宝鸡至兰州客运专线最大坡度值研究

王 维

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 概述

宝鸡至兰州客运专线位于陕西、甘肃两省境内,正线全长 399.972 km,线路东起陕西省宝鸡市,经天水、定西市至甘肃省会兰州,是陇海客运专线(徐州—兰州)的重要组成部分。该项目东端与西宝、郑西客运专线相接,向东可直达中原及华北、华东地区,向西可连通青海、新疆,并通过兰州枢纽与包兰铁路、兰渝铁路衔接,在铁路网中主骨架特征明显。

本项目经过地区地形地貌复杂,沿线地貌单元可划分为关中盆地区、南陇山与西秦岭北缘过渡带中山区、天礼盆地低山丘陵区、黄土高原沟壑梁峁区及黄河河谷兰州盆地区[1],工程地质及地形起伏变化较大。在线路走向较为确定的前提下,合理选择线路的最大坡度值,对于线路适应地形变化,降低工程施工及运营风险,控制工程投资及提高行车安全和客车旅行速度有显著的作用。

宝鸡至兰州客运专线坡度采用一般 20‰,个别困难地段 25‰,全线正线建筑长度 399.972 km,桥隧比例为 92.34%。其中:桥梁 97.20 km,占正线长度24.30%;隧道 272.13 km,占正线长度 68.04%;路基30.64 km,占正线长度 7.66%[1]。

2 不同速度等级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

国外高速铁路最大坡度一般在 25‰～35‰,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,大陆运营和在建的高速铁路最大坡度一般未超过 20‰,这是因为运营和在建项目大多位于中东部相对平缓低山丘陵地区,地形平坦,足坡地段长度一般不超过 10 km。

国内外高速铁路在长隧道地段采用的最大坡度见表1。从已运营及拟建的国内外客运专线分析,长度10 km以上的隧道最大坡度一般不超过 20‰,隧道内坡度超过 12‰的足坡地段也较短。

表1 国内外高速铁路在长隧道地段采用的最大坡度[2]

2.2 电动车组坡度适应性分析

目前国内已运营的时速 300 km及以上的动车组有 CRH2-300和 CRH3两种类型,不同速度目标值对应均衡速度运行坡道值见表2。CRH3型动车组在12‰、15‰、20‰、25‰、30‰的最大坡道上对应的均衡速度分别为 280.3、261.8、233.3、207.2、184.9 km/h。由此可见,要保持均衡速度在 200 km/h以上时,最大坡度不宜超过 25‰。

作用于列车上的力主要由 3部分组成:一是列车的牵引力;二是客服列车运行的阻力,此阻力又包含了基本阻力、附加阻力及列车起动阻力;三是列车的制动力[5]。不同动车组与坡度、速度的适应性见表3。

表2 动车组均衡速度运行坡道值[3～4]

以 CRH3为例,不同足坡上坡地段初速度为 340 km/h运行工况如图1所示。

表3 电动车组与坡度、速度的适应性

图1 不同最大坡度V-S曲线

由图1可见,持续足坡地段运行 10 km后,速度均在 250 km/h以上,运行 20 km后速度均在 200 km/h以上。在 12‰、15‰、20‰、25‰、30‰不同上坡地段分别运行 60km后的速度分别为 281.4、262.8、234.2、207.4、184.9 km/h,分别降低为最高速度的 80%、75%、67%、59%、53%。表明动车组动能闯坡性能优良,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。

2.3 电动车组追踪间隔的要求

若列车走行于长大下坡地段,势能的损失会使列车速度增大,但同时列车的制动性能又必须满足其相对应地段的追踪间隔。以 CRH3型动车组为例,列车区间追 踪间 隔 按 I区=3.6+t附计算[6],本线设计列车追踪间隔 3 min,通过对其在20‰、25‰、30‰最大下坡上的追踪模拟计算,得出对应的追踪间隔分别为 151、164、181 s,20‰、25‰坡度方案小于 3 min,满足 3 min追踪间隔的要求。30‰坡度方案不满足 3 min追踪间隔的要求。

为了满足相应最大下坡追踪间隔要求,同时考虑实际信号机分布及安全余量,列车追踪间隔按 170 s控制,不同坡度足坡下坡对应的最高速度见表4。

表4 满足 3 min追踪间隔限速 km/h

3 最大坡度方案的比选

线路最大坡度值作为铁路的主要技术标准之一,对线路的走向、工程造价、运营时分、输送能力和牵引质量均有较大影响。高速铁路采用电动车组,电机功率大、列车质量轻,车体采用空气动力学设计,对大坡道的适应能力强。因此,必须合理选择设计坡度,利用电动车组优良的动力性适应地面自然纵坡变化,减少工程投资,确保工程建设可靠性。

3.1 坡度比较方案构成

最大坡度选择主要受沿线地形、动车组对坡度的适应性、运营费用、工程投资及与相邻线的匹配等因素的影响。区间正线的最大坡度,一般条件下不应大于20‰,困难条件下,经技术经济比较,不应大于30‰[7～8]。由于在 30‰的坡道上,其均衡速度只有184.9 km/h,小于 200 km/h,且下坡制动距离近 13.0 km,理论计算虽可满足 3 min列车追踪间隔要求,但基本无富余量,因此,从行车安全以及提高客车旅行速度等角度考虑,同时结合本线较为复杂的地形地质条件,本次研究了 20‰、20‰(个别 25‰)、25‰、30‰4个最大坡度方案。

3.2 最大坡度方案比较

3.2.1 宝鸡至东岔段

本段地处南陇山与西秦岭北缘过渡带的高-低中山区,地形起伏较大,河流曲折。线路全部在渭河南岸行进,基本为桥隧相连,最长隧道不超过 7 km,桥梁高度均不超过 40m,该段仅有 1处长 3250 m的坡段采用了 20‰的坡度,若采用 25‰或 30‰坡度,对工程基本没有改善,因此本段采用 20‰适应地形能力好,线路顺直,推荐本段最大坡度采用 20‰。

3.2.2 东岔至天水段

该段线路地处南陇山与西秦岭北缘过渡带的高-低中山区,地形险峻,沟谷狭窄。受禁区设施影响,元龙之前线路穿行于渭河南岸西秦岭余脉腹地中,若采用 20‰坡度将使笔架山隧道延长至 22.05 km,将严重控制工期,且隧道设置为两座单线隧道,增加工程投资;若采用 25‰的坡度可使该隧道减短至 14.79 km,而采用 30‰的坡度对该隧道长度无明显改善,故穿越笔架山段采用一处长 13.50 km、25‰的坡度,可有效缩短越岭主隧道长度,缩短工期、节约工程投资。

本段另一座 13.56 km太禄特长隧道采用了 20‰的坡度,若采用 25‰的坡度对隧道长度无明显改善,且造成个别沟谷浅埋,而采用 30‰的坡度可使该隧道分为两座各 6.7 km的隧道。但考虑到该隧道紧邻全线最长的 14.79 km笔架山隧道,该隧道不控制工期,且隧道总长度变化不大,节约工程投资有限,故本段采用 20‰的坡度是合适的。

综上所述,东岔至天水段采用 20‰的坡度,仅穿越笔架山段采用一处长 13.55 km、25‰坡度。

3.2.3 天水至榆中段

本段线路大部分在渭河、葫芦河峡谷及黄土高原山峁中穿行,地形起伏大、高差大,20‰坡度方案最长隧道为长 12.42 km朱家山隧道,最高桥为称沟驿特大桥,有近一百米桥身高达 47 m。若采用 25‰坡度可使朱家山特长隧道分设两座长度为 3.20 km及 9.15 km隧道,但隧道在滑坡区露头,存在安全隐患;称沟驿特大桥因受上跨陇海线高程限制,采用更大的坡度无法改善工程。若采用 30‰的坡度对本段工程改善有限,虽可缩短部分隧道长度,但造成局部桥梁高度增加,个别桥高达 70 m,且最大坡度地段仅使用了约 18.6 km,节省工程效果不明显。同时该方案动车组牵引特性受限,无法完全发挥动车性能。因此推荐本段采用 20‰坡度方案。

3.2.4 榆中至兰州段

本段线路走行于黄河河谷兰州盆地区,需穿越白虎山、古城岭及皋兰山等山梁,线路主要受禁区及城市布局和规划的影响,本段最长隧道为长 12.97 km古城岭隧道,最高桥为桥高约 46 m西园特大桥,其中仅西园特大桥为了降低桥高、尽快接入兰州西客站,采用了一处长约1 880 m的 25‰坡度。考虑到该段处于兰州西进站前半径为1 200 m的曲线上,速度较低,使用25‰的坡度对运营速度影响甚小。若使用 20‰的坡度将造成桥梁加长 400 m,且造成兰州西客站整体西移,不能充分利用既有设施。若本段使用 30‰的坡度,受跨越城市道路净空所限,西园特大桥长度无法缩短,仅降低了少部分桥梁的高度,节约工程投资不明显。

综上,榆中至兰州段采用 20‰的坡度,仅西园特大桥采用一处长 1.88km长的 25‰坡度。

3.3 最大坡度方案工程投资比较(表5)

表5 最大坡度方案工程投资比较

由表5可见,各坡度方案线路长度最大差 0.291 km,桥隧总长最大差 1.50km。并且 20‰(个别 25‰)方案最长隧道均不超 15 km,工程设置合理,适应地形较好,投资分别较 25‰方案及 30‰方案增加 0.03%及 0.72%,而较 20‰方案节省 0.81%。

以上分析表明,在越岭高差基本确定,各坡度方案均不展线(高速铁路曲线半径大,展线条件很差)、采取长大隧道穿越山岭时,各方案线路长度、桥隧总长差异不大,主要体现在越岭主隧道长度的差异上,继而体现在施工条件、总工期及投资的差异上。若越岭主隧道差别均在合理长度内,则 20‰及以上坡度方案工程投资差异性不大。30‰及 25‰坡度方案比 20‰(个别25‰)方案工程投资分别节省 3.88亿元及 0.17亿元,约占总投资 0.72%及 0.03%,但是在缩短线路、施工工期及主隧道长度方面并无明显优势。

3.4 最大坡度方案运营费用比较

根据铁道科学研究院《高速铁路运营支出定额》的研究,运营费用主要由建筑物养护费用、设备维修费用、运输费用及其他费用 4大类组成[9]。由于 4个最大坡度方案的线路长度差别较小,故只有能耗费用随最大坡度的不同存在变化。

对于电能耗费用的计算,采用 4个最大坡度方案动车组的运行模拟结果,计算出各种最大坡度下每公里列车的能耗,乘以列车公里数即得出总能耗(kW·h)[10]。由表6可见,本段采用不同最大坡度方案时,运行时分相差较小,能耗相差不大。

3.5 推荐意见

综上所述,本段适宜的最大坡度应在 20‰ ～25‰,上述方案运营长度、运营成本、运行时分相差均较小,从工程及运营安全方面考虑,20‰(个别 25‰)方案可有效缩短主隧道长度,动车组制动性能亦良好,因此本次研究最大坡度推荐 20‰(个别 25‰)方案。

表6 不同坡度方案综合经济比较

4 结论

本线开行的列车均为动车组,动车组电机功率大,列车质量轻,适应最大坡度的能力较强,最大坡度标准的确定以适应地形、跨越控制高程的需求为主。20‰的最大坡度基本适应了全线大部分地段地形,但局部地段采用大于 20‰的坡度可以减短越岭主隧道长度,节省工程投资,降低施工难度,使工程的安全风险低,工期合理,且局部采用的最大坡度未超过 25‰。因此,本线推荐最大坡度为 20‰,个别地段 25‰是合理可行的。

[1] 中铁第一勘察设计院.新建铁路宝鸡至兰州客运专线可行性研究总说明书[R].西安:中铁第一勘察设计院,2009.

[2] 中铁第一勘察设计院.新建铁路西安至成都客运专线西安至江油段可行性研究总说明书[R].西安:中铁第一勘察设计院,2009.

[3] 中华人民共和国铁道部.高速铁路设计规范(试行)条文说明[S].北京:中国铁道出版社,2010:68-72.

[4] 铁运函[2006]462号,时速 200 km和 300 km动车组主要技术条件[S].

[5] 郝 瀛.铁道工程[M].北京:中国铁道出版社,2002:289-298.

[6] 苏顺虎,田长海,陈治亚.客运专线通过能力的分析计算[J].中国铁道科学,2008(5):119-124.

[7] 中华人民共和国铁道部.高速铁路设计规范(试行)[S].北京:中国铁道出版社,2010:20-21.

[8] 中华人民共和国铁道部.新建时速 300～350 km客运专线铁路设计暂行规定(上、下)[S].北京:中国铁道出版社,2007:20-21.

[9] 后宗彪.京沪高速铁路最大坡度研究[J].铁道标准设计,2008(6):5-7.

[10] 陈文科.郑州至武汉铁路客运专线最大坡度值研究[J].铁道勘察,2008(1):44-47.

[11] 俎保峰.宝鸡至兰州客运专线速度目标值决策分析[J].铁道标准设计,2009(9):13-16.

[12] 王 辉.东北东部铁路通道白河至和龙段线路限制坡度的选择[J].铁道标准设计,2008(5):7-10.