武广铁路客运专线大坡度适应性分析

陈小全,万昌海,许克亮

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

1 概述

武广铁路客运专线起自武汉站,经湖北、湖南、广东三省,终至新广州站,正线全长1 068.6 km。全线越岭地段中,以湘粤省界附近的郴州至乐昌段、鄂湘省界附近的临湘至岳阳段,此两者最为显著,湘中地区湘潭至衡山段次之。

项目研究阶段,对其主要技术标准中的线路最大坡度,曾重点研究过12‰、18‰、24‰、30‰等多个方案。综合工程投资与运营支出等因素,其时基于高速客车引进动车组、中速客车定制新型机车的认知,选取最大坡度12‰方案。初步设计时,结合对日法德三个高速铁路技术原创国综合考察成果,在明确跨线车统一采用动车组的基础上,最终确定采用一般12‰、最大不超过20‰的最大坡度方案。此立足于技术装备的跨越式发展,将最大坡度选用20‰,是结合国情创造性地运用国际经验,是对当时高速铁路设计暂行规定的合理而又有效的突破。

现武广铁路客运专线全线共设计坡段446个,平均坡段长2.164 km。

全线运用了大坡度的重点工程,桥梁有临湘特大桥、杨塘特大桥、大禾特大桥、高雅岭特大桥、章水河特大桥、肖家特大桥等,隧道有浏阳河隧道、新南岭隧道、大瑶山1号隧道、九子仙隧道、天子岭隧道、金沙洲隧道等。

2 大坡度运用情况

2.1 大坡度运用频率(表1)

全线共使用大于12‰、但不超过20‰的大坡度坡段58个,累计坡段长度111.607 km,占全线线路长度的11.6%。

表1 大坡度使用频率

线路拔取高度为下行3 073.807 m、上行3 093.325 m(表2)。

表2 线路上下行拔取高度

综合而言,20‰坡段共计运用17次(占坡段数的3.8%),累坡段长度达34.612 km,占全线长度的3.6%,使用频率相对较高；从拔取高度看,20‰上坡占下行拔取高度的12.3%,20‰下坡占上行拔取高度的11.3%,所占份额均较大。

2.2 大坡度运用地段(图1)

从超12‰大坡度分布情况可知,其运用地段主要集中在郴州至韶关段、临湘至岳阳至长沙段,次之集中在衡阳附近。武汉至赤壁、韶关至新广州,此两段超12‰大坡度用之甚少。

图1 超12‰大坡度分布示意

2.3 大坡度运用类型

经分析,全线超12‰大坡度运用类型如下：浏阳河、金沙洲2座下穿隧道共计设置有5个大坡度坡段；因立体交叉需要,共计设置有11个大坡度坡段；三大越岭共计运用了24个大坡度坡段；余下18个段坡因应其余地段的地形起伏而设。

3 大坡度运用的适应性

3.1 大坡度运用的工程绩效

充分发挥动车组对大坡度的良好适应性能,在工程设计中采用超12‰的大坡度,在武广铁路客运专线建设中取得以下多项工程绩效。

(1)拓展了重大线路方案研究空间,丰富了敏感地段可选方案。

运用大坡度,较好地拓展了重大线路方案研究空间,在一定程度上丰富了敏感地段可选方案,增强方案选用的灵活性,对推进特殊地段高速铁路和谐建设具有重大意义。

武广铁路客运专线长沙北捞刀河至机场路段桥隧方案研究中,运用超12‰大坡度,使得隧道埋置深度满足安全下穿京珠、机场两高速公路要求,使得隧道埋置深度满足从浏阳河河床底下安全通过的要求,使得隧道其他地段主体埋置在微风化层等有利地层中,非大坡度方案不足以控制隧道方案工程风险,非大坡度方案不足以确立隧道方案。此段高速铁路穿城以隧道方案顺利建成,且工程投资不高于桥梁方案,在技术条件方面,20‰大坡度的运用堪称关键(图2)。

图2 浏阳河隧道纵断面示意(单位：m)

(2)降低了越岭地段工程实施难度,增强了工程的安全可靠性。

选用超12‰的大坡度,可为越岭地段桥隧工程争取合适的高程,避免线路成段吊空,降低越岭地段桥隧工程的实施难度,增大系列工点的安全性。

此类典型工点有郴州南岭、九子仙等地段采用20‰纵坡方案。

郴州南岭北麓：郴州南岭是武广全线越岭垭口中最高者,其北麓原采用12‰纵坡方案时,存在多处线路吊空现象。调整为20‰纵坡方案后,乐善亭隧道岩溶浅埋段埋深增加13 m,高雅岭特大桥墩高降低19.5～23.4 m,桥跨方案得以由19孔56 m箱梁改为30孔32 m箱梁。比较而言,现20‰纵坡方案在该越岭地段有更好的适应性(图3)。

图3 郴州南岭北麓线路纵坡方案

郴州九子仙段：即DK1840～DK1845段,线路行经荷叶坪西侧,受长青水库等限制,线路高程需由160 m拔高至227 m,原设计采用12‰纵坡方案时,属紧坡地段,存在大禾特大桥严重吊空、明线通过DK1842+750处冲沟和DK1840+700附近岩堆等不足。改用20‰纵坡方案,大禾特大桥墩高降低8～11 m,九子仙隧道埋深增加约25 m,以隧道方式通过地质不良区域,对提高运营期间线路安全有利。2006年7月中旬台风“碧利斯”波及该区域,前述冲沟即发生较大规模泥石流,该段采用大坡度的工程绩效得以彰显(图4)。

图4 郴州九子仙段线路纵坡方案

(3)减少了一般地段路桥隧工程,有助于控制工程投资。

运用大坡度,线路设计高程也能更好地适应一般地段的地形起伏变化,有助于降低桥高或减少路堑挖深,减少路桥隧工程,控制工程投资。

(4)改善立交工程条件,甚至是减少立交工程,有助于节省投资。

运用大坡度,有助于在较小的范围内处理好公(道)路对线路高程的控制,改善立交工程条件,在一定条件下也能减少部分立交工程,节省工程投资。

(5)在特殊困难条件下,有助于增强线路平、纵面配合的灵活性。

3.2 模拟行车检算

确定采用超12‰的大坡度前,对设计线路进行了高速车速度动态变化模拟,相关情况见表3。

表3 大坡度地段速度变化值

经分析,在采用大坡度后,尤其是其对应坡段较长大时,行车速度有一定的变化,除K1 833、K1 835坡段末端外,高速车一般不低于320 km/h,中速车一般不低于180 km/h。

经计算,所设置的大坡率长大坡段均不影响本线的通过能力,反映了其极强的适应性。

4 结论

武广铁路客运专线11.6%的地段采用超过12‰的大坡度,取得了良好效果,显示了极强的适应性。

(1)在三大主要越岭地段以及下穿隧道地段,集中使用了大坡度；另因立交、适应地形起伏等要求,也零星使用了大坡度。从本工程建设过程看,大坡度的使用取得了较好的工程绩效,丰富了选线内涵。

(2)因使用长大段大坡度,高中速列车运行速度均有一定衰减,但不影响本线通过能力,反映了其极强的适应性。

(3)最大坡度20‰在本线使用频率较高,既显示其确有必要,且预示着某种条件下需探求运用较20‰更大的坡度。

[1] 铁道第四勘察设计院.武汉至广州客运专线乌龙泉至韶关段最大坡度方案研究[Z].武汉：2004.

[2] 铁道第四勘察设计院.新建铁路武汉至广州客运专线乌龙泉至花都段修改初步设计线路篇[Z].武汉：2005.

[3] 铁道第四勘察设计院.长沙北捞刀河至机场路段方案修改深化研究补充材料[Z].武汉:2006.

[4] 中铁第四勘察设计院集团有限公司.新建铁路武汉至广州客运专线乌龙泉至花都段施工图[Z].武汉:2006～2009.