王小紅

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司 軌道交通工程信息化國家重點實驗室，陜西 西安 710043)

1 概述

西康高速鐵路(西安東—安康北)位于陜西省南部，連接關中城市群核心城市西安和陜南重鎮(zhèn)安康，向南延伸至成渝城市群核心城市重慶，是西渝高速鐵路(西安東—重慶北)的北段，為國家“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)之縱向包海通道的重要組成部分。西康高速鐵路北起西安樞紐西安東(紡織城)站，向南途經(jīng)西安市灞橋區(qū)、長安區(qū)，商洛市柞水縣、鎮(zhèn)安縣，安康市旬陽縣、漢濱區(qū)，在安康新區(qū)新設安康北高速鐵路站，預留向重慶方向延伸的條件，縱貫3市6區(qū)縣，線路全長170.365 km，其中西安市境內32.162 km、商洛市境內82.253 km、安康市境內54.950 km。全線共分布西安東、引鎮(zhèn)、秦楚古道、柞水西、鎮(zhèn)安西、小河西、安康北7處車站[1]。根據(jù)運量預測，西康高速鐵路客流密度近期(2030年) 1 829萬人公里/ km、遠期(2040年)2 322萬人公里/ km，開行動車組列車近期80對/d、遠期105對/d[2]。西康高速鐵路線路走向示意圖如圖1所示。

圖1 西康高速鐵路線路走向示意圖Fig.1 Xi’an-Ankang high-speed railway alignment

西康高速鐵路主要通過渭河盆地、秦嶺山地、安康盆地三大地貌單元。①渭河盆地：海拔高程350 ～ 700 m。線路走行于浐河、庫峪河兩岸的一、二級階地，地形平坦，地勢開闊。浐河至大峪口段通過少陵塬及山前洪積扇，少陵塬塬面平坦開闊，山前洪積扇地形起伏較大。沿線村莊星羅棋布，交通便利。②秦嶺山地：海拔高程500 ～ 2400 m，相對高差300 ～ 820 m，屬中山區(qū)。秦嶺山脈在渭河沖積平原南緣拔地而起，是長江、黃河兩大水系的分水嶺，溝谷十分發(fā)育，山巒起伏，溝壑縱橫，植被茂密，人煙稀少，交通不便。③安康盆地：沖積平原區(qū)，海拔高程260 ～ 400 m，線路走行于月河、漢江一、二級階地上，地形相對平坦[3]。

結合沿線地貌特征，西康高速鐵路全線地形總體走勢呈現(xiàn)中間高兩端低的格局。翻越秦嶺段山勢陡峻，支溝短淺無展線條件，需要采用大坡度抬坡適應地形，以縮短越嶺隧道長度；秦嶺南岸支溝發(fā)育，溝長坡緩，線路坡度基本不受控制，以設置合理工程為主。西康高速鐵路線路縱斷面示意圖如圖2所示。

2 新建包海通道西康高速鐵路最大坡度研究

2.1 方案分析

最大坡度是高速鐵路重要技術標準之一，對線路的走向、長度、工程投資、運營費用、運輸質量、輸送能力等均具有較大影響，尤其對于山高溝深的復雜地形，選擇經(jīng)濟合理的坡度方案更為重要。因此，主要結合線路所經(jīng)沿線地形、地質條件，綜合分析工程投資、運輸質量、運營費用、運輸能力等影響因素，對新建包海通道西康高速鐵路最大坡度方案進行研究。

圖2 西康高速鐵路線路縱斷面示意圖Fig.2 Profile of Xi’an-Ankang high-speed railway

目前秦嶺地區(qū)分布的既有線主要有寶成鐵路(寶雞東—成都)、西康鐵路(新豐鎮(zhèn)—安康東)、寧西鐵路(新豐鎮(zhèn)—合肥東)及西成高速鐵路(西安北—成都東)，規(guī)劃建設的有西武高速鐵路(西安東—武漢)[4]。相關鐵路翻越秦嶺最大坡度及相關技術指標如表1所示。

表1 相關鐵路翻越秦嶺最大坡度及相關技術指標Tab.1 Ruling gradients and relevant technical indicators of relevant railway crossing Qinling mountains

《高速鐵路設計規(guī)范》規(guī)定：“區(qū)間正線的最大坡度不宜大于20‰，困難條件下經(jīng)技術經(jīng)濟比較后不應大于30‰。”[5]區(qū)域路網(wǎng)內大西高速鐵路(大同—西安北)最大坡度一般20‰、局部30‰，鄭西高速鐵路(鄭州東—西安北)、西寶高速鐵路(西安北—寶雞南)最大坡度20‰，銀西高速鐵路(銀川—西安北)、西成高速鐵路、西延高速鐵路(西安東—延安)、西武高速鐵路最大坡度一般20‰、局部25‰。

參考相關鐵路越秦嶺最大坡度及相關技術指標及《高速鐵路設計規(guī)范》，結合沿線地形條件，西康高速鐵路柞水至安康段線路基本與既有西康鐵路平行布線，西康鐵路采用13‰的坡度與地形相適應，高速鐵路在該段采用20‰的坡度亦能適應地形，僅考慮部分工程設置的合理性，局部采用25‰的坡度。西康高速鐵路西安至柞水越嶺段落最大自然縱坡達35‰，大坡度可以縮短隧道長度，降低橋梁高度，有效節(jié)省工程投資，但增加運營成本，降低運輸能力和線路能力，因而對西安至柞水越嶺段研究20‰，25‰，30‰ 3個最大坡度方案。西安至柞水坡度方案構成示意圖如圖3所示。

2.2 方案比選

2.2.1 工程經(jīng)濟性分析

20‰坡度方案考慮工程的合理性，線路展長1.75 km，主越嶺隧道長20.74 km，工程投資增加較大。25‰坡度方案，線路基本順直，主越嶺隧道長15.88 km，嶺前最大橋高70 m。30‰坡度方案為縮短越嶺隧道長度，選擇在溝口上游處進洞，雖然越嶺主隧道縮短1.11 km，但大峪河段河床縱坡達到10%，隧道進口標高抬高110 m，嶺前橋梁高達105 m，相比25‰坡度方案節(jié)省工程有限。西安至柞水坡度方案工程經(jīng)濟對照如表2所示。

線路所經(jīng)地形山高谷深，地勢陡峻，采用25‰的坡度方案能較好適應地形，并且能有效縮短隧道長度、降低橋梁高度[6]，經(jīng)比較分析，25‰方案較20‰方案縮短線路1.75 km，工程投資節(jié)省5.01億元，節(jié)省效果明顯，30‰方案較25‰方案線路長度縮短0.48 km，相差不大，越嶺隧道長度和橋梁高度均沒有明顯改善，投資僅節(jié)約0.55億元，工程投資相當。

2.2.2 運輸質量、運營能耗適應性分析

因動車組爬坡能力強，在克服高程障礙相差不大的情況下，不同坡度方案運輸質量、能耗相差不大。針對不同坡度方案的線路長度、坡度分布情況，通過模擬牽引計算分析[7]，采用CRH380型動車組，8輛編組，對各方案運行時分、技術速度及運營能耗指標進行分析，不同坡度方案運輸質量及運營能耗比較如表3所示。

圖3 西安至柞水坡度方案構成示意圖Fig.3 Gradient of Xi’an to Zhashui section

表2 西安至柞水坡度方案工程經(jīng)濟對照表Tab.2 Contrast of engineering economyof gradient schemesof Xi’an to Zhashui section

不同坡度方案線路長度相當，運輸質量、列車運營能耗相差較小。

2.2.3 運輸能力適應性分析

根據(jù)高速鐵路現(xiàn)狀技術裝備(動車組、車載等)及實際運營情況，動車組在不同坡度方案，尤其在持續(xù)長大下坡段落制動距離、追蹤間隔影響明顯，導致運輸能力差別較大[8]。高速鐵路列車區(qū)間追蹤間隔可表示為

式中：l列為列車長度，按16輛編組，取420 m；l分區(qū)為分區(qū)長度，m；l防為列車防護距離，取110 m；l制為列車制動距離，m；t附為附加運行時分，按15 s考慮；V運為列車運行速度，km/h。

表3 不同坡度方案運輸質量及運營能耗比較Tab.3 Comparison of transportation quality and operation energy consumption of different gradientschemes

通過理論計算，在-20‰的坡度上，運行速度由305 km/h降至0 km/h，制動距離為17 083 m、追蹤間隔為4.5 min；運行速度由205 km/h降至0 km/h，制動距離為11 237 m、追蹤間隔3.6 min。在-25‰的坡度上，運行速度由305 km/h降至0 km/h，制動距離為23 994 m、追蹤間隔為5.9 min；運行速度由205 km/h降至0 km/h，制動距離為14 609 m、追蹤間隔為4.5 min。在-30‰的坡度上，運行速度由305 km/h降至0 km/h，制動距離為37 879 m、追蹤間隔為9.1 min；運行速度由205 km/h降至0 km/h，制動距離為21 331 m、追蹤間隔為6.1 min。

由不同坡度方案下列車制動距離及追蹤間隔的計算結果可見，持續(xù)長大下坡地段，25‰方案、30‰方案較20‰方案制動距離增幅較大，最小追蹤間隔同步增加，對線路能力有較大影響。高速鐵路20‰以上的持續(xù)長大坡段應慎用，需經(jīng)技術經(jīng)濟比選后采用，在工程投資相差不大時，應盡量選擇較小坡度，以便為運營創(chuàng)造良好條件。

2.3 方案選擇

綜合以上分析，采用25‰坡度方案，符合相關規(guī)范要求，與相鄰高速鐵路標準相統(tǒng)一，路網(wǎng)匹配性好；能適應沿線地形條件，節(jié)省工程投資明顯，經(jīng)濟性較好；線路能力可滿足運輸需求，而且能保證較好的運輸質量。因此，西康高速鐵路最大坡度應采用25‰。

3 結束語

新建包海通道西安至安康高速鐵路最大坡度方案的確定，為主要技術標準、線路走向、工程投資的確定奠定了堅實的技術支撐，為沿線居民出行及地方經(jīng)濟快速發(fā)展起到了積極的促進作用，對中長期高速鐵路網(wǎng)規(guī)劃及西部大開發(fā)戰(zhàn)略、“一帶一路”倡議的實施具有重要的推動意義。西康高速鐵路采用的25‰最大坡度方案與地形適應強、工程經(jīng)濟性好，符合路網(wǎng)規(guī)劃，滿足運輸需求，保證運輸安全，同時為高速鐵路在翻越秦嶺地段及復雜山區(qū)最大坡度選擇上提供研究依據(jù)。