黃 海

（中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 線路站場設(shè)計(jì)院，天津 300308)

1 焦柳鐵路牙屯堡至八斗區(qū)段限制坡度方案設(shè)置

1.1 牙屯堡至八斗區(qū)段

牙屯堡—八斗區(qū)段是焦柳鐵路(焦作—柳州)懷化—柳州段的一個(gè)列車運(yùn)行區(qū)段，位于湖南、貴州、廣西交界處，區(qū)段長度為30 km，所處位置群山綿延，地表起伏大，地形條件復(fù)雜。牙屯堡站與八斗站的高程差為230.09 m，既有線路縱斷面條件較差，區(qū)段限制坡度基本大于6‰，下行最大坡度為9.3‰，上行最大坡度為11.9‰[1]，是焦柳鐵路懷化—柳州段限制坡度最大的區(qū)段，牽引質(zhì)量僅為3 800 t。由于該區(qū)段為超限坡地段，通過該區(qū)段列車需要加掛補(bǔ)機(jī)，采用雙機(jī)牽引，是列車運(yùn)行的瓶頸。同時(shí)，由于限制坡度影響，列車運(yùn)行速度降低，區(qū)間運(yùn)行時(shí)分增加，導(dǎo)致運(yùn)行圖周期較長，區(qū)間通過能力較小，成為焦柳鐵路的能力瓶頸，影響我國中西部地區(qū)與東部沿海地區(qū)之間的交流，對區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生不利影響。因此，焦柳鐵路懷化—柳州段擴(kuò)能改造需要研究合理可行的超限坡地段擴(kuò)能改造方案，以提升列車在牙屯堡—八斗區(qū)段的運(yùn)行速度和通過能力，滿足焦柳鐵路通道運(yùn)輸需要。

1.2 方案設(shè)置

為了實(shí)現(xiàn)電氣化鐵路成網(wǎng)，提高列車運(yùn)行速度，增強(qiáng)鐵路市場競爭能力，焦柳鐵路懷化—柳州段計(jì)劃實(shí)施電氣化改造，需要統(tǒng)一全線限制坡度，取消補(bǔ)機(jī)點(diǎn)。目前焦柳鐵路懷化—柳州段采用內(nèi)燃機(jī)車牽引，考慮線路功能定位、線路條件、運(yùn)輸需求及運(yùn)輸安全等方面的因素，針對牙屯堡—八斗補(bǔ)機(jī)區(qū)段限制坡度，提出4 個(gè)限制坡度方案[2]。

（1）方案I：維持既有限制坡度，采用補(bǔ)機(jī)牽引方案。牙屯堡—八斗區(qū)段維持既有線路平面和縱斷面，車站位置維持不變，僅對線路進(jìn)行電氣化改造。牙屯堡—八斗區(qū)段繼續(xù)采用雙機(jī)牽引，保留牙屯堡站的補(bǔ)機(jī)點(diǎn)，在牙屯堡站和八斗站進(jìn)行摘、掛補(bǔ)機(jī)作業(yè)。

（2）方案II：維持既有限制坡度，采用大功率機(jī)車單機(jī)牽引方案。牙屯堡至八斗區(qū)段維持既有線路平面和縱斷面，車站位置維持不變，僅對線路進(jìn)行電氣化改造。全線采用大功率機(jī)車單機(jī)牽引，在本段采用動(dòng)能闖坡方式通過，取消牙屯堡站的補(bǔ)機(jī)點(diǎn)。

（3）方案III：軟化坡度并采用單機(jī)牽引方案。根據(jù)線路所處區(qū)域的地形地貌特征，將線路的坡度軟化至6‰，取消牙屯堡站的補(bǔ)機(jī)點(diǎn)。該方案需要改建線路，自牙屯堡站里程較大端引出，沿既有線東側(cè)布置迂回展線，將限制坡度降至6‰，接入八斗站。改建線路正線全長39.366 km。沿線新建水團(tuán)站、新寨站及平坦站3 座會(huì)讓站；新建大、中型橋梁40 座，總長10.22 km；新建隧道18 座，總長17.53 km。同時(shí)，取消牙屯堡補(bǔ)機(jī)點(diǎn)，全線采用單機(jī)牽引。

（4）方案Ⅳ：局部增建二線，采用大功率機(jī)車單機(jī)牽引。根據(jù)目前大功率機(jī)車在9‰坡度上可以滿足牽引4 000 t 列車的條件，保留原有線路(最大坡度為9.3‰)作為下行線，新建上行線(限制坡度為9‰)，采用大功率機(jī)車單機(jī)牽引。新建上行線自牙屯堡里程較大端引出，與既有線路基本平行，接入八斗站。改建線路正線全長29.178 km，新建大、中型橋梁16座，總長3.20 km，新建隧道16座，總長18.88 km。新建線路無新建車站，取消既有的水團(tuán)站和江頭站2 座會(huì)讓站。

牙屯堡—八斗區(qū)段限制坡度方案III、Ⅳ示意圖如圖1 所示[2]。

2 牙屯堡至八斗區(qū)段限制坡度方案分析

2.1 機(jī)車選型

我國采用“交—直—交”傳動(dòng)方式的和諧型電力機(jī)車主要有HXD1 (8 軸，輪軸功率9 600 kW)，HXD2 (8 軸，輪軸功率10 000 kW)，HXD1B/HXD2B/HXD3B (6 軸，輪軸功率9 600 kW)，HXD3/HXD1C/HXD2C/HXD3C (6 軸，輪軸功率7 200 kW)[3]。焦柳鐵路懷化—柳州段車站到發(fā)線有效長為850 m，采用的機(jī)車需要滿足牽引4 500 t 列車的要求，據(jù)此為各限制坡度解決方案選定合理的機(jī)車型號(hào)。

（1）方案I。當(dāng)限制坡度為6‰ (雙機(jī)坡12‰)時(shí)，HXD1，HXD2，HXD2B，HXD3B 機(jī)車的牽引能力過大，與該區(qū)段運(yùn)行的列車質(zhì)量不匹配。HXD3，HXD1B，HXD1C/HXD2C/HXD3C 可以滿足該區(qū)段列車牽引的要求。區(qū)域路網(wǎng)貨運(yùn)機(jī)車以HXD3 型為主，為了實(shí)現(xiàn)長交路，提高機(jī)車運(yùn)用效率，減少列車技術(shù)作業(yè)，縮短貨物列車旅行時(shí)間，焦柳鐵路懷化—柳州段機(jī)車宜采用HXD3 型。

（2）方案II。根據(jù)各型號(hào)機(jī)車在不同坡度下的牽引質(zhì)量特性，HXD1，HXD2，HXD2B，HXD3B，HXD3，HXD1B，HXD1C/HXD2C/HXD3C 均不能滿足在12‰的坡度上牽引4 500 t 列車的要求。因此，需要利用大功率機(jī)車單機(jī)，通過闖坡方式通過八斗—牙屯堡12‰的坡度，應(yīng)選取機(jī)車功率和持續(xù)牽引力較大的機(jī)車。通過比較分析，選取HXD2 型機(jī)車在八斗—牙屯堡超限制坡度地段進(jìn)行動(dòng)能闖坡模擬計(jì)算。根據(jù)模擬計(jì)算可知，在闖坡地段，牙屯堡—八斗上行技術(shù)速度為55.9 km/h，不考慮列車起動(dòng)、停車過程，區(qū)間低于持續(xù)速度65 km/h 運(yùn)行距離約為6 km，運(yùn)行時(shí)間約為6.5 min，坡頂最低速度56 km/h。模擬計(jì)算結(jié)果表明，采用大功率機(jī)車單機(jī)牽引可以以動(dòng)能闖坡的方式通過超限制坡度段，但是機(jī)車低于持續(xù)速度運(yùn)行時(shí)間較長，不利于發(fā)動(dòng)機(jī)散熱[4]?？傮w而言，該方案基本可行，推薦采用HXD2 型機(jī)車。

（3）方案III。該方案將區(qū)段的限制坡度降低至6‰。HXD3，HXD1B，HXD1C/HXD2C/HXD3C 型機(jī)車可以滿足牽引4 500 t 列車的要求?？紤]到區(qū)域路網(wǎng)貨運(yùn)機(jī)車以HXD3 型機(jī)車為主，為實(shí)現(xiàn)長交路，推薦采用HXD3 型機(jī)車。

（4）方案Ⅳ。該方案的限制坡度9‰，考慮曲線及附加阻力，滿足牽引4 500 t 要求的機(jī)車有HXD1，HXD2，HXD3B，結(jié)合機(jī)車購置成本考慮，推薦采用HXD3B 型機(jī)車。

圖1 牙屯堡—八斗區(qū)段限制坡度方案III、Ⅳ示意圖Fig.1 Ruling gradient solution III, IV of Yatunbao to Badou section

2.2 銜接線路限制坡度

焦柳線懷柳段經(jīng)柳州樞紐銜接主要線路有湘桂鐵路(衡陽—憑祥)衡陽—柳州段、柳州—南寧段，黔桂鐵路(龍里—柳州)洛滿—柳州段等線路，其限制坡度主要為6‰，少數(shù)為13‰。焦柳鐵路懷化—柳州段與湘桂鐵路柳州—南寧段及黎湛鐵路(黎塘—湛江)，構(gòu)成中西部地區(qū)通向華南深水港口的重要出海運(yùn)輸通道，該通道限制坡度均為6‰?？紤]牙屯堡—八斗區(qū)段與這些相鄰線路限制坡度相協(xié)調(diào)[5]，而方案I、方案II、方案Ⅳ的限制坡度與這些相鄰線路主要運(yùn)輸通道限制坡度差異較大，開行直達(dá)、直通貨物列車需要摘、掛補(bǔ)機(jī)，機(jī)車的牽引能力存在較大浪費(fèi)，而方案III的限制坡度與相鄰線路的主要運(yùn)輸通道限制坡度一致，有利于組織開行直達(dá)、直通列車，可以避免機(jī)車牽引能力的浪費(fèi)。

2.3 區(qū)間通過能力

結(jié)合焦柳鐵路客、貨運(yùn)輸市場趨勢，預(yù)測焦柳鐵路懷化—柳州段客貨能力。在客運(yùn)方面，旅客列車預(yù)測對數(shù)分別為初期(2025 年) 6 對/d，近期(2030 年) 7 對/d 和遠(yuǎn)期(2040 年) 10 對/d；在貨運(yùn)方面，上行為重車方向，初期1 950 萬t/a，近期2 061 萬t/a，遠(yuǎn)期2 170 萬t/a[1]。根據(jù)懷化—柳州段客貨運(yùn)量預(yù)測，牙屯堡—八斗區(qū)段遠(yuǎn)期需要通過能力為43.5 對/d。依據(jù)牽引計(jì)算結(jié)果，方案I 中，列車需要摘、掛補(bǔ)機(jī)，運(yùn)行時(shí)間較長；方案II 中，列車會(huì)因?yàn)閯?dòng)能闖坡而增加運(yùn)行時(shí)間；方案III 列車會(huì)因列車需要在展線上迂回降坡而增加運(yùn)行時(shí)間。牙屯堡—八斗區(qū)段平行運(yùn)行圖通過能力如表1 所示。

表1 牙屯堡—八斗區(qū)段平行運(yùn)行圖通過能力 對/dTab.1 Carrying capacity of the section with parallel train working diagram

由表1 可知，方案I，II，III 的平行運(yùn)行圖通過能力接近，方案Ⅳ通過局部增建二線的方式，提高了線路的通過能力，各方案均可滿足預(yù)測運(yùn)量要求，方案Ⅳ能力富余更充分，對將來列車對數(shù)增長趨勢的適應(yīng)性更好。

2.4 列車運(yùn)行速度

焦柳鐵路懷化—柳州段旅客列車最高運(yùn)行速度為120 km/h，貨物列車最高運(yùn)行速度為80 km/h，通過牽引模擬計(jì)算可知，方案I、方案III、方案Ⅳ列車均可以正常通過。方案II 采用HXD2 型機(jī)車，在八斗—牙屯堡區(qū)段需要采用動(dòng)能闖坡方式通過，而采用動(dòng)能闖坡方式闖過坡頂?shù)乃俣炔荒艿陀谟?jì)算速度。但是，根據(jù)HXD2 機(jī)車牽引4 500 t 列車動(dòng)能闖坡的模擬計(jì)算結(jié)果，方案II 列車在坡頂?shù)淖畹退俣葹?6 km/h，低于機(jī)車的持續(xù)速度。由于氣象變化(如暴風(fēng)雨、大霧、嚴(yán)寒冰凍)、司機(jī)操作、列車調(diào)度不當(dāng)和線路大修等原因，列車在區(qū)間需要限速運(yùn)行，如果列車運(yùn)行速度不能達(dá)到持續(xù)速度的要求，則需要減軸運(yùn)行，否則容易發(fā)生列車中途停車事故，因而方案II 在惡劣天氣等情況下不利于運(yùn)營安全[6]。

2.5 投資費(fèi)用

根據(jù)焦柳鐵路客、貨運(yùn)量預(yù)測，結(jié)合八斗—牙屯堡區(qū)段各限制坡度方案，從土建工程費(fèi)、機(jī)車購置費(fèi)及運(yùn)營費(fèi)用等方面，按照30 a 折現(xiàn)考慮，計(jì)算方案I、方案II、方案III、方案Ⅳ在30 a 內(nèi)換算總費(fèi)用[7]，分別為193 079 萬元、199 710 萬元、334 191 萬元、313 575 萬元。牙屯堡—八斗區(qū)段限制坡度方案總費(fèi)用分析表如表2 所示。

表2 牙屯堡—八斗區(qū)段限制坡度方案總費(fèi)用分析表Tab.2 Project investment of each ruling gradient solution

2.6 方案比選

（1）方案I。該方案可以有效地控制工程規(guī)模，節(jié)省投資，施工技術(shù)簡單，施工工期短，機(jī)車路網(wǎng)適應(yīng)匹配性強(qiáng)。但是該方案的運(yùn)營費(fèi)達(dá)到10.8 億元，是各方案中運(yùn)營費(fèi)用最高的。同時(shí)，該方案需要進(jìn)行大量的列車摘、掛補(bǔ)機(jī)作業(yè)，運(yùn)輸效率較低，機(jī)車購置費(fèi)用及補(bǔ)機(jī)點(diǎn)運(yùn)營成本。

（2）方案II。該方案的優(yōu)點(diǎn)與方案I 相同。此外，該方案的運(yùn)營費(fèi)用較少。采用單機(jī)牽引，作業(yè)環(huán)節(jié)較少，運(yùn)輸組織效率較高。該方案不需要使用補(bǔ)機(jī)，運(yùn)營費(fèi)用較低。但是，由于該方案需要采用大功率機(jī)車牽引，機(jī)車車輛購置費(fèi)為12.8 億元，在各方案中最高。同時(shí)，該方案采用動(dòng)能闖坡時(shí)，列車運(yùn)行速度低于機(jī)車持續(xù)速度，需要進(jìn)行溫升校驗(yàn)，而且對不良天氣的適應(yīng)性差。該方案選用的機(jī)車與區(qū)域路網(wǎng)的機(jī)車不同，不利于采用長交路，機(jī)務(wù)檢修設(shè)備投資較大，也不利于提高機(jī)務(wù)檢修效率，不便于運(yùn)營管理。

（3）方案III。該方案由于限制坡度降低明顯，機(jī)車車輛購置費(fèi)為7.5 億元，是各方案中投資最小的。采用單機(jī)牽引，不需要進(jìn)行列車摘、掛補(bǔ)機(jī)作業(yè)，有利于提高運(yùn)輸效率。因此，該方案可以明顯節(jié)約補(bǔ)機(jī)購置費(fèi)及補(bǔ)機(jī)點(diǎn)運(yùn)營費(fèi)。但是，該方案需要新建39.366 km 線路，車站數(shù)量最多，線路運(yùn)營長度最長，且橋隧比高達(dá)70.5%，控制性工程多，施工工期長，總投資為31.9 億元，是各方案中工程建設(shè)投資最高的。

（4）方案Ⅳ。該方案最明顯的優(yōu)點(diǎn)是充分利用既有線路增建雙線，明顯提升了線路的通過能力，取消了2 個(gè)會(huì)讓站，降低運(yùn)營成本。同時(shí)，該方案采用單機(jī)牽引，減少作業(yè)環(huán)節(jié)，提高運(yùn)輸組織效率，節(jié)約補(bǔ)機(jī)購置費(fèi)和補(bǔ)機(jī)點(diǎn)運(yùn)營費(fèi)用。但是，該方案需要新建29.178 km 線路，投資14.2 億元，橋隧比高達(dá)75.7%，控制性工程多，施工工期長。同時(shí)，線路運(yùn)營長度增加，運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用高。該方案采用的機(jī)車與區(qū)域路網(wǎng)機(jī)車不同，協(xié)調(diào)性差，還需要增加機(jī)務(wù)檢修工裝設(shè)備投資，不利于提高機(jī)務(wù)檢修效率，不便于運(yùn)營管理。

經(jīng)綜合比選，焦柳鐵路牙屯堡—八斗區(qū)段限制坡度方案推薦采用方案I，即維持既有限制坡度采用補(bǔ)機(jī)牽引方案。

3 結(jié)束語

既有線擴(kuò)能改造項(xiàng)目中，采用合理的限制坡度解決方案可以提高我國既有線運(yùn)輸組織效率。在既有線擴(kuò)能改造中，應(yīng)以滿足運(yùn)輸需求為前提，以機(jī)車等移動(dòng)設(shè)備與站前工程固定設(shè)備的匹配作為方案研究出發(fā)點(diǎn)，以減少站前工程為目標(biāo)，綜合考慮工程費(fèi)用、運(yùn)營費(fèi)用、運(yùn)輸組織等因素選取限制坡度方案[8]。隨著我國機(jī)車制造水平不斷提高，功率更大、運(yùn)行速度更快的機(jī)車將大量投入使用，在坡度較大的山區(qū)鐵路上可以有效地提高牽引質(zhì)量、提升運(yùn)輸效率。另外，還應(yīng)進(jìn)一步發(fā)揮新型大功率機(jī)車的作用，以減少限制坡度工程投資。