川藏铁路昌都至林芝段最大坡度研究

秦 鉴

(陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院),西安 710043)

1 项目概况

1.1 线路地理位置及径路

川藏铁路昌都至林芝段位于西藏自治区境内，地处青藏高原东南部。线路在昌都市加卡经开区设昌都站后跨澜沧江，向西穿浪拉山，在昌都邦达机场北设邦达站，出站后穿果拉山、跨越怒江、穿伯舒拉岭和多木格，于林芝市波密县嘎朗镇设波密站，出站向西北方向，沿帕隆藏布江右岸榜穿易贡铁山，至通麦小镇设站，跨过易贡藏布后线路折向西南，跨东久曲，线路穿越色季拉山，跨过尼洋河后终于林芝站，新建线路长度372.3 km。项目地理位置示意见图1。

图1 川藏铁路昌都至林芝段地理位置示意

1.2 功能定位及运量预测

川藏铁路是西南腹地及华中、华东地区进出藏最快速、便捷的客货运输主通道，是国家重大的民生工程，是支撑长江经济带与丝绸之路经济带战略实施的重要基础设施，也是引导沿线产业布局和资源开发、确保藏区长治久安和维护祖国统一的重要战略通道，其功能定位为是一条客货兼顾的高标准区际快速干线铁路。本项目设计速度目标值为200 km/h，研究年度昌都至林芝段货流密度及客车对数如表1所示。

表1 项目区段货流密度及客车对数

2 规范相关规定及相邻线最大坡度

2.1 规范有关最大坡度的规定

TB10621—2014《高速铁路设计规范》对最大坡度的规定为：区间正线的最大坡度不宜大于20‰，困难条件下经技术比较后不应大于30‰[1]。TB10098—2017《铁路线路设计规范》规定：高速铁路、城际铁路的区间正线最大坡度不宜大于20‰，困难条件下不应大于30‰；客货共线I级和II级铁路电力牵引的加力牵引坡度值不得大于30‰[2]。GB/T25337—2010《铁路大型线路机械通用技术条件》规定铁路线路的最大坡度为30‰[3]。

2.2 相邻线最大坡度

结合列车开行方案，与本线相关的高速铁路包括成雅铁路、成渝高铁、西成高铁、成贵高铁等，普速铁路包括成昆铁路和拉林铁路。成雅铁路成都至朝阳湖段最大坡度20‰；朝阳湖至雅安段最大坡度为12‰。成贵铁路最大坡度为20‰，困难地段25‰，个别地段30‰[4]。西成高铁最大坡度为20‰，困难地段25‰[5]。成昆铁路成都南至峨眉段限制坡度为6‰。拉萨至林芝铁路限制坡度为12‰[6]。青藏铁路格尔木至拉萨段限制坡度为20‰[7]。拉萨至日喀则铁路限制坡度为12.5‰[8]。

3 地形特点分析及最大坡度方案的提出

3.1 地形特点分析

川藏铁路昌都至林芝段地貌形态主要受青藏高原地貌隆升的影响，地势急剧隆升抬起，为典型的“V”形高山峡谷地貌；高原面地貌形态主要以丘状高原及构造侵蚀形成的深切峡谷地貌为其总体特征。

昌都至林芝段地形起伏剧烈、三上三下穿越他念他翁山、怒江、伯舒拉岭、易贡藏布、色季拉山、尼洋河等高山大江，自然高差巨大。山脉走向主要为南北向，山势雄伟，群峰高耸，山岭海拔多在5 000 m以上，谷底与山岭相对高差一般在2 000～3 000 m，多悬崖绝壁，河流支流密布。剧烈的地形起伏对线路走向、工程设置影响巨大。

3.2 隧道坡度折减分析

根据沿线气候条件，通过模拟仿真分析，结合《铁路线路设计规范》关于坡度折减的相关规定，考虑和不考虑隧道折减对列车运营安全及运输质量等影响均较小。因此，本次研究坡度方案按最大坡度，暂不考虑隧道内折减。

3.3 最大坡度方案的提出

川藏铁路昌都至林芝段地形条件复杂、海拔高、高差大，线路需要大坡度才能较好地适应地形条件。大坡度铁路风险系数高、管理难度大、操纵方式难、行车难度大。现行铁路规范应作为设计时的指导原则，在地形极其复杂的地区，如需突破规范的约束界限，就需要有充分的技术经济依据，进行系统性、综合性、全过程的论证[9]。本次结合昌都至林芝段复杂的地形特征，主要对24‰、30‰和35‰三个最大坡度方案从平、纵断面的适应性、工程数量及投资、运营安全、运输质量和运输能力等方面进行重点研究。

4 最大坡度方案综合比选

4.1 工程适应性分析

从线路方案走向分析，3个坡度方案走向基本相同。30‰、35‰方案较24‰方案爬坡能力更强，可减少紧坡地段展线长度，缩短越岭隧道长度，增长隧道内人字坡，选线自由度高，适应地形地质条件好。35‰与30‰方案相比，在平面控制因素一致的情况下，两方案线路平面基本一致，仅在纵断面上缩短越岭隧道长度，增长隧道内人字坡。24‰与30‰、35‰方案相比爬坡能力较弱，局部段落需要展线或者抬升线路高程。

从工程地质条件分析，24%坡度方案较30%、35‰方案工程地质条件恶化。其中，色曲至邦达段，24%方案穿越断层破碎带及软质岩长度较长，距离澜沧江断裂带和怒江断裂带交汇处附近，地层岩性受构造影响严重，软岩大变形问题较为突出，工程地质条件差。瓢打曲至波堆藏布段，24‰方案隧道最大埋深较大，地应力水平增加，软岩大变形风险增高，隧道围岩条件变差，且在古通弄巴以桥梁形式通过，桥梁位于泥石流沟流通区，桥梁安全风险较大，而30‰、35‰方案以浅埋隧道段落通过该沟，可规避泥石流风险。通麦至鲁朗段属于极高地应力场区，地温受雅江缝合带地热异常断裂控制，24‰坡度方案展线后，岩爆及高地热段落长，岩爆风险增高，热害程度越高。

从桥梁及隧道工程分析，桥梁方面，24‰方案较30‰、35‰方案桥高抬高，建桥条件恶化；隧道方面，24‰方案增加了硬岩岩爆、软岩大变形、高地温热害、岩溶等不良地质段落长度，隧道施工条件恶化，重点隧道施工风险加大。

从环保风险比较分析，邦达隧道穿越若巴县级保护区缓冲区，穿越长度24‰方案较30‰、35‰方案长约4 km。拉月隧道穿越雅鲁藏布国家级自然保护区和色季拉山森林公园，其中24‰方案穿越保护区实验区和森林公园生态保育区较30‰、35‰方案长约2.4 km。鲁朗隧道穿越工布自治区级自然保护区和色季拉山森林公园，其中24‰方案穿越保护区实验区、缓冲区和森林公园生态保育区较30‰、35‰方案长约3.7 km。色季拉山隧道穿越工布自治区级自然保护区、色季拉山国家森林公园、鲁朗林海风景名胜区，24‰、30‰、35‰在环境敏感区里程无明显差别。

4.2 工程数量及投资比较

24‰方案较30‰方案线路增加5.30 km，35‰与30‰方案线路长度相当。24‰、35‰坡度方案隧道工程长度较30‰方案分别增加4.23 km、减少2.56 km，辅助坑道长度分别增加14.59 km、减少0.15 km，桥梁工程长度分别增加1.76 km、减少0.25 km。昌都至林芝段坡度方案主要工程数量及经济比较见表2。

表2 昌都至林芝段坡度方案主要工程数量及经济比较

由表2可知，35‰坡度方案隧道主体工程及辅助坑道缩短，静态投资较30‰方案节省28.9亿元，约2.7%；24‰坡度方案因线路展长隧道长度增加，且波堆藏布特大桥、东久曲特大桥等重点桥梁长度加大、高度抬高，静态投资较30‰方案增加34.4亿元，约3.2%。

4.3 综合经济性比较分析

结合机车选型及牵引质量分析，对不同坡度方案的工程投资、机车车辆购置费及运营支出采用费用现值法分别计算，将各年总费用折现至计算基年进行比较，昌都至林芝段各坡度方案综合费用现值比较见表3。

由表3可知，各坡度方案综合费用现值差别主要体现在工程费用上，随着坡度增加，综合费用现值有所节省，30‰方案较24‰方案节省20.4亿元，较35‰方案增加21.3亿元。

4.4 运营安全性分析

本线拟采用电力牵引，交流传动电力机车具有功率大、牵引制动性能好、可靠性高等优点[10]。结合各机型应用现状及本线列车运行速度的需要，货物列车主要对HXD2(8轴9 600 kW)和HXD3(6轴7 200 kW)两种交流传动电力机车进行检算。旅客列车主要对HXD1D型进行检算。动车组主要对CR型和CRH型进行分析检算。

4.4.1 基础参数及条件分析

(1)长大坡道列车下坡限速分析

本项目研究段落最大坡度超过20‰，超出《铁路技术管理规程》规定，下坡限速根据满足紧急制动距离的要求进行计算。列车制动过程分为空走过程和有效制动过程两部分，有效制动距离利用“分段累加法”，即将列车有效制动过程分为若干个小的速度间隔分别计算，再累加计算得出列车不同制动初速条件下的制动距离[11]。本线拟运行动车组、普速客车及货物列车，客货列车速差较大，且沿线地形困难，站间距离较大，对区间通过能力有较大影响，从车辆发展趋势分析，货车车辆最高允许速度将逐步过渡至120 km/h，为减少客货列车速差，提高线路通过能力，提升运输质量，本次研究货物列车暂按120 km/h速度等级考虑，紧急制动距离按1 400 m。客货列车在不同下坡道的限速见表4。

表4 客货列车紧急制动限速 km/h

(2)列车制动方式的选择

列车制动方式包括电制动和空气制动。电制动包括电阻制动和再生制动两种，让列车动轮带动动力传动装置牵引电动机，使其产生逆作用，将列车动能转变为电能，再变成热能消耗掉或反馈回电网，两者均为动力制动方式[12]。相比于空气制动，电制动可以实现良好的制动力特性调节，减小闸瓦和车轮轮箍的磨损，避免轮箍过热，且控制方便，制动平稳[13]。结合电制动特性和大坡道铁路运营调研情况，列车在长大下坡道制动时应充分发挥电制动的作用，减少闸瓦的磨耗及热负荷效应。因此，本次研究在长大下坡道按电制动调速考虑。

4.4.2 长大坡道货物列车牵引质量检算

列车上坡牵引时受持续牵引力限制，长大下坡制动时，考虑电制动力平衡下滑力保持匀速运行，同时考虑黏着力的影响，仍能够保证在下坡限速运行时采用80%及以上的电制动系数[14]。采用HXD2型机车双机牵引时，30‰坡道最大能满足的牵引质量为2 410 t。综合考虑各影响因素对列车牵引质量检算的约束，电制动系数暂按80%考虑时，货物列车在不同坡度能满足的牵引质量见表5。

由表5可知，30‰坡道，货物列按HXD2型机车双机牵引考虑，施加80%电制动力时能满足牵引质量为2 260 t，考虑牵引质量适当留有余量有利于提高货物列车行车速度，降低客货列车速差，提高线路通过能力，本线在30‰坡道的货物列车牵引质量暂按2 000 t考虑。

表5 货物列车在不同坡度满足牵引质量 t

4.4.3 长大坡道普速客车编挂辆数检算

列车上坡牵引时主要受持续牵引力限制，长大下坡制动时，考虑电制动力平衡下滑力保持匀速运行，同时考虑黏着力的影响，仍能够保证在下坡限速运行时采用80%及以上的电制动系数。综合考虑各影响因素对列车编挂辆数检算的约束，电制动系数按80%考虑时，HXD1D牵引在不同坡度能满足的编挂辆数见表6。

表6 旅客列车在不同坡道的编挂辆数计算结果 辆

由表6可知，30‰坡道，采用HXD1D双机牵引可满足编挂辆数19辆，要满足牵引20辆时，电制动系数需达到82.8%。

4.4.4 动力分散动车组牵引制动性能分析

(1)各型车长大上坡道均衡速度

根据目前现有动车组车型，对不同车型在24‰、30‰和35‰的上坡道的均衡速度进行计算，结果见表7。

由表7可知，在30‰及以下的上坡道，复兴号CR400系列及CRH380AL型动车组均衡速度大于200 km/h，上坡不降速；CRH380BL、CRH380CL型动车组均衡速度低于200 km/h，为171～181 km/h；250 km/h型动车组的牵引力较小，均衡速度相对较低。

表7 动车组不同上坡达到的均衡速度 km/h

(2)各型动力分散动车组下坡制动性能分析

对复兴号CR400AF、CRH380AL以及CRH5型动车组在长大下坡道保持匀速运行时需要的电制动力比例进行分析，见表8。

表8 长大下坡道保持匀速时需要的电制动力比例

由表8可知，在长大下坡道采用电制动保持200 km/h匀速运行时，各坡度方案下，350 km/h速度等级的CR400AF和CRH380AL型动车组所需电制动系数在70%以内，250 km/h速度等级的CRH5在24‰坡度所需电制动系数已达93.1%，在30‰和35‰坡度发挥全部电制动力仍无法适应。因此，本线建议采用大功率动车组。

4.4.5 列车停放制动安全性分析

正常工况下，动车组、普速客车(考虑牵引19辆时)、货物列车仅使用电制动即可满足30‰长大下坡道恒速运行要求，电制动使用系数均不超过80%。故障工况下(电制动完全失效)，仅采用空气制动调速，30‰长大下坡地段，旅客列车通过限速，运行80 km后，具备安全停车能力。货物列车在电制动异常，仅使用空气制动调速时，充风缓解时间不足，存在安全隐患，建议停车且做好防护后请求救援。

使用停放装置时，正常工况下，空气制动可满足30‰坡道停放要求；在空气制动完全失效情况下，现状动车组及普速旅客列车的停放制动装置不满足30‰坡道停放要求，建议提高列车停放装置停放能力，以确保安全。

4.5 运输质量分析

根据昌都至林芝段不同坡度方案，对动力分散动车组、普速客车及货物列车进行模拟牵引计算，得出列车运行时间及速度，见表9。

表9 不同坡度方案列车运行速度及时间

由表9可知，在运行时间上，24‰方案线路长度相对较长，虽列车运行速度相对较高，但运行时间最长，30‰和35‰坡度方案线路长度基本相当，由于30‰方案列车运行速度更高，列车运行时间较短，运输质量更好。

4.6 运输能力(追踪间隔)分析

按照CTCS-2信号制式考虑时，计算不同坡度方案下，各种列车的常用制动距离及闭塞分区长度，见表10。24‰、30‰和35‰坡度下闭塞分区长度暂分别按照1.3，1.7 km和2.8 km考虑。

表10 不同坡度方案下闭塞分区长度计算及取值

不同坡度方案下，列车追踪间隔见表11。

表11 不同坡度方案各种列车追踪间隔

由表11可知，24‰坡度方案，列车追踪间隔可满足客车4 min，货车4 min；30‰方案可满足客车5 min，货车6 min；35‰方案可满足客车7 min，货车10 min，随着坡度的增加，客货列车的追踪间隔均增大，35‰方案的追踪间隔时间较其他两方案增加相对较多。

4.7 推荐坡度方案

从工程实施条件及投资分析，30‰、35‰方案平面线位一致，30‰已能较好地适应地形，不需展线克服高差。24‰与30‰、35‰方案相比，抬高车站桥高，增加设站难度，并增加了工程风险。30‰、35‰较24‰坡度方案隧道埋深总体减少、地应力降低，改善了软岩大变形、岩爆及地热等不良地质条件，并减少隧道辅助坑道长度。工程投资方面，30‰坡度方案较35‰坡度方案增加28.9亿元，增加2.7%，较24‰坡度方案节省34.4亿元，节省3.2%。

从运营安全性分析，30‰坡道在国内宝成铁路宝鸡至秦岭段已有多年的实际运营经验。正常工况下，列车仅使用电制动即可满足24‰、30‰长大下坡道恒速运行要求，故障工况下(电制动完全失效)，仅采用空气制动调速，30‰长大下坡地段，旅客列车通过限速，运行80 km后，具备安全停车能力；货物列车在电制动异常，仅使用空气制动调速时，充风缓解时间不足，安全隐患较大，建议停车且做好防护后请求救援。35‰坡度方案安全性相对低。

从运输质量分析，动车组功率大，旅行时间相差甚微；普速旅客列车相差也较小，30‰较24‰方案上下行平均旅行时间增加仅3.6 min；货物列车旅行时间也相差不大，30‰较24‰方案上下行平均旅行时间增加17.2 min。

从运输能力分析，列车区间追踪间隔越大，区间通过能力越小，24‰、30‰最大坡度方案均能满足能力需求，35‰最大坡度方案区间追踪间隔最大，能力适应性差。

综合考虑，35‰方案存在缺少运营经验、运营安全性相对低、运输能力适应性差、运输质量低等弊端，研究予以放弃。24‰方案虽然具有可优化运营条件、提高运输能力等优势，但存在增加工程投资、设站难度和工程风险等弊端，因此，本线最大坡度推荐采用30‰。

5 结论与建议

川藏铁路地形高差显著、地质条件复杂、气候变化急剧、桥隧比重极高，宜采用大坡度方案适应地形，在保证运营安全条件下，节省工程投资，降低工程风险。最大坡度方案的选择对工程建设、施工及后期运营均有重要的影响。最大坡度选择时应从工程适应性、经济性、运营安全性、运输能力及运输质量等方面进行综合分析比选，确保设计的坡度方案安全、经济、合理、可靠。

国内已运营大坡度铁路青藏线、宝成线和内昆线等均有多年的实际运营经验，在机车类型、牵引质量和行车速度等主要技术标准匹配方面实现了协调，且各线均制定了保证安全运营的技术规程。既有TB10098—2017《铁路线路设计规范》规定的加力坡最大值为30‰。结合川藏铁路昌都至林芝段复杂、起伏的地形条件，重点对24‰、30‰和35‰三个最大坡度方案进行了综合分析论证，推荐采用30‰最大坡度方案。

考虑到川藏铁路独特的地理及气候条件，建议根据川藏线特点，进一步研究提升列车制动性能，保障列车运行安全，并在运营前制定保障措施，确保川藏铁路安全运营。