焦柳铁路牙屯堡至八斗区段限制坡度方案研究

黄 海

（中铁第六勘察设计院集团有限公司 线路站场设计院，天津 300308)

1 焦柳铁路牙屯堡至八斗区段限制坡度方案设置

1.1 牙屯堡至八斗区段

牙屯堡—八斗区段是焦柳铁路(焦作—柳州)怀化—柳州段的一个列车运行区段，位于湖南、贵州、广西交界处，区段长度为30 km，所处位置群山绵延，地表起伏大，地形条件复杂。牙屯堡站与八斗站的高程差为230.09 m，既有线路纵断面条件较差，区段限制坡度基本大于6‰，下行最大坡度为9.3‰，上行最大坡度为11.9‰[1]，是焦柳铁路怀化—柳州段限制坡度最大的区段，牵引质量仅为3 800 t。由于该区段为超限坡地段，通过该区段列车需要加挂补机，采用双机牵引，是列车运行的瓶颈。同时，由于限制坡度影响，列车运行速度降低，区间运行时分增加，导致运行图周期较长，区间通过能力较小，成为焦柳铁路的能力瓶颈，影响我国中西部地区与东部沿海地区之间的交流，对区域经济发展产生不利影响。因此，焦柳铁路怀化—柳州段扩能改造需要研究合理可行的超限坡地段扩能改造方案，以提升列车在牙屯堡—八斗区段的运行速度和通过能力，满足焦柳铁路通道运输需要。

1.2 方案设置

为了实现电气化铁路成网，提高列车运行速度，增强铁路市场竞争能力，焦柳铁路怀化—柳州段计划实施电气化改造，需要统一全线限制坡度，取消补机点。目前焦柳铁路怀化—柳州段采用内燃机车牵引，考虑线路功能定位、线路条件、运输需求及运输安全等方面的因素，针对牙屯堡—八斗补机区段限制坡度，提出4 个限制坡度方案[2]。

（1）方案I：维持既有限制坡度，采用补机牵引方案。牙屯堡—八斗区段维持既有线路平面和纵断面，车站位置维持不变，仅对线路进行电气化改造。牙屯堡—八斗区段继续采用双机牵引，保留牙屯堡站的补机点，在牙屯堡站和八斗站进行摘、挂补机作业。

（2）方案II：维持既有限制坡度，采用大功率机车单机牵引方案。牙屯堡至八斗区段维持既有线路平面和纵断面，车站位置维持不变，仅对线路进行电气化改造。全线采用大功率机车单机牵引，在本段采用动能闯坡方式通过，取消牙屯堡站的补机点。

（3）方案III：软化坡度并采用单机牵引方案。根据线路所处区域的地形地貌特征，将线路的坡度软化至6‰，取消牙屯堡站的补机点。该方案需要改建线路，自牙屯堡站里程较大端引出，沿既有线东侧布置迂回展线，将限制坡度降至6‰，接入八斗站。改建线路正线全长39.366 km。沿线新建水团站、新寨站及平坦站3 座会让站；新建大、中型桥梁40 座，总长10.22 km；新建隧道18 座，总长17.53 km。同时，取消牙屯堡补机点，全线采用单机牵引。

（4）方案Ⅳ：局部增建二线，采用大功率机车单机牵引。根据目前大功率机车在9‰坡度上可以满足牵引4 000 t 列车的条件，保留原有线路(最大坡度为9.3‰)作为下行线，新建上行线(限制坡度为9‰)，采用大功率机车单机牵引。新建上行线自牙屯堡里程较大端引出，与既有线路基本平行，接入八斗站。改建线路正线全长29.178 km，新建大、中型桥梁16座，总长3.20 km，新建隧道16座，总长18.88 km。新建线路无新建车站，取消既有的水团站和江头站2 座会让站。

牙屯堡—八斗区段限制坡度方案III、Ⅳ示意图如图1 所示[2]。

2 牙屯堡至八斗区段限制坡度方案分析

2.1 机车选型

我国采用“交—直—交”传动方式的和谐型电力机车主要有HXD1 (8 轴，轮轴功率9 600 kW)，HXD2 (8 轴，轮轴功率10 000 kW)，HXD1B/HXD2B/HXD3B (6 轴，轮轴功率9 600 kW)，HXD3/HXD1C/HXD2C/HXD3C (6 轴，轮轴功率7 200 kW)[3]。焦柳铁路怀化—柳州段车站到发线有效长为850 m，采用的机车需要满足牵引4 500 t 列车的要求，据此为各限制坡度解决方案选定合理的机车型号。

（1）方案I。当限制坡度为6‰ (双机坡12‰)时，HXD1，HXD2，HXD2B，HXD3B 机车的牵引能力过大，与该区段运行的列车质量不匹配。HXD3，HXD1B，HXD1C/HXD2C/HXD3C 可以满足该区段列车牵引的要求。区域路网货运机车以HXD3 型为主，为了实现长交路，提高机车运用效率，减少列车技术作业，缩短货物列车旅行时间，焦柳铁路怀化—柳州段机车宜采用HXD3 型。

（2）方案II。根据各型号机车在不同坡度下的牵引质量特性，HXD1，HXD2，HXD2B，HXD3B，HXD3，HXD1B，HXD1C/HXD2C/HXD3C 均不能满足在12‰的坡度上牵引4 500 t 列车的要求。因此，需要利用大功率机车单机，通过闯坡方式通过八斗—牙屯堡12‰的坡度，应选取机车功率和持续牵引力较大的机车。通过比较分析，选取HXD2 型机车在八斗—牙屯堡超限制坡度地段进行动能闯坡模拟计算。根据模拟计算可知，在闯坡地段，牙屯堡—八斗上行技术速度为55.9 km/h，不考虑列车起动、停车过程，区间低于持续速度65 km/h 运行距离约为6 km，运行时间约为6.5 min，坡顶最低速度56 km/h。模拟计算结果表明，采用大功率机车单机牵引可以以动能闯坡的方式通过超限制坡度段，但是机车低于持续速度运行时间较长，不利于发动机散热[4]。总体而言，该方案基本可行，推荐采用HXD2 型机车。

（3）方案III。该方案将区段的限制坡度降低至6‰。HXD3，HXD1B，HXD1C/HXD2C/HXD3C 型机车可以满足牵引4 500 t 列车的要求。考虑到区域路网货运机车以HXD3 型机车为主，为实现长交路，推荐采用HXD3 型机车。

（4）方案Ⅳ。该方案的限制坡度9‰，考虑曲线及附加阻力，满足牵引4 500 t 要求的机车有HXD1，HXD2，HXD3B，结合机车购置成本考虑，推荐采用HXD3B 型机车。

图1 牙屯堡—八斗区段限制坡度方案III、Ⅳ示意图Fig.1 Ruling gradient solution III, IV of Yatunbao to Badou section

2.2 衔接线路限制坡度

焦柳线怀柳段经柳州枢纽衔接主要线路有湘桂铁路(衡阳—凭祥)衡阳—柳州段、柳州—南宁段，黔桂铁路(龙里—柳州)洛满—柳州段等线路，其限制坡度主要为6‰，少数为13‰。焦柳铁路怀化—柳州段与湘桂铁路柳州—南宁段及黎湛铁路(黎塘—湛江)，构成中西部地区通向华南深水港口的重要出海运输通道，该通道限制坡度均为6‰。考虑牙屯堡—八斗区段与这些相邻线路限制坡度相协调[5]，而方案I、方案II、方案Ⅳ的限制坡度与这些相邻线路主要运输通道限制坡度差异较大，开行直达、直通货物列车需要摘、挂补机，机车的牵引能力存在较大浪费，而方案III的限制坡度与相邻线路的主要运输通道限制坡度一致，有利于组织开行直达、直通列车，可以避免机车牵引能力的浪费。

2.3 区间通过能力

结合焦柳铁路客、货运输市场趋势，预测焦柳铁路怀化—柳州段客货能力。在客运方面，旅客列车预测对数分别为初期(2025 年) 6 对/d，近期(2030 年) 7 对/d 和远期(2040 年) 10 对/d；在货运方面，上行为重车方向，初期1 950 万t/a，近期2 061 万t/a，远期2 170 万t/a[1]。根据怀化—柳州段客货运量预测，牙屯堡—八斗区段远期需要通过能力为43.5 对/d。依据牵引计算结果，方案I 中，列车需要摘、挂补机，运行时间较长；方案II 中，列车会因为动能闯坡而增加运行时间；方案III 列车会因列车需要在展线上迂回降坡而增加运行时间。牙屯堡—八斗区段平行运行图通过能力如表1 所示。

表1 牙屯堡—八斗区段平行运行图通过能力 对/dTab.1 Carrying capacity of the section with parallel train working diagram

由表1 可知，方案I，II，III 的平行运行图通过能力接近，方案Ⅳ通过局部增建二线的方式，提高了线路的通过能力，各方案均可满足预测运量要求，方案Ⅳ能力富余更充分，对将来列车对数增长趋势的适应性更好。

2.4 列车运行速度

焦柳铁路怀化—柳州段旅客列车最高运行速度为120 km/h，货物列车最高运行速度为80 km/h，通过牵引模拟计算可知，方案I、方案III、方案Ⅳ列车均可以正常通过。方案II 采用HXD2 型机车，在八斗—牙屯堡区段需要采用动能闯坡方式通过，而采用动能闯坡方式闯过坡顶的速度不能低于计算速度。但是，根据HXD2 机车牵引4 500 t 列车动能闯坡的模拟计算结果，方案II 列车在坡顶的最低速度为56 km/h，低于机车的持续速度。由于气象变化(如暴风雨、大雾、严寒冰冻)、司机操作、列车调度不当和线路大修等原因，列车在区间需要限速运行，如果列车运行速度不能达到持续速度的要求，则需要减轴运行，否则容易发生列车中途停车事故，因而方案II 在恶劣天气等情况下不利于运营安全[6]。

2.5 投资费用

根据焦柳铁路客、货运量预测，结合八斗—牙屯堡区段各限制坡度方案，从土建工程费、机车购置费及运营费用等方面，按照30 a 折现考虑，计算方案I、方案II、方案III、方案Ⅳ在30 a 内换算总费用[7]，分别为193 079 万元、199 710 万元、334 191 万元、313 575 万元。牙屯堡—八斗区段限制坡度方案总费用分析表如表2 所示。

表2 牙屯堡—八斗区段限制坡度方案总费用分析表Tab.2 Project investment of each ruling gradient solution

2.6 方案比选

（1）方案I。该方案可以有效地控制工程规模，节省投资，施工技术简单，施工工期短，机车路网适应匹配性强。但是该方案的运营费达到10.8 亿元，是各方案中运营费用最高的。同时，该方案需要进行大量的列车摘、挂补机作业，运输效率较低，机车购置费用及补机点运营成本。

（2）方案II。该方案的优点与方案I 相同。此外，该方案的运营费用较少。采用单机牵引，作业环节较少，运输组织效率较高。该方案不需要使用补机，运营费用较低。但是，由于该方案需要采用大功率机车牵引，机车车辆购置费为12.8 亿元，在各方案中最高。同时，该方案采用动能闯坡时，列车运行速度低于机车持续速度，需要进行温升校验，而且对不良天气的适应性差。该方案选用的机车与区域路网的机车不同，不利于采用长交路，机务检修设备投资较大，也不利于提高机务检修效率，不便于运营管理。

（3）方案III。该方案由于限制坡度降低明显，机车车辆购置费为7.5 亿元，是各方案中投资最小的。采用单机牵引，不需要进行列车摘、挂补机作业，有利于提高运输效率。因此，该方案可以明显节约补机购置费及补机点运营费。但是，该方案需要新建39.366 km 线路，车站数量最多，线路运营长度最长，且桥隧比高达70.5%，控制性工程多，施工工期长，总投资为31.9 亿元，是各方案中工程建设投资最高的。

（4）方案Ⅳ。该方案最明显的优点是充分利用既有线路增建双线，明显提升了线路的通过能力，取消了2 个会让站，降低运营成本。同时，该方案采用单机牵引，减少作业环节，提高运输组织效率，节约补机购置费和补机点运营费用。但是，该方案需要新建29.178 km 线路，投资14.2 亿元，桥隧比高达75.7%，控制性工程多，施工工期长。同时，线路运营长度增加，运营维护费用高。该方案采用的机车与区域路网机车不同，协调性差，还需要增加机务检修工装设备投资，不利于提高机务检修效率，不便于运营管理。

经综合比选，焦柳铁路牙屯堡—八斗区段限制坡度方案推荐采用方案I，即维持既有限制坡度采用补机牵引方案。

3 结束语

既有线扩能改造项目中，采用合理的限制坡度解决方案可以提高我国既有线运输组织效率。在既有线扩能改造中，应以满足运输需求为前提，以机车等移动设备与站前工程固定设备的匹配作为方案研究出发点，以减少站前工程为目标，综合考虑工程费用、运营费用、运输组织等因素选取限制坡度方案[8]。随着我国机车制造水平不断提高，功率更大、运行速度更快的机车将大量投入使用，在坡度较大的山区铁路上可以有效地提高牵引质量、提升运输效率。另外，还应进一步发挥新型大功率机车的作用，以减少限制坡度工程投资。