰的坡度，需要選取功率大、持續(xù)牽引力大的機車，比較分析選取單機牽引能力較大的HXD2型機車進(jìn)行動能闖坡并進(jìn)行模擬計算，運行模擬曲線結(jié)果。牙屯堡至八斗上行方向超限坡地段闖坡模擬計算運行模擬曲線如圖1所示。

根據(jù)模擬計算曲線，牙屯堡至八斗上行方向闖坡地段技術(shù)速度為55.9 km/h，除起車、停車外，區(qū)間低于計算持續(xù)速度65 km/h的運行距離約為6 km，運行時間約為6.5 min，坡頂最低速度56 km/h。原則上，采用動能闖坡闖過坡頂速度需不低于計算速度，本方案采用HXD2型機車牽引4 500 t進(jìn)行動能闖坡坡頂速度低于計算持續(xù)速度，故需進(jìn)一步通過運營測試來確定采用HXD2型機車牽引4 500 t闖坡方案的合理性和可行性。

圖1 牙屯堡至八斗上行方向超限坡地段闖坡模擬計算運行模擬曲線Fig.1 Curve of the simulated calculation of climbing slope on the over-limit slope section in the up direction

（3）方案III。限制坡度6‰，根據(jù)上述方案I分析，機車類型宜采用HXD3型機車。

（4）方案IV。新建二線平均坡度9‰，滿足牽引4 500 t要求的機車有HXD1型機車、HXD2型機車、HXD3B型機車，結(jié)合機車購置成本考慮，機車類型宜采用HXD3B型機車。

2.2 限制坡度與機車選型匹配性分析

針對各方案機車選型進(jìn)行牽引模擬計算，結(jié)合對超限坡地段擴能改造方案機車選型分析及牽引模擬計算結(jié)果可知：①各方案區(qū)間通過能力[8]均滿足需求，遠(yuǎn)期富余量較少，能力趨于緊張。其中，方案I、方案III、方案IV均滿足提速要求，但方案II采用大功率機車動能闖坡低于計算速度，無法達(dá)到提速的效果。②方案I、方案III采用HXD3型機車與全線限制坡度及路網(wǎng)適應(yīng)性較強，方案II、方案IV分別采用HXD2和HXD3B型機車，存在機力虛糜情況，與焦柳鐵路北段及相鄰鐵路限制坡度匹配及路網(wǎng)適應(yīng)性較差，不便于運營管理。機車選型綜合分析表如表1所示。

表1 機車選型綜合分析表Tab.1 Comprehensive analysis on locomotive selection

3 焦柳鐵路超限坡區(qū)間擴能方案比選

（1）方案I。優(yōu)點：現(xiàn)狀電氣化擴能改造，施工工期短；土建工程投資無增加；總投資最少，較方案Ⅱ、方案III和方案IV分別節(jié)省6 608萬元、130 328萬元和126 081萬元。缺點：需要增加列車摘、掛補機作業(yè)，降低運輸效率；增加機車車輛購置費用及補機點運營成本；運營費現(xiàn)值(30年累計)投資最大，較方案Ⅱ、方案III和方案IV分別增加38 033萬元、31 461萬元和33 212萬元。

（2）方案II。優(yōu)點：現(xiàn)狀電氣化擴能改造，施工工期短；單機牽引，減少列車摘、掛補機作業(yè)，利于提高運輸效率，同時節(jié)約補機點運營費用；土建工程投資無增加；運營費現(xiàn)值(30年累計)投資最少，較方案I、方案III和方案IV分別節(jié)省38 033萬元、6 572萬元和3 411萬元。缺點：闖坡過程坡頂速度低于機車計算速度，需要進(jìn)行溫升校驗；區(qū)域路網(wǎng)機車協(xié)調(diào)性差，增加機務(wù)檢修工作及設(shè)備投資，不便于運營管理；對不良天氣適應(yīng)性差；機車車輛購置費投資最大，較方案I、方案III和方案IV分別增加44 641萬元、53 641萬元和26 393萬元；。

（3）方案III。優(yōu)點：單機牽引，減少列車摘、掛補機作業(yè)，使焦柳線懷化至柳州段牙屯堡至八斗區(qū)間限制坡度軟化為6‰，利于提高運輸效率；機車車輛購置費最小，較方案I、方案Ⅱ和方案IV分別節(jié)省9 000萬元、53 641萬元和27 248萬元。缺點：新建39.366 km線路，土建工程費用較高，增加170 788萬元；新建線路橋隧比70.5%，控制性工程多，施工工期長；總投資最大，較方案I、方案Ⅱ和方案IV分別增加130 328萬元、123 720萬元和4 247萬元；車站數(shù)量及線路運營長度增加，導(dǎo)致運營成本隨之增加。

（4）方案IV。優(yōu)點：能夠充分利用既有線，取消2個會讓站，節(jié)省部分運營成本；單機牽引，減少列車摘、掛補機作業(yè)，利于提高運輸效率，同時節(jié)約補機點運營費用。缺點：新建29.178 km線路，土建工程費用高，增加142 454萬元；新建線路橋隧比75.7%，控制性工程多，施工工期長；線路運營長度增加，運營維護(hù)費用高；重車上行方向仍然需要使用9‰的坡度，區(qū)域路網(wǎng)機車協(xié)調(diào)性差；運營費現(xiàn)值(30年累計)、機車車輛購置費及總投資均較高。

綜上所述，方案I雖然需要進(jìn)行補機作業(yè)，但其無改建線路工程，現(xiàn)狀電化擴能改造施工工期短，總的換算工程、運營費最節(jié)省，從改建工程量及工程投資角度分析，方案I為最優(yōu)方案。方案III盡管工程總投資最大，但使焦柳線懷化至柳州段牙屯堡至八斗區(qū)間限制坡度軟化為6‰，從焦柳鐵路全線統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，減少鐵路局負(fù)擔(dān)、減少運營費用角度分析，方案III為最優(yōu)方案。結(jié)合焦柳鐵路懷化至柳州段電化擴能改造工程充分利用既有線、節(jié)約投資的特點，研究推薦方案I，即既有線補機牽引方案。隨著運量增長情況，從遠(yuǎn)期規(guī)劃角度，研究推薦方案III，即展線軟化坡度方案。

4 結(jié)束語

既有線超限坡地段提速改造應(yīng)結(jié)合路網(wǎng)內(nèi)運輸組織方案，綜合考慮機車選型與限制坡度的合理匹配性及與路網(wǎng)的適應(yīng)性，降低多機牽引技術(shù)復(fù)雜性。同時，應(yīng)結(jié)合改建工程量、限速點集中情況、工程投資等因素綜合分析確定超限坡的保留與改建。在實際工程當(dāng)中，當(dāng)軟化坡度工程量不大，而且為統(tǒng)一全段機車臺數(shù)，降低多機牽引技術(shù)復(fù)雜性，減少運營費用，提高運輸效率，經(jīng)綜合分析后可采用展線方式進(jìn)行超限坡坡度軟化；當(dāng)引起大型橋隧建筑物改建、長距離改線或其他巨大工程時，經(jīng)過運營實踐或牽引檢算證明，貨物列車?yán)脛幽荜J坡速度不低于機車計算速度，可保留原有的超限坡度；對于既有線單線提速改造結(jié)合增建二線同時進(jìn)行的，為了充分利用既有線節(jié)約投資，對既有超過限制坡度的地段，可作為單方向行車的下坡線。鐵路既有線提速是我國鐵路發(fā)展的重要方向之一，焦柳鐵路超限坡區(qū)間擴能改造方案可以為單線鐵路既有線提速改造方案提供借鑒。