大西客运专线最大坡度值的研究

程 彬

1 工程概述

大同—西安客运专线位于山西、陕西两省境内,正线全长847 km,由北向南经过山西省大同、忻州、太原、晋中、运城等市及陕西省孝感市和西安市,是京昆客运通道的重要组成部分。建设大西客运专线,可极大地扩充同蒲铁路通道的运输能力,提高运输质量,实现同蒲铁路通道客货分线。同时,可与郑西、石太客运专线形成客运专线网,优化铁路运输结构,充分发挥客运专线网络的整体效益。本线穿越大同盆地、恒山低中山区、忻定盆地、系舟山余脉丘陵区、晋中盆地、太岳山低山丘陵区、临汾和运城盆地、中条山低中山和丘陵区、三门峡盆地、华山山前倾斜平原。低中山和丘陵区地形起伏大,盆地区地形平缓,山前倾斜平原地形起伏。对最大坡度的研究必须考虑以下三方面的因素:首先必须论证动车组能适应的最大坡度,及其在最大坡度上运行时的速度衰减;其次要分析不同的最大坡度对土建工程投资的影响;第三要分析不同坡度动车组能耗;最后经综合技术经济比选,确定合适的最大坡度。

2 电动车组对最大坡度的适应性分析

2.1 国外高速铁路最大坡度选取

客运专线采用电动车组,电机功率大,列车质量较轻,两端为流线形车头。车体充分利用空气动力学,空气阻力小,对不同坡度的适应能力较强。国外高速铁路最大坡度取值较为灵活,根据地形情况可采用较大的坡度值。如:法国Paris-Sud-Est(PSE)和Atlantique LGVs大部分线路都采用了15‰的最大坡度,个别地段为避免修建隧道和桥梁,采用了35‰的坡道;日本的Shinkansen大部分保持最大坡度为15‰～20‰,北陆、九州新干线有的地段分别采用了少量30‰和38‰的最大纵坡;意大利的Direttissima线路最大坡度为15‰;德国的Neubaustrecke线路采用的最大坡度为12.5‰,科隆—莱茵/美茵新线坡度高达40‰。

2.2 电动车组的性能与最大坡度关系分析

2.2.1 电动车组性能及适应性分析

提高列车速度须通过提高列车单位质量牵引功率或系统地降低列车质量来实现。客运专线上将运行最高速度为200 km/h,350 km/h的动车组列车,列车总质量分别为1 080 t,768 t,根据对国内外高速列车研究分析,结合电动车组的现状及发展,速度为200 km/h的列车最大功率为14 400 k W,单位质量牵引功率为13 133 kW/t;速度为350 km/h的列车最大功率为21 120 kW,单位质量牵引功率为2 715 k W/t。

2.2.2 速度与坡度的适应性分析

在列车运行过程中,列车牵引功率必须满足牵引时启动加速能力及最高速度目标值时剩余加速度的要求,不同高速列车的阻力和牵引质量不同,对功率要求也有差异。给定功率下列车速度与坡度适应情况分析见表1。

表1 列车运行速度与坡度适应情况

由表1可见,最高速度为350 km/h的列车在平坡上运行仍有0.057 m/s2的加速度;在14‰的坡道上能以 300 km/h匀速运行;在23‰的坡道上也可以250 km/h匀速运行,但较最高速度降低了30%。最高速度200 km/h的列车在20‰的坡道上能以速度为160 km/h匀速运行。

因克服坡道阻力,会使列车在大坡道上持续速度低,但可以利用动能减小速度损失。通过对两种列车分别进行12‰,20‰的动能闯坡模拟,其结论是:列车以较高速度进入大坡运行至坡顶时的速度损失较小,尤其是坡长在5 km以内,即使是20‰的上坡,速度损失也不到10‰。上述分析说明电动车组不同于常规的机动车辆,具有良好的坡度适应性。

3 线路最大坡度值的技术经济比较

由于本线上运行的是动车组,结合上述分析,动车组具有电机功率大、列车质量轻等特点,对不同坡度都有很强的适应能力。因此,原则上对小于12‰的坡度不予以研究,重点研究12‰以上的大坡度对本线工程投资及动车组的影响。

3.1 大坡度区段的选择

大西客专原平—太原西段,起点DK 166+800在原平市西侧的唐林中学,线路在尚家庄西设原平西站,出站后从解村西通过,沿兰村中学东侧向南,从东常村和西常村之间穿过,跨北云中河,于蔚家野场附近上跨在建忻保高速公路,之后折向西南,以隧道形式穿过百草山,于河拱村东侧上跨大运高速、云中河,线路向南在小齐村西设忻州西站,出站后线路以短隧道穿过磨盘山一角,先后跨过牧马河、北同蒲铁路,后以5.77 km隧道穿过南山上,出隧道后,再次跨过北同蒲铁路,随后线路折向西南方案,在北留村西设阳曲西站,至区段终点DK 244+500,线路长度77.7 km。

线路在该区段中若采用20‰以下小坡度的方案,则可以减少隧道工程,但同时却增加了桥梁工程,且由于平纵断面平顺性及河流、道路的控制因素的影响,出现桥梁“吊空”现象。DK230+000～DK241+000区段内,黄土丘陵区冲沟发育,沟壁突兀,造成桥梁基础难以稳定。线路若采用适应地面高程的小于20‰小坡度方案,则出现短隧道群,桥隧路反复过渡,隧道及路堑排水难度增加,使基础处理难度增大。若该区段采用20‰坡度长隧道形式通过,则可以避免小坡度方案出现的问题。

20‰方案较12‰方案路堑短 1 500 km,投资省8 500万元。小于20‰方案有5座长隧道,分别长1 300 m,1 850 m,950 m,800 m,440 m;20‰则只有1座长隧道,长度为8 695 m;小于20‰,20‰方案墩高30 m左右的桥梁分别为5座1 100 m,0座。

3.2 电动车组运行模拟结果

根据小于 20‰,20‰最大坡度方案线路平纵断面,模拟350 km/h,200 km/h电动车组在各种线路条件下的运行。模拟结果为:采用不同的最大坡度对电动车组的平均运行速度与能耗影响不大。小于20‰坡度相对于20‰最大坡度,一组350 km/h电动车组每千米牵引能耗少0.33 k W·h,200 km/h电动车组牵引能耗少0.26 kW·h。

3.3 最大坡度区段方案运营费比较

运营费由线路及建筑物养护费用、设备维修费用、运输费用及其他费用四大类组成,由于两方案线位及线路长度差别不大,所以其中随最大坡度变化而变化的费用主要是能耗费用。

对于电动车组能耗费用的计算,采用各种最大坡度方案,电动车组的运行模拟结果,计算出各种最大坡度下每千米列车的能耗,乘以列车千米数即得出总能耗。

能耗费用计算采用0.55元/(kW·h),计算期取25年,则20‰方案运营费较小于20‰方案多3 565万元。

3.4 综合技术经济比较及推荐意见

20‰方案相对于小于20‰方案,节省的工程投资大于增加的工程运营费,工程实施难度小,DK 230+000～DK 241+000段线路最大坡度推荐采用20‰方案。

4 结语

最大坡度的选取对土建工程造价存在一定的影响,但必须切合每条线的实际,需根据各线的不同地形条件确定。

最大坡度是客运专线的主要技术标准之一,它不是一个孤立的指标,它与其他主要技术标准存在关联,因此在选用阶段应考虑各主要技术标准之间的合理匹配。

[1]铁道部,铁路中长期发展规划[S].

[2]铁道第三勘察设计院,京沪高速铁路设计暂行规定[S].

[3]西南交通大学.铁路选线设计[M].成都:西南交通大学,1979.

[4]胡叙洪.高速铁路总体设计体会[J].铁道标准设计,2005(1):31-32.

[5]吴彩兰.客运专线铁路总体设计有关问题探讨[J].铁道标准设计,2005(7):17-18.

[6]科技发展动态,国际铁路联盟高速部速度300 km/h～350 km/h的新线设计[Z].2001.