幾內亞馬西鐵路限制坡度方案研究

顏 文

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司 線路運輸設計院，陜西 西安 710043)

1 馬西鐵路限制坡度方案分析及提出

1.1 馬西鐵路

幾內亞馬瑞巴亞港至西芒杜礦區(qū)鐵路(以下簡稱“馬西鐵路”)位于幾內亞共和國南部，貫穿行經(jīng)金迪亞、馬木、法拉納及康康大區(qū)境內，總體呈西東走向。線路自馬瑞巴亞港引出，向東經(jīng)福雷卡利亞隨后轉向東北沿幾內亞/塞拉利昂邊境于穆巴魯越嶺后經(jīng)馬雷拉至法拉納，隨后向東南走行至凱魯阿內并沿N2 公路走行至西芒杜礦區(qū)。馬西鐵路是幾內亞西芒杜礦區(qū)鐵礦石規(guī)模開采、實現(xiàn)礦產(chǎn)海鐵聯(lián)運的重要配套設施，是一條服務鐵礦石運輸?shù)膶Ｓ描F路，采用中國鐵路技術標準體系建設，線路正線長度620.48 km，正線數(shù)目為雙線，研究年度分別為初期(2025 年)、近期(2027 年)、遠期(2034 年)，全線共分布車站15 座，平均站間距44 km，最大站間距54.5 km，最小站間距16 km，近遠期年運量分別為7 000 萬t、1.0 億t。

馬西鐵路地勢總體由西向東逐漸抬升，沿線最小高程約為1 m，位于馬瑞巴亞港附近；最大高程約為660 m，位于穆巴魯附近。線路由西向東依次經(jīng)過濱海平原區(qū)、中低山區(qū)、剝蝕準平原區(qū)及中低山丘陵區(qū)，其中，馬瑞巴亞港至金達弗里段線位處于濱海平原區(qū)及低山丘陵區(qū)，河漫灘、階地發(fā)育，河流較順直，地面高程0 ～ 230 m。金達弗里至穆巴魯至馬雷拉段線位處于中部山區(qū)，山勢陡峭，山嶺海拔230 ～ 650 m，地形高差50 ～ 400 m，為典型越嶺地段。馬雷拉至法拉納至西芒杜礦區(qū)段線位處于低山丘陵區(qū)，地勢相對平緩，地形呈起伏狀，海拔400 ～ 530 m，地形高差30 ～ 100 m，馬西鐵路地形地勢示意圖如圖1 所示。

圖1 馬西鐵路地形地勢示意圖Fig.1 Topographic map of Maribaya-Simandou Railway

此類地形地貌、地勢高差將直接影響鐵路限制坡度的選擇，因而需要開展馬西鐵路限制坡度研究，從而為國外地區(qū)以經(jīng)濟選線為主導的貨運鐵路限制坡度的選擇提供參考。

1.2 限制坡度取值范圍計算

在確定馬西鐵路限制坡度方案前，需對其取值范圍進行計算。根據(jù)《鐵路線路設計規(guī)范》(TB 10098-2017)、《鐵路選線設計》及《列車牽引計算第一部分：機車牽引式列車》(TB/T1407.1-2018)中相關規(guī)定[1-3]，進行列車起動檢算，最大限制坡度計算公式為

粘著牽引力計算公式為

式中：Fμ為機車計算粘著牽引力，kN；Pμ為機車粘著質量，t；μj為粘著系數(shù)。

將公式(2)代入公式(1)計算得到馬西鐵路牽引質量為7 000 t 時，最大限制坡度為13.6‰，由于馬西鐵路地面自然平均坡度約為5.4‰，且以經(jīng)濟選線為主導，避免產(chǎn)生線路展線，節(jié)省工程投資，因而馬西鐵路限制坡度取值范圍宜為5.4‰ ～ 13.6‰。

1.3 限制坡度方案

根據(jù)線路走向方案，結合地形地勢特點，研究選擇在埡口高程較低的穆巴魯越嶺，以縮短線路正線長度，降低工程規(guī)模。不同坡度的選擇對工程適應性及工程投資影響較大[4-5]，工程差異主要集中于低山丘陵區(qū)和中部山區(qū)，因而重點對中部山區(qū)越嶺地段進行不同坡度方案的比選。

馬西鐵路的車流特點決定了限制坡度方案的取值，其中，上行為重車方向，下行為輕車方向，且地形條件也合適(重車方向緩，輕車方向陡)，因而可采用分方向選擇限制坡度的均衡坡[6-8]，以節(jié)省工程投資。《鐵路線路設計規(guī)范》中指出，輕、重車方向貨流顯著不平衡，遠期也不致發(fā)生巨大變化，且分方向采用不同限制坡度有顯著經(jīng)濟價值時，可分方向選擇限制坡度，稱為均衡坡[2]。

馬西鐵路多尼亞至穆巴魯至馬雷拉段線位處于中部山區(qū)，地形相對困難，重車方向采用9‰的坡度可基本適應地形，其余段落地形相對平緩，重車采用6‰可大部分適應地形。

根據(jù)限制坡度取值范圍計算結果，重車方向可采用6‰，9‰最大坡度和輕車方向采用9‰，13‰最大坡度，并結合貨流特點提出 6‰/9‰均衡坡方案、6‰/13‰均衡坡方案、 9‰/13‰均衡坡方案3 種限制坡度方案，馬西鐵路不同坡度方案示意圖如圖2 所示。

（1）6‰/9‰均衡坡方案：為優(yōu)化線路運輸條件，滿足貨運鐵路牽引質量的要求，提出6‰/9‰均衡坡方案。6‰/9‰均衡坡方案線路正線長度620.48 km，橋隧占比為14.33%，該方案最長越嶺隧道為3.895 km，足坡率為73.12%，坡度利用充分，靜態(tài)投資357.55 億元。

（2）6‰/13‰均衡坡方案：為縮短線路正線長度，同時縮短越嶺隧道長度，提出6‰/13‰均衡坡方案。6‰/13‰均衡坡方案線路正線長度616.64 km，橋隧占比為15.05%，該方案最長越嶺隧道為3.434 km，由于線路繞避村莊和自然保護區(qū)等敏感點，足坡率為61.07%，靜態(tài)投資352.53 億元。

（3）9‰/13‰均衡坡方案：為適應地形地勢條件，減少工程數(shù)量和工程投資，提出9‰/13‰均衡坡方案。9‰/13‰均衡坡方案線路正線長度605.47 km，橋隧占比為15.24%，由于采用較大的坡度，線路設置了4.2 km 的長越嶺隧道，導致線路坡度利用不充分，足坡率僅為53.12%，靜態(tài)投資346.60 億元。

2 馬西鐵路限制坡度方案比選確定

2.1 限制坡度選擇影響因素

2.1.1 線路功能定位

馬西鐵路的功能定位決定了鐵路的主要技術標準，馬西鐵路是幾內亞礦區(qū)礦產(chǎn)資源出口運輸?shù)闹饕ǖ溃饕沼谖髅⒍诺V區(qū)企業(yè)鐵礦石產(chǎn)品的鐵路外運，未來可作為幾內亞鐵路網(wǎng)橫貫東西的主干線。

2.1.2 地形地貌

限制坡度的選擇與鐵路沿線的地形地貌特征密切相關，當鐵路沿線地面起伏較小，即地面自然平均坡度越小，限制坡度的取值范圍越大[9]。由于鐵路的縱斷面坡度值不僅決定了線站橋隧等鐵路主要結構工程，還控制了橋隧路等高度和長度，將直接影響鐵路的工程經(jīng)濟性，因而為使鐵路工程結構物設置的更加合理，限制坡度的取值至關重要。當鐵路行經(jīng)地區(qū)地面自然平均坡度較小時，限制坡度的選擇基本不受地形地貌的限制，當鐵路行經(jīng)地區(qū)地面自然平均坡度較大時，限制坡度的選擇盡量采用較大值以適應地形，減少土石方等工程數(shù)量[10-12]。

馬西鐵路自西向東依次穿越濱海平原區(qū)、富塔賈隆高原南部的中低山區(qū)、富塔賈隆高原南部剝蝕準平原區(qū)及中低山丘陵區(qū)，穆巴魯至馬雷拉段地形起伏大，地勢陡峻，溝谷深切。

2.1.3 車流特點

馬西鐵路上行方向(馬瑞巴亞港方向)為礦區(qū)鐵礦石外運車流的重車方向，研究年度運量大，裝卸點集中；下行方向(西芒杜礦區(qū)方向)主要為礦區(qū)所需生產(chǎn)和生活物資，研究年度運量小，發(fā)到地明確。從車流特點看，輕重車流不均衡性十分明顯，具備采用均衡坡條件。

2.1.4 牽引種類及牽引質量

馬西鐵路以鐵礦石運輸為主，運量大，從提高運輸能力、運輸效率、節(jié)能減排等方面考慮，適宜采用電力牽引。但受幾內亞國家電網(wǎng)限制，現(xiàn)狀電力供應價格高，且現(xiàn)狀沿線電力資源不具備為本線供電的條件。因此，牽引種類推薦采用內燃牽引。

馬西鐵路越嶺段隧道較多，最長隧道約為3.9 km，為減少列車在長隧道內的運營安全隱患，宜保證一定的速度快速通過隧道，牽引質量需考慮適當富余。且當牽引種類一定時，限制坡度越大，牽引質量越小。因此，限制坡度選取時應充分考慮設計線路的牽引種類及牽引質量，以滿足線路的牽引能力。

2.2 方案比選

2.2.1 工程適應性及投資分析

馬西鐵路緊坡展線地段均處于中部山區(qū)且相對集中，原則上需充分利用地形條件[13-14]，研究發(fā)現(xiàn)3 個限制坡度方案均能夠適應越嶺地段地形，其中9‰/13‰坡度方案對地形的適應性最強，6‰/13‰坡度方案在越嶺前相比6‰/9‰坡度方案更能適應地形條件。馬西鐵路主要工程數(shù)量及投資比較如表1 所示。由表1 可知，9‰/13‰及6‰/13‰坡度方案較6‰/9‰坡度方案線路正線長度分別縮短15.01 km，3.84 km，靜態(tài)投資節(jié)省10.96 億元、5.03 億元。

表1 馬西鐵路主要工程數(shù)量及投資比較Tab.1 Comparison of main project quantity and investment in Maribaya-Simandou Railway

2.2.2 限制坡度、機車類型、牽引質量的匹配合理性分析

馬西鐵路擬采用內燃牽引，因此，研究對交流傳動的HXN5 和HXN5B 型機車牽引質量進行檢算，不同坡度方案牽引質量如表2 所示。

表2 不同坡度方案牽引質量表Tab.2 Tonnage rating of gradient schemes

由于馬西鐵路為內燃牽引且越嶺段隧道較多，為利于隧道通風，保證隧道內行車安全，列車需具備一定的過隧速度，牽引質量宜適當留有余量。本次研究6‰/9‰，6‰/13‰，9‰/13‰均衡坡方案牽引質量分別為10 000 t，7 000 t 和7 000 t。

2.2.3 工程經(jīng)濟性分析

結合機型與限坡、牽引質量匹配性分析，6‰/9‰坡度方案按HXN5B 型雙機牽引10 000 t，9/13‰，6‰/13‰坡度方案按HXN5B 型雙機牽引7 000 t。對不同方案的工程投資、機車車輛購置費及運營費采用費用現(xiàn)值法計算，得出不同坡度方案經(jīng)濟性比較如表3 所示。

表3 不同坡度方案經(jīng)濟性比較表 萬元Tab.3 Economic comparison between gradient schemes

綜上分析，6‰/9‰均衡坡方案可基本適應地形，工程數(shù)量及投資較6‰/13‰和9‰/13‰增加不明顯，同時，由表3 可知，6‰/9‰方案機車運用臺數(shù)更少、機車購置費、運營費更加節(jié)省，綜合費用現(xiàn)值更低，經(jīng)濟性更好，符合馬西鐵路的經(jīng)濟性選線原則，各方案均滿足研究年度運輸需求。因此，馬西鐵路限制坡度推薦采用6‰/9‰均衡坡方案。

3 結束語

在滿足鐵路運輸安全、運輸需求及自然技術條件的前提下，鐵路主要技術標準需經(jīng)綜合技術經(jīng)濟比選后確定，盡可能采用經(jīng)濟與社會效益較好的方案。針對以經(jīng)濟選線為主導的貨運專用鐵路，限制坡度是影響線路走向的主要技術標準，限制坡度的合理確定對線路正線長度、車站分布和橋隧比等有很大影響，同時直接關系到鐵路運輸能力、行車安全性、工程投資和運營費用等。馬西鐵路限制坡度方案通過多角度論證并結合機型與限坡、牽引質量匹配性分析，在滿足研究年度運輸需求前提下采用綜合費用現(xiàn)值法，推薦采用經(jīng)濟性更好的6‰/9‰均衡坡方案，研究成果為國內外貨運專用鐵路建設項目技術標準的研究提供了科學依據(jù)和技術支持。