西安至宝鸡铁路客运专线速度目标值方案研究

赵永红

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

西安至宝鸡铁路客运专线东接郑州至西安客运专线，西连在建宝鸡至兰州客运专线，正线全长138 km，是陇海客运通道的重要组成部分，本线的修建既可缓解陇海铁路运输状况，为西部的重点物资东运创造良好的条件，又能提高运输质量，大大缩短西北与中南、华东地区各大城市间的时空距离，进一步密切东、中、西部地区的经济联系，对推动西部大开发战略具有重要意义。

铁路运输是社会公认的安全、节能、环保的运输方式，修建客运专线，最大限度地吸引乘客，既是铁路自身效益的需求，更是建设节能环保社会的需要。快速、安全、舒适、便捷是旅客运输的需求，客运专线铁路作为大众化交通工具，速度目标值的选择是满足旅客快捷需求的基本要素。结合西宝客运专线工程实践，从通道客流特点、时间目标值选择、速度目标值选择，以及不同速度目标值方案的运营效果和适应性等方面进行系统分析，选择合理、经济的速度目标值方案。

1 通道的客流构成特点分析

预测2020年、2030年西北五省区(含西藏)铁路发往陕西、华东、中南、华北、东北、西南的客流量分别为3 403万人、4 910万人，据路网中不同线路合理分工原则，陇海通道郑西段客流密度4 140万人和5 740万人，西宝段客流密度4 720万人和7 650万人，宝天段客流密度2 920万人和4 100万人，天兰段客流密度3 330万人和4 980万人，其中长途直通客流占70%以上。陇海通道相关旅客交流中兰州及以远与陕西、华北、中南、华东的交流量在各区段客流密度中均占有较高比重，研究年度西宝通道客流构成为地方客流占45%、西安以远客流占55%，其中西宝客运专线客流构成为地方客流占26%、西安以远客流占74%。

2 时间目标值的确定

确定速度目标值的前提，首先要分析确定时间目标值。旅行时间的长短，是旅客选择出行方式的重要因素之一。时间目标值的选择，主要通过不同运输距离条件下，与不同的运输方式比较确定。

2.1 综合交通体系对时间目标值的要求

铁路要在短途旅客运输竞争中具有明显优势，必须在旅行时间上较公路有较大节省。在中长途旅客竞争中，旅客选择不同的交通运输工具主要出于对速度、安全、经济及舒适性的比较，客运专线的优势主要是运输安全、全天候和较低的票价，但旅行时间不能处于明显劣势。通过对沿线兰州、宝鸡及西安等主要城市客运设施、旅客出行的情况调查，结合研究年度区域综合交通运输体系规划，按照高速公路平均旅行速度100 km/h、航空经济巡航速度700 km/h计算，高速公路兰州至西安总旅行时间7.5 h，西安至宝鸡总旅行时间3.0 h，航空兰州至西安总旅行时间3.8 h。因此，西安至宝鸡、西安至兰州段铁路总旅行时间应分别控制在2.5 h和4.5 h以内，对西宝高速公路及西安至兰州的航空运输均具有较强的竞争优势，扣除铁路旅行附加时间1.5 h，西安至宝鸡、西安至兰州间铁路旅行时间应分别控制在1.0 h和3.0 h以内，将具有明显的竞争优势。

2.2 路网通道时间目标值分析

根据《中长期铁路网规划》，主要干线城市间铁路旅行时间实现1 000 km左右范围内“朝发夕归”，2 000 km左右范围内“夕发朝至”，4 000 km左右范围内“一日到达”。兰州至北京铁路运距约1 600 km、至上海2 000 km、至广州2 500 km，兰州至北京应具备开行“朝发夕归”、“夕发朝至”列车的条件，铁路总旅行时间应控制在10～12 h以内，考虑西安至北京、上海、广州旅行时间分别为3.5、4.7、6.7 h和铁路1.5 h的附加时间，西安至兰州段旅行时间应控制在3.0 h以内。

2.3 时间目标值的确定

为适应区域中短途旅客与长途通过客流的出行需要，使铁路在区域综合交通运输体系具有竞争力，西安至宝鸡、西安至兰州间时间目标值应为1.0 h和3.0 h。

3 速度目标值方案研究

通过对时间目标值的分析，按照西安至宝鸡、西安至兰州间时间目标值应为1.0 h和3.0 h以内控制，采用速度目标值为350 km/h或250 km/h速度时均能满足需求。根据时间目标值的分析结果和要求，分线下工程和线上工程两个方面，从不同速度目标值方案采用的主要技术标准、影响工程投资的主要因素和工程投资经济性，以及不同速度目标值方案的运营效果和适应性等方面进行系统分析，选择合理的速度目标值方案。

3.1 线下基础工程速度目标值的分析研究

根据250 km/h、350 km/h选用的主要技术标准，重点对350 km/h速度下的无砟轨道及250 km/h速度下的无砟轨道和有砟轨道进行工程经济分析。

3.1.1线下基础工程不同速度目标值方案采用的主要技术标准

线下基础工程速度不同目标值方案选用的主要技术标准见表1。

表1 线下基础工程不同速度目标值方案采用主要技术标准

3.1.2影响线下基础工程速度目标值方案的工程因素分析

(1)线路平、纵断面条件

速度目标值350 km/h及250 km/h对线路平、纵断面条件要求有所不同；对纵断面的要求几无差别(最小坡长分别为2 000 m和1 200 m，困难条件下均为900 m)。线路平面要求中主要最小曲线半径分别为一般7 000 m、困难5 500 m和一般4 000 m、困难3 500 m。针对此段渭河平原水网地区，曲线半径的大小仅对桥梁跨越公路、道路、河流的交叉角度有所影响，可适当减少大跨桥梁，因无明显台地可供较小半径曲线利用，对桥梁工程长度影响甚微，另外小半径曲线可适当减少拆迁工程。

(2)轨道、路基

速度目标值250 km/h和350 km/h均采用无砟轨道时，轨道工程本身没有差别；若速度目标值250 km/h采用有砟轨道时，轨道指标较无砟轨道有明显的减少。

路基工程因沉降要求不同，地基处理措施有所差异，因此路基地基处理数量略有区别。采用有砟轨道时，250 km/h及350 km/h路基工程的指标分别较采用无砟轨道时路基工程指标减少约1 060万元/km和410万元/km，但主要是无砟轨道与有砟轨道路基长度区别较大，受渭河水位及松软地基条件控制及道路水渠立交影响，填土高度高，频繁设置涵路过渡等，导致无砟轨道路基工程工后沉降不易控制，对于路基填土较高的地段需要以桥代路。

(3)桥隧工程

两种速度目标值对纵断面的要求差别甚微，但受最小坡段长度和纵断面平顺性限制，平原水网区，桥梁工程主要因为跨越河流、公路、道路、水渠等引起。当采用无砟轨道时，为较好地控制工后沉降，减少涵路频繁过渡，纵断面设计中桥梁的比例达到77%(250 km/h)～85%(350 km/h)以上；当采用有砟轨道时，桥梁的比例略有减少(68%)。随速度目标值的变化，桥梁动力性能存在差异，具体反映在梁体横向、竖向刚度不同，引起桥梁上下部结构数量变化。250 km/h速度下的有砟和无砟轨道的桥梁工程费用主要是桥涵比例上的差异。

隧道工程主要是不同的速度和轨道类型引起隧道净空面积的变化，速度350 km/h较250 km/h由于线间距等因素引起净空面积增加较多，故投资相应增加；铺设无砟轨道时，隧道开挖面积较有砟轨道可略有减小。本段范围内隧道工程较小，对投资影响不大。

(4)电气化工程

主要是随着速度目标值的变化供电方式和接触网线材投资有所不同，250 km/h较350 km/h略低，但牵引变压器容量等主要技术指标相同。

(5)通信、信号工程

通信工程：250 km/h方案时，GSM-R无线移动通信基站数量及配套传输、接入、电源等设备相应减少。

信号工程：250 km/h速度目标值采用CTCS2级列控系统，350 km/h速度目标值采用CTCS2+CTCS3(ETCS2)，两者工程费用相差较大。

3.1.3线下基础工程不同速度目标值方案的工程投资综合分析

通过详细方案研究和工程投资比较，速度目标值350 km/h无砟轨道方案分别较250 km/h无砟轨道方案和250 km/h有砟轨道方案投资增加59 423万元和126 317万元，工程投资见表2。

表2 线下基础工程不同速度目标值方案主要工程比较

3.2 线上工程不同速度目标值方案的分析研究

结合线下基础工程速度目标值的选择，研究了线下部分350 km/h，线上部分分别为350 km/h(无砟轨道)、250 km/h(有砟轨道)、200 km/h(有砟轨道)的3种不同速度目标值方案进行比选。

3.2.1线上工程不同速度目标值方案采用的主要技术标准

由于3种不同速度目标值方案均采用线下部分350 km/h的标准，故在线路平、纵断面条件，以及路基、桥涵、隧道工程类型及工程措施和工程量上均相同。所采用技术标准的区别主要为轨道类型及站后工程，见表3。

3.2.2影响线上工程速度目标值方案的工程因素分析

(1)轨道工程

线上部分采用200 km/h方案铺设有砟轨道，由于有砟轨道不均匀下沉产生的120 Hz以下频率范围的激振严重，轨道破损和变形加剧，从而使维修工作量显著增加，维修周期明显缩短；在高速列车荷载作用下，有砟轨道道砟粉化严重，道床稳定性较差，轨道几何形位不易保持，旅客的乘坐舒适度也大大降低。为避免道砟在高速列车荷载作用下严重粉化，降低道床内的应力水平，需要在道砟下铺设弹性垫层或者采用弹性轨枕，成本很高；无砟轨道整体性强，纵向、横向稳定性较好，保持轨道几何形位能力强，使用寿命长，线路状况良好，不易胀轨跑道，基本可以达到免维修、少维护。不同轨道形式投资分析见表4。

表3 线上工程不同速度目标值方案采用主要技术标准

表4 不同轨道形式投资分析 万元/单线km

由表4可见，无砟轨道比有砟轨道增加投资很大，虽然无砟轨道初期投资较高，但由于无砟轨道基本免维修，在运营过程中养护费用比有砟轨道低得多。从整个轨道结构生命周期来比较，无砟轨道总的投资比有砟轨道小。

由200 km/h有砟轨道改造为350 km/h无砟轨道时，既有轨料基本不能利用，需先将线路封闭，将有砟轨道完全拆除，再进行无砟轨道施工。对于不满足铺设无砟轨道的地段(如轨道高度不足、线下基础沉降过大、桥梁梁端转角过大等)，需要进行改造，引起大量废弃工程，且必须对线下基础进行处理，增加线下工程的投资。桥梁地段无砟轨道必须通过特殊措施连接到桥梁结构上，需要对有砟轨道桥梁结构进行改造，设计和施工难度大，对运营干扰巨大。

参照客运专线无砟轨道施工进度，如果对既有有砟轨道进行无砟轨道改造，由于无砟轨道对于下部基础的要求非常严格，需要对铺设有砟轨道地段的下部基础进行全面评估，对大量桥梁进行加固处理，施工周期将更长。

(2)电气化工程

采用线上部分不同速度目标值方案对电气化专业设备选型及工程影响很大，具体情况详见表5。

由表5可以看出，当线上部分速度目标值采用200 km/h和250 km/h时，由于供电方式及接触网线材等不同，投资较350 km/h方案分别省26 910万元和17 860万元，另外外部电源投资(地方承担)省17 500万元。

速度目标值由200 km/h或250 km/h过渡到350 km/h时，牵引变电所及接触网技术标准发生变化，牵引变电所需全部新建，接触网大部分工程需新建，其中主要废弃工程为外部电源工程110 kV电力线路将全部改为330 kV，原110 kV电力线路废弃或为地方负荷供电；牵引变电所、分区所废弃；接触网线材及设备废弃。改造工程除废弃既有工程之外，尚需按照新的速度目标值要求新建(如将速度200 km/h改造为350 km/h，须废弃工程投资29 423万元，另新增投资56 333万元)，并且将对线路运营产生很大影响。

(3)通信、信号工程

通信工程：通信系统线上部分采用200 km/h、250 km/h与350 km/h时，均采用多业务传输平台(MSTP)，线下部分采用200 km/h、250 km/h方案时GSM-R数字移动通信系统均采用普通单网覆盖，350 km/h方案采用交织单网覆盖，投资较其他两个方案多747万元。由低速度目标值改造时须根据各专业不同需求配套相应通信设备。

信号工程：线上部分速度目标值200 km/h与250 km/h，对于信号专业方案相同，线上部分速度目标值350 km/h增加投资4 200万元。如果在200 km/h或250 km/h基础上改造为350 km/h，除了增加设备投资4 200万元以外，需对CTC中心及车站设备、地面列控中心(TCC)、联锁、应答器、临时限速服务器等主要设备进行数据修改，改造费用约为1 500万元；系统调试费用1 000万元，而且系统升级改造时将严重影响正常的运营，造成经济损失和安全隐患。

表5 线上工程不同速度目标值方案电气化工程及投资比较

(4)电力

线上部分采用200 km/h、250 km/h，速度目标值降低无线专业减少GSM-R基站20处(350 km/h时为45处)，引起电力设施总投资减少778万元。如果在200 km/h或250 km/h基础上改造为350 km/h，除按照要求增加基站个数外，为减少施工对运营的干扰，尚需增加部分过渡工程。

3.2.3线上工程不同速度目标值方案的工程投资综合分析

通过以上分析和工程比较，线上部分采用200 km/h(有砟轨道)、250 km/h(有砟轨道)方案时，由于采用主要标准和设备选型、材料不同，均较采用350 km/h(无砟轨道)方案在轨道、电气化、通信、信号及电力等方面工程投资上要省，全线工程投资分别节省103 170.59万元和84 368.07万元，减少幅度分别为7.6%和6.2%。其中轨道工程投资分别省61 738万元和53 745万元，电气化工程投资分别为26 910万元和17 860万元，通信、信号工程投资分别节省747万元和4 200万元，电力专业节省778万元(表6)。

4 不同速度目标值运营效果及适应性分析研究

4.1 运营时间比较(表7)

表6 线上工程不同速度目标值方案工程投资综合比较 万元

表7 西安至宝鸡及兰州至郑州运行时分比较

由表7可以看出，兰州至郑州间运行时分由于速度目标值不同有较大的区别，350 km/h方案在本段较200 km/h方案缩短运营时间19～22 min，减少约37%，运营效果提高显著。

4.2 运营费用及经济效益分析

不同速度目标值运营支出不同，随速度提高而增加，对本段的投资、客运量水平进行分析，参考《高速铁路运营支出定额的研究》，对不同速度目标值的运营成本进行了定量分析。本线速度目标值采用200、250、350 km/h时，近期运营成本分别为10.96亿元、12.29亿元、14.81亿元。

采用不同速度目标值时，工程投资、运量水平、运营成本及运价率均有差异。不同方案财务内部收益率见表8。

表8 不同速度目标值方案综合效益分析

由表8可见，经初步财务分析测算，采用350 km/h方案项目财务效益较优。

4.3 能力适应性分析

本线跨线列车占80%左右，基本为新疆、甘肃至西安以远的客流，平均运距较长。研究年度与本线相关的郑西、京广、京沪客运专线速度目标值均为350 km/h，全部运行300 km/h及以上高速动车组。当速度目标值为350 km/h时，通过铺画列车运行图，研究年度平图通过能力近期为289对/d、远期为388对/d，与郑西、京广等客运专线速度目标值统一，运输组织协调匹配，最大限度提高动车组运用效率和运输质量；若本线采用350 km/h以下的速度目标值，大量的跨线列车在本线只能限速运行，动车组运用效率低，运输质量差，同时，旅客在途时间长，易疲劳，将影响铁路在市场竞争中的优势。

4.4 与相邻线协调匹配适应性

本线跨线列车占80%左右，基本为新疆、甘肃至西安以远的客流，平均运距较长。研究年度与本线相关的郑西、京广、京沪客运专线速度目标值均为350 km/h，全部运行300 km/h及以上高速动车组。若本线采用350 km/h以下的速度目标值，大量的跨线列车在本线只能限速运行，动车组运用效率低，运输质量差。同时，旅客在途时间长，易疲劳，将影响铁路在市场竞争中的优势。

4.5 与动车组发展水平的适应性

随着我国高速铁路的快速发展，已成功引进了高速动车组加工制造技术，目前已逐步实现国产化。2007年铁路第六次大提速后，既有线已开行部分200 km/h的动车组，京津城际铁路现采用CRH3型动车组，最高试验速度达394 km/h，目前最高运营速度采用300 km/h以上，动车组各项性能稳定。铁路客运专线的运营实践及动车组的国产化水平的逐步提高，为我国高速铁路建设速度目标值的选择提供了有力的技术保障。

5 选择高标准设计速度目标值的必要性分析

5.1从沿线居民经济承受水平及对社会经济影响、作用的分析

西宝客运专线地处我国西部，位于关天经济区和关中城市群内。西安是陕西省省会和西部地区重要的中心城市，宝鸡是陕西省第二大城市。关中城市群是国家西部大开发战略确定的区域之一，关中—天水经济区为西部及北方内陆地区的“开放开发龙头地区”。西宝段涉及的宝鸡、杨凌、咸阳、西咸新区、西安等五市(区)的人均GDP、城镇化水平、居民生活水平均高于西部其他地区，居民的承受能力较强，采用高标准速度目标值符合客流组成中大部分人员提高时效的实际需要，因提高速度而节省的时间所能创造的社会价值高于因标准提高引起的工程投资增加和高票价付出，具有良好的社会经济效益。

本项目作为关天经济区和关中城市群重要基础设施，它的建设将使西安至宝鸡客车旅行时间由目前陇海铁路西宝段提速改造后所开行的直达高速动车组的1.7 h缩短至0.6 h以内，将大幅提高时空距离和运输服务质量，加快促进关天经济区经济产业结构调整，带动城市带的发展，实现关天经济区和关中城市群空间发展战略，对进一步密切沿线各城市间的经济联系，为地区间开展更广阔领域的经济协作创造更加良好的交通环境，从而带动关天经济区和关中城市群经济的进一步发展具有重要意义。

5.2 从对路网规划及其发展作用分析

西安至宝鸡客运专线是我国《中长期铁路网规划》中徐兰客运专线的重要组成部分，是在建徐郑客运专线和既有郑西客运专线的向西延伸段，本段客运专线的建设，对加快关天经济区和关中城市群的经济发展，加强陆桥通道运输能力，提高运输质量具有重要的意义和作用。

陇海铁路是我国东西铁路通道中客货运输最繁忙的通道之一。随着郑西客运专线的修建及西安东出铁路能力的加强，西宝段成为通道中瓶颈区段(通过能力利用率已达到94.1%)，西安至宝鸡客运专线的修建，将释放既有线的能力，从根本上可解决西宝段运输能力紧张状况。本项目作为徐郑客运专线、郑西客运专线的向西延伸段和陇海铁路通道主骨架，因此，本线

采用高标准速度运营对扩大东西通道能力、完善路网结构、强化路网主骨架建设、实现铁路跨越式发展均具有重要的意义和作用。

6 速度目标值的推荐意见

综上分析，我国在建及拟建客运专线的速度目标值大多数为350 km/h，本线是陇海客运专线的重要组成部分，350 km/h速度目标值方案与本线的通道功能定位相符，与郑西、京广等客运专线速度目标值统一，运输组织协调匹配。可形成西安至兰州、北京、武汉、上海、广州等客运中心的客运快速通道，极大地缩短乌鲁木齐、拉萨、兰州与西安、北京、上海、广州等各大城市间的时空距离。因此本线速度目标值推荐采用350 km/h。

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