楊 勃

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

1 研究背景

新建西安至成都客運(yùn)專線,是我國高速鐵路網(wǎng)的重要組成部分,是一條高標(biāo)準(zhǔn)、高密度、大能力的西南(川渝)地區(qū)快速客運(yùn)北通道。本線對加快西部大開發(fā)進(jìn)程,打造成都、西安成為我國西部經(jīng)濟(jì)發(fā)展高地,促進(jìn)關(guān)中和成渝兩大城市圈的融合,加快沿線旅游資源整合,保障國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展,開辟川渝地區(qū)北出快速客運(yùn)新通道,實(shí)現(xiàn)川渝地區(qū)與全國快速客運(yùn)專線的聯(lián)網(wǎng),釋放既有鐵路貨運(yùn)能力,提升區(qū)域綜合交通運(yùn)輸體系,構(gòu)建資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)等方面具有十分重要的意義。

本線需翻越秦嶺山脈,其兩側(cè)西安、漢中兩盆地高程約 400～500m,秦嶺橫亙其間,海拔1800～3760m,整體上北陡南緩,山勢巍峨高聳;尤其秦嶺北坡,在航空距離 30km范圍內(nèi)高差達(dá)1300～3260m,形成逾越十分困難的自然屏障。北坡可供線路選用的自然溝谷縱坡均在 15‰以上,大部分河段自然縱坡大于 20‰及 25‰。

本段線路最大坡度的研究確定,對線路走向、工程設(shè)置、運(yùn)行安全及舒適度均有決定性作用。

2 西成客運(yùn)專線秦嶺段最大坡度的方案研究

2.1 既有鐵路穿越秦嶺的最大坡度總結(jié)

既有鐵路穿越秦嶺的有寧西、西康及寶成鐵路,其翻越秦嶺的主要技術(shù)特征如表1所示。

表1 既有鐵路秦嶺越嶺最大坡度及相關(guān)技術(shù)指標(biāo)

總結(jié)不同時(shí)期所修建鐵路的最大坡度、越嶺隧道長度及引線間的關(guān)系,可見:線路穿越秦嶺在不展線的情況下,采用 12‰～15‰坡度時(shí)越嶺隧道長度在 30～50km及以上,采用 20‰坡度時(shí)越嶺隧道長度在 15～25km,采用25‰及以上坡度時(shí)越嶺隧道長度在 10～15km。

2.2 高速鐵路在長隧道地段的最大坡度總結(jié)

國外高速鐵路最大坡度基本都大于 20‰,一般在20‰～40‰,但僅限局部地段使用;國內(nèi)除臺(tái)灣省臺(tái)北—高雄鐵路最大坡度采用 35‰外,大陸在建及擬建的高速鐵路最大坡度一般不超過 20‰。由于目前在建、擬建工程主要位于中東部相對平緩低山丘陵地區(qū),足坡地段長度一般不超過 10km。

國內(nèi)外高速鐵路在長隧道地段采用的最大坡度見表2。從已運(yùn)營及擬建的國內(nèi)外客運(yùn)專線分析,長度10km以上的隧道最大坡度一般不超過 20‰。

2.3 動(dòng)車組大坡度適應(yīng)性分析

2.3.1 運(yùn)輸安全

國內(nèi)已投入運(yùn)營及今后長期運(yùn)營的有 5種主型動(dòng)車組。其中時(shí)速 200km動(dòng)車組有 CRH1型、CRH2-200型、CRH5型,時(shí)速 300km動(dòng)車組有 CRH2-300型、CRH3型。本線建成運(yùn)營初、近期,以上 5種動(dòng)車組都有上線運(yùn)行的可能。鑒于此,從運(yùn)輸安全方面對 5種動(dòng)車組進(jìn)行分析。

(1)動(dòng)車組下坡最大坡度

在連續(xù)長大下坡道地段,施加全電制動(dòng)力,CRH1對應(yīng)的最大坡度為 29‰,其他 4種動(dòng)車組對應(yīng)的最大坡度均在 34‰以上。若只施加 75%電制動(dòng)力,除CRH1對應(yīng)最大坡度為 24‰外,其他 4種動(dòng)車均可在25‰的連續(xù)長大坡道勻速運(yùn)行。從動(dòng)車組的緊急制動(dòng)距離看,CRH3型動(dòng)車組坡度在 25‰下坡地段雖不滿足《鐵路主要技術(shù)政策》350km/h制動(dòng)至停車不超過4800m的要求,但滿足《京津城際鐵路技術(shù)管理辦法》(鐵科技[2008]99號(hào))文件技術(shù)要求。CRH2-300動(dòng)車組在 0‰～30‰的下坡地段均不滿足《鐵路主要技術(shù)政策》350km/h制動(dòng)至停車不超過4800m的要求,在京津城際鐵路中已做了不超過6500m的技術(shù)規(guī)定,25‰的坡度方案對應(yīng)的制動(dòng)距離為7407m,比京津城際鐵路技術(shù)規(guī)定僅長 907m,若考慮隧道空氣附加阻力,則差距更小。

表2 國內(nèi)外高速鐵路在長隧道地段采用的最大坡度

(2)動(dòng)車組起動(dòng)對應(yīng)的最大坡度

各型動(dòng)車組起動(dòng)牽引對應(yīng)的最大坡度在 40‰～70‰,由此可見,各型動(dòng)車組在 30‰及以下坡度均能正常起動(dòng)。

2.3.2 運(yùn)輸質(zhì)量

不同動(dòng)車組與坡度、速度的適應(yīng)性用 v-S曲線反映;以 CRH3為例,在不同足坡上坡地段初速度為 340 km/h運(yùn)行工況如圖1。

圖1 CRH3動(dòng)車組不同最大坡度v-S曲線

由圖1可見,持續(xù)足坡地段運(yùn)行 10km后,速度均在 250km/h以上,運(yùn)行 20km后速度均在 200km/h以上。在 15‰、20‰、25‰、30‰不同上坡地段分別運(yùn)行 60km后的速度分別為 262.8、234.2、207.4、184.9 km/h分別降低為最高速度的 75%、67%、59%、53%。以上分析表明,動(dòng)車組闖坡及持續(xù)運(yùn)行性能良好,對大坡度適應(yīng)性較好,在持續(xù)大坡道上坡地段,動(dòng)車組能夠保持以較高的速度運(yùn)行。

2.4 最大坡度方案比選

西安至成都客運(yùn)專線必經(jīng)漢中,西安至漢中必越秦嶺且以澇峪佛坪(高速公路)通道為優(yōu)。研究區(qū)域內(nèi)秦嶺山脈呈近東西向展布,航空線附近主峰為東梁(高程2965m),秦嶺北坡地形陡峻,河流及支溝不發(fā)育,僅澇峪相對下切較深,其大部分河谷彎曲狹窄,河床縱坡15‰～35‰;嶺南山勢相對平緩,水系發(fā)育,支脈河流呈條帶狀間隔分布,主要可利用的溝峪為旬河源頭江河及子午河(西河、蒲河、椒溪河)等,總體溝谷河床彎曲狹窄,上游縱坡 25‰～35‰、中下游縱坡 15‰～25‰。

《新建時(shí)速 300～350km客運(yùn)專線設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》中第3.3.1條指出正線的最大坡度,一般條件不應(yīng)大于 20‰,困難條件下,經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,不應(yīng)大于30‰。秦嶺越嶺地段克服高差巨大,需充分發(fā)揮動(dòng)車組爬坡能力強(qiáng)的特點(diǎn)。所以根據(jù)區(qū)域地形特點(diǎn),分別研究了 20‰、25‰、30‰三個(gè)最大坡度方案。

2.4.1 線路平縱斷面分析說明

在線路方案中,采用不同坡度時(shí)線路總體走向基本一致。為縮短引線,降低橋高,改善長隧道的施工條件,線路在嶺北引線及越嶺隧道地段,線位略有不同;其中 30‰方案可順直出山,于戶縣北設(shè)站;而其他方案線路則均需略作展長,于戶縣東設(shè)站。各方案主要特征見表3。

表3 各方案縱斷面主要特征

根據(jù)表3分析,采用 25‰及 30‰大坡度方案,越嶺隧道減短,拔起高度增加,持續(xù)緊坡地段縮短;但30‰較 25‰方案減緩趨勢不甚明顯。

2.4.2 分析比選

(1)運(yùn)輸安全性分析

根據(jù)動(dòng)車組在長大坡度上的運(yùn)輸安全性分析,持續(xù)長大坡道主要受動(dòng)車組制動(dòng)條件控制,各型動(dòng)車組均能在 9km范圍內(nèi)進(jìn)行緊急停車,僅制動(dòng)距離有所差異:時(shí)速 350km的動(dòng)車組制動(dòng)距離 25‰、30‰分別比20‰方案長約 0.6、1.3km,時(shí)速 200km的動(dòng)車組制動(dòng)距離 25‰、30‰分別比 20‰方案長約 0.2、0.2km。比較而言,25‰方案、30‰方案在安全性方面,較 20‰方案略差,但無明顯惡化。

(2)運(yùn)輸質(zhì)量分析

本段線路需克服嶺北高程障礙,線路以持續(xù)長大上坡(42～52km)隧道群通過,針對不同坡度方案,采用各型動(dòng)車組進(jìn)行模擬牽引計(jì)算,西安至漢中全段242km范圍內(nèi),以 CRH3為例,采用 20‰及 25‰坡度方案,運(yùn)行時(shí)分僅差 0.4min,平均速度僅差3.5km/h;能耗差異僅 332kW?h;25‰和 30‰兩方案運(yùn)行時(shí)分及能耗差別甚微。

不同坡度方案坡頂?shù)乃俣炔顒e較大,平均速度也有差異;但在克服高差為一定數(shù)的情況下,當(dāng)持續(xù)坡度大時(shí),坡頂速度降低,但連續(xù)上坡地段減短,全程運(yùn)行時(shí)分、平均速度和能耗差異較小。

故從運(yùn)輸質(zhì)量分析,25‰方案具有優(yōu)勢。

(3)運(yùn)輸能力分析

根據(jù)運(yùn)輸組織模式研究結(jié)論,本線近期采用 A、B類動(dòng)車組共線運(yùn)行的運(yùn)輸組織模式,追蹤間隔采用 4 min,遠(yuǎn)期運(yùn)行動(dòng)車組全部為 A類,追蹤間隔采用 3min。

(4)地形適應(yīng)性及工程投資比較分析

最大 25‰和 30‰坡度方案相比,主隧道長度差別小,投資差別也不大(越嶺線路長度增加約 1.5km,工程投資增加約 1.85億元;),說明最大坡度加大至25‰以上,工程上無優(yōu)勢。見表4。

表4 秦嶺越嶺地段不同坡度方案的工程投資比較

最大 25‰和 20‰坡度方案相比,線路長度短約0.8km,橋隧總長短 0.8km,越嶺主隧道短 10km,輔助坑道(雙線)設(shè)置減少 16km/6座(均采用 4年工期),工程投資節(jié)省 11.7億元。說明采用 25‰坡度,更加適應(yīng)地形,減少工程投資等優(yōu)勢更為明顯。

(5)工期合理性分析及工程實(shí)施難度

在越嶺方案中,局部采用 25‰方案較 20‰方案,可降低兩端引線段橋梁高度,改善工程實(shí)施條件。尤其可將越嶺主隧道由24.8km減短至14.9km,兩方案按同一工期考慮,25‰方案可大幅減少輔助坑道及便道工程,工程實(shí)施難度大幅降低。故局部采用 25‰在工期及工程實(shí)施難度方面均較有利,而在東梁特長隧道地段其優(yōu)勢則更為明顯。

2.5 最大坡度推薦意見

綜上分析,局部采用 25‰與 20‰坡度方案相比,全程運(yùn)行時(shí)分、平均速度和能耗差異均較小(分別差0.3min、3.9～2.4km/h、332～ 524(kW? h),即運(yùn)營指標(biāo)相當(dāng);線路長度分別可縮短 0.8、4.5km,投資節(jié)省 11.7、5.98億元,工程改善明顯;尤其主越嶺隧道可縮短至 14.8km。故推薦翻越秦嶺地段局部采用 25‰坡度方案。

3 結(jié)語

最大坡度是影響客運(yùn)專線建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的最核心指標(biāo)之一,科學(xué)合理地決策顯得非常重要。本文通過對新建鐵路西安至成都客運(yùn)專線越嶺地段最大坡度方案的研究分析,提出了適合本項(xiàng)目最大坡度的推薦意見。期望本項(xiàng)目的研究分析思路,能為其他項(xiàng)目的研究與決策提供參考。

[1]錢立新.世界高速鐵路技術(shù)[M].北京:中國鐵道出版社,2003.

[2]鐵建設(shè)[2007]47號(hào),新建時(shí)速 300～350km客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定[S].

[3]鐵建設(shè)[2005]140號(hào),新建時(shí)速 200～250km客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定[S].

[4]GB50090— 2006,鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]中鐵第一勘察設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,新建鐵路西安至成都客運(yùn)專線可行性研究[R].西安:2009.