西安至成都客运专线翻越秦岭地段最大坡度研究分析

2010-08-03杨勃

铁道标准设计 2010年1期

杨勃

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 研究背景

新建西安至成都客运专线,是我国高速铁路网的重要组成部分,是一条高标准、高密度、大能力的西南(川渝)地区快速客运北通道。本线对加快西部大开发进程,打造成都、西安成为我国西部经济发展高地,促进关中和成渝两大城市圈的融合,加快沿线旅游资源整合,保障国民经济可持续发展,开辟川渝地区北出快速客运新通道,实现川渝地区与全国快速客运专线的联网,释放既有铁路货运能力,提升区域综合交通运输体系,构建资源节约型和环境友好型社会等方面具有十分重要的意义。

本线需翻越秦岭山脉,其两侧西安、汉中两盆地高程约 400～500m,秦岭横亘其间,海拔1800～3760m,整体上北陡南缓,山势巍峨高耸;尤其秦岭北坡,在航空距离 30km范围内高差达1300～3260m,形成逾越十分困难的自然屏障。北坡可供线路选用的自然沟谷纵坡均在 15‰以上,大部分河段自然纵坡大于 20‰及 25‰。

本段线路最大坡度的研究确定,对线路走向、工程设置、运行安全及舒适度均有决定性作用。

2 西成客运专线秦岭段最大坡度的方案研究

2.1 既有铁路穿越秦岭的最大坡度总结

既有铁路穿越秦岭的有宁西、西康及宝成铁路,其翻越秦岭的主要技术特征如表1所示。

表1 既有铁路秦岭越岭最大坡度及相关技术指标

总结不同时期所修建铁路的最大坡度、越岭隧道长度及引线间的关系,可见:线路穿越秦岭在不展线的情况下,采用 12‰～15‰坡度时越岭隧道长度在 30～50km及以上,采用 20‰坡度时越岭隧道长度在 15～25km,采用25‰及以上坡度时越岭隧道长度在 10～15km。

2.2 高速铁路在长隧道地段的最大坡度总结

国外高速铁路最大坡度基本都大于 20‰,一般在20‰～40‰,但仅限局部地段使用;国内除台湾省台北—高雄铁路最大坡度采用 35‰外,大陆在建及拟建的高速铁路最大坡度一般不超过 20‰。由于目前在建、拟建工程主要位于中东部相对平缓低山丘陵地区,足坡地段长度一般不超过 10km。

国内外高速铁路在长隧道地段采用的最大坡度见表2。从已运营及拟建的国内外客运专线分析,长度10km以上的隧道最大坡度一般不超过 20‰。

2.3 动车组大坡度适应性分析

2.3.1 运输安全

国内已投入运营及今后长期运营的有 5种主型动车组。其中时速 200km动车组有 CRH1型、CRH2-200型、CRH5型,时速 300km动车组有 CRH2-300型、CRH3型。本线建成运营初、近期,以上 5种动车组都有上线运行的可能。鉴于此,从运输安全方面对 5种动车组进行分析。

(1)动车组下坡最大坡度

在连续长大下坡道地段,施加全电制动力,CRH1对应的最大坡度为 29‰,其他 4种动车组对应的最大坡度均在 34‰以上。若只施加 75%电制动力,除CRH1对应最大坡度为 24‰外,其他 4种动车均可在25‰的连续长大坡道匀速运行。从动车组的紧急制动距离看,CRH3型动车组坡度在 25‰下坡地段虽不满足《铁路主要技术政策》350km/h制动至停车不超过4800m的要求,但满足《京津城际铁路技术管理办法》(铁科技[2008]99号)文件技术要求。CRH2-300动车组在 0‰～30‰的下坡地段均不满足《铁路主要技术政策》350km/h制动至停车不超过4800m的要求,在京津城际铁路中已做了不超过6500m的技术规定,25‰的坡度方案对应的制动距离为7407m,比京津城际铁路技术规定仅长 907m,若考虑隧道空气附加阻力,则差距更小。

表2 国内外高速铁路在长隧道地段采用的最大坡度

(2)动车组起动对应的最大坡度

各型动车组起动牵引对应的最大坡度在 40‰～70‰,由此可见,各型动车组在 30‰及以下坡度均能正常起动。

2.3.2 运输质量

不同动车组与坡度、速度的适应性用 v-S曲线反映;以 CRH3为例,在不同足坡上坡地段初速度为 340 km/h运行工况如图1。

图1 CRH3动车组不同最大坡度v-S曲线

由图1可见,持续足坡地段运行 10km后,速度均在 250km/h以上,运行 20km后速度均在 200km/h以上。在 15‰、20‰、25‰、30‰不同上坡地段分别运行 60km后的速度分别为 262.8、234.2、207.4、184.9 km/h分别降低为最高速度的 75%、67%、59%、53%。以上分析表明,动车组闯坡及持续运行性能良好,对大坡度适应性较好,在持续大坡道上坡地段,动车组能够保持以较高的速度运行。

2.4 最大坡度方案比选

西安至成都客运专线必经汉中,西安至汉中必越秦岭且以涝峪佛坪(高速公路)通道为优。研究区域内秦岭山脉呈近东西向展布,航空线附近主峰为东梁(高程2965m),秦岭北坡地形陡峻,河流及支沟不发育,仅涝峪相对下切较深,其大部分河谷弯曲狭窄,河床纵坡15‰～35‰;岭南山势相对平缓,水系发育,支脉河流呈条带状间隔分布,主要可利用的沟峪为旬河源头江河及子午河(西河、蒲河、椒溪河)等,总体沟谷河床弯曲狭窄,上游纵坡 25‰～35‰、中下游纵坡 15‰～25‰。

《新建时速 300～350km客运专线设计暂行规定》中第3.3.1条指出正线的最大坡度,一般条件不应大于 20‰,困难条件下,经技术经济比较,不应大于30‰。秦岭越岭地段克服高差巨大,需充分发挥动车组爬坡能力强的特点。所以根据区域地形特点,分别研究了 20‰、25‰、30‰三个最大坡度方案。

2.4.1 线路平纵断面分析说明

在线路方案中,采用不同坡度时线路总体走向基本一致。为缩短引线,降低桥高,改善长隧道的施工条件,线路在岭北引线及越岭隧道地段,线位略有不同;其中 30‰方案可顺直出山,于户县北设站;而其他方案线路则均需略作展长,于户县东设站。各方案主要特征见表3。

表3 各方案纵断面主要特征

根据表3分析,采用 25‰及 30‰大坡度方案,越岭隧道减短,拔起高度增加,持续紧坡地段缩短;但30‰较 25‰方案减缓趋势不甚明显。

2.4.2 分析比选

(1)运输安全性分析

根据动车组在长大坡度上的运输安全性分析,持续长大坡道主要受动车组制动条件控制,各型动车组均能在 9km范围内进行紧急停车,仅制动距离有所差异:时速 350km的动车组制动距离 25‰、30‰分别比20‰方案长约 0.6、1.3km,时速 200km的动车组制动距离 25‰、30‰分别比 20‰方案长约 0.2、0.2km。比较而言,25‰方案、30‰方案在安全性方面,较 20‰方案略差,但无明显恶化。

(2)运输质量分析

本段线路需克服岭北高程障碍,线路以持续长大上坡(42～52km)隧道群通过,针对不同坡度方案,采用各型动车组进行模拟牵引计算,西安至汉中全段242km范围内,以 CRH3为例,采用 20‰及 25‰坡度方案,运行时分仅差 0.4min,平均速度仅差3.5km/h;能耗差异仅 332kW◦h;25‰和 30‰两方案运行时分及能耗差别甚微。

不同坡度方案坡顶的速度差别较大,平均速度也有差异;但在克服高差为一定数的情况下,当持续坡度大时,坡顶速度降低,但连续上坡地段减短,全程运行时分、平均速度和能耗差异较小。

故从运输质量分析,25‰方案具有优势。

(3)运输能力分析

根据运输组织模式研究结论,本线近期采用 A、B类动车组共线运行的运输组织模式,追踪间隔采用 4 min,远期运行动车组全部为 A类,追踪间隔采用 3min。

(4)地形适应性及工程投资比较分析

最大 25‰和 30‰坡度方案相比,主隧道长度差别小,投资差别也不大(越岭线路长度增加约 1.5km,工程投资增加约 1.85亿元;),说明最大坡度加大至25‰以上,工程上无优势。见表4。

表4 秦岭越岭地段不同坡度方案的工程投资比较

最大 25‰和 20‰坡度方案相比,线路长度短约0.8km,桥隧总长短 0.8km,越岭主隧道短 10km,辅助坑道(双线)设置减少 16km/6座(均采用 4年工期),工程投资节省 11.7亿元。说明采用 25‰坡度,更加适应地形,减少工程投资等优势更为明显。

(5)工期合理性分析及工程实施难度

在越岭方案中,局部采用 25‰方案较 20‰方案,可降低两端引线段桥梁高度,改善工程实施条件。尤其可将越岭主隧道由24.8km减短至14.9km,两方案按同一工期考虑,25‰方案可大幅减少辅助坑道及便道工程,工程实施难度大幅降低。故局部采用 25‰在工期及工程实施难度方面均较有利,而在东梁特长隧道地段其优势则更为明显。

2.5 最大坡度推荐意见

综上分析,局部采用 25‰与 20‰坡度方案相比,全程运行时分、平均速度和能耗差异均较小(分别差0.3min、3.9～2.4km/h、332～ 524(kW◦ h),即运营指标相当;线路长度分别可缩短 0.8、4.5km,投资节省 11.7、5.98亿元,工程改善明显;尤其主越岭隧道可缩短至 14.8km。故推荐翻越秦岭地段局部采用 25‰坡度方案。