新建荆州至岳阳铁路主要技术标准的研究

2010-08-04叶伟

铁道标准设计 2010年3期

叶伟

(中铁工程设计咨询集团有限公司线站院,北京 100055)

1 概述

荆州至岳阳铁路地处长江沿岸,线路经过江汉平原和洞庭湖平原地区(简称两湖平原),是焦柳线、汉宜线和京广线间重要的联络通路。线路自荆沙线沙市站引出,于宋家台跨长江至公安县,穿荆江分洪区至藕池、石首后线路折向东南,经华容县穿洞庭湖蓄洪区,在洞庭湖公路大桥下游 4.2 km处跨洞庭湖口进入岳阳市,分上下行引入既有京广线岳阳北站,线路全长171.183 km。该项目对于改善沿线交通运输条件,促进沿线区域经济发展;完善路网结构,增强路网机动灵活性;完善区域综合交通体系,实现可持续发展;加强战备及长江防洪抗灾;对于盘活国有固定资产、提高资产利用效率等方面均具有重要的意义。

铁路主要技术标准是铁路建筑物和设备的类型、能力和规模的基本标准,对铁路能否满足国家的要求、运营效率的高低、投资的规模及经济效益的大小有重要的影响。铁路的主要技术标准中,如正线数目、限制坡度、最小曲线半径、到发线有效长等属于基建标准,建成后很难改变,应按远期需要选定其标准;而牵引种类、机车类型、闭塞方式及机车交路等属于技术设备类型标准,可随着运量的增长逐步实现技术装备的更新改造,宜结合近期和远期的需要统筹考虑。选择铁路主要技术标准要贯彻固本简末、强干弱支的方针、以运量为依据、保证合理的经济效益。

2 本项目技术标准选择的研究

2.1 铁路等级

荆岳铁路是焦柳线、汉宜线和京广线间重要的联络通道,其近期最小区段年客货运量为 22.4Mt(客车8对、货运 14.4Mt),大于 20Mt。根据本线在路网中的作用和承担的运量,按照《铁路线路设计规范》(GB50090—2006),铁路等级为Ⅰ级。

2.2 正线数目

本线在路网中货运主要承担鄂西、西北、川渝与长沙以北、岳阳等地及沿线地区货物交流;客运主要承担鄂西、西北、川渝与长沙、岳阳以远间对速度要求相对较低的旅客交流。根据运量预测,本线沙市—君山段近、远期年客货运量分别为 22.4、35.1Mt,君山—岳阳北段近、远期年客货运量分别为 29.2、41.7Mt,近期单线能力可以满足运输需求。远期君山—岳阳北段行车量达 41对,超过单线铁路最大合理负荷,经研究,根据线路条件,可采取七公岭—岳阳北段建成双线的扩能措施。经检算,七公岭—岳阳北段建成双线后,可满足运输需求。考虑到该段线路经过区域为东洞庭湖国家级湿地保护区,为减小对保护区的影响不宜设站过多。因此,七公岭—岳阳北应一次建成双线。

根据区域铁路网规划及本线在路网中的作用,本线远景要求的年输送能力为 55Mt(3 500×104t/年、客车 20对 /d(不含市域列车)),按 5000 t牵引质量计算,日均行车量为 49对,单线能力不能满足要求,因此,远景应全线预留增建二线的条件。

综上所述,本线七公岭—岳阳北段一次建成双线,其余部分正线数目为单线,全线预留双线条件。

2.3 路段旅客列车设计行车速度

(1)时间目标值的选择

本线为客货共线铁路,客货运量各约占 50%;从开行客车来看,客专—普通铁路间的跨线车约占30%,普通铁路间的客车约占 70%。从客车开行方案分析,本线短途客流主要是荆州—长沙间。目前公路里程约 400 km,公路最快旅行时间约 4 h;根据铁路与公路的竞争经验,铁路旅行时间应与公路相当,目前京广线岳阳—长沙间旅行时间约为 1.5 h,故荆州—岳阳间旅行时间不宜大于 2.5h。

(2)速度目标值方案构成

本线为路网干线间的联络线,其速度目标值主要取决于相关干线的速度目标值。研究年度相关线路的速度目标值为:焦柳线襄樊—荆门南段 120 km/h、京广线武昌—长沙段 140 km/h、汉宜线 200 km/h、武广铁路客运专线 300km/h(预留350km/h),与本线密切相关线路的速度目标值为:长荆线和石长线 120 km/h、汉丹线 200 km/h。

从本线单线运输组织特点看,由于存在上、下行客车区间会让的技术作业要求,过高的速度目标值难以发挥优势,速度目标值不宜高于 200 km/h;本线预留远景双线条件,速度目标值的选择还应留有发展余地。

根据本线功能定位,考虑与相邻线路速度目标值匹配,与本线单线运输组织模式相适应以及预留发展条件等因素,结合时间目标值的要求、工程情况,本次研究对 120、140、160 km/h 3个方案做了进一步分析研究。

本线各区段运量相当,线路经过地区主要为平原区地貌单元、局部丘陵区。因此,速度目标值按一个路段进行研究。

(3)速度目标值方案的经济比选

①不同速度目标值方案对工程投资影响分析

线路平纵断面:速度目标值不同,线路平纵断面参数不同,基础设施建设标准也不尽相同,其中最小曲线半径对速度目标值最为敏感。本线地处江汉平原、洞庭湖平原,局部丘陵区,不同速度目标值方案线位基本相同,对桥隧工程数量影响较小。不同速度目标值方案基础设施主要建设标准见表1。

表1 不同速度目标值方案基础设施主要建设标准对照

②与时间目标值的适应性分析

根据铺画运行图,160 km/h速度目标值方案荆州—岳阳间旅客列车全程旅行时间平均为 1.8 h,平均旅行速度为 96 km/h;140、120 km/h方案旅客列车全程旅行时间平均为 2.1、2.4 h,而其中的部分特快客车可达 1.7、2.0 h,因此,3个速度目标值方案均能满足2.5 h的时间目标值要求。

③速度目标值研究结论

160 km/h近期投资增加不多,且与本线单线运输组织模式相适应,与相邻路网速度目标值匹配。因此,本线速度目标值推荐 160km/h方案。

④进一步提速的可行性

本线行经地区地貌以平原为主,局部丘陵,曲线半径变化对工程情况影响不大。据预测的客货运量,本线远景为双线,为更好适应将来双线运输组织模式,结合铁路运输发展的趋势,本线平面设计在工程增加不大的情况下,曲线半径采取较大值,为进一步提速创造条件。

2.4 最小曲线半径

线路最小曲线半径根据设计行车速度确定,据速度目标值方案研究结论,本线旅客列车设计行车速度160km/h。按《铁路线路设计规范》(GB50090—2006)要求,本线最小曲线半径一般 2 000 m,困难 1 600 m。引入岳阳地区客车加(减)速地段,曲线半径与行车速度相适应。

2.5 限制坡度

限制坡度的选择应在满足牵引质量的前提下,以适应地形起伏,减小工程投资,降低施工难度,提高工程可靠度;与移动设备、相邻线限制坡度匹配为原则。

(1)方案构成

本线相邻的焦柳、京广线限制坡度均为 6‰,汉宜限制坡度为 9‰、荆沙线限制坡度下行 6‰,上行10‰。考虑与相邻线路限制坡度相匹配,本线限制坡度研究了 6‰方案;结合“和谐型”大功率电力机车目前使用情况及未来发展规划,研究了 9‰方案。

(2)限制坡度方案综合比选

①从工程投资方面分析

本线地处平原,地势平坦,9‰限坡方案对线路平面基本没有影响,全线使用较少。不同限制坡度方案技术经济比较详见表2。

表2 不同限制坡度方案技术经济比较

②从对机车类型的选择方面分析

机车、牵引质量、限制坡度关系见表3。根据牵引计算模拟动能闯坡,当限坡为 6‰时,SS6B型机车单机可以牵引 4000 t;当限坡为 9‰时,HXD1型机车单机可以牵引 4000 t。因此,6‰限坡方案机车类型的选择近期可采用 SS6B、远期采用 HXD3型机车牵引;9‰限坡方案机车类型需采用 HXD1型机车牵引。从机车车辆价格来看,目前 SS6B、HXD3和 HXD1型机车单价依次为 656万元、2 300万元和 3 000万元,采用 9‰限坡方案机车车辆购置费较高;从机车车辆能力使用上来看,本线地处平原地区,地势较为平坦,多数线路坡度在 6‰以下,全线按照 9‰的坡度配备机车,易造成机力虚糜。

表3 机车、牵引质量、限制坡度关系

③从换算工程运营费方面比较分析

按照 6‰限坡方案近期采用 SS6B、远期采用HXD3型机车牵引;9‰限坡方案采用 HXD1型机车牵引,进行换算工程运营费比较,计算结果见表4。

表4 工程运营费(现值)比较万元

6‰方案较 9‰方案工程投资增加不多,仅17596.9万元(静态投资,占总投资 1.8%),而总的换算工程运营费节省 38 827万元。

④从相邻路网及运输发展的适应性方面分析

本线相邻线路焦柳、京广线限制坡度均为 6‰,本线采用 6‰有利于与相邻路网协调,方便运输组织。重载、快速是未来货物运输的发展趋势,目前 850m系列到发线有效长已开行有 4500 t货物列车,随着新型货物车辆使用的比重增加,6‰限坡方案较 9‰限坡方案更能适应未来货运向重载、快速发展的需要。

(3)限制坡度推荐意见

6‰限坡方案较 9‰限坡方案工程投资增加不大,换算工程运营费省,与相邻路网协调性好,更能适应未来运输发展的需要,故限制坡度推荐采用 6‰。

2.6 牵引种类

(1)从相邻路网干线牵引种类的协调性方面分析

研究年度相关的焦柳线、京广线、沪汉蓉通道、京广客运专线等路网干线均为电气化铁路,为实现区域内相关线路的协调配合,充分发挥电化铁路的网络效应,本线宜采用电力牵引。

(2)从我国节能、环保和能源政策要求方面分析我国是世界石油消费主要大国之一,自身的石油资源储量和开采量远远不能满足经济社会发展需要,原油对外依存度逐年提高,去年已达到 46%,能源结构不够合理。大力优化交通运输业的能源结构是应对石油短缺的主要战略途径之一,而近期内铁路电气化是最有可能利用电力作为动力源改造的行业,《中国节能技术政策大纲(2005年征求意见稿)》明确提出铁路运输应大力推进牵引动力改革,降低牵引动力能耗,大力发展电力牵引。内燃机车平均热效率约为 25%;电力牵引的平均效率为:水电供电时约为 60%;高参数火电供电时最大可达 40%。本线采用电力牵引是节约能源的需要。采用电力牵引也可以降低有害气体排放量,减轻对环境的影响。

因此,本线采用电力牵引是规避石油风险、降低能源消耗,贯彻国家节能、环保和能源政策的需要。

(3)从外部电源配置条件分析

本线沿线电力资源丰富,有安全、稳定的电力系统,具备向电气化铁路供电的条件。

(4)从经济方面分析

考虑荆沙线现状为内燃牵引,本次对本线采用电力牵引方案与电力牵引内燃过渡方案进行了经济比较分析,经济比较采用费用现值比较法,计算期采用 25年、折现率为铁路行业的基准收益率 3%,柴油价格按目前的市场价格 7 040元/t,电力价格采用 0.70元/度。比较情况见表5。

表5 不同牵引种类换算工程运营费比较万元

从表5可知,采用一次电化方案更为经济。

综上所述,本线采用电力牵引符合国家能源发展政策,与区域路网牵引种类相适应,运营成本省、综合效益优。本线推荐采用电力牵引。

2.7 机车类型

根据我国铁路运营现状和机车研制生产情况和本线的速度目标值等,可能采用的客运机车主要有SS7C、SS8、SS9型或电动车组等,可能采用的货运机车有 HXD1、HXD2、HXD3、SS4B、SS6B型等。各备选机型的技术经济指标见表6和表7。

由表6可见,SS7C型机车适用于 120 km/h路段,而 SS8、SS9适用于 160 km/h路段,但 SS8型机车功率较小、研发时间较早。

表6 客运机车技术经济指标

HXD1、HXD2型两种机车最大可牵引 6 000 t,SS4B型机车最大可牵引 5 000 t,而 HXD3型机车最大可牵引 4500 t,SS6B型机车最大可牵引 4 000 t。

研究年度与本线相关线路焦柳线和京广线武昌—长沙段旅客列车均采用 SS9型机车牵引,货物列车采用 SS6B型机车牵引;汉宜线客车采用电动车组,货车采用 HXD3型机车牵引 3 500 t。

本线速度目标值为 160 km/h,根据区域内相关线路协调配合的原则,客运机车采用 SS9型为宜、汉宜线下线客车采用动车组。考虑到目前我国机车生产与供应、机车性价比、铁路货车的升级换代、本线运输货物的构成、本线与相关线的配合协调、经济效益等因素,货运机车可先采用 SS6B型机车牵引4 000 t,根据机车车辆的升级换代与相邻线的情况,逐步采用 HXD3型机车牵引 4 000～4 500 t。

综上所述,推荐采用客机 SS9型,货机近期 SS6B型、远期 HXD3型。

2.8 牵引质量

研究年度,京广线货物列车采用 SS6B型机车牵引4 000 t;焦柳线襄石段采用 SS6B型机车牵引4000 t;汉宜线货车采用 HXD3型机车牵引 3500 t。

本线货物列车主要为襄樊北以远与本线各站、岳阳北站、岳阳—长沙间的煤炭直达列车,荆门南与岳阳北间的区段、摘挂列车。与本线进行货物列车交流的焦柳线和京广线,研究年度牵引质量均为 4 000 t。为了便于运输组织,避免增减轴作业,本线牵引质量推荐采用 4 000 t。

2.9 到发线有效长度

到发线有效长度须满足列车长度的要求,并考虑信号保护区段长度、安全停车附加距离;按允许货车增载规定计算,到发线有效长 850m基本满足 5 000 t煤炭、铁矿石列车的要求。从 2006年起,新造货车均为70型,按 70型货车计算,到发线有效长度 850、1050m时限制的牵引质量为 5 148、6 552 t。铁道部重载运输规划研究指出:到发线有效长度 850、1050m对应的牵引质量将是 5000、6 000 t。目前实际运营达到的最大牵引质量为 5000、6 500 t,详见表8。

与本线相关的汉宜线、京广线武昌—广州段、沪昆线等到发线有效长度均为 850m,石长线和焦柳线襄石段到发线有效长度为 850m预留 1 050m,荆沙线改造后到发线有效长为 850m。从与本线各相关线的到发线有效长度来看,基本上属于 850m系列,本线到发线有效长宜采用 850m。

表8 到发线有效长度、机车车辆与牵引质量关系 t

由于焦柳线襄石段到发线有效长度预留了1 050 m,本线有与焦柳线组成煤运重载通道的可能性;经计算,对 5000 t煤运列车来说,到发线有效长 850m即可满足要求。综上所述,从铁路发展方向、相关线路的配合协调、本线的运输特点等方面综合考虑,本线到发线有效长度宜采用 850m。

2.10 闭塞类型

本线为单线预留双线条件。根据相关规范,单线区段应采用半自动闭塞或自动站间闭塞,根据运输需要亦可采用自动闭塞。

从能力适应性分析,研究年度采用以上 3种闭塞类型均可满足运量需求。自动闭塞由于可实现列车追踪运行,区间通过能力最大,较半自动闭塞提高通过能力15%～20%;自动站间闭塞与半自动闭塞相比,由于可缩小列车车站间隔作业时间,其区间通过能力也略有提高。

从保证行车安全方面分析,自动闭塞和自动站间闭塞方式采用了轨道电路或计轴设备,可实时监控区间列车运行情况,更有利于行车安全,更适宜新建 160 km/h铁路,是单线铁路闭塞类型的发展趋势。

综上所述,以上 3种闭塞类型均能满足本线运输需要,自动站间闭塞较半自动闭塞投资增加不多,有利于行车安全,且较自动闭塞节省投资较多,是单线区间闭塞类型的发展趋势。故本线闭塞类型推荐采用自动站间闭塞。

2.11 建筑限界

根据铁道部《铁路双层集装箱通道规划研究》,本线衔接的焦柳线襄石段和京广线均不是双层集装箱通道,仅衔接的沪汉蓉为双层集装箱通道。考虑到本线通过运量为煤,而地方货运量品类多为农副产品和工业用品,且集装箱运输需求量小,即使有少量的集装箱运量,也可组织单层集装箱列车运输。因此,结合区域路网双层集装箱通道情况,本线不考虑开行双层集装箱,故推荐采用建限 -1电力牵引铁路建筑限界。