北黑铁路龙镇至黑河段升级改造方案研究

逯红兵

(中铁一院轨道交通工程信息化国家重点实验室，陕西西安 710043)

为适应客货运输发展需求，既有铁路在运营一定年份后，往往需进行升级改造，采用何种升级改造措施是工程师们必须面对的问题。一般认为，既有线改造应采取扩能与提速并举的原则[1]，如杨峰等[2]在研究铁路扩能改造方案时，结合功能定位确定了速度目标值；高崇华等[3]首先研究了成贵铁路维持现状速度的扩能方案，为保证市场竞争优势，又进一步研究了提速方案；卓建成[4]以广大铁路为研究对象，将扩能方案与提速方案进行了统筹研究。也有部分研究侧重于将既有线扩能与提速分开进行[6-7]。然而，提速本身也是一种扩能措施，尤其是单线铁路，其扩能改造方案应与提速方案同步研究。以北黑铁路龙镇至黑河段为例，对其升级改造方案进行深入研究。

1 概述

1.1 既有线概况

北(安)黑(河)铁路位于黑龙江省境内，南起北安市，北至中俄边境口岸黑河市，线路基本呈南北走向，全长303 km。其中龙镇—北安段为国铁，长63 km；龙镇(不含)—黑河段为地方铁路，长240 km，与国铁办理直通运输。国铁与地方铁路在北安交接客机，在龙镇交接货机。全线共分布车站17处，车站分布不均衡(站间距为4.3～41.9 km，其中站间距离超过20 km的区间有5处)。

北黑铁路是黑河市联系省会哈尔滨的唯一铁路通道(现状为单线内燃铁路)，主要技术标准见表1。

表1 北黑铁路既有线主要技术标准

由表1可知，该铁路存在的主要问题有：①线路标准、运输质量较低，黑河至北安客车旅行时间约5.0 h，旅行速度约60 km/h，黑河至哈尔滨客车旅行时间为10.0～11.8 h，旅行速度为54～64 km/h，难以满足快速客运的需求；②线路通过能力小，到发线有效长度不足，限制区间通过能力仅为13.7对/h，牵引质量为1 600～2 200 t，难以满足客货运量快速增长的需要；③建设年代早，轨道、路基、桥梁等病害严重，存在较大安全隐患。因此，从满足运输质量、运输能力及运输安全等方面考虑，对北黑铁路进行提速扩能改造十分必要。

1.2 区域路网格局

北黑铁路在北安与滨北线(哈尔滨—绥化—北安)、齐北线(齐齐哈尔—富裕—北安)衔接，融入国家铁路网，是黑河至哈尔滨铁路通道的关键环节。

根据《中长期铁路网规划(2016年调整)》[8]，拟对滨北线进行扩能改造，拟对齐北线富裕—北安段进行电化改造；根据《黑龙江省铁路“十三五”规划》[9]，“十三五”拟开工哈尔滨至佳木斯(双鸭山)铁路电化改造项目，规划研究绥化至黑河铁路扩能改造项目。因此，北黑铁路改造后，将成为黑河(伊春)—绥化—哈尔滨—长春快速铁路的重要组成部分。

1.3 建设必要性及功能定位

(1)建设必要性

北黑线升级改造对构筑中俄经济走廊、推动东北全面振兴、提高铁路运输质量、提升铁路运输能力、消除铁路安全隐患及巩固国防等意义重大。

(2)功能定位

本项目是中俄口岸贸易往来的重要交通方式，是边境城市与内地客货交流的主要干线，黑河至孙吴段还是规划沿边铁路的重要组成部分。因此，本项目功能定位是一条客货并重、兼顾沿线城际客流的区域性铁路[10]。

2 客货运量预测及既有线能力分析

2.1 客货运量预测

本线通过北安站连接即将进行扩能改造的滨北线、齐北线，主要承担哈尔滨、齐齐哈尔、大连以远地区与沿线地区间及黑河口岸对俄的客货交流。根据研究年度客货运量需求增长趋势，初、近、远期(2030年、2035年、2045年)客货运量预测结果见表2[10]。

表2 研究年度区段货流密度、旅客列车对数汇总

2.2 既有线路能力与预测运量适应性分析

北黑线现状为单线内燃铁路，线路能力小，限制区间(龙门河—辰清，41.9 km)通过能力为13.7对/d，若维持现有技术标准，研究年度通过能力适应情况见表3。

表3 北黑线既有线能力适应性

由表3可见，北黑铁路初期既有线能力已无法满足研究年度客货运输的需要，近期能力缺口将达到5.8～15.7对/d，全线能力不足区间有12个，亟需进行扩能改造。根据运量预测结果，北黑铁路远期年货运量小于21 Mt，参照《铁路线路设计规范》[11]，维持单线标准即可满足运量需要。

3 提速方案分析

北黑铁路建设年代早、技术标准低，最高运行速度仅80 km/h，且存在多处慢行段落。为改善铁路运营条件，满足客运快速需求，提高运输市场竞争力，北黑铁路龙镇至黑河段进行提速改造较扩能改造更为紧迫，故优先研究提速方案。

3.1 时间目标值

现状黑河至龙镇铁路运营长度为240 km，最快旅行时间4.3 h，公路大巴运距207 km，旅行时间约2.6 h。从与公路竞争力分析，本线旅行时间应与公路持平或有一定的缩短，故时间目标值宜控制为2.5 h。

3.2 速度目标值研究

综合考虑本线功能定位、客流特点、运输需求、工程条件等因素，研究了100 km/h、120 km/h、160 km/h、200 km/h四个方案。

(1)工程投资经济比较

结合既有线线形，地形条件，车站改建规模和桥、隧等专业的技术分析，不同提速方案的主要工程内容和投资见表4[10]。

表4 不同速度目标值方案工程经济比较

由表4可知，速度标准越低，则利用既有线的长度越长，改建工程投资越省。根据《铁路线路设计规范》[11]，200 km/h客货共线铁路应一次新建双线，本线为单线运量标准，若按双线建设，运能虚糜严重，且工程投资巨大，经济效益差，故不予考虑；而采用160 km/h方案较100 km/h方案投资增加27.84亿元(增加112.9%)，利用既有线长度减少73.133 km；较120 km/h方案投资增加约13.41亿元(增加34.3%)，利用既有线长度减少50.709 km。

(2)路网协调性分析

本线与北黑线龙镇-北安段和滨北线共同构成黑河至哈尔滨铁路通道，与齐北线在北安衔接抵达齐齐哈尔。与本线主要相关的滨北线、齐北线现状速度目标值为80～120 km/h，从需求及规划分析，研究年度相关线路速度目标值宜为160 km/h。从与相关线路速度标准相协调的角度分析，研究年度本线旅客列车设计速度宜采用160 km/h。

(3)与时间目标值适应性分析

不同提速方案旅行时分见表5。

表5 不同提速方案运行时间 h

由表5可见，速度目标值160 km/h和200 km/h均满足时间目标值要求。

3.3 综合分析

对不同提速方案进行工程投资经济比较，若按200 km/h方案双线标准建设，投资增加巨大，运能虚糜严重，经济效益差，故不予考虑。100 km/h、120 km/h方案虽投资较省，但旅行时间过长，与本线的功能定位不符。160 km/h方案较120 km/h，100 km/h方案投资分别增加13.41亿元、27.84亿元，时间分别节省0.7 h、1.2 h，投资节时比为3 193万元/min、3 866万元/min，投资节时效果明显，与项目功能定位相符，与规划滨北线、齐北线等相关线路路网协调性好，可以提升铁路运输市场竞争力。研究年度，若黑河至哈尔滨整个铁路通道采用160 km/h标准，铁路旅行时间将由现状10.0～11.8 h缩短为5 h，满足黑河至省会哈尔滨“一日折返”的交通需求[12]，较现状公路7.5 h的旅行时间也有较大减少，竞争优势明显。

因此，本次提速方案推荐160 km/h方案。为改善运营条件，应同步软化线路坡度至15‰。

4 扩能方案分析

4.1 总体思路

既有线单线扩能手段主要有电化、加站、提高牵引质量、自闭改造、增建二线等[13]。一般来说，扩能方案可能会采用其中一类或者几类进行组合设置[14]。考虑到本线为单线，自闭改造对运输能力提高有限(约10%～25%)[15]，故主要研究了增加车站、电化改造、延长到发线、提高牵引质量等方案。

4.2 加站方案

本线站间距分布不均，控制区段(龙门河至辰清)距离长达41.9 km，站间距离超过20 km的区间有5处。因此，首先研究了加站方案。本线既有车站12处(不含龙镇站)，通过对个别站间距大的区间加站或移站，缩短全线站间距。新建会让站4处，既有车站移位2处，调整车站16处。维持现状到发线有效长度，牵引质量取2 200 t，研究年度能力适应性见表6。

表6 维持到发线有效长度加站方案能力适应性 (对/d)

由表6可见，加站后，电力牵引能力基本可适应至近期，内燃牵引可适应至初期，适应期较短。因此，无论采用电力牵引还是内燃牵引，加站后均需延长到发线有效长度，以提高牵引质量。

4.3 牵引种类选择

本线相关的滨北、齐北等线现状均采用内燃牵引，根据相关规划，研究年度内，上述线路拟进行电化扩能改造，故本次研究了维持内燃牵引、电力牵引两个方案。经技术经济比较，虽然内燃牵引方案投资较电力牵引方案节省8.8亿元，但运输质量低，运营成本高，经济费用现值高。考虑到电力牵引具有运输能力大、适应期长、运输质量高、经济性优及符合节能政策等优势，本线宜进行电化改造。

从区域路网发展分析，为实现快速运输，北黑、滨北、齐北等线电化改造宜尽早实施，以尽快形成黑河至哈尔滨、齐齐哈尔的客运快速通道。考虑到与本线主要相关的滨北、齐北等线虽有电化及扩能改造的规划，但尚未纳入计划，改造时机亦未明确，存在一定的不确定性。因此，在齐北线、滨北线电化未实施前，本线宜维持内燃牵引，以减少建设初期工程投资，并视相关线路电化改造情况，同步实施电化改造。

4.4 延长到发线有效长度

(1)方案构成

根据前述分析，在维持单线、提速至160 km/h、加站的基础上，进一步研究延长到发线有效长度、提高牵引质量的方案。根据规划，研究年度滨北线、齐北线到发线有效长度为1 050 m，牵引质量5 000 t，从与通道技术标准相统一、减少中间作业环节考虑，北黑线及滨北线、齐北线到发线有效长度宜保持统一，考虑相关线路到发线有效长度现状存在650 m和850 m两种标准，本次到发线有效长度研究了650 m预留1 050 m、850 m预留1 050 m和1 050 m三个方案。

①到发线有效长度650 m预留1 050 m方案

到发线有效长度延长至650 m，并预留进一步延长至1 050 m的条件；牵引质量取3 000 t，远期提高至5 000 t。

②到发线有效长度850 m预留1 050 m方案

到发线有效长度延长至850 m，并预留进一步延长至1 050 m的条件，牵引质量取4 000 t，远期提高至5 000 t。

③到发线有效长度1 050 m方案

到发线有效长度一次延长至1 050 m，牵引质量取5 000 t。

(2)方案比较

①工程投资比较

采用不同到发线有效长度，各方案工程差异主要体现在铺轨、土方量及光缆电缆导线方面。650 m预留1 050 m方案较850 m预留1 050 m方案节省投资约3 418.6万，较1 050 m方案节省投资约6 837.1万。

②运输能力适应性

研究年度不同到发线有效长度方案能力适应性见表7。

表7 不同到发线有效长度方案能力适应性 (对/d)

由表7可见，到发线有效长度850 m方案能力也可适应至远期，一次按1 050 m方案适应期长，650 m预留至1 050 m方案远期需延长到发线有效长度。

③运输组织协调性

从运输组织协调性角度分析，北黑线在北安与滨北线、齐北线衔接，齐北线(北安-富裕)、滨北线(北安-绥化)到发线有效长度现状为650 m、规划为1 050 m。若本线按650 m预留1 050 m标准修建，将减少与衔接线路的中间作业环节，可以组织货物直通运输，与相邻线路运输协调性更好。

(3)综合分析

从工程投资分析，650 m预留1 050 m方案工程投资最省；从能力适性分析，到发线有效长度850 m可满足远期能力需求；从运输组织协调性方面分析，在滨北线、齐北线扩能改造前，650 m预留1 050 m方案可与其较好地协调匹配。当滨北、齐北线扩能时，本线到发线有效长度应与其统一，以实现协调匹配。因此，本次暂推荐到发线有效长度650 m预留1 050 m方案。

5 结束语

北黑铁路龙镇至黑河段为地方铁路，既有线改造提速需求较扩能需求更迫切，故采用先研究提速方案、再研究扩能方案的思路，从工程投资、路网协调性、与时间目标值适应性角度，对100 km/h、120 km/h、160 km/h、200 km/h等四个方案进行了综合比选，推荐单线160 km/h方案；在分析扩能方案时，按照增开车站、电化改造、延长到发线、提高牵引质量的扩能研究顺序，推荐单线加站、电化改造、延长到发线有效长度至650 m预留1 050 m(牵引质量3 000 t预留5 000 t)方案。