逯紅兵

(中鐵一院軌道交通工程信息化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710043)

為適應(yīng)客貨運(yùn)輸發(fā)展需求，既有鐵路在運(yùn)營一定年份后，往往需進(jìn)行升級(jí)改造，采用何種升級(jí)改造措施是工程師們必須面對(duì)的問題。一般認(rèn)為，既有線改造應(yīng)采取擴(kuò)能與提速并舉的原則[1]，如楊峰等[2]在研究鐵路擴(kuò)能改造方案時(shí)，結(jié)合功能定位確定了速度目標(biāo)值；高崇華等[3]首先研究了成貴鐵路維持現(xiàn)狀速度的擴(kuò)能方案，為保證市場競爭優(yōu)勢(shì)，又進(jìn)一步研究了提速方案；卓建成[4]以廣大鐵路為研究對(duì)象，將擴(kuò)能方案與提速方案進(jìn)行了統(tǒng)籌研究。也有部分研究側(cè)重于將既有線擴(kuò)能與提速分開進(jìn)行[6-7]。然而，提速本身也是一種擴(kuò)能措施，尤其是單線鐵路，其擴(kuò)能改造方案應(yīng)與提速方案同步研究。以北黑鐵路龍鎮(zhèn)至黑河段為例，對(duì)其升級(jí)改造方案進(jìn)行深入研究。

1 概述

1.1 既有線概況

北(安)黑(河)鐵路位于黑龍江省境內(nèi)，南起北安市，北至中俄邊境口岸黑河市，線路基本呈南北走向，全長303 km。其中龍鎮(zhèn)—北安段為國鐵，長63 km；龍鎮(zhèn)(不含)—黑河段為地方鐵路，長240 km，與國鐵辦理直通運(yùn)輸。國鐵與地方鐵路在北安交接客機(jī)，在龍鎮(zhèn)交接貨機(jī)。全線共分布車站17處，車站分布不均衡(站間距為4.3～41.9 km，其中站間距離超過20 km的區(qū)間有5處)。

北黑鐵路是黑河市聯(lián)系省會(huì)哈爾濱的唯一鐵路通道(現(xiàn)狀為單線內(nèi)燃鐵路)，主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 北黑鐵路既有線主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

由表1可知，該鐵路存在的主要問題有：①線路標(biāo)準(zhǔn)、運(yùn)輸質(zhì)量較低，黑河至北安客車旅行時(shí)間約5.0 h，旅行速度約60 km/h，黑河至哈爾濱客車旅行時(shí)間為10.0～11.8 h，旅行速度為54～64 km/h，難以滿足快速客運(yùn)的需求；②線路通過能力小，到發(fā)線有效長度不足，限制區(qū)間通過能力僅為13.7對(duì)/h，牽引質(zhì)量為1 600～2 200 t，難以滿足客貨運(yùn)量快速增長的需要；③建設(shè)年代早，軌道、路基、橋梁等病害嚴(yán)重，存在較大安全隱患。因此，從滿足運(yùn)輸質(zhì)量、運(yùn)輸能力及運(yùn)輸安全等方面考慮，對(duì)北黑鐵路進(jìn)行提速擴(kuò)能改造十分必要。

1.2 區(qū)域路網(wǎng)格局

北黑鐵路在北安與濱北線(哈爾濱—綏化—北安)、齊北線(齊齊哈爾—富?！卑?銜接，融入國家鐵路網(wǎng)，是黑河至哈爾濱鐵路通道的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

根據(jù)《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃(2016年調(diào)整)》[8]，擬對(duì)濱北線進(jìn)行擴(kuò)能改造，擬對(duì)齊北線富?！卑捕芜M(jìn)行電化改造；根據(jù)《黑龍江省鐵路“十三五”規(guī)劃》[9]，“十三五”擬開工哈爾濱至佳木斯(雙鴨山)鐵路電化改造項(xiàng)目，規(guī)劃研究綏化至黑河鐵路擴(kuò)能改造項(xiàng)目。因此，北黑鐵路改造后，將成為黑河(伊春)—綏化—哈爾濱—長春快速鐵路的重要組成部分。

1.3 建設(shè)必要性及功能定位

(1)建設(shè)必要性

北黑線升級(jí)改造對(duì)構(gòu)筑中俄經(jīng)濟(jì)走廊、推動(dòng)?xùn)|北全面振興、提高鐵路運(yùn)輸質(zhì)量、提升鐵路運(yùn)輸能力、消除鐵路安全隱患及鞏固國防等意義重大。

(2)功能定位

本項(xiàng)目是中俄口岸貿(mào)易往來的重要交通方式，是邊境城市與內(nèi)地客貨交流的主要干線，黑河至孫吳段還是規(guī)劃沿邊鐵路的重要組成部分。因此，本項(xiàng)目功能定位是一條客貨并重、兼顧沿線城際客流的區(qū)域性鐵路[10]。

2 客貨運(yùn)量預(yù)測(cè)及既有線能力分析

2.1 客貨運(yùn)量預(yù)測(cè)

本線通過北安站連接即將進(jìn)行擴(kuò)能改造的濱北線、齊北線，主要承擔(dān)哈爾濱、齊齊哈爾、大連以遠(yuǎn)地區(qū)與沿線地區(qū)間及黑河口岸對(duì)俄的客貨交流。根據(jù)研究年度客貨運(yùn)量需求增長趨勢(shì)，初、近、遠(yuǎn)期(2030年、2035年、2045年)客貨運(yùn)量預(yù)測(cè)結(jié)果見表2[10]。

表2 研究年度區(qū)段貨流密度、旅客列車對(duì)數(shù)匯總

2.2 既有線路能力與預(yù)測(cè)運(yùn)量適應(yīng)性分析

北黑線現(xiàn)狀為單線內(nèi)燃鐵路，線路能力小，限制區(qū)間(龍門河—辰清，41.9 km)通過能力為13.7對(duì)/d，若維持現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，研究年度通過能力適應(yīng)情況見表3。

表3 北黑線既有線能力適應(yīng)性

由表3可見，北黑鐵路初期既有線能力已無法滿足研究年度客貨運(yùn)輸?shù)男枰?，近期能力缺口將達(dá)到5.8～15.7對(duì)/d，全線能力不足區(qū)間有12個(gè)，亟需進(jìn)行擴(kuò)能改造。根據(jù)運(yùn)量預(yù)測(cè)結(jié)果，北黑鐵路遠(yuǎn)期年貨運(yùn)量小于21 Mt，參照《鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]，維持單線標(biāo)準(zhǔn)即可滿足運(yùn)量需要。

3 提速方案分析

北黑鐵路建設(shè)年代早、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)低，最高運(yùn)行速度僅80 km/h，且存在多處慢行段落。為改善鐵路運(yùn)營條件，滿足客運(yùn)快速需求，提高運(yùn)輸市場競爭力，北黑鐵路龍鎮(zhèn)至黑河段進(jìn)行提速改造較擴(kuò)能改造更為緊迫，故優(yōu)先研究提速方案。

3.1 時(shí)間目標(biāo)值

現(xiàn)狀黑河至龍鎮(zhèn)鐵路運(yùn)營長度為240 km，最快旅行時(shí)間4.3 h，公路大巴運(yùn)距207 km，旅行時(shí)間約2.6 h。從與公路競爭力分析，本線旅行時(shí)間應(yīng)與公路持平或有一定的縮短，故時(shí)間目標(biāo)值宜控制為2.5 h。

3.2 速度目標(biāo)值研究

綜合考慮本線功能定位、客流特點(diǎn)、運(yùn)輸需求、工程條件等因素，研究了100 km/h、120 km/h、160 km/h、200 km/h四個(gè)方案。

(1)工程投資經(jīng)濟(jì)比較

結(jié)合既有線線形，地形條件，車站改建規(guī)模和橋、隧等專業(yè)的技術(shù)分析，不同提速方案的主要工程內(nèi)容和投資見表4[10]。

表4 不同速度目標(biāo)值方案工程經(jīng)濟(jì)比較

由表4可知，速度標(biāo)準(zhǔn)越低，則利用既有線的長度越長，改建工程投資越省。根據(jù)《鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]，200 km/h客貨共線鐵路應(yīng)一次新建雙線，本線為單線運(yùn)量標(biāo)準(zhǔn)，若按雙線建設(shè)，運(yùn)能虛糜嚴(yán)重，且工程投資巨大，經(jīng)濟(jì)效益差，故不予考慮；而采用160 km/h方案較100 km/h方案投資增加27.84億元(增加112.9%)，利用既有線長度減少73.133 km；較120 km/h方案投資增加約13.41億元(增加34.3%)，利用既有線長度減少50.709 km。

(2)路網(wǎng)協(xié)調(diào)性分析

本線與北黑線龍鎮(zhèn)-北安段和濱北線共同構(gòu)成黑河至哈爾濱鐵路通道，與齊北線在北安銜接抵達(dá)齊齊哈爾。與本線主要相關(guān)的濱北線、齊北線現(xiàn)狀速度目標(biāo)值為80～120 km/h，從需求及規(guī)劃分析，研究年度相關(guān)線路速度目標(biāo)值宜為160 km/h。從與相關(guān)線路速度標(biāo)準(zhǔn)相協(xié)調(diào)的角度分析，研究年度本線旅客列車設(shè)計(jì)速度宜采用160 km/h。

(3)與時(shí)間目標(biāo)值適應(yīng)性分析

不同提速方案旅行時(shí)分見表5。

表5 不同提速方案運(yùn)行時(shí)間 h

由表5可見，速度目標(biāo)值160 km/h和200 km/h均滿足時(shí)間目標(biāo)值要求。

3.3 綜合分析

對(duì)不同提速方案進(jìn)行工程投資經(jīng)濟(jì)比較，若按200 km/h方案雙線標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，投資增加巨大，運(yùn)能虛糜嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)效益差，故不予考慮。100 km/h、120 km/h方案雖投資較省，但旅行時(shí)間過長，與本線的功能定位不符。160 km/h方案較120 km/h，100 km/h方案投資分別增加13.41億元、27.84億元，時(shí)間分別節(jié)省0.7 h、1.2 h，投資節(jié)時(shí)比為3 193萬元/min、3 866萬元/min，投資節(jié)時(shí)效果明顯，與項(xiàng)目功能定位相符，與規(guī)劃濱北線、齊北線等相關(guān)線路路網(wǎng)協(xié)調(diào)性好，可以提升鐵路運(yùn)輸市場競爭力。研究年度，若黑河至哈爾濱整個(gè)鐵路通道采用160 km/h標(biāo)準(zhǔn)，鐵路旅行時(shí)間將由現(xiàn)狀10.0～11.8 h縮短為5 h，滿足黑河至省會(huì)哈爾濱“一日折返”的交通需求[12]，較現(xiàn)狀公路7.5 h的旅行時(shí)間也有較大減少，競爭優(yōu)勢(shì)明顯。

因此，本次提速方案推薦160 km/h方案。為改善運(yùn)營條件，應(yīng)同步軟化線路坡度至15‰。

4 擴(kuò)能方案分析

4.1 總體思路

既有線單線擴(kuò)能手段主要有電化、加站、提高牽引質(zhì)量、自閉改造、增建二線等[13]。一般來說，擴(kuò)能方案可能會(huì)采用其中一類或者幾類進(jìn)行組合設(shè)置[14]?？紤]到本線為單線，自閉改造對(duì)運(yùn)輸能力提高有限(約10%～25%)[15]，故主要研究了增加車站、電化改造、延長到發(fā)線、提高牽引質(zhì)量等方案。

4.2 加站方案

本線站間距分布不均，控制區(qū)段(龍門河至辰清)距離長達(dá)41.9 km，站間距離超過20 km的區(qū)間有5處。因此，首先研究了加站方案。本線既有車站12處(不含龍鎮(zhèn)站)，通過對(duì)個(gè)別站間距大的區(qū)間加站或移站，縮短全線站間距。新建會(huì)讓站4處，既有車站移位2處，調(diào)整車站16處。維持現(xiàn)狀到發(fā)線有效長度，牽引質(zhì)量取2 200 t，研究年度能力適應(yīng)性見表6。

表6 維持到發(fā)線有效長度加站方案能力適應(yīng)性 (對(duì)/d)

由表6可見，加站后，電力牽引能力基本可適應(yīng)至近期，內(nèi)燃牽引可適應(yīng)至初期，適應(yīng)期較短。因此，無論采用電力牽引還是內(nèi)燃牽引，加站后均需延長到發(fā)線有效長度，以提高牽引質(zhì)量。

4.3 牽引種類選擇

本線相關(guān)的濱北、齊北等線現(xiàn)狀均采用內(nèi)燃牽引，根據(jù)相關(guān)規(guī)劃，研究年度內(nèi)，上述線路擬進(jìn)行電化擴(kuò)能改造，故本次研究了維持內(nèi)燃牽引、電力牽引兩個(gè)方案。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，雖然內(nèi)燃牽引方案投資較電力牽引方案節(jié)省8.8億元，但運(yùn)輸質(zhì)量低，運(yùn)營成本高，經(jīng)濟(jì)費(fèi)用現(xiàn)值高?？紤]到電力牽引具有運(yùn)輸能力大、適應(yīng)期長、運(yùn)輸質(zhì)量高、經(jīng)濟(jì)性優(yōu)及符合節(jié)能政策等優(yōu)勢(shì)，本線宜進(jìn)行電化改造。

從區(qū)域路網(wǎng)發(fā)展分析，為實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)輸，北黑、濱北、齊北等線電化改造宜盡早實(shí)施，以盡快形成黑河至哈爾濱、齊齊哈爾的客運(yùn)快速通道?？紤]到與本線主要相關(guān)的濱北、齊北等線雖有電化及擴(kuò)能改造的規(guī)劃，但尚未納入計(jì)劃，改造時(shí)機(jī)亦未明確，存在一定的不確定性。因此，在齊北線、濱北線電化未實(shí)施前，本線宜維持內(nèi)燃牽引，以減少建設(shè)初期工程投資，并視相關(guān)線路電化改造情況，同步實(shí)施電化改造。

4.4 延長到發(fā)線有效長度

(1)方案構(gòu)成

根據(jù)前述分析，在維持單線、提速至160 km/h、加站的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究延長到發(fā)線有效長度、提高牽引質(zhì)量的方案。根據(jù)規(guī)劃，研究年度濱北線、齊北線到發(fā)線有效長度為1 050 m，牽引質(zhì)量5 000 t，從與通道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相統(tǒng)一、減少中間作業(yè)環(huán)節(jié)考慮，北黑線及濱北線、齊北線到發(fā)線有效長度宜保持統(tǒng)一，考慮相關(guān)線路到發(fā)線有效長度現(xiàn)狀存在650 m和850 m兩種標(biāo)準(zhǔn)，本次到發(fā)線有效長度研究了650 m預(yù)留1 050 m、850 m預(yù)留1 050 m和1 050 m三個(gè)方案。

①到發(fā)線有效長度650 m預(yù)留1 050 m方案

到發(fā)線有效長度延長至650 m，并預(yù)留進(jìn)一步延長至1 050 m的條件；牽引質(zhì)量取3 000 t，遠(yuǎn)期提高至5 000 t。

②到發(fā)線有效長度850 m預(yù)留1 050 m方案

到發(fā)線有效長度延長至850 m，并預(yù)留進(jìn)一步延長至1 050 m的條件，牽引質(zhì)量取4 000 t，遠(yuǎn)期提高至5 000 t。

③到發(fā)線有效長度1 050 m方案

到發(fā)線有效長度一次延長至1 050 m，牽引質(zhì)量取5 000 t。

(2)方案比較

①工程投資比較

采用不同到發(fā)線有效長度，各方案工程差異主要體現(xiàn)在鋪軌、土方量及光纜電纜導(dǎo)線方面。650 m預(yù)留1 050 m方案較850 m預(yù)留1 050 m方案節(jié)省投資約3 418.6萬，較1 050 m方案節(jié)省投資約6 837.1萬。

②運(yùn)輸能力適應(yīng)性

研究年度不同到發(fā)線有效長度方案能力適應(yīng)性見表7。

表7 不同到發(fā)線有效長度方案能力適應(yīng)性 (對(duì)/d)

由表7可見，到發(fā)線有效長度850 m方案能力也可適應(yīng)至遠(yuǎn)期，一次按1 050 m方案適應(yīng)期長，650 m預(yù)留至1 050 m方案遠(yuǎn)期需延長到發(fā)線有效長度。

③運(yùn)輸組織協(xié)調(diào)性

從運(yùn)輸組織協(xié)調(diào)性角度分析，北黑線在北安與濱北線、齊北線銜接，齊北線(北安-富裕)、濱北線(北安-綏化)到發(fā)線有效長度現(xiàn)狀為650 m、規(guī)劃為1 050 m。若本線按650 m預(yù)留1 050 m標(biāo)準(zhǔn)修建，將減少與銜接線路的中間作業(yè)環(huán)節(jié)，可以組織貨物直通運(yùn)輸，與相鄰線路運(yùn)輸協(xié)調(diào)性更好。

(3)綜合分析

從工程投資分析，650 m預(yù)留1 050 m方案工程投資最省；從能力適性分析，到發(fā)線有效長度850 m可滿足遠(yuǎn)期能力需求；從運(yùn)輸組織協(xié)調(diào)性方面分析，在濱北線、齊北線擴(kuò)能改造前，650 m預(yù)留1 050 m方案可與其較好地協(xié)調(diào)匹配。當(dāng)濱北、齊北線擴(kuò)能時(shí)，本線到發(fā)線有效長度應(yīng)與其統(tǒng)一，以實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)匹配。因此，本次暫推薦到發(fā)線有效長度650 m預(yù)留1 050 m方案。

5 結(jié)束語

北黑鐵路龍鎮(zhèn)至黑河段為地方鐵路，既有線改造提速需求較擴(kuò)能需求更迫切，故采用先研究提速方案、再研究擴(kuò)能方案的思路，從工程投資、路網(wǎng)協(xié)調(diào)性、與時(shí)間目標(biāo)值適應(yīng)性角度，對(duì)100 km/h、120 km/h、160 km/h、200 km/h等四個(gè)方案進(jìn)行了綜合比選，推薦單線160 km/h方案；在分析擴(kuò)能方案時(shí)，按照增開車站、電化改造、延長到發(fā)線、提高牽引質(zhì)量的擴(kuò)能研究順序，推薦單線加站、電化改造、延長到發(fā)線有效長度至650 m預(yù)留1 050 m(牽引質(zhì)量3 000 t預(yù)留5 000 t)方案。