张唐重载铁路主要技术标准研究

李洪斌

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300142)

1 概况

张唐铁路地处我国冀北、冀东地区,起于张家口,经承德至唐山，线路穿越燕山山脉，全长525 km。张唐铁路,西接张集铁路、集包铁路,与我国主要煤炭能源基地内蒙古西部地区相通；北接锡承铁路,又与内蒙古东部煤炭基地相连；南达唐山市的曹妃甸港,构成了内蒙古西部、内蒙古东部两大煤炭基地直达沿海港口的铁路大通道,对保障国家能源运输需要以及加强曹妃甸的疏港功能具有重要意义。张唐铁路牵引质量10 000 t,电气化双线；最大货流密度1.7亿t/年。张家口至唐山线路平面示意见图1。

图1 张家口至唐山线路平面示意

2 重载铁路的运输组织

世界铁路重载列车主要有3种模式。

重载单元列车：列车固定编组,货物品种单一,运量大而集中,在装卸地之间循环往返运行。这种列车以北美铁路为代表,我国在大秦线采用C63、C70、C76、C80等开行这种重载列车。

重载组合列车：2列或2列以上列车连挂合并,使列车的运行时间间隔压缩为零。这种列车以俄罗斯为代表,我国大秦线开行的4×5 000 t和2×10 000 t列车为这种重载列车。

重载混编列车：单机或多机重联牵引,由不同型式和载重的货车混合编组而成。我国京沪、京广、京哈等大干线开行的5 000 t货物列车为这种重载列车。

张唐铁路采用的主要是重载组合列车模式。

3 相邻线的主要技术标准(表1)4 张唐线主要技术标准研究

4.1 最小曲线半径

最小曲线半径与设计速度和地形条件及养护维修等因素有关,结合线路平纵断面条件、与相邻线路的衔接等综合确定。

4.1.1 设计速度的研究

(1)符合铁路发展要求

我国《铁路主要技术政策》要求“客货运共线铁路主要干线旅客列车运行速度≤200 km/h,一般干线≤160 km/h,其他线路≤120 km/h”。

本线在路网中定位为煤运通道,以货为主,兼顾客运,本线速度目标值不应超过160 km/h。

表1 张唐重载铁路相邻线主要技术标准

(2)与线路的功能定位和运量相适应

本线煤炭运输性质明显,设计速度不宜过高。

(3)与线路所经的地形条件相适应

全线大部分地处山区,地形极为困难,在满足项目功能的前提下,不宜追求过高的速度目标值,以免造成工程量的急剧增加。

因此,本线设计速度为120 km/h，对应的最小曲线半径为1 200 m,困难条件下800 m。

4.1.2 基于养护维修要求的最小曲线半径

根据我国目前大秦、朔黄等重载铁路的运营实践,采用800 m以上的平面曲线半径,对减少养护维修工作量,特别是延长钢轨使用寿命,效果比较明显。因此,从减少维修角度,本线平面曲线半径标准不宜过低,应在800 m以上。

因此,本线的最小曲线半径为1 200 m,困难条件下800 m。

4.2 限制坡度的研究

沿线地形条件复杂,自然坡度较大,限制坡度是本线重要的技术标准,而限制坡度与牵引种类、货运牵引机型、牵引质量、到发线有效长度相互关联,互相影响,因此,限制坡度与这些标准应综合系统研究。张唐线的研究思路是：首先,分析确定牵引种类和牵引质量、到发线有效长度；然后,针对本线与相邻线匹配限制坡度的可能性,结合本线的运量特点及地形条件,重点研究比选了6‰、6‰/12‰限制坡度方案。

4.2.1 牵引种类的选择

(1)与相邻铁路协调

与本线衔接的既有线为京包线、京通线、京哈线、津山线、迁曹线,在建线有张集线,全部都是电气化铁路,电力牵引是该区域铁路干线牵引种类的主流。本线电气化牵引便于与相关线协调运输组织，延长交路。

(2)适应沿线地形条件,运输成本低

本线穿行于燕山山脉之间,地形起伏大,隧道多且长,隧道长度为239 km共85座,占全线长度的44%,最长隧道21 km(燕山隧道)。如按内燃牵引，隧道一般不长于8 km,将对线路走向产生致命影响,无谓展长线路过多,极不合理；而且,按《牵规》和《隧规》规定,单机或双机重联内燃机车牵引力取值需要修正,减低机车使用效率,增加机车运用数量,且长度大于2 km的隧道内燃牵引时需设置机械通风设备,增加检修、能耗等运输成本。

(3)符合铁路长远规划

《铁路主要技术政策》要求“运煤专线、主要干线及长大坡道、长隧道、高海拔地区等线路,采用电力牵引”。推荐采用电力牵引。

(4)利于保护环境

电力机车无废气、烟尘,噪声较小,对空气无污染,有利于解决铁路在运输中燃油对环境的污染问题,促进能源与环境的协调发展。根据有关资料,内燃牵引一氧化碳排放量是电力牵引的47.4倍,氮氧化物为电力牵引的7.1倍,二氧化硫为电力牵引的62.3倍,颗粒物超过万倍,采用电力牵引更有利于环境保护、减少环境污染。

4.2.2 牵引质量、到发线有效长度的选择

在运量较大的煤运专线,开行万吨及以上重载列车是提高线路能力行之有效的措施。本通道以运煤为主,发到地明确,具备开行万吨以上列车的条件；随着煤炭外运量的增长,本线的运量将逐步提高,故考虑本工程按万吨条件设计。到发线有效长按1 700 m设计。

4.2.3 限制坡度的比选

4.2.3.1 张唐线限制坡度的控制因素

(1)相邻线坡度采用情况

本通道相邻线限制坡度系统重车方向主要为6‰、4‰系统。为方便运营组织,减少技术作业,限坡尽可能协调统一。

(2)本线运量以煤炭下水为主,重空车方向明显,限坡选择应根据本线车流特点、结合本线地形条件,具备分方向选择坡度的基础；

(3)地形地貌特点：本线由西北向东南穿越燕山山脉,进入冀东平原,依次穿越大洋河、白河、潮河、滦河间的分水岭,线路起终点高差约734 m,线路存在4处明显越岭。地形条件极为困难,北高南低的特点明显,正与坡度的方向吻合。

4.2.3.2 重、空车分方向的限制坡度

结合本线地形条件,运输特点以及相邻路网限坡情况,对张家口至丰润段分方向研究限坡方案。

(1)重车方向限制坡度的选择

根据相邻线路限坡标准分析,本线前后方通路基本为6‰与4‰限坡系统。本线限坡选择6‰系列,能够与区域路网相协调,保证区域铁路运输组织的统一,且随着机车技术的发展,6‰的坡度完全能够适应双机牵引质量10 000 t的要求,即采用4‰系列标准没有必要。

本线地形复杂,大坡度虽然机车购置费和运营成本较多,但克服高程障碍优势较明显。

因此,重车方向限制坡度进行6‰、12‰详细技术经济比较。

(2)空车方向限制坡度的选择

①空车方向采用大坡度节约工程极为明显

遵化至李家营段轻车需由华北平原爬升至燕山山谷,李家营高程477.5 m,遵化西高程49.6 m,高差427.7 m,航空距离49.38 km,平均坡度8.6‰,如采用6‰限制坡度,从遵化西至李家营则需约79.2 km长大紧坡,展线达32.3 km,展线系数达1.65。丰宁至杨木栅子段线路穿越潮河白河分水岭,丰宁高程730 m,杨木栅子高程930 m,高差200 m,航空距离27.64 km,平均坡度7.23‰,如轻车方向采用6‰限制坡度,从丰宁至杨木栅子则需约39.2 km长大紧坡,展线达11.86 km,展线系数达1.51。轻车采用6‰限坡,工程量太大,不经济,也没有必要。

②空车方向采用12‰对本线是适宜的

根据行车牵引计算,并参考大秦、朔黄等线的运营实际,空车方向采用12‰～14‰均能适应地形并满足空车方向的运输需求。12‰纵断面技术特征见表2。

由表2可以看出，采用12‰可以适应地形变化,若采用14‰限坡方案也只能局部降低桥高,节省投资不明显。

表2 12‰纵断面技术特征

③从重车下坡的角度分析

研究10 000 t列车分别在12‰和14‰的下坡道上进行检算,按同时满足周期制动及《技规》251条规定,电力单机牵引5 000 t下坡不宜大于12‰。因此,从安全的角度考虑12‰更具优势。

另外,随着内蒙古西部、内蒙古东部煤炭资源的开发,本线有进一步提高牵引质量的可能,届时制动要求将进一步提高,采用12‰的限坡能够更好地适应地形以及未来的发展。

经综合分析,轻车方向限坡采用12‰是经济合理的。

4.2.3.3 基于地形特点的分段限制坡度比选方案

承德(滦平东)至丰润段线路由北至南穿越燕山,本段地形条件北高南低,主要是轻车方向需要大坡度来克服高程障碍,重车方向采用6‰或更大坡度对工程影响甚微，故本段推荐采用6‰/12‰；丰润至曹妃甸段地处冀东平原,地形平坦,限坡主要受立交控制,线路连接了京哈、津山等既有线路,为保证各线之间行车组织顺畅连续,同时考虑曹妃甸的疏港因素,本段限坡不宜分方向选择,采用6‰。

张家口(孔家庄)至承德(滦平东)段越岭频繁,地形极为复杂,进行6‰/12‰,12‰限制坡度比选(表3)。

表3 限坡方案比较

6‰/12‰方案比12‰方案线路长度长14.61 km,工程投资增加10亿元。增加比例5.95%。但12‰方案牵引万吨需要4机牵引,机车购置费增加114 097万元,年运营费增加27 583.6万元。结合机车购置费、年运营费,单机坡方案较双机坡方案优势明显,因此张家口(孔家庄)至承德(滦平东)推荐6‰/12‰方案。

综上分析,张唐线推荐限坡重车方向6‰,轻车方向最大坡度12‰。

4.3 其他主要标准

无论是从本线的功能定位及路网作用上还是从运量水平上分析,本线应为国铁I级。一次双线。

4.4 铁路主要技术标准的推荐意见

铁路等级：国铁Ⅰ级；

正线数目：双线；

设计行车速度：120 km/h；

最小曲线半径：1 200 m(800 m)；

限制坡度：重车方向6‰、轻车方向12‰；

牵引种类：电力；

机车类型：货机交流传动机车HXD系列；客机SS9；

牵引质量：5 000 t,10 000 t；

到发线有效长度：1 700 m；

闭塞方式：自动闭塞。

5 结论

技术标准对一条铁路甚至区域路网影响深远,对项目建设意义重大。张唐线的技术标准研究,以项目的功能定位为基础,以运量规模为依据,结合重载铁路的特点和项目的实际情况,按照科学合理、区域匹配、适度超前的原则,进行了详细的研究和技术经济比选。

研究推荐的120 km/h的设计速度,6‰/12‰分方向选择的限制坡度,能够满足重载铁路运输需要,同时节约了大量工程投资。与世界其他国家重载铁路功能单一、运输独立、牵引质量大、运输密度较小的特征不同,我国的重载铁路货流密度大、运输方向众多、网络效应明显。这是由我国的国情决定的。本文给出了重载铁路技术标准确定的一般方法,对其他铁路也有一定借鉴作用,具体到不同的项目,应当针对项目自身的定位,以科学严谨的工作态度,认真研究、比选,务求找到经济合理、适应性强的技术标准,为项目建设打下坚实基础。

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