阿富汗铁路复杂山区最大坡度与牵引质量的研究

张 明

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 概述

阿富汗是一个多山的国家，久经战乱，基础设施遭到严重的破坏，境内几无铁路，在国际社会援助下阿富汗进入战后重建进程。兴都库什山横旦于国家中部，将阿国分为南北两部分，只能靠位于海拔3 000 m以上、长2.57 km的萨朗隧道沟通，隧道年久失修，日益破损，一到雪季道路封堵数月，目前该国急需一个高效的交通运输系统。本次研究的阿富汗国家铁路长856.05 km，起自东部中心城市贾拉拉巴德、中连首都喀布尔，翻越兴都库什山，终达北部中心城市昆都士及马扎里沙里夫，是一条主要承担货运，兼顾客运的主干线铁路。

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、运输效率的高低、投资的规模和经济效益的大小有重要的影响。

2 目前铁路最大坡度的使用情况

最大坡度的选取与线路所处的地形有着密切的关系，对线路的经济指标有重大影响。区间正线的最大坡度，不宜大于20‰，困难条件下，经技术经济比较，不应大于30‰。

在中国国内，早期建成的主要大坡度干线铁路有宝成线，最大坡度33‰，主要为翻越秦岭山脉；青藏铁路20‰；内昆铁路23.5‰，米轨铁路滇越铁路中国境内38‰的坡道。在采用大坡度时，列车运行除受机车牵引力控制外，还需对长大下坡的安全性进行检算。

3 地形地貌状况

兴都库什山在区域内山体东高西低，东端高陡宽厚，西端支沟发育，将山体切割为多个低矮山丘。线路为经过沿线的主要矿区，并且将越岭隧道长度控制在技术成熟的长度范围内，经多垭口方案选择，推荐经巴米扬的走向方案。该方案越岭地段长316.6 km，河谷自然纵坡详见图1。

图1 以沟心为中线绘制纵断面示意(单位：m)

从图1可以看出，越岭地段河床纵坡较大，在越岭隧道长度控制在10 km左右的条件下，右侧河床最大坡度为31.3‰，平均纵坡为13.5‰；左侧河床最大坡度为33‰，平均纵坡为13.26‰。在两山岭之间，河谷最大坡度为26.8‰。单线铁路受车站布设数量和位置、隧道长度及桥梁高度等因素控制，线路坡度比河床自然坡度大一些时，线路才能适应地形，各项工程设置才能满足施工运营要求。

4 项目特点和技术标准选择思路

从通道走向及所经地区地形特点看，线路地形起伏较大，为减少线路展线，降低工程投资，应选用较大坡度方案。线路越岭地段桥隧相连，自然纵坡大，工程艰巨，设站条件十分困难，且沿线人烟稀少，生产生活条件较差，宜在满足运输需求的基础上，结合线路条件、坡度、牵引质量统筹研究，少布设车站。 沿线不具备外部电源条件，亦缺乏相关电力规划，研究年度需采用内燃牵引。根据本线坡度大、设站困难的具体情况，应采用大功率内燃机车，满足较大的牵引质量。从机车使用全寿命成本和减少维修量的角度，宜采用交流传动机车。阿富汗国内尚无完整的铁路干线，运营经验和相关专业技术人员缺乏，为便于运输组织和运营管理，沿线宜减少技术作业。

综合分析，本项目标准宜按内燃牵引、大坡度方案，采用大功率机车、较大牵引质量，尽量少设车站、减少技术作业点。

5 最大坡度的选择

该段地形条件变化较大，需2次越岭，线路纵坡特征为起伏较大，拔起高度高，长大紧坡段落长。采用加力牵引坡度可缩短线路，大量减少工程，缩短工期，节省投资。结合机车对大坡道适应性分析，对该段越岭方案分别研究了18‰、25‰、30‰、35‰四个加力牵引坡度方案进行比较，见图2。

5.1 线路方案主要指标分析比较

对线路的长度、桥隧特征、最大坡度使用情况进行分析比较，见表1。

图2 4种坡度方案比较

方案18‰方案25‰方案30‰方案35‰方案线路长度/km427.46404.18389.48383.32主越岭隧道长度/km16.436.756.696.69最高桥梁墩高/m84766773桥隧总长/比重/(km/%)225.72/52.8196.66/48.6178.08/45.7174.84/41紧坡地段合计/(km/%)241.9/56.59151.8/37.5696.6/24.8052.2/13.62最长持续紧坡地段长度/km7251.84335

由以上分析可见，两处越岭高程起伏较大，坡度增大时能充分缩短线路长度和减少桥隧工程。18‰方案坡度小于自然纵坡，越岭隧道达16.43 km，以桥隧相连工程迂回展线，线路展长最多；25‰方案利用各支沟展线以延长线路长度，线路展长次之；30‰坡度方案基本适应自然地形，桥隧工程合理。35‰方案能减少长大紧坡长度，但在线路长度和越岭隧道方面比30‰没有较大的改善。

5.2 工程投资比较分析(表2)

经投资分析比较，18‰坡度方案线路长，桥隧工程大，工程设置条件差，施工技术及施工难度大，投资最高；30‰与18‰坡度方案相比，能有效缩短线路长度，减少桥隧工程，工程投资节省达8.95亿元。35‰方案比30‰方案只节省投资0.58亿元，占总投资的1.17%。

表2 不同坡度方案比较

5.3 工程经济性分析比较

为进一步分析论证各坡度方案，按最小费用现值法进行经济性分析，计算期采用30年，财务折现率按3%。不同坡度方案经济性比较见表3。

表3 不同坡度方案经济比较 万元

从表3看出，18‰方案运营条件较好，经济性最差；25‰方案运营条件较好，运营能耗节省有限，总费用现值较贵；35‰方案坡度优势未得到充分发挥，节省投资有限，且恶化了运营条件，运输组织难度大，并存在较大的安全隐患。30‰方案总费用现值最小，经济性最好。

5.4 坡度选择结论

从以上分析看出，18‰与25‰两坡度不能适应地形条件，展长的线路意味着展长着桥隧工程，增加投资较大，虽机车购置费用较低，总体效益较差；35‰方案缩短线路长度有限，没有明显节省投资，反而增加了机车购置费用，总费用现值较贵。30‰方案能较好地适应地形，经济性最优，因此本段最大坡度推荐采用30‰方案。

6 牵引质量的选择

结合线路条件，研究中货车采用功率最大、运用也较为成熟的交流传动HXN3型机车。客车采用DF4D型。对采用18‰、25‰、30‰、35‰最大坡度时的牵引、制动情况进行分析。

6.1 受牵引力限制的牵引质量

兴都库什山区域内最高海拔2 800 m，参考相关线路试验情况，研究中考虑海拔修正等因素，综合牵引力系数按0.9取值。机车受上坡牵引限制在不同坡度的牵引质量见表4。

表4 不同坡度牵引质量

6.2 受制动力限制的牵引质量

列车在长大下坡运行，需采用机车电阻制动力，以满足列车制动要求。不同长大下坡满足牵引质量要求，机车的电阻制动力系数见表5。

从表5看出，在25‰长大下坡三机牵引满足5 000 t要求，每台机车电阻制动力需取全值的83%；在30‰长大下坡三机牵引满足4 000 t要求，每台机车电阻制动力需取全值的80%；在35‰长大下坡三机牵引满足4 000 t要求，每台机车电阻制动力取全值仍不能满足要求。

表5 长大下坡满足牵引质量要求采用的电阻制动力系数

6.3 牵引质量选择结论

根据机车牵引和制动性能检算，不同坡度下受牵引、制动性能限制的牵引质量见表6。

表6 不同坡度受牵引、制动性能影响的牵引质量

列车在长大下坡采用较大的牵引质量，还存在长时间、经常性采用电阻制动力进行调速、长大坡度需频繁采用周期制动、平均运行速度较低等影响运营安全和运输质量的问题。

通过上述分析可见，在25‰以上坡度，多机牵引的牵引质量受制动安全性控制，坡度越大，其牵引和制动的匹配性越弱，采用多机牵引提高牵引质量的经济性和安全性越差。

该处线路地形困难，连续足坡地段长，且重车方向主要为下坡。结合整条铁路设计情况，综合经济性和安全性考虑，近期采用双机牵引，牵引质量3 000 t；远期采用三机牵引，牵引质量4 000 t。

到发线有效长度采用650 m，预留850 m，本段线路近期设计能力为20.9对/日，输送能力为1 089万t，满足客货运输需求。

6.4 分期扩能措施

本线线路地形复杂，工程艰巨，设站条件困难；线路多长大纵坡，山区地段需多机牵引；考虑到阿富汗国内铁路运营经验和相关专业技术人员相对缺乏，宜减少技术作业难度。因此，在设计中本着节省投资、后期可考虑采用增加牵引机车、电气化改造、增建二线等措施进行逐步扩能。

7 结论

随着现代牵引动力现代化水平的提高，在山区铁路设计中，线路技术标准中的坡度与牵引质量的选择显得尤为重要。本线选择采用30‰的坡度，双机牵引质量3 000 t的技术标准，既能为建设期节省投资，又能满足国家发展的运量需求，且预留远期扩能条件，经论证技术标准合理，且具有复杂山区铁路技术标准选择的代表性。

[1] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中华人民共和国建设部.GB50090—2006 铁路线路设计规范[S].北京：中国计划出版社，2006.

[2] 中华人民共和国铁道部.铁道工程设计技术手册·铁路运量与行车组织[M].北京：中国铁道出版社，1992.

[3] 中华人民共和国铁道部.TB/T 1407—1998 列车牵引计算规程[S].北京：中国铁道出版社，1998.

[4] 白宝英.客运专线最大坡度研究[J].铁道标准设计，2006(1).

[5] 殷继兴,王进勇.我国山区铁路最大限制坡度选择的研究[J].铁道运输与经济，2007(9).

[6] 孙宝融.打通高加索山脉铁路的选线设计[J].铁道科技动态，1982(12).

[7] 中铁第一勘察设计院集团有限公司.新建铁路西安至成都客运专线西安至江油段预可行性研究[R].西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2009.