中國至尼泊爾跨境鐵路最大坡度研究

秦 鑒

(陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院)，西安 710043)

1 項目概況

1.1 工程概況

中國至尼泊爾跨境鐵路位于西藏自治區(qū)日喀則市及尼泊爾巴格馬蒂區(qū)(加德滿都所在專區(qū))。線路由拉日鐵路日喀則車站引出，經拉孜、薩迦、定結、定日至吉隆縣，經吉隆鎮(zhèn)(設鐵路口岸站)至中國與尼泊爾邊界色瓊村。出境后取直南下至尼泊爾首都加德滿都新設車站。線路全長599.41 km，其中中國境內段長527.16 km，尼泊爾境內段長72.25 km。

1.2 運量預測

本項目是以國土資源開發(fā)為主、客貨共線的國際鐵路通道。全線研究年度區(qū)段貨流密度、旅客列車對數(shù)匯總如表1所示。

表1 項目區(qū)段貨流密度及客車對數(shù)

注：上行方向為加德滿都至日喀則方向。

本線遠景年輸送能力為：日喀則至佩枯錯段貨運量1 000萬t，客車8對/d；佩枯錯至加德滿都段貨運量700萬t，客車6對/d。

2 國內外大坡度鐵路運營現(xiàn)狀

2.1 國外大坡度鐵路運營現(xiàn)狀

國外客貨共線鐵路最大坡度一般在30‰以內，個別達40‰。瑞士哥達線全長206 km，最大坡度為27‰。加拿大太平洋鐵路全長4 600 km，最大坡度為26‰。秘魯中央鐵路全長380 km，從位于安第斯山腳下的喬?？ㄜ囌?海拔859 m)至哥萊拉鐵路隧道(海拔4 781 m)長約120 km，平均坡度40‰，最大坡度達47‰，連續(xù)坡長5 km。美國圣菲鐵路全長3 040 km，越嶺處最大坡度20‰，連續(xù)坡長20 km。國外大坡度鐵路情況見表2。

表2 國外大坡度鐵路情況

美國鐵路設計規(guī)范中最大坡度為25‰，其山區(qū)鐵路干線的最大坡度在22‰～32‰[1]。法國規(guī)定干線鐵路坡度一般不超過8‰，低等級鐵路不超過20‰，山區(qū)線不超過35‰。德國規(guī)定干線鐵路限坡一般不超過12.5‰(困難時不超過25‰)，支線鐵路不超過40‰。俄羅斯貝阿鐵路(貝加爾—阿穆爾)全長4 234 km，困難地段的雙機牽引坡度為18‰[2]。

2.2 國內大坡度鐵路運營現(xiàn)狀

國內客貨共線鐵路中，寶成線寶雞至秦嶺段換算坡度最大達33‰；鷹廈鐵路(22‰)、青藏線格拉段(20‰)[3]、內昆鐵路大關至昭通段(23.5‰)等最大坡度均達到20‰及以上。在建的麗香鐵路和規(guī)劃的香林鐵路采用了30‰的最大坡度。以寶成線為例分析其運營情況。

2.2.1 線路概況

寶成線寶雞至秦嶺段翻越秦嶺，運營全長44.8 km，共計6個車站5個區(qū)間，其中約38 km為持續(xù)大坡度地段，垂直高差811 m，換算坡度最大達33‰，最小曲線半徑300 m。

2.2.2 牽引及制動情況

貨物列車：本務機車采用8軸SS4機車，上坡時，前1臺SS4，后2臺HXD3，上坡牽引3 000 t；下坡時，前二后一，前1臺HXD3和1臺SS4，后1臺HXD3，下坡牽引2 600 t。旅客列車：本務機SS7D或HXD3，加補HXD3，上下坡均采用雙機牽引20輛。具體編掛方式見表3。

表3 客貨列車編掛方式

區(qū)間采用動力制動調速，進站采用動力制動加空氣制動。貨物列車下坡限速為55 km/h，受小半徑曲線的影響，旅客列車限速為60 km/h。

2.2.3 理論計算牽引質量比較

按照寶雞至秦嶺段貨物列車編掛方式，理論計算，上坡貨物列車速度在60 km/h以內時滿足牽引質量3 000 t的要求。列車在下坡道運行，當電阻制動系數(shù)分別取1.0，0.9和0.8時，采用電制動力保持列車勻速運行的牽引質量分別為3 470，3 080 t和2 680 t。當電阻制動系數(shù)取0.8及以上時，能滿足下坡道牽引質量2 600 t的要求。

2.2.4 秦北高坡安全控制

秦北運用車間針對困難的線路條件，制定了秦北高坡安全管理辦法，重點防范列車放飏、懸浮、分離、坡停、大部件脫落5個關鍵安全風險，確保高坡區(qū)段運輸安全。司機嚴格按照《寶雞至秦嶺間貨物列車多機牽引配合平穩(wěn)操縱辦法》進行站內停車、通過、起車等情況下的操作。

2.2.5 運營存在問題

由于區(qū)段坡度大，線路曲線半徑小，導致機車走行部配件、牽引電機、齒輪、制動機的運行環(huán)境惡劣，輪對擦傷剝離嚴重，走行部故障率較高[4]。同時，沿線雨雪天氣較多，HXD3型機車容易空轉打滑，司機采用撒砂的方式增加輪軌間黏著力。此外，軌道車功率低，主要采用空氣制動，存在行駛速度低、涼閘次數(shù)多、閘瓦磨耗快等問題。

2.2.6 最大坡度設計借鑒經驗

結合寶雞至秦嶺段多年營運經驗，大坡度鐵路風險系數(shù)高、管理難度大、操縱方式難、行車難度大。國內現(xiàn)行的鐵路規(guī)范對于最大坡度的規(guī)定應作為設計時的指導原則，在地形、地質條件極其復雜的地區(qū)，如需突破規(guī)范的約束界限，就需要有充分的技術經濟依據進行系統(tǒng)性、綜合性、全過程的論證[5]。同時，為了改善在地形艱難地區(qū)的鐵路運營條件，大坡度方案的使用應保持謹慎的原則。

3 最大坡度比選

3.1 地形特點分析

中尼跨境鐵路地處青藏高原南部，線路所經區(qū)域整體地勢北高南低、西高東低。由西向東呈階梯式遞降，由北向南波狀起伏，地形復雜，分帶性明顯。區(qū)域內主山脈與主干河流均呈近東西向展布。喜馬拉雅山脈在地勢結構上不對稱，北坡平緩、但海拔高，南坡陡峻、海拔較低。日喀則至佩枯錯段雅魯藏布江及朋區(qū)河谷河床平緩，自然縱坡小；佩枯錯至加德滿都段所經拉軌崗日高山區(qū)、吉隆藏布高山峽谷區(qū)地形陡降，河床縱坡大，大部分段落河床縱坡接近30‰及以上。

根據沿線地形條件，最大坡度方案分為日喀則至佩枯錯和佩枯錯至加德滿都兩段進行研究。佩枯錯至加德滿都段線路縱斷面示意見圖1。

圖1 佩枯錯至加德滿都段線路縱斷面示意

3.2 日喀則至佩枯錯段

中尼跨境鐵路日喀則至佩枯錯段線路主要走行于雅魯藏布江河谷區(qū)、卻薩高山區(qū)、朋曲河谷區(qū)，地形較為平緩，線路橋隧比低，工程地質條件相對較好，13‰最大坡度可基本適應地形，且與相鄰線拉日線(12.5‰)、拉林線(12‰)坡度匹配，采用更大的坡度方案僅在局部段落有助于改善線路線形，對全線工程影響不大。本段暫推薦采用13‰坡度方案。

3.3 佩枯錯至加德滿都段

佩枯錯至加德滿都段線路走行于拉軌崗日高山區(qū)、吉隆藏布高山峽谷區(qū)和喜馬拉雅極高山區(qū)，區(qū)域內地質構造復雜、工程地質問題突出。線路需在本段內穿越喜馬拉雅山脈，喜馬拉雅山脈南北坡高差巨大。該段內不同的坡度方案的工程可實施性及投資差別較大。結合本段復雜的地形特征，重點對24‰，30‰，35‰和38‰四個最大坡度方案進行研究。

3.3.1 工程數(shù)量及投資比較

各坡度方案線路走向基本一致，自佩枯錯車站引出，翻馬拉山至吉隆縣，向南足坡展線至吉隆鎮(zhèn)，出站后以橋隧足坡取直至加德滿都。沿線山區(qū)溝谷深切、山勢陡峭，不同坡度方案直接決定橋隧工程設置，對投資影響大。各方案主要工程數(shù)量及投資比較見表4。

隨著坡度的增加，工程投資更加節(jié)省。24‰方案線路最長，工程投資最大，較30‰方案增加39億元；35‰和38‰方案較30‰方案線路長度分別縮短7.52 km和14.69 km，占線路總長的4.4%和8.7%，工程投資分別節(jié)省12億元和28億元。

表4 主要工程數(shù)量及投資比較

3.3.2 運輸安全性分析

本線擬采用電力牽引，交流傳動電力機車具有功率大、牽引制動性能好、可靠性高等優(yōu)點[6]，本次貨物列車主要對HXD2(8軸9 600 kW)和HXD1C(6軸7 200 kW)兩種主流交流傳動電力機車進行檢算。旅客列車主要對HXD1D、HXD3以及CR200J型動力集中型動車組進行檢算。

(1)列車下坡限速檢算

本線旅客列車速度目標值擬采用120 km/h，貨物列車按最高速度90 km/h考慮。根據《鐵路技術管理規(guī)程》規(guī)定，客貨列車緊急制動距離均為800 m[7]。由于研究段落最大坡度超過20‰，超出《鐵路技術管理規(guī)程》規(guī)定，下坡限速根據滿足緊急制動距離的要求進行計算，列車制動過程分為空走過程和有效制動過程兩部分，有效制動距離利用“分段累加法”，即將列車有效制動過程分為若干個小的速度間隔分別計算其制動距離，再累加計算得出列車不同制動初速條件下的制動距離[8]。適當考慮安全余量，客貨列車在不同下坡道的限速見表5。

(2)牽引力限制的牽引質量(輛數(shù))檢算

定義測點實測重力異常為Δg=(xi，yi，zi)，第i個觀測點的坐標為(xi，yi，zi)，根據Abdelrahmand的相鄰最小二乘原理和剩余異常的互相關公式，可以推導第q個點質量的實測重力異常與測區(qū)重力異常的互相關公式為：

表5 客貨列車緊急制動限速 km/h

列車上坡時受持續(xù)和起動牽引力影響，經計算，不同坡度方案下受持續(xù)牽引力限制的牽引質量均小于受起動牽引力限制牽引質量，上坡牽引質量受持續(xù)牽引力制約?？拓浟熊囀艹掷m(xù)牽引力限制的牽引質量(輛數(shù))檢算結果見表6、表7。

表6 貨車受持續(xù)牽引力限制的牽引質量 t

表7 客車受持續(xù)牽引力限制的牽引輛數(shù) 輛

(3)制動力限制的牽引質量(輛數(shù))檢算

電力機車既能使用電制動也能使用空氣制動。電制動包括電阻制動和再生制動兩種，讓列車動輪帶動動力傳動裝置牽引電動機，使其產生逆作用，將列車動能轉變?yōu)殡娔?，再變成熱能消耗掉或反饋回電網，兩者均為動力制動方式[9]。

電制動的優(yōu)點主要包括：制動力隨列車運行速度升高而增大，保證列車高速運行中具有可靠的制動效能，也能確保列車在長大下坡道上以允許的最高速度運行；可以實現(xiàn)良好的制動力特性調節(jié)；可以減小閘瓦和車輪輪轂的磨損，避免輪轂過熱[10]；結構簡單，控制方便，作用快，制動平穩(wěn)。

結合電制動特性和實際運營經驗，列車制動時應充分發(fā)揮電制動的作用以減少閘瓦的磨耗。列車在長大下坡道運行時，為減小閘瓦和車輪輪轂的磨損，避免輪轂過熱，建議采用電制動調速，當電制動力與基本阻力之和等于下滑力時，列車在長大下坡道保持勻速運行。客貨列車在不同坡度施加80%純電制動力保持勻速運行時的牽引質量(輛數(shù))檢算結果見表8、表9。

(4)黏著力限制的牽引質量(輛數(shù))檢算

現(xiàn)行《列車牽引計算規(guī)程》中尚無和諧型電力機車黏著系數(shù)計算公式，結合對相關機車廠家調研，其黏著系數(shù)暫按“國產各型電力機車”黏著系數(shù)的1.1倍。國產各型電力機車計算黏著系數(shù)：μj=0.24+12/(100+8v)[11]。黏著牽引力Fμ計算公式為：Fμ=Mμ·μj·g(Mμ為機車黏著質量，g為重力加速度)[12]。客貨列車受黏著力限制的牽引質量(輛數(shù))檢算結果見表10、表11。

表8 純電制動力保持貨車勻速運行時的牽引質量 t

表9 純電制動力保持客車勻速運行時的牽引輛數(shù) 輛

表10 貨車運行時受黏著牽引力限制的牽引質量 t

表11 客車運行時受黏著牽引力限制的牽引輛數(shù) 輛

(5)車鉤強度限制的牽引質量(輛數(shù))檢算

中國貨車車鉤以13型和17型(含16型)為主，其中13型車鉤主要用在載重60 t級貨車上，17型(含16型)車鉤用在載重70 t級及以上貨車上。幾種主要車鉤材料及性能對比見表12。

經分析計算，列車起動時受車鉤強度限制的牽引質量(輛數(shù))均小于以計算速度運行時受車鉤強度限制的牽引質量(輛數(shù))，牽引質量受起動時車鉤強度限制?？拓浟熊嚻饎訒r受車鉤強度限制的牽引質量(輛數(shù))見表13、表14。

目前，貨車采用E級鋼材料較多，本次研究暫按E級鋼材料檢算。30‰坡度時，受車鉤強度限制的牽引質量為3 040 t，受車鉤強度限制的編組輛數(shù)為55輛。

(6)牽引質量(輛數(shù))檢算初步結論

考慮各限制條件對牽引質量(輛數(shù))檢算的約束，客貨物列車在不同坡度的牽引質量(輛數(shù))如表15、表16所示。

表12 幾種主要車鉤材料及性能[13-14]

表13 貨車運行時受黏著牽引力限制的牽引質量 t

表14 客車運行時受黏著牽引力限制的牽引輛數(shù) 輛

表15 貨物列車在不同坡道上的牽引質量 t

表16 旅客列車在不同坡道上的牽引輛數(shù) 輛

由表15、表16可知，30‰坡度時，貨車采用HXD1C三機牽引可滿足牽引質量3 000 t，能夠滿足本段研究年度牽引2 000 t的需求，且具備遠景年牽引質量至3 000 t的條件；客車采用CR200J型雙機牽引可滿足14輛，結合客車開行方案，能夠滿足本段研究年度8輛短編組的旅客運輸需求。

3.3.3 運輸能力及運輸質量分析

(1)運輸能力分析

結合牽引質量檢算情況，考慮佩枯錯至加德滿都間各坡度方案貨物列車均采用HXD1C三機牽引2 000 t，近、遠期全開站。通過列車模擬牽引計算得到列車運行時分，并計算各區(qū)間通過能力，研究年度本段列車對數(shù)及通過能力適應性如表17和表18所示。

表17 研究年度客貨列車對數(shù) 對/d

表18 不同坡度方案研究年度運輸能力適應情況

由表17、表18可知，不同坡度方案下運輸能力均能夠適應近、遠期運量需求。隨著坡度的增大，各方案平圖能力和運能富余逐漸減小，24‰坡度方案近、遠期運能富余較大，其次為30‰方案，38‰坡度方案運能富余最小。

(2)運輸質量分析

本次研究結合建設方案，對不同坡度方案進行模擬牽引計算，得到佩枯錯至加德滿都不同限坡方案下列車運行時間及速度，如表19所示。

表19 不同坡度方案列車運行速度及時間

由表19可知，在運行時間上，由于24‰方案線路長度較長，雖運行速度高，但列車運行時間最長，38‰坡度方案運行時間相對較短，其次為30‰和35‰方案。在運行速度上，隨著坡度的增加，列車運行速度降低。

3.3.4 不同坡度方案經濟性分析

結合機車選型及牽引質量分析，本段考慮貨機采用HXD1C型三機牽引，客機采用CR200J型動車雙機牽引，對不同坡度方案的工程投資、機車車輛購置費及運營支出采用費用現(xiàn)值法分別計算，將各年總費用折現(xiàn)至計算基年進行比較，各坡度方案綜合費用現(xiàn)值比較如表20所示。

由于本項目研究年度客貨運量水平較低，各方案運營期機車購置費及運營費差異較小，費用差別主要體現(xiàn)在工程費用。隨著坡度增加，綜合費用現(xiàn)值有所節(jié)省。38‰坡度方案經濟性費用現(xiàn)值最優(yōu)，其次為35‰和30‰方案，24‰方案線路長度長，工程投資相對較大，費用現(xiàn)值較高。30‰方案較24‰方案費用現(xiàn)值節(jié)省34.5億元，較35‰和38‰方案分別增加10億元和24.2億元。

表20 不同坡度方案綜合費用現(xiàn)值比較 萬元

3.3.5 推薦坡度方案

佩枯錯至加德滿都段結合運輸需求、工程數(shù)量及投資、運輸安全、能力、質量、經濟性等進行綜合分析，24‰方案雖線路能力富余較多，但線路長度較長，工程投資較其他方案增加明顯，經濟性較差；35‰和38‰方案雖線路長度較30‰方案略有縮短，工程投資相對節(jié)省，但運能富余較??；30‰方案線路長度和工程投資適中，運輸能力和運輸質量相對較好。同時，考慮30‰方案國內有較為成熟的運營經驗，運營安全性更優(yōu)。本次研究佩枯錯至加德滿都段暫推薦采用30‰坡度方案。

4 結論

中尼鐵路的建設具有重要的政治和經濟意義，但研究年度運量較小，投資效益較差，因此，項目的建設宜在保證運營安全條件下盡可能降低工程投資，提高運輸效率。

日喀則至佩枯錯段，線路地形相對平緩，考慮地形條件及與相鄰線標準匹配，暫推薦采用13‰坡度方案。佩枯錯至加德滿都段，線路所經區(qū)域地形高差大、自然條件惡劣，結合走向方案，主要研究了24‰，30‰，35‰和38‰四個方案。隨著坡度增加，工程投資更加節(jié)省。結合各坡度方案，從保證列車運營安全的角度，坡度越大，列車下坡限速越低，對下坡制動性能要求越高，輪軌黏著力及車鉤強度也會成為控制條件。本項目長大坡度區(qū)段長達95 km，連續(xù)使用空氣制動會造成閘瓦磨耗嚴重、輪轂過熱等運營隱患。因此，長大坡度區(qū)段列車調速建議采用電制動。

目前，國內已運營大坡度鐵路青藏線、寶成線和內昆線等均有多年的實際運營經驗，在機車類型、牽引質量和行車速度等主要技術標準匹配方面實現(xiàn)了協(xié)調，且各線均制定了保證安全運營的技術規(guī)程。既有TB10098—2017《鐵路線路設計規(guī)范》規(guī)定的加力坡最大值為30‰[15]。因此，在地形陡峭的佩枯錯至加德滿都段采用30‰及以內大坡度方案有可借鑒的運營經驗。綜合分析，24‰方案經濟性相對較差，30‰方案雖然較35‰及38‰方案工程投資略高，但運輸能力和運輸質量相對更好，且在國內已有較為成熟的運營經驗。本次研究佩枯錯至加德滿都段暫推薦采用30‰坡度方案，能在保證運輸安全的條件下，滿足本段研究年度貨機牽引2 000 t、客車編組8輛的要求。

此外，本項目地處高海拔地區(qū)，電力機車在4 000 m以上海拔適應性有待進一步驗證。同時，本線連續(xù)大坡度段落長約95 km，目前尚缺乏在連續(xù)長大坡度線路上的運營實踐。本次研究運輸安全性分析以理論計算為主，實際運營可行性仍需通過試驗進一步驗證。