几内亚马西铁路限制坡度方案研究

颜 文

（中铁第一勘察设计院集团有限公司 线路运输设计院，陕西 西安 710043)

1 马西铁路限制坡度方案分析及提出

1.1 马西铁路

几内亚马瑞巴亚港至西芒杜矿区铁路(以下简称“马西铁路”)位于几内亚共和国南部，贯穿行经金迪亚、马木、法拉纳及康康大区境内，总体呈西东走向。线路自马瑞巴亚港引出，向东经福雷卡利亚随后转向东北沿几内亚/塞拉利昂边境于穆巴鲁越岭后经马雷拉至法拉纳，随后向东南走行至凯鲁阿内并沿N2 公路走行至西芒杜矿区。马西铁路是几内亚西芒杜矿区铁矿石规模开采、实现矿产海铁联运的重要配套设施，是一条服务铁矿石运输的专用铁路，采用中国铁路技术标准体系建设，线路正线长度620.48 km，正线数目为双线，研究年度分别为初期(2025 年)、近期(2027 年)、远期(2034 年)，全线共分布车站15 座，平均站间距44 km，最大站间距54.5 km，最小站间距16 km，近远期年运量分别为7 000 万t、1.0 亿t。

马西铁路地势总体由西向东逐渐抬升，沿线最小高程约为1 m，位于马瑞巴亚港附近；最大高程约为660 m，位于穆巴鲁附近。线路由西向东依次经过滨海平原区、中低山区、剥蚀准平原区及中低山丘陵区，其中，马瑞巴亚港至金达弗里段线位处于滨海平原区及低山丘陵区，河漫滩、阶地发育，河流较顺直，地面高程0 ～ 230 m。金达弗里至穆巴鲁至马雷拉段线位处于中部山区，山势陡峭，山岭海拔230 ～ 650 m，地形高差50 ～ 400 m，为典型越岭地段。马雷拉至法拉纳至西芒杜矿区段线位处于低山丘陵区，地势相对平缓，地形呈起伏状，海拔400 ～ 530 m，地形高差30 ～ 100 m，马西铁路地形地势示意图如图1 所示。

图1 马西铁路地形地势示意图Fig.1 Topographic map of Maribaya-Simandou Railway

此类地形地貌、地势高差将直接影响铁路限制坡度的选择，因而需要开展马西铁路限制坡度研究，从而为国外地区以经济选线为主导的货运铁路限制坡度的选择提供参考。

1.2 限制坡度取值范围计算

在确定马西铁路限制坡度方案前，需对其取值范围进行计算。根据《铁路线路设计规范》(TB 10098-2017)、《铁路选线设计》及《列车牵引计算第一部分：机车牵引式列车》(TB/T1407.1-2018)中相关规定[1-3]，进行列车起动检算，最大限制坡度计算公式为

粘着牵引力计算公式为

式中：Fμ为机车计算粘着牵引力，kN；Pμ为机车粘着质量，t；μj为粘着系数。

将公式(2)代入公式(1)计算得到马西铁路牵引质量为7 000 t 时，最大限制坡度为13.6‰，由于马西铁路地面自然平均坡度约为5.4‰，且以经济选线为主导，避免产生线路展线，节省工程投资，因而马西铁路限制坡度取值范围宜为5.4‰ ～ 13.6‰。

1.3 限制坡度方案

根据线路走向方案，结合地形地势特点，研究选择在垭口高程较低的穆巴鲁越岭，以缩短线路正线长度，降低工程规模。不同坡度的选择对工程适应性及工程投资影响较大[4-5]，工程差异主要集中于低山丘陵区和中部山区，因而重点对中部山区越岭地段进行不同坡度方案的比选。

马西铁路的车流特点决定了限制坡度方案的取值，其中，上行为重车方向，下行为轻车方向，且地形条件也合适(重车方向缓，轻车方向陡)，因而可采用分方向选择限制坡度的均衡坡[6-8]，以节省工程投资。《铁路线路设计规范》中指出，轻、重车方向货流显著不平衡，远期也不致发生巨大变化，且分方向采用不同限制坡度有显著经济价值时，可分方向选择限制坡度，称为均衡坡[2]。

马西铁路多尼亚至穆巴鲁至马雷拉段线位处于中部山区，地形相对困难，重车方向采用9‰的坡度可基本适应地形，其余段落地形相对平缓，重车采用6‰可大部分适应地形。

根据限制坡度取值范围计算结果，重车方向可采用6‰，9‰最大坡度和轻车方向采用9‰，13‰最大坡度，并结合货流特点提出 6‰/9‰均衡坡方案、6‰/13‰均衡坡方案、 9‰/13‰均衡坡方案3 种限制坡度方案，马西铁路不同坡度方案示意图如图2 所示。

（1）6‰/9‰均衡坡方案：为优化线路运输条件，满足货运铁路牵引质量的要求，提出6‰/9‰均衡坡方案。6‰/9‰均衡坡方案线路正线长度620.48 km，桥隧占比为14.33%，该方案最长越岭隧道为3.895 km，足坡率为73.12%，坡度利用充分，静态投资357.55 亿元。

（2）6‰/13‰均衡坡方案：为缩短线路正线长度，同时缩短越岭隧道长度，提出6‰/13‰均衡坡方案。6‰/13‰均衡坡方案线路正线长度616.64 km，桥隧占比为15.05%，该方案最长越岭隧道为3.434 km，由于线路绕避村庄和自然保护区等敏感点，足坡率为61.07%，静态投资352.53 亿元。

（3）9‰/13‰均衡坡方案：为适应地形地势条件，减少工程数量和工程投资，提出9‰/13‰均衡坡方案。9‰/13‰均衡坡方案线路正线长度605.47 km，桥隧占比为15.24%，由于采用较大的坡度，线路设置了4.2 km 的长越岭隧道，导致线路坡度利用不充分，足坡率仅为53.12%，静态投资346.60 亿元。

2 马西铁路限制坡度方案比选确定

2.1 限制坡度选择影响因素

2.1.1 线路功能定位

马西铁路的功能定位决定了铁路的主要技术标准，马西铁路是几内亚矿区矿产资源出口运输的主要通道，主要服务于西芒杜矿区企业铁矿石产品的铁路外运，未来可作为几内亚铁路网横贯东西的主干线。

2.1.2 地形地貌

限制坡度的选择与铁路沿线的地形地貌特征密切相关，当铁路沿线地面起伏较小，即地面自然平均坡度越小，限制坡度的取值范围越大[9]。由于铁路的纵断面坡度值不仅决定了线站桥隧等铁路主要结构工程，还控制了桥隧路等高度和长度，将直接影响铁路的工程经济性，因而为使铁路工程结构物设置的更加合理，限制坡度的取值至关重要。当铁路行经地区地面自然平均坡度较小时，限制坡度的选择基本不受地形地貌的限制，当铁路行经地区地面自然平均坡度较大时，限制坡度的选择尽量采用较大值以适应地形，减少土石方等工程数量[10-12]。

马西铁路自西向东依次穿越滨海平原区、富塔贾隆高原南部的中低山区、富塔贾隆高原南部剥蚀准平原区及中低山丘陵区，穆巴鲁至马雷拉段地形起伏大，地势陡峻，沟谷深切。

2.1.3 车流特点

马西铁路上行方向(马瑞巴亚港方向)为矿区铁矿石外运车流的重车方向，研究年度运量大，装卸点集中；下行方向(西芒杜矿区方向)主要为矿区所需生产和生活物资，研究年度运量小，发到地明确。从车流特点看，轻重车流不均衡性十分明显，具备采用均衡坡条件。

2.1.4 牵引种类及牵引质量

马西铁路以铁矿石运输为主，运量大，从提高运输能力、运输效率、节能减排等方面考虑，适宜采用电力牵引。但受几内亚国家电网限制，现状电力供应价格高，且现状沿线电力资源不具备为本线供电的条件。因此，牵引种类推荐采用内燃牵引。

马西铁路越岭段隧道较多，最长隧道约为3.9 km，为减少列车在长隧道内的运营安全隐患，宜保证一定的速度快速通过隧道，牵引质量需考虑适当富余。且当牵引种类一定时，限制坡度越大，牵引质量越小。因此，限制坡度选取时应充分考虑设计线路的牵引种类及牵引质量，以满足线路的牵引能力。

2.2 方案比选

2.2.1 工程适应性及投资分析

马西铁路紧坡展线地段均处于中部山区且相对集中，原则上需充分利用地形条件[13-14]，研究发现3 个限制坡度方案均能够适应越岭地段地形，其中9‰/13‰坡度方案对地形的适应性最强，6‰/13‰坡度方案在越岭前相比6‰/9‰坡度方案更能适应地形条件。马西铁路主要工程数量及投资比较如表1 所示。由表1 可知，9‰/13‰及6‰/13‰坡度方案较6‰/9‰坡度方案线路正线长度分别缩短15.01 km，3.84 km，静态投资节省10.96 亿元、5.03 亿元。

表1 马西铁路主要工程数量及投资比较Tab.1 Comparison of main project quantity and investment in Maribaya-Simandou Railway

2.2.2 限制坡度、机车类型、牵引质量的匹配合理性分析

马西铁路拟采用内燃牵引，因此，研究对交流传动的HXN5 和HXN5B 型机车牵引质量进行检算，不同坡度方案牵引质量如表2 所示。

表2 不同坡度方案牵引质量表Tab.2 Tonnage rating of gradient schemes

由于马西铁路为内燃牵引且越岭段隧道较多，为利于隧道通风，保证隧道内行车安全，列车需具备一定的过隧速度，牵引质量宜适当留有余量。本次研究6‰/9‰，6‰/13‰，9‰/13‰均衡坡方案牵引质量分别为10 000 t，7 000 t 和7 000 t。

2.2.3 工程经济性分析

结合机型与限坡、牵引质量匹配性分析，6‰/9‰坡度方案按HXN5B 型双机牵引10 000 t，9/13‰，6‰/13‰坡度方案按HXN5B 型双机牵引7 000 t。对不同方案的工程投资、机车车辆购置费及运营费采用费用现值法计算，得出不同坡度方案经济性比较如表3 所示。

表3 不同坡度方案经济性比较表 万元Tab.3 Economic comparison between gradient schemes

综上分析，6‰/9‰均衡坡方案可基本适应地形，工程数量及投资较6‰/13‰和9‰/13‰增加不明显，同时，由表3 可知，6‰/9‰方案机车运用台数更少、机车购置费、运营费更加节省，综合费用现值更低，经济性更好，符合马西铁路的经济性选线原则，各方案均满足研究年度运输需求。因此，马西铁路限制坡度推荐采用6‰/9‰均衡坡方案。

3 结束语

在满足铁路运输安全、运输需求及自然技术条件的前提下，铁路主要技术标准需经综合技术经济比选后确定，尽可能采用经济与社会效益较好的方案。针对以经济选线为主导的货运专用铁路，限制坡度是影响线路走向的主要技术标准，限制坡度的合理确定对线路正线长度、车站分布和桥隧比等有很大影响，同时直接关系到铁路运输能力、行车安全性、工程投资和运营费用等。马西铁路限制坡度方案通过多角度论证并结合机型与限坡、牵引质量匹配性分析，在满足研究年度运输需求前提下采用综合费用现值法，推荐采用经济性更好的6‰/9‰均衡坡方案，研究成果为国内外货运专用铁路建设项目技术标准的研究提供了科学依据和技术支持。