高速鐵路長大坡道設(shè)置對列車運(yùn)行安全與線路運(yùn)輸能力的影響

曾榜榮 任志偉 鄭昊迪 時(shí)瑾

1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都610031；2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044

我國西南地區(qū)地形復(fù)雜，地勢起伏變化劇烈，修建高速鐵路時(shí)常采用長大坡道，如滬昆高速鐵路采用了25‰坡段長度16 km 的連續(xù)長大坡道，西成高速鐵路中25‰坡段長度達(dá)45 km。長大坡道設(shè)置對動(dòng)車組線路運(yùn)行造成諸多影響，我國現(xiàn)行高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范對長大坡道的規(guī)定過于保守，難以滿足艱險(xiǎn)山區(qū)高速鐵路設(shè)計(jì)需求，因此開展艱險(xiǎn)山區(qū)長大坡道設(shè)置問題的研究十分必要［1］。

高國隆等［2］研究了高速鐵路長大下坡道閉塞分區(qū)布置對區(qū)間通過能力的影響并提出了優(yōu)化模型。張守帥等［3］對長大下坡道坡度、列車運(yùn)行速度、監(jiān)控制動(dòng)距離、閉塞分區(qū)長度以及列車追蹤間隔時(shí)間之間的相互關(guān)系進(jìn)行了研究，并得到了各因素對線路通過能力的影響規(guī)律。張凌等［4］研究了長大坡道設(shè)置對列車運(yùn)輸質(zhì)量和線路運(yùn)輸能力的影響，并提出坡長設(shè)置建議。江清萍等［5］分析了國內(nèi)外規(guī)范關(guān)于動(dòng)車組緊急制動(dòng)距離的規(guī)定，提出了建議限值，并對空氣緊急制動(dòng)工況進(jìn)行了仿真研究。任沖［6］對長大下坡道普速列車運(yùn)行限速進(jìn)行了研究，并提出相應(yīng)建議值。

既有研究主要集中在單一影響因素對長大坡道設(shè)置的影響，缺乏對長大坡道設(shè)置影響因素的系統(tǒng)研究，特別是近年來以復(fù)興號為代表的高速動(dòng)車組對線路適應(yīng)性有了很大改善，長大坡道設(shè)置尚未充分考慮移動(dòng)裝備的適應(yīng)能力。本文以我國新型標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組為背景，從列車運(yùn)行安全性、動(dòng)車組對坡度坡長適應(yīng)性、線路運(yùn)輸能力等方面對高速鐵路長大坡道設(shè)置進(jìn)行綜合性研究，以期為艱險(xiǎn)山區(qū)高速鐵路設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

1 長大坡道坡度與坡長的匹配

1.1 上坡道運(yùn)行條件下坡度與坡長的適應(yīng)性

動(dòng)車組在長大上坡道運(yùn)行時(shí)，因?yàn)橹亓Ξa(chǎn)生的坡道阻力過大，牽引力無法完全抵消阻力，運(yùn)行速度會(huì)逐漸降低，到達(dá)坡頂時(shí)速度降為最小。為了保證動(dòng)車組在坡頂?shù)哪┧俣炔贿^低，應(yīng)深入研究動(dòng)車組對各坡度、坡長的適應(yīng)性。

選取設(shè)計(jì)速度為350 km/h 的中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組復(fù)興號和設(shè)計(jì)速度為250 km/h的CRH2動(dòng)車組進(jìn)行動(dòng)能闖坡模擬。不同坡度下動(dòng)能闖坡時(shí)動(dòng)車組運(yùn)行速度隨路程的變化曲線見圖1。兩種動(dòng)車組編組均為4 動(dòng)4 拖；標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組采用牽引7 級（88%牽引力），爬坡初始速度為340 km/h；CRH2 動(dòng)車組牽引力使用率取1，爬坡初始速度為240 km/h。

圖1 動(dòng)能闖坡時(shí)動(dòng)車組運(yùn)行速度隨路程的變化曲線

由圖1可知：對于設(shè)計(jì)速度350 km/h的動(dòng)車組，在坡度15‰坡段上運(yùn)行19.1 km 時(shí)運(yùn)行速度降至設(shè)計(jì)速度的85%，在坡度20‰、25‰、30‰、35‰坡段上分別運(yùn)行 16.0、10.4、7.7、6.2 km 時(shí)降至設(shè)計(jì)速度的80%；對于設(shè)計(jì)速度250 km/h 的動(dòng)車組，在坡度20‰、25‰、30‰、35‰坡段上分別運(yùn)行8.0、5.1、3.8、3.0 km時(shí)運(yùn)行速度降至設(shè)計(jì)速度的80%。根據(jù)TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》和TB 10098—2017《鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范》，動(dòng)車組坡頂末運(yùn)行速度不應(yīng)低于設(shè)計(jì)速度的80%～85%。因此，坡度25‰、30‰、35‰的坡段長度分別應(yīng)設(shè)置為不大于5.0、3.8、3.0 km。

完全按照現(xiàn)行規(guī)范設(shè)置坡長不能滿足我國西南山區(qū)采用長大坡道克服高差、繞避不良地質(zhì)的現(xiàn)實(shí)需求，因此建議適當(dāng)降低對于運(yùn)行速度的要求。若考慮動(dòng)車組在坡頂末的運(yùn)行速度不低于設(shè)計(jì)速度的70%，對于僅開行350 km/h 動(dòng)車組的線路，坡長可初步設(shè)置為：坡度15‰及以下的坡段不作限制，坡度20‰、25‰、30‰、35‰的坡段長度分別不大于58、20、13、10 km；對于開行350 km/h 和250 km/h 動(dòng)車組的線路，坡長可初步設(shè)置為：坡度15‰及以下的坡段不作限制，坡度20‰、25‰、30‰、35‰的坡段長度分別不大于17、9、6、5 km。

1.2 下坡道運(yùn)行安全性分析

1.2.1 緊急制動(dòng)工況

緊急制動(dòng)系統(tǒng)是列車在遭遇特殊不利狀況時(shí)確保列車在一定距離內(nèi)停車，保證列車運(yùn)行安全的重要保障措施。鐵科技〔2008〕99 號《京津城際鐵路技術(shù)管理暫行辦法》第49條和鐵科技〔2009〕212號《鐵路客運(yùn)專線技術(shù)管理辦法（試行）》（300 ～350 km/h 部分）第116 條規(guī)定，動(dòng)車組由350 km/h 至停車的緊急制動(dòng)距離限值為6 500 m，由300 km/h至停車的緊急制動(dòng)距離限值為3 800 m［6］。鐵總科技〔2017〕221 號《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》只對120 ～160 km/h 動(dòng)車組的緊急制動(dòng)距離進(jìn)行了規(guī)定，并未給出350 km/h 動(dòng)車組的緊急制動(dòng)距離限值。因此本文分別以6 500、3 800 m 作為350、300 km/h動(dòng)車組的緊急制動(dòng)距離限值。

選取4 動(dòng)4 拖的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組進(jìn)行仿真模擬。計(jì)算時(shí)緊急制動(dòng)空走時(shí)間取1.5 s，分別以初始速度350、300 km/h 在坡度5‰及以上的長大下坡道上進(jìn)行EB（Emergenay Brake）復(fù)合緊急制動(dòng)。動(dòng)車組緊急制動(dòng)距離見表1?？芍簞?dòng)車組以初始速度350 km/h 緊急制動(dòng)時(shí)，坡度10‰以上的坡段無法滿足6 500 m 的限值要求，在坡度15‰、20‰、25‰、30‰、35‰的長大下坡道運(yùn)行的動(dòng)車組制動(dòng)距離分別超過限值6.4%、14.1%、23.1%、33.8%、46.6%；動(dòng)車組以初始速度300 km/h 緊急制動(dòng)時(shí)，坡度5‰及以上的各坡段均無法滿足3 800 m的限值要求。

表1 在長大下坡道運(yùn)行時(shí)動(dòng)車組緊急制動(dòng)距離

因此，為了保證動(dòng)車組能夠在規(guī)范要求的距離內(nèi)制動(dòng)停車，須對運(yùn)行速度進(jìn)行合理限制。根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，動(dòng)車組緊急制動(dòng)限速建議值見表2。對于設(shè)計(jì)速度350 km/h的動(dòng)車組，在坡度5‰、10‰的下坡道運(yùn)行時(shí)無需限速。

表2 在長大下坡道運(yùn)行時(shí)動(dòng)車組緊急制動(dòng)限速建議值

1.2.2 電制動(dòng)故障工況

動(dòng)車組在長大下坡道運(yùn)行時(shí)，由于各種原因可能導(dǎo)致電制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生故障，出現(xiàn)制動(dòng)力損失。為了保證行車安全，對這種特殊情況下動(dòng)車組運(yùn)行情況進(jìn)行仿真研究。考慮動(dòng)車組電制動(dòng)力正常及損失25.0%、50.0%、62.5%的工況，使標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組分別以初始速度350、300 km/h 在下坡道進(jìn)行常規(guī)制動(dòng)，制動(dòng)有效率取0.8。制動(dòng)距離仿真計(jì)算結(jié)果見圖2。

圖2 不同制動(dòng)力損失工況下動(dòng)車組在長大下坡道運(yùn)行的制動(dòng)距離

由圖2可知：①對于初始速度350 km/h動(dòng)車組，制動(dòng)力損失25.0%時(shí)，制動(dòng)距離隨著下坡道坡度的增大而增加且增加斜率越來越大，坡度達(dá)到30‰時(shí)制動(dòng)距離驟增，達(dá)到35‰時(shí)已無法正常制動(dòng)停車；制動(dòng)力損失50.0%時(shí)，在坡度20‰的長大下坡道制動(dòng)距離為51.7 km，坡度達(dá)到25‰時(shí)制動(dòng)距離驟增至121.4 km；制動(dòng)力損失62.5%時(shí)，在坡度15‰的長大下坡道制動(dòng)距離為52.1km，坡度達(dá)到20‰時(shí)制動(dòng)距離驟增至112.9 km。可見，制動(dòng)力損失25.0%時(shí)，動(dòng)車組在坡度30‰及以上的長大下坡道制動(dòng)性能降低，無法保證安全運(yùn)行的要求；制動(dòng)力損失50.0%時(shí)，動(dòng)車組在坡度20‰及以上長大下坡道運(yùn)行須及時(shí)采取緊急制動(dòng)或降速運(yùn)行，做好應(yīng)急處理措施，保證行車安全；制動(dòng)力損失達(dá)到62.5%時(shí)，動(dòng)車組在坡度15‰以上長大下坡道的運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)將劇烈增大。②制動(dòng)力正常工況下，動(dòng)車組以初始速度350 km/h在坡度35‰的長大下坡道的制動(dòng)距離為21.3 km，限速至300 km/h 時(shí)制動(dòng)距離減小至12.6 km。可見，限速運(yùn)行可大幅減小制動(dòng)距離。因此，在長大下坡道采取限速措施可進(jìn)一步降低在制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)列車運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)。

1.2.3 電制動(dòng)和空氣制動(dòng)均失效時(shí)的惰行工況

動(dòng)車組遭遇極端不利情況時(shí)電制動(dòng)和空氣制動(dòng)均不能正常工作，只能處于制動(dòng)完全失效的惰行狀態(tài)。為進(jìn)一步分析長大坡道列車運(yùn)行安全性，對此極端情況進(jìn)行研究。選取4 動(dòng)4 拖的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組進(jìn)行仿真模擬。計(jì)算動(dòng)車組以初始速度350 km/h 在坡度20‰、25‰、30‰、35‰的長大下坡道上惰行不同距離的速度。動(dòng)車組在不同坡度下坡道惰行時(shí)運(yùn)行速度隨距離的變化曲線見圖3。

圖3 動(dòng)車組在不同坡度下坡道惰行時(shí)運(yùn)行速度隨距離的變化曲線

由圖3 可知：①動(dòng)車組以初始速度350 km/h 在坡度20‰的下坡道惰行5、10、20、40 km 時(shí)，運(yùn)行速度分別為357.16、363.24、372.83、384.99 km/h?？梢?，隨著坡長的增加，動(dòng)車組運(yùn)行速度也不斷增大，但增加斜率逐漸減小，逐漸趨于穩(wěn)定。②動(dòng)車組以初始速度350 km/h 在坡度20‰、25‰、30‰、35‰的下坡道惰行10 km 時(shí)，運(yùn)行速度分別為 363.24、377.34、390.89、403.9 km/h。可見，在失控惰行工況下，隨著坡度的增大，動(dòng)車組運(yùn)行速度增加得越來越快。動(dòng)車組在坡度20‰的下坡道運(yùn)行40 km 后，運(yùn)行速度已超過最高運(yùn)營速度380 km/h。因此，坡度20‰坡段的坡長不宜大于40 km。同理，坡度25‰、30‰、35‰坡段的坡長不宜大于20、10、5 km。

1.3 坡長與坡度的匹配設(shè)置建議

綜合考慮坡頂末速度不低于設(shè)計(jì)速度70%的要求及制動(dòng)故障情況下的行車安全性，坡長設(shè)置建議如下：①對于僅開行350 km/h 動(dòng)車組的線路，坡度15‰及以下的坡段不作限制，坡度20‰、25‰、30‰、35‰的坡段長度分別不大于40、20、10、5 km；②對于開行350 km/h 和250 km/h 動(dòng)車組的線路，坡度15‰及以下的坡段不作限制，坡度20‰、25‰、30‰、35‰的坡段長度分別不大于17、9、6、5 km。

2 長大坡道運(yùn)輸能力

2.1 列車區(qū)間追蹤間隔計(jì)算

列車在設(shè)置有連續(xù)長大坡道的高速鐵路的下坡道運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行速度越高，坡度值越大，坡段越長，則列車監(jiān)控制動(dòng)距離也就越長，可能導(dǎo)致列車追蹤間隔無法滿足設(shè)計(jì)要求。因此應(yīng)開展長大坡道設(shè)置對線路運(yùn)輸能力的影響研究。

列車區(qū)間追蹤如圖4 所示。其中L附、L制、L防、L閉、L列、L追分別為區(qū)間追蹤附加時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行距離、列車制動(dòng)距離、列車安全防護(hù)距離、閉塞分區(qū)長度、列車長度、列車區(qū)間追蹤距離，單位均為m。

圖4 列車區(qū)間追蹤示意

從圖4可以看出后行列車必須與前行列車保持一定追蹤間隔，包括制動(dòng)所需距離、信號系統(tǒng)應(yīng)變時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行距離、司機(jī)確認(rèn)目標(biāo)距離變化的時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行距離以及一定的安全距離。當(dāng)追蹤速度一定時(shí)，動(dòng)車組制動(dòng)能力越強(qiáng)，制動(dòng)距離越短，所需區(qū)間追蹤間隔距離和時(shí)間也越短，運(yùn)輸能力越大。

區(qū)間追蹤間隔時(shí)間I區(qū)間計(jì)算模型表達(dá)式為：I區(qū)間=3.6L追/v運(yùn)= 3.6(L列+L閉+L防+L制)/v運(yùn)+t附。其中：v運(yùn)為前后列車間隔距離內(nèi)列車平均運(yùn)行速度，km/h；t附為區(qū)間追蹤附加時(shí)間，CTCS-2 系統(tǒng)取 12 s，CTCS-3系統(tǒng)取16 s。

我國高速鐵路主要應(yīng)用的是CTCS-2、CTCS-3 級列控系統(tǒng)，其采用一次連續(xù)控制模式曲線來控制動(dòng)車組運(yùn)行。在區(qū)間追蹤時(shí)，根據(jù)前行列車所處閉塞區(qū)間的位置來確定后行列車的允許位置和速度，利用站內(nèi)或區(qū)間軌道電路及應(yīng)答器讀取前方區(qū)間線路等信息，產(chǎn)生制動(dòng)模式曲線。這種制動(dòng)控制模式曲線并非列車實(shí)際制動(dòng)特性曲線，而是通過對最大常用制動(dòng)曲線采用算法計(jì)算得到的，動(dòng)車組實(shí)際制動(dòng)曲線必須在該曲線之下，以保證動(dòng)車組制動(dòng)安全。

以4動(dòng)4拖的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組和CTCS3-300S車載設(shè)備進(jìn)行仿真模擬，對平直道和坡度5‰ ～35‰下坡道條件下的列車區(qū)間追蹤間隔時(shí)間進(jìn)行檢算，分析大坡度選擇對列車通過能力的影響。計(jì)算結(jié)果見表3。其中制動(dòng)距離為車載設(shè)備監(jiān)控模式曲線得出的制動(dòng)距離?？梢钥闯?，區(qū)間追蹤間隔時(shí)間隨著坡度的增大和列車運(yùn)行速度的提高而逐漸增大。

表3 列車區(qū)間追蹤間隔時(shí)間

根據(jù)TB 10621—2014，最小行車間隔時(shí)間宜采用3 min，我國京滬、京廣高速鐵路實(shí)際采用的是5 min。考慮長大坡道設(shè)置一般在艱險(xiǎn)山區(qū)，故分析時(shí)以3 min為目標(biāo)，以5 min為控制要求。

根據(jù)表3計(jì)算結(jié)果，動(dòng)車組以350 km/h運(yùn)行時(shí)，在坡度10‰及以下的下坡道上可實(shí)現(xiàn)3 min追蹤間隔目標(biāo)，在坡度20‰及以下的下坡道上可控制在4 min 以內(nèi)，在坡度25‰及以下的下坡道上能滿足5 min要求，坡度超過25‰則不能滿足5 min 要求，在坡度30‰的下坡道上追蹤間隔時(shí)間達(dá)到6 min 以上，而在坡度35‰的下坡道上由于車載列控設(shè)備計(jì)算制動(dòng)距離急劇增大，導(dǎo)致所需的閉塞區(qū)間也大幅增長，區(qū)間追蹤間隔也大大增加。

2.2 滿足追蹤間隔要求的列車運(yùn)行限速設(shè)置

對于我國西南山區(qū)鐵路建設(shè)中需要集中設(shè)置長大坡道的情況，為保證線路運(yùn)輸能力，可以采取在長大下坡道段限速運(yùn)行的措施。

為實(shí)現(xiàn)列車追蹤間隔不超過5 min，通過仿真計(jì)算，分別得出列車在不同坡度下坡道運(yùn)行時(shí)區(qū)間追蹤間隔時(shí)間滿足3、4、5 min的限速建議值，見表4。

表4 滿足追蹤間隔時(shí)間要求的下坡道限速設(shè)置

由表4 可知：①坡度10‰及以下的下坡道能夠同時(shí)滿足350 km/h 運(yùn)行速度和3 min 追蹤間隔的要求；坡度20‰及以下的下坡道能夠同時(shí)滿足350 km/h 運(yùn)行速度和4 min 追蹤間隔的要求；若取5 min 為追蹤間隔時(shí)間要求，坡度26‰及以下的下坡道能夠同時(shí)滿足350 km/h 運(yùn)行速度和5 min 追蹤間隔的要求。②列車在坡度30‰的長大下坡道上運(yùn)行時(shí)，若滿足3、4、5 min追蹤間隔時(shí)間要求，應(yīng)分別限速249、287、314 km/h。

在相同坡度條件下，設(shè)置限速后列車區(qū)間追蹤間隔時(shí)間縮短，從而可以提高區(qū)間通過能力和運(yùn)輸能力。如列車在坡度30‰的長大下坡道上運(yùn)行時(shí)，若不限速，區(qū)間追蹤間隔為368.5 s，超過6min，而采用表4的限速方案后追蹤間隔時(shí)間可控制在5 min 內(nèi)。分別按6.5 min 和5.0 min 計(jì)算區(qū)間通過能力，限速后運(yùn)輸能力由每日185對提高到240對，提高了29.7%。

為滿足列車追蹤間隔時(shí)間要求，保證線路運(yùn)輸能力，若采用不限速方案，在縱斷面設(shè)計(jì)中大坡度坡段不能連續(xù)設(shè)置，而且長度應(yīng)適當(dāng)縮短。對于長大坡道集中設(shè)置方案，要保證列車追蹤間隔時(shí)間滿足要求，應(yīng)根據(jù)線路條件、動(dòng)車組型號、列控系統(tǒng)性能等因素確定列車在長大下坡道運(yùn)行的限速。

3 結(jié)論及建議

1）綜合考慮坡頂末速度不低于設(shè)計(jì)速度70%的要求及制動(dòng)故障情況下的行車安全性，對于設(shè)計(jì)速度350 km/h 和250 km/h 的線路，坡度15‰及以下的坡段不作限制，坡度20‰、25‰、30‰、35‰的坡段長度分別不大于17、9、6、5 km。

2）綜合考慮動(dòng)車組在長大下坡道緊急制動(dòng)距離要求和列車追蹤時(shí)間間隔不大于5 min 的要求，須對動(dòng)車組采取限速措施。設(shè)計(jì)速度350 km/h 動(dòng)車組在坡度15‰、20‰、25‰、30‰、35‰且坡長大于6 500 m的長大下坡道的運(yùn)行速度應(yīng)分別控制在342、334、326、314、278 km/h以下。