延榆鄂高速鐵路最大坡度方案研究

李澤宇

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 線路運(yùn)輸設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710043)

0 引言

鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鐵路選線設(shè)計(jì)、鐵路運(yùn)輸能力、工程造價(jià)、運(yùn)營(yíng)質(zhì)量以及選定其他有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)起顯著作用[1]。最大坡度是主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中最重要的一項(xiàng)指標(biāo)，在一定的自然條件下，線路的最大坡度不僅影響線路的走向、長(zhǎng)度及沿線的車站分布，而且對(duì)行車安全、運(yùn)輸能力、工程投資及效益有重要影響，是一項(xiàng)全局性的指標(biāo)[2-4]。陳軍團(tuán)[5]以黔張常鐵路(黔江—常德)為例分析了巖溶地區(qū)鐵路最大坡度的選擇，提出可以通過(guò)采用較大坡度方案來(lái)分解長(zhǎng)大隧道以減小工程風(fēng)險(xiǎn)。陳俊等[6]根據(jù)預(yù)測(cè)的鐵路近、遠(yuǎn)期運(yùn)量確定了鄭萬(wàn)鐵路(鄭州—萬(wàn)州)等級(jí)和正線數(shù)目，在此基礎(chǔ)上結(jié)合地形、工程投資和鄰線的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)確定了速度目標(biāo)值、最大坡度等。王小紅[7]主要從沿線地形地貌出發(fā)，對(duì)復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)高速鐵路的最大坡度方案設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。趙敬敬[8]采用多目標(biāo)優(yōu)化的決策理論方法，對(duì)越嶺地段客運(yùn)專線的最大坡度方案進(jìn)行比較分析和優(yōu)化。郭靖等[9]研究了困難山區(qū)鐵路最大坡度對(duì)工程投資的影響。王靖[10]研究了日喀則至亞?wèn)|鐵路最大坡度，提出小運(yùn)量、大高差地區(qū)的線路應(yīng)采用較大的最大坡度。也有學(xué)者對(duì)客貨共線鐵路、改擴(kuò)建線路的最大坡度進(jìn)行了研究[11-12]。但是，對(duì)于高速鐵路特別是西北地區(qū)高速鐵路最大坡度的研究相對(duì)較少。

根據(jù)我國(guó)《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃綱要》和《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃》，未來(lái)西北地區(qū)是鐵路建設(shè)的重點(diǎn)區(qū)域。西北地區(qū)具有地形地質(zhì)復(fù)雜、高程落差大的特點(diǎn)[13]，而最大坡度又是鐵路設(shè)計(jì)的控制性指標(biāo)，研究該地區(qū)高速鐵路最大坡度的選定具有重要意義。為此，以新建延榆鄂高速鐵路(延安—榆林—鄂爾多斯)為例，對(duì)高速鐵路最大坡度的選定進(jìn)行探討，以期為今后該地區(qū)類似項(xiàng)目的最大坡度選擇提供一定的參考。

1 延榆鄂高速鐵路坡度分析

1.1 延榆鄂高速鐵路概況

延榆鄂高速鐵路位于陜西省北部和內(nèi)蒙古自治區(qū)西南部，是一條設(shè)計(jì)速度為350 km/h的高速鐵路。線路自西延高速鐵路(西安—延安)終點(diǎn)延安站貫通引出，向北依次經(jīng)延安市寶塔區(qū)、延川縣，榆林市清澗縣、綏德縣、米脂縣、橫山區(qū)、榆陽(yáng)區(qū)和神木市，鄂爾多斯市伊金霍洛旗，引入鄂爾多斯站至項(xiàng)目終點(diǎn)[14]。項(xiàng)目新建線路長(zhǎng)度389.84 km，其中，延安市境內(nèi)79.0 km，榆林市境內(nèi)257.54 km，鄂爾多斯市境內(nèi)53.3 km，延榆鄂高速鐵路地理位置如圖1所示。

圖1 延榆鄂高速鐵路地理位置Fig.1 Geographical location of the Yan’an-Yulin-Ordos high speed railway

延榆鄂高速鐵路是國(guó)家“八縱八橫”高速鐵路通道之包海通道(包頭—?？?的組成部分，是內(nèi)蒙古自治區(qū)南向客運(yùn)通道的重要構(gòu)成，同時(shí)也是陜西省“米”字型高速鐵路網(wǎng)縱向脊梁骨的主要區(qū)段，榆林—鄂爾多斯段是呼包鄂榆城市群城際鐵路網(wǎng)的骨架線路。因此，延榆鄂高速鐵路是一條以路網(wǎng)通道功能為主、兼顧沿線城際鐵路客流的高標(biāo)準(zhǔn)國(guó)家鐵路干線。

1.2 最大坡度影響因素

1.2.1 沿線地形地貌

延榆鄂高速鐵路主要經(jīng)黃土粱峁區(qū)、河谷區(qū)、毛烏素沙地區(qū)及剝蝕丘陵區(qū)4大地貌單元，沿線區(qū)域的地勢(shì)總體北高南低，延安—魚河段線路穿插走行于河谷區(qū)與黃土梁峁溝壑區(qū)，先后翻越蘆草梁、九里山，2次越嶺地形起伏大；魚河—紅堿淖段走行于毛烏素風(fēng)沙區(qū)，地形平坦，線路緩慢向上；紅堿淖—鄂爾多斯段，剝蝕丘陵區(qū)地形起伏。延榆鄂高速鐵路縱斷面示意圖如圖2所示。

圖2 延榆鄂高速鐵路縱斷面示意圖Fig.2 Profile of the Yan’an-Yulin-Ordos high speed railway

1.2.2 預(yù)測(cè)客流量

根據(jù)運(yùn)量預(yù)測(cè)，延榆鄂高速鐵路主要承擔(dān)包海通道及對(duì)外的中長(zhǎng)途跨區(qū)域客流，同時(shí)兼顧呼包鄂榆城市群的城際客流。最大坡度越小，旅客舒適度越高。對(duì)于中長(zhǎng)途跨區(qū)域客流，運(yùn)輸距離長(zhǎng)，易造成旅途疲憊感，而采用較小的坡度可使列車擁有較大的行車速度和平穩(wěn)性，有效縮短在途時(shí)間、減緩旅途疲勞，從而最大程度吸引中長(zhǎng)途旅客依賴鐵路出行，增強(qiáng)運(yùn)輸市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力；對(duì)于城際鐵路客流，所處區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人均生活水平高、支付意愿和能力強(qiáng)，采用較小的坡度才能滿足居民對(duì)鐵路出行方式的時(shí)效性和舒適性要求。

延榆鄂高速鐵路客流密度及旅客列車對(duì)數(shù)匯總?cè)绫?所示，延榆鄂高速鐵路遠(yuǎn)期(2045年)旅客列車對(duì)數(shù)、客流量增長(zhǎng)幅度不大，并且考慮到沿線地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，線路需要有良好的運(yùn)營(yíng)條件及較低的運(yùn)輸成本來(lái)吸引客流和提升旅客舒適性，故從符合客流特征、滿足客運(yùn)需求方面分析，延榆鄂高速鐵路應(yīng)采用較小的最大坡度。

表1 延榆鄂高速鐵路客流密度及旅客列車對(duì)數(shù)匯總Tab.1 Summary of passenger density and passenger train pairs on the Yan’an-Yulin-Ordos high speed railway

1.2.3 安全運(yùn)營(yíng)要求

安全是鐵路運(yùn)營(yíng)的核心，因動(dòng)車組爬坡能力強(qiáng)，線路沿線高程變化不大時(shí)，不同坡度方案運(yùn)輸質(zhì)量、能耗均相差不大，但不同坡度方案持續(xù)長(zhǎng)大下坡地段列車制動(dòng)距離差別較大，從而對(duì)運(yùn)輸質(zhì)量、運(yùn)輸能力、運(yùn)輸成本、維修成本等產(chǎn)生重大影響。根據(jù)高速鐵路技術(shù)裝備及實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況，在最大坡度下坡區(qū)段，列車制動(dòng)距離、追蹤間隔如表2所示。列車在長(zhǎng)大下坡道運(yùn)行時(shí)速度會(huì)逐漸升高，為了使列車不超過(guò)規(guī)定的速度，需要采取制動(dòng)措施來(lái)降低速度，坡道越長(zhǎng)制動(dòng)次數(shù)越多，從而影響列車運(yùn)營(yíng)的安全性和平穩(wěn)性。延榆鄂高速鐵路設(shè)計(jì)速度為350 km/h，線路最大坡度增大，制動(dòng)距離和列車追蹤間隔都會(huì)相應(yīng)增加，列車制動(dòng)初速為305 km/h時(shí)，30‰坡度方案的制動(dòng)距離是25‰坡度方案的1.58倍，是20‰坡度方案的2.13倍。

表2 列車制動(dòng)距離、追蹤間隔Tab.2 Braking distances and tracking intervals of trains

2 延榆鄂高速鐵路最大坡度方案比選

為了更準(zhǔn)確科學(xué)地分析最大坡度方案，采用分路段研究的方法，按照線路經(jīng)過(guò)地區(qū)的地形、地貌及縱斷面呈現(xiàn)出的總體狀態(tài)將全線分為延安—魚河、魚河—紅堿淖、紅堿淖—鄂爾多斯3段進(jìn)行研究。

2.1 延安—榆河段

延安—魚河段線路穿插走行于河谷區(qū)與黃土梁峁溝壑區(qū)，先后翻越蘆草梁、九里山，2次越嶺、地形起伏大。延安—魚河段縱斷面示意圖如圖3所示。

延安—延安新區(qū)段線路引入延安新區(qū)站之前設(shè)置2跨T型梁跨越包西鐵路及延河，立體交叉后線路快速降低高程，引入延安新區(qū)站。受立交標(biāo)高及延安新區(qū)站合理站坪標(biāo)高控制，采用25‰坡度1處，坡長(zhǎng)1.2 km (圖3所示位置①)。出延安新區(qū)李渠—姚店段局部線路為繞避建成區(qū)，橋隧工程穿行于延河西側(cè)粱峁區(qū)，在隧道工程跨越包西鐵路后，為改善姚店二號(hào)淺埋隧道洞身?xiàng)l件，減少隧道出露，采用25‰坡度1處快速降低線路標(biāo)高，坡長(zhǎng)1.70 km (圖3所示位置②)。

姚店—延川段需翻越蘆草梁，越嶺高程978 m，線路坡度相對(duì)自由，20‰左右坡度能較好地適應(yīng)地形，為減少中、短隧道工程設(shè)置，并盡量使隧道洞身位于基巖中，以特長(zhǎng)隧道工程越嶺，越嶺隧道18.04 km (隧道范圍設(shè)計(jì)坡度3‰)，最大橋高24 m。延川出站端為改善寨子溝隧道淺埋地段洞身?xiàng)l件，采用25‰坡度1處，坡長(zhǎng)1.9 km (圖3所示位置③)。

圖3 延安—魚河段縱斷面示意圖Fig.3 Profile of the Yan’an-Yuhe section

清澗—綏德段翻越九里山，越嶺高程1 025 m，坡度有所起伏，但最大坡度控制在20‰及以內(nèi)，區(qū)間線路主要設(shè)置橋隧相連工程，越嶺工程分別采用長(zhǎng)度為9.26 km與10.38 km的2座長(zhǎng)隧道組合(隧道范圍最大設(shè)計(jì)坡度20‰)。

綏德經(jīng)米脂—魚河段，自然地形略有起伏，區(qū)間以低橋、中長(zhǎng)隧為主，線路坡度自由，多設(shè)置人字坡改善隧道排水條件，最大坡度16.5‰，20‰左右坡度能較好地適應(yīng)地形，更大坡度改善工程空間有限。故本段最大坡度采用20‰、困難地段采用25‰。

2.2 魚河—紅堿淖段

魚河—紅堿淖段主要走行于毛烏素沙地區(qū)，地勢(shì)平坦、開闊，略有起伏，相對(duì)高差較小，自然坡度平均約3.5‰；線路縱斷面上微有起伏，坡度自由，設(shè)計(jì)坡度均不大于20‰，工程以低橋?yàn)橹鳎瑹o(wú)隧道工程。魚河—紅堿淖線路縱斷面示意圖如圖4所示。因此，本段最大坡度推薦采用20‰。

圖4 魚河—紅堿淖線路縱斷面示意圖Fig.4 Profile of the Yuhe-Hongjiannao section

2.3 紅堿淖—鄂爾多斯段

線路穿過(guò)毛烏素沙地區(qū)后進(jìn)入剝蝕丘陵區(qū)，地形起伏較大，個(gè)別地段采用25‰的坡度可有效節(jié)省工程投資，增加縱斷面設(shè)計(jì)的靈活性，降低橋高，減少長(zhǎng)大深挖路塹。紅堿淖—鄂爾多斯線路縱斷面示意圖如圖5所示。根據(jù)沿線特征及線路走向，紅堿淖—鄂爾多斯段共采用25‰的坡度4處(圖5所示位置①，②，③，④)，總長(zhǎng)9.85 km，占區(qū)間線路總長(zhǎng)約14.6%。因此，本段最大坡度采用20‰、困難地段采用25‰。

圖5 紅堿淖—鄂爾多斯線路縱斷面示意圖Fig.5 Profile of the Hongjiannao-Ordos section

2.4 最大坡度方案比選

通過(guò)對(duì)高速鐵路最大坡度選擇的影響因素分析，沿線地形條件是影響最大坡度選擇的主要因素，需要采用合理的設(shè)計(jì)方案來(lái)適應(yīng)地形、優(yōu)化工程設(shè)置、降低工程量和保證運(yùn)營(yíng)安全性及旅客舒適性?！陡咚勹F路設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定區(qū)間正線最大坡度不宜大于20‰，困難條件下經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后不應(yīng)大于30‰。選擇較大坡度方案可有效縮短隧道長(zhǎng)度、降低橋高、減小路基填挖方，減少路基支擋工程，改善工程設(shè)置條件。

延安—魚河段線路受制于地形地勢(shì)與最小曲線半徑影響，主要以橋隧相間的形式布線，線路無(wú)法通過(guò)利用地形展長(zhǎng)線路避免最大坡度的使用；紅堿淖—鄂爾多斯段區(qū)間內(nèi)線路主要以路橋形式布線，采用最大坡度困難值可優(yōu)化局部段落工程設(shè)置，增加了縱斷面靈活性。2個(gè)區(qū)段坡度方案工程經(jīng)濟(jì)比較如表3所示。

表3 2個(gè)區(qū)段坡度方案工程經(jīng)濟(jì)比較Tab.3 Economic comparison between two gradient schemes

（1）全線20‰ (困難地段25‰)坡度方案。該方案優(yōu)點(diǎn)為在采用困難值的特征區(qū)段能夠適應(yīng)地形，減少路基填挖方和橋隧工程量，工程經(jīng)濟(jì)效益較好。線路運(yùn)輸條件好，旅客舒適度高。缺點(diǎn)為相較于全線20‰ (困難地段30‰)坡度方案，個(gè)別地段橋長(zhǎng)、橋高均略有增加。

（2） 全線20‰ (困難地段30‰)坡度方案。該方案優(yōu)點(diǎn)為線路順直，在部分選線困難區(qū)段可以較好適應(yīng)地形、優(yōu)化工程設(shè)置，橋隧長(zhǎng)度及橋梁高度較全線20‰ (困難地段25‰)坡度方案均略有減小。缺點(diǎn)為該坡度方案對(duì)列車限速影響大，對(duì)國(guó)家鐵路大通道行車組織造成一定的限制，線路運(yùn)輸條件一般，旅客舒適度較低。

根據(jù)分區(qū)段研究高速鐵路最大坡度的方法，通過(guò)對(duì)3個(gè)區(qū)段坡度方案的綜合比較分析可知，延榆鄂高速鐵路采用20‰坡度基本可以適應(yīng)地形，個(gè)別困難地段采用25‰坡度可降低橋高，改善隧道、路基工程設(shè)置條件，滿足立交控制標(biāo)高條件，增加縱斷面設(shè)計(jì)的靈活性。因此，經(jīng)過(guò)綜合比選分析，全線最大坡度推薦采用全線20‰ (困難地段25‰)方案。

3 結(jié)束語(yǔ)

高速鐵路的最大坡度影響著線路設(shè)計(jì)、工程量及投資和運(yùn)營(yíng)安全性，應(yīng)充分考慮沿線的地形條件、預(yù)測(cè)運(yùn)量和工程建設(shè)量等因素，以工程投資和運(yùn)營(yíng)效益為原則進(jìn)行綜合確定。根據(jù)延榆鄂高速鐵路沿線地形地質(zhì)特征，將全線劃分為3個(gè)特征區(qū)段研究各區(qū)段的最大坡度，通過(guò)對(duì)區(qū)段方案進(jìn)行全方位、多角度地綜合比選分析，給出采用全線20‰ (困難地段25‰)的最大坡度方案。西北地區(qū)具有地形地質(zhì)條件復(fù)雜、海拔高、高差變化大的特點(diǎn)，而高速鐵路線路通常會(huì)跨越多個(gè)條件不同的區(qū)域，通過(guò)將高速鐵路線路全路段劃分為特征區(qū)段分析最大坡度的選擇，能充分考慮到沿線的地理特征，研究可以為今后高海拔、大高差地區(qū)高速鐵路最大坡度的選擇提供一定的參考。