程 彬

1 工程概述

大同—西安客運(yùn)專(zhuān)線位于山西、陜西兩省境內(nèi),正線全長(zhǎng)847 km,由北向南經(jīng)過(guò)山西省大同、忻州、太原、晉中、運(yùn)城等市及陜西省孝感市和西安市,是京昆客運(yùn)通道的重要組成部分。建設(shè)大西客運(yùn)專(zhuān)線,可極大地?cái)U(kuò)充同蒲鐵路通道的運(yùn)輸能力,提高運(yùn)輸質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)同蒲鐵路通道客貨分線。同時(shí),可與鄭西、石太客運(yùn)專(zhuān)線形成客運(yùn)專(zhuān)線網(wǎng),優(yōu)化鐵路運(yùn)輸結(jié)構(gòu),充分發(fā)揮客運(yùn)專(zhuān)線網(wǎng)絡(luò)的整體效益。本線穿越大同盆地、恒山低中山區(qū)、忻定盆地、系舟山余脈丘陵區(qū)、晉中盆地、太岳山低山丘陵區(qū)、臨汾和運(yùn)城盆地、中條山低中山和丘陵區(qū)、三門(mén)峽盆地、華山山前傾斜平原。低中山和丘陵區(qū)地形起伏大,盆地區(qū)地形平緩,山前傾斜平原地形起伏。對(duì)最大坡度的研究必須考慮以下三方面的因素:首先必須論證動(dòng)車(chē)組能適應(yīng)的最大坡度,及其在最大坡度上運(yùn)行時(shí)的速度衰減;其次要分析不同的最大坡度對(duì)土建工程投資的影響;第三要分析不同坡度動(dòng)車(chē)組能耗;最后經(jīng)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選,確定合適的最大坡度。

2 電動(dòng)車(chē)組對(duì)最大坡度的適應(yīng)性分析

2.1 國(guó)外高速鐵路最大坡度選取

客運(yùn)專(zhuān)線采用電動(dòng)車(chē)組,電機(jī)功率大,列車(chē)質(zhì)量較輕,兩端為流線形車(chē)頭。車(chē)體充分利用空氣動(dòng)力學(xué),空氣阻力小,對(duì)不同坡度的適應(yīng)能力較強(qiáng)。國(guó)外高速鐵路最大坡度取值較為靈活,根據(jù)地形情況可采用較大的坡度值。如:法國(guó)Paris-Sud-Est(PSE)和Atlantique LGVs大部分線路都采用了15‰的最大坡度,個(gè)別地段為避免修建隧道和橋梁,采用了35‰的坡道;日本的Shinkansen大部分保持最大坡度為15‰～20‰,北陸、九州新干線有的地段分別采用了少量30‰和38‰的最大縱坡;意大利的Direttissima線路最大坡度為15‰;德國(guó)的Neubaustrecke線路采用的最大坡度為12.5‰,科隆—萊茵/美茵新線坡度高達(dá)40‰。

2.2 電動(dòng)車(chē)組的性能與最大坡度關(guān)系分析

2.2.1 電動(dòng)車(chē)組性能及適應(yīng)性分析

提高列車(chē)速度須通過(guò)提高列車(chē)單位質(zhì)量牽引功率或系統(tǒng)地降低列車(chē)質(zhì)量來(lái)實(shí)現(xiàn)?？瓦\(yùn)專(zhuān)線上將運(yùn)行最高速度為200 km/h,350 km/h的動(dòng)車(chē)組列車(chē),列車(chē)總質(zhì)量分別為1 080 t,768 t,根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外高速列車(chē)研究分析,結(jié)合電動(dòng)車(chē)組的現(xiàn)狀及發(fā)展,速度為200 km/h的列車(chē)最大功率為14 400 k W,單位質(zhì)量牽引功率為13 133 kW/t;速度為350 km/h的列車(chē)最大功率為21 120 kW,單位質(zhì)量牽引功率為2 715 k W/t。

2.2.2 速度與坡度的適應(yīng)性分析

在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中,列車(chē)牽引功率必須滿(mǎn)足牽引時(shí)啟動(dòng)加速能力及最高速度目標(biāo)值時(shí)剩余加速度的要求,不同高速列車(chē)的阻力和牽引質(zhì)量不同,對(duì)功率要求也有差異。給定功率下列車(chē)速度與坡度適應(yīng)情況分析見(jiàn)表1。

表1 列車(chē)運(yùn)行速度與坡度適應(yīng)情況

由表1可見(jiàn),最高速度為350 km/h的列車(chē)在平坡上運(yùn)行仍有0.057 m/s2的加速度;在14‰的坡道上能以 300 km/h勻速運(yùn)行;在23‰的坡道上也可以250 km/h勻速運(yùn)行,但較最高速度降低了30%。最高速度200 km/h的列車(chē)在20‰的坡道上能以速度為160 km/h勻速運(yùn)行。

因克服坡道阻力,會(huì)使列車(chē)在大坡道上持續(xù)速度低,但可以利用動(dòng)能減小速度損失。通過(guò)對(duì)兩種列車(chē)分別進(jìn)行12‰,20‰的動(dòng)能闖坡模擬,其結(jié)論是:列車(chē)以較高速度進(jìn)入大坡運(yùn)行至坡頂時(shí)的速度損失較小,尤其是坡長(zhǎng)在5 km以?xún)?nèi),即使是20‰的上坡,速度損失也不到10‰。上述分析說(shuō)明電動(dòng)車(chē)組不同于常規(guī)的機(jī)動(dòng)車(chē)輛,具有良好的坡度適應(yīng)性。

3 線路最大坡度值的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

由于本線上運(yùn)行的是動(dòng)車(chē)組,結(jié)合上述分析,動(dòng)車(chē)組具有電機(jī)功率大、列車(chē)質(zhì)量輕等特點(diǎn),對(duì)不同坡度都有很強(qiáng)的適應(yīng)能力。因此,原則上對(duì)小于12‰的坡度不予以研究,重點(diǎn)研究12‰以上的大坡度對(duì)本線工程投資及動(dòng)車(chē)組的影響。

3.1 大坡度區(qū)段的選擇

大西客專(zhuān)原平—太原西段,起點(diǎn)DK 166+800在原平市西側(cè)的唐林中學(xué),線路在尚家莊西設(shè)原平西站,出站后從解村西通過(guò),沿蘭村中學(xué)東側(cè)向南,從東常村和西常村之間穿過(guò),跨北云中河,于蔚家野場(chǎng)附近上跨在建忻保高速公路,之后折向西南,以隧道形式穿過(guò)百草山,于河拱村東側(cè)上跨大運(yùn)高速、云中河,線路向南在小齊村西設(shè)忻州西站,出站后線路以短隧道穿過(guò)磨盤(pán)山一角,先后跨過(guò)牧馬河、北同蒲鐵路,后以5.77 km隧道穿過(guò)南山上,出隧道后,再次跨過(guò)北同蒲鐵路,隨后線路折向西南方案,在北留村西設(shè)陽(yáng)曲西站,至區(qū)段終點(diǎn)DK 244+500,線路長(zhǎng)度77.7 km。

線路在該區(qū)段中若采用20‰以下小坡度的方案,則可以減少隧道工程,但同時(shí)卻增加了橋梁工程,且由于平縱斷面平順性及河流、道路的控制因素的影響,出現(xiàn)橋梁“吊空”現(xiàn)象。DK230+000～DK241+000區(qū)段內(nèi),黃土丘陵區(qū)沖溝發(fā)育,溝壁突兀,造成橋梁基礎(chǔ)難以穩(wěn)定。線路若采用適應(yīng)地面高程的小于20‰小坡度方案,則出現(xiàn)短隧道群,橋隧路反復(fù)過(guò)渡,隧道及路塹排水難度增加,使基礎(chǔ)處理難度增大。若該區(qū)段采用20‰坡度長(zhǎng)隧道形式通過(guò),則可以避免小坡度方案出現(xiàn)的問(wèn)題。

20‰方案較12‰方案路塹短 1 500 km,投資省8 500萬(wàn)元。小于20‰方案有5座長(zhǎng)隧道,分別長(zhǎng)1 300 m,1 850 m,950 m,800 m,440 m;20‰則只有1座長(zhǎng)隧道,長(zhǎng)度為8 695 m;小于20‰,20‰方案墩高30 m左右的橋梁分別為5座1 100 m,0座。

3.2 電動(dòng)車(chē)組運(yùn)行模擬結(jié)果

根據(jù)小于 20‰,20‰最大坡度方案線路平縱斷面,模擬350 km/h,200 km/h電動(dòng)車(chē)組在各種線路條件下的運(yùn)行。模擬結(jié)果為:采用不同的最大坡度對(duì)電動(dòng)車(chē)組的平均運(yùn)行速度與能耗影響不大。小于20‰坡度相對(duì)于20‰最大坡度,一組350 km/h電動(dòng)車(chē)組每千米牽引能耗少0.33 k W·h,200 km/h電動(dòng)車(chē)組牽引能耗少0.26 kW·h。

3.3 最大坡度區(qū)段方案運(yùn)營(yíng)費(fèi)比較

運(yùn)營(yíng)費(fèi)由線路及建筑物養(yǎng)護(hù)費(fèi)用、設(shè)備維修費(fèi)用、運(yùn)輸費(fèi)用及其他費(fèi)用四大類(lèi)組成,由于兩方案線位及線路長(zhǎng)度差別不大,所以其中隨最大坡度變化而變化的費(fèi)用主要是能耗費(fèi)用。

對(duì)于電動(dòng)車(chē)組能耗費(fèi)用的計(jì)算,采用各種最大坡度方案,電動(dòng)車(chē)組的運(yùn)行模擬結(jié)果,計(jì)算出各種最大坡度下每千米列車(chē)的能耗,乘以列車(chē)千米數(shù)即得出總能耗。

能耗費(fèi)用計(jì)算采用0.55元/(kW·h),計(jì)算期取25年,則20‰方案運(yùn)營(yíng)費(fèi)較小于20‰方案多3 565萬(wàn)元。

3.4 綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較及推薦意見(jiàn)

20‰方案相對(duì)于小于20‰方案,節(jié)省的工程投資大于增加的工程運(yùn)營(yíng)費(fèi),工程實(shí)施難度小,DK 230+000～DK 241+000段線路最大坡度推薦采用20‰方案。

4 結(jié)語(yǔ)

最大坡度的選取對(duì)土建工程造價(jià)存在一定的影響,但必須切合每條線的實(shí)際,需根據(jù)各線的不同地形條件確定。

最大坡度是客運(yùn)專(zhuān)線的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一,它不是一個(gè)孤立的指標(biāo),它與其他主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)存在關(guān)聯(lián),因此在選用階段應(yīng)考慮各主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之間的合理匹配。

[1]鐵道部,鐵路中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃[S].

[2]鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院,京滬高速鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定[S].

[3]西南交通大學(xué).鐵路選線設(shè)計(jì)[M].成都:西南交通大學(xué),1979.

[4]胡敘洪.高速鐵路總體設(shè)計(jì)體會(huì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2005(1):31-32.

[5]吳彩蘭.客運(yùn)專(zhuān)線鐵路總體設(shè)計(jì)有關(guān)問(wèn)題探討[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2005(7):17-18.

[6]科技發(fā)展動(dòng)態(tài),國(guó)際鐵路聯(lián)盟高速部速度300 km/h～350 km/h的新線設(shè)計(jì)[Z].2001.