秦 鑒
(陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院),西安 710043)
川藏鐵路昌都至林芝段位于西藏自治區(qū)境內(nèi),地處青藏高原東南部。線路在昌都市加卡經(jīng)開區(qū)設(shè)昌都站后跨瀾滄江,向西穿浪拉山,在昌都邦達(dá)機(jī)場北設(shè)邦達(dá)站,出站后穿果拉山、跨越怒江、穿伯舒拉嶺和多木格,于林芝市波密縣嘎朗鎮(zhèn)設(shè)波密站,出站向西北方向,沿帕隆藏布江右岸榜穿易貢鐵山,至通麥小鎮(zhèn)設(shè)站,跨過易貢藏布后線路折向西南,跨東久曲,線路穿越色季拉山,跨過尼洋河后終于林芝站,新建線路長度372.3 km。項(xiàng)目地理位置示意見圖1。
圖1 川藏鐵路昌都至林芝段地理位置示意
川藏鐵路是西南腹地及華中、華東地區(qū)進(jìn)出藏最快速、便捷的客貨運(yùn)輸主通道,是國家重大的民生工程,是支撐長江經(jīng)濟(jì)帶與絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶戰(zhàn)略實(shí)施的重要基礎(chǔ)設(shè)施,也是引導(dǎo)沿線產(chǎn)業(yè)布局和資源開發(fā)、確保藏區(qū)長治久安和維護(hù)祖國統(tǒng)一的重要戰(zhàn)略通道,其功能定位為是一條客貨兼顧的高標(biāo)準(zhǔn)區(qū)際快速干線鐵路。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值為200 km/h,研究年度昌都至林芝段貨流密度及客車對數(shù)如表1所示。
表1 項(xiàng)目區(qū)段貨流密度及客車對數(shù)
TB10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》對最大坡度的規(guī)定為:區(qū)間正線的最大坡度不宜大于20‰,困難條件下經(jīng)技術(shù)比較后不應(yīng)大于30‰[1]。TB10098—2017《鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定:高速鐵路、城際鐵路的區(qū)間正線最大坡度不宜大于20‰,困難條件下不應(yīng)大于30‰;客貨共線I級(jí)和II級(jí)鐵路電力牽引的加力牽引坡度值不得大于30‰[2]。GB/T25337—2010《鐵路大型線路機(jī)械通用技術(shù)條件》規(guī)定鐵路線路的最大坡度為30‰[3]。
結(jié)合列車開行方案,與本線相關(guān)的高速鐵路包括成雅鐵路、成渝高鐵、西成高鐵、成貴高鐵等,普速鐵路包括成昆鐵路和拉林鐵路。成雅鐵路成都至朝陽湖段最大坡度20‰;朝陽湖至雅安段最大坡度為12‰。成貴鐵路最大坡度為20‰,困難地段25‰,個(gè)別地段30‰[4]。西成高鐵最大坡度為20‰,困難地段25‰[5]。成昆鐵路成都南至峨眉段限制坡度為6‰。拉薩至林芝鐵路限制坡度為12‰[6]。青藏鐵路格爾木至拉薩段限制坡度為20‰[7]。拉薩至日喀則鐵路限制坡度為12.5‰[8]。
川藏鐵路昌都至林芝段地貌形態(tài)主要受青藏高原地貌隆升的影響,地勢急劇隆升抬起,為典型的“V”形高山峽谷地貌;高原面地貌形態(tài)主要以丘狀高原及構(gòu)造侵蝕形成的深切峽谷地貌為其總體特征。
昌都至林芝段地形起伏劇烈、三上三下穿越他念他翁山、怒江、伯舒拉嶺、易貢藏布、色季拉山、尼洋河等高山大江,自然高差巨大。山脈走向主要為南北向,山勢雄偉,群峰高聳,山嶺海拔多在5 000 m以上,谷底與山嶺相對高差一般在2 000~3 000 m,多懸崖絕壁,河流支流密布。劇烈的地形起伏對線路走向、工程設(shè)置影響巨大。
根據(jù)沿線氣候條件,通過模擬仿真分析,結(jié)合《鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范》關(guān)于坡度折減的相關(guān)規(guī)定,考慮和不考慮隧道折減對列車運(yùn)營安全及運(yùn)輸質(zhì)量等影響均較小。因此,本次研究坡度方案按最大坡度,暫不考慮隧道內(nèi)折減。
川藏鐵路昌都至林芝段地形條件復(fù)雜、海拔高、高差大,線路需要大坡度才能較好地適應(yīng)地形條件。大坡度鐵路風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)高、管理難度大、操縱方式難、行車難度大?,F(xiàn)行鐵路規(guī)范應(yīng)作為設(shè)計(jì)時(shí)的指導(dǎo)原則,在地形極其復(fù)雜的地區(qū),如需突破規(guī)范的約束界限,就需要有充分的技術(shù)經(jīng)濟(jì)依據(jù),進(jìn)行系統(tǒng)性、綜合性、全過程的論證[9]。本次結(jié)合昌都至林芝段復(fù)雜的地形特征,主要對24‰、30‰和35‰三個(gè)最大坡度方案從平、縱斷面的適應(yīng)性、工程數(shù)量及投資、運(yùn)營安全、運(yùn)輸質(zhì)量和運(yùn)輸能力等方面進(jìn)行重點(diǎn)研究。
從線路方案走向分析,3個(gè)坡度方案走向基本相同。30‰、35‰方案較24‰方案爬坡能力更強(qiáng),可減少緊坡地段展線長度,縮短越嶺隧道長度,增長隧道內(nèi)人字坡,選線自由度高,適應(yīng)地形地質(zhì)條件好。35‰與30‰方案相比,在平面控制因素一致的情況下,兩方案線路平面基本一致,僅在縱斷面上縮短越嶺隧道長度,增長隧道內(nèi)人字坡。24‰與30‰、35‰方案相比爬坡能力較弱,局部段落需要展線或者抬升線路高程。
從工程地質(zhì)條件分析,24%坡度方案較30%、35‰方案工程地質(zhì)條件惡化。其中,色曲至邦達(dá)段,24%方案穿越斷層破碎帶及軟質(zhì)巖長度較長,距離瀾滄江斷裂帶和怒江斷裂帶交匯處附近,地層巖性受構(gòu)造影響嚴(yán)重,軟巖大變形問題較為突出,工程地質(zhì)條件差。瓢打曲至波堆藏布段,24‰方案隧道最大埋深較大,地應(yīng)力水平增加,軟巖大變形風(fēng)險(xiǎn)增高,隧道圍巖條件變差,且在古通弄巴以橋梁形式通過,橋梁位于泥石流溝流通區(qū),橋梁安全風(fēng)險(xiǎn)較大,而30‰、35‰方案以淺埋隧道段落通過該溝,可規(guī)避泥石流風(fēng)險(xiǎn)。通麥至魯朗段屬于極高地應(yīng)力場區(qū),地溫受雅江縫合帶地?zé)岙惓嗔芽刂疲?4‰坡度方案展線后,巖爆及高地?zé)岫温溟L,巖爆風(fēng)險(xiǎn)增高,熱害程度越高。
從橋梁及隧道工程分析,橋梁方面,24‰方案較30‰、35‰方案橋高抬高,建橋條件惡化;隧道方面,24‰方案增加了硬巖巖爆、軟巖大變形、高地溫?zé)岷?、巖溶等不良地質(zhì)段落長度,隧道施工條件惡化,重點(diǎn)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)加大。
從環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)比較分析,邦達(dá)隧道穿越若巴縣級(jí)保護(hù)區(qū)緩沖區(qū),穿越長度24‰方案較30‰、35‰方案長約4 km。拉月隧道穿越雅魯藏布國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)和色季拉山森林公園,其中24‰方案穿越保護(hù)區(qū)實(shí)驗(yàn)區(qū)和森林公園生態(tài)保育區(qū)較30‰、35‰方案長約2.4 km。魯朗隧道穿越工布自治區(qū)級(jí)自然保護(hù)區(qū)和色季拉山森林公園,其中24‰方案穿越保護(hù)區(qū)實(shí)驗(yàn)區(qū)、緩沖區(qū)和森林公園生態(tài)保育區(qū)較30‰、35‰方案長約3.7 km。色季拉山隧道穿越工布自治區(qū)級(jí)自然保護(hù)區(qū)、色季拉山國家森林公園、魯朗林海風(fēng)景名勝區(qū),24‰、30‰、35‰在環(huán)境敏感區(qū)里程無明顯差別。
24‰方案較30‰方案線路增加5.30 km,35‰與30‰方案線路長度相當(dāng)。24‰、35‰坡度方案隧道工程長度較30‰方案分別增加4.23 km、減少2.56 km,輔助坑道長度分別增加14.59 km、減少0.15 km,橋梁工程長度分別增加1.76 km、減少0.25 km。昌都至林芝段坡度方案主要工程數(shù)量及經(jīng)濟(jì)比較見表2。
表2 昌都至林芝段坡度方案主要工程數(shù)量及經(jīng)濟(jì)比較
由表2可知,35‰坡度方案隧道主體工程及輔助坑道縮短,靜態(tài)投資較30‰方案節(jié)省28.9億元,約2.7%;24‰坡度方案因線路展長隧道長度增加,且波堆藏布特大橋、東久曲特大橋等重點(diǎn)橋梁長度加大、高度抬高,靜態(tài)投資較30‰方案增加34.4億元,約3.2%。
結(jié)合機(jī)車選型及牽引質(zhì)量分析,對不同坡度方案的工程投資、機(jī)車車輛購置費(fèi)及運(yùn)營支出采用費(fèi)用現(xiàn)值法分別計(jì)算,將各年總費(fèi)用折現(xiàn)至計(jì)算基年進(jìn)行比較,昌都至林芝段各坡度方案綜合費(fèi)用現(xiàn)值比較見表3。
由表3可知,各坡度方案綜合費(fèi)用現(xiàn)值差別主要體現(xiàn)在工程費(fèi)用上,隨著坡度增加,綜合費(fèi)用現(xiàn)值有所節(jié)省,30‰方案較24‰方案節(jié)省20.4億元,較35‰方案增加21.3億元。
本線擬采用電力牽引,交流傳動(dòng)電力機(jī)車具有功率大、牽引制動(dòng)性能好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[10]。結(jié)合各機(jī)型應(yīng)用現(xiàn)狀及本線列車運(yùn)行速度的需要,貨物列車主要對HXD2(8軸9 600 kW)和HXD3(6軸7 200 kW)兩種交流傳動(dòng)電力機(jī)車進(jìn)行檢算。旅客列車主要對HXD1D型進(jìn)行檢算。動(dòng)車組主要對CR型和CRH型進(jìn)行分析檢算。
4.4.1 基礎(chǔ)參數(shù)及條件分析
(1)長大坡道列車下坡限速分析
本項(xiàng)目研究段落最大坡度超過20‰,超出《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》規(guī)定,下坡限速根據(jù)滿足緊急制動(dòng)距離的要求進(jìn)行計(jì)算。列車制動(dòng)過程分為空走過程和有效制動(dòng)過程兩部分,有效制動(dòng)距離利用“分段累加法”,即將列車有效制動(dòng)過程分為若干個(gè)小的速度間隔分別計(jì)算,再累加計(jì)算得出列車不同制動(dòng)初速條件下的制動(dòng)距離[11]。本線擬運(yùn)行動(dòng)車組、普速客車及貨物列車,客貨列車速差較大,且沿線地形困難,站間距離較大,對區(qū)間通過能力有較大影響,從車輛發(fā)展趨勢分析,貨車車輛最高允許速度將逐步過渡至120 km/h,為減少客貨列車速差,提高線路通過能力,提升運(yùn)輸質(zhì)量,本次研究貨物列車暫按120 km/h速度等級(jí)考慮,緊急制動(dòng)距離按1 400 m??拓浟熊囋诓煌缕碌赖南匏僖姳?。
表4 客貨列車緊急制動(dòng)限速 km/h
(2)列車制動(dòng)方式的選擇
列車制動(dòng)方式包括電制動(dòng)和空氣制動(dòng)。電制動(dòng)包括電阻制動(dòng)和再生制動(dòng)兩種,讓列車動(dòng)輪帶動(dòng)動(dòng)力傳動(dòng)裝置牽引電動(dòng)機(jī),使其產(chǎn)生逆作用,將列車動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?,再變成熱能消耗掉或反饋回電網(wǎng),兩者均為動(dòng)力制動(dòng)方式[12]。相比于空氣制動(dòng),電制動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)良好的制動(dòng)力特性調(diào)節(jié),減小閘瓦和車輪輪箍的磨損,避免輪箍過熱,且控制方便,制動(dòng)平穩(wěn)[13]。結(jié)合電制動(dòng)特性和大坡道鐵路運(yùn)營調(diào)研情況,列車在長大下坡道制動(dòng)時(shí)應(yīng)充分發(fā)揮電制動(dòng)的作用,減少閘瓦的磨耗及熱負(fù)荷效應(yīng)。因此,本次研究在長大下坡道按電制動(dòng)調(diào)速考慮。
4.4.2 長大坡道貨物列車牽引質(zhì)量檢算
列車上坡牽引時(shí)受持續(xù)牽引力限制,長大下坡制動(dòng)時(shí),考慮電制動(dòng)力平衡下滑力保持勻速運(yùn)行,同時(shí)考慮黏著力的影響,仍能夠保證在下坡限速運(yùn)行時(shí)采用80%及以上的電制動(dòng)系數(shù)[14]。采用HXD2型機(jī)車雙機(jī)牽引時(shí),30‰坡道最大能滿足的牽引質(zhì)量為2 410 t。綜合考慮各影響因素對列車牽引質(zhì)量檢算的約束,電制動(dòng)系數(shù)暫按80%考慮時(shí),貨物列車在不同坡度能滿足的牽引質(zhì)量見表5。
由表5可知,30‰坡道,貨物列按HXD2型機(jī)車雙機(jī)牽引考慮,施加80%電制動(dòng)力時(shí)能滿足牽引質(zhì)量為2 260 t,考慮牽引質(zhì)量適當(dāng)留有余量有利于提高貨物列車行車速度,降低客貨列車速差,提高線路通過能力,本線在30‰坡道的貨物列車牽引質(zhì)量暫按2 000 t考慮。
表5 貨物列車在不同坡度滿足牽引質(zhì)量 t
4.4.3 長大坡道普速客車編掛輛數(shù)檢算
列車上坡牽引時(shí)主要受持續(xù)牽引力限制,長大下坡制動(dòng)時(shí),考慮電制動(dòng)力平衡下滑力保持勻速運(yùn)行,同時(shí)考慮黏著力的影響,仍能夠保證在下坡限速運(yùn)行時(shí)采用80%及以上的電制動(dòng)系數(shù)。綜合考慮各影響因素對列車編掛輛數(shù)檢算的約束,電制動(dòng)系數(shù)按80%考慮時(shí),HXD1D牽引在不同坡度能滿足的編掛輛數(shù)見表6。
表6 旅客列車在不同坡道的編掛輛數(shù)計(jì)算結(jié)果 輛
由表6可知,30‰坡道,采用HXD1D雙機(jī)牽引可滿足編掛輛數(shù)19輛,要滿足牽引20輛時(shí),電制動(dòng)系數(shù)需達(dá)到82.8%。
4.4.4 動(dòng)力分散動(dòng)車組牽引制動(dòng)性能分析
(1)各型車長大上坡道均衡速度
根據(jù)目前現(xiàn)有動(dòng)車組車型,對不同車型在24‰、30‰和35‰的上坡道的均衡速度進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見表7。
由表7可知,在30‰及以下的上坡道,復(fù)興號(hào)CR400系列及CRH380AL型動(dòng)車組均衡速度大于200 km/h,上坡不降速;CRH380BL、CRH380CL型動(dòng)車組均衡速度低于200 km/h,為171~181 km/h;250 km/h型動(dòng)車組的牽引力較小,均衡速度相對較低。
表7 動(dòng)車組不同上坡達(dá)到的均衡速度 km/h
(2)各型動(dòng)力分散動(dòng)車組下坡制動(dòng)性能分析
對復(fù)興號(hào)CR400AF、CRH380AL以及CRH5型動(dòng)車組在長大下坡道保持勻速運(yùn)行時(shí)需要的電制動(dòng)力比例進(jìn)行分析,見表8。
表8 長大下坡道保持勻速時(shí)需要的電制動(dòng)力比例
由表8可知,在長大下坡道采用電制動(dòng)保持200 km/h勻速運(yùn)行時(shí),各坡度方案下,350 km/h速度等級(jí)的CR400AF和CRH380AL型動(dòng)車組所需電制動(dòng)系數(shù)在70%以內(nèi),250 km/h速度等級(jí)的CRH5在24‰坡度所需電制動(dòng)系數(shù)已達(dá)93.1%,在30‰和35‰坡度發(fā)揮全部電制動(dòng)力仍無法適應(yīng)。因此,本線建議采用大功率動(dòng)車組。
4.4.5 列車停放制動(dòng)安全性分析
正常工況下,動(dòng)車組、普速客車(考慮牽引19輛時(shí))、貨物列車僅使用電制動(dòng)即可滿足30‰長大下坡道恒速運(yùn)行要求,電制動(dòng)使用系數(shù)均不超過80%。故障工況下(電制動(dòng)完全失效),僅采用空氣制動(dòng)調(diào)速,30‰長大下坡地段,旅客列車通過限速,運(yùn)行80 km后,具備安全停車能力。貨物列車在電制動(dòng)異常,僅使用空氣制動(dòng)調(diào)速時(shí),充風(fēng)緩解時(shí)間不足,存在安全隱患,建議停車且做好防護(hù)后請求救援。
使用停放裝置時(shí),正常工況下,空氣制動(dòng)可滿足30‰坡道停放要求;在空氣制動(dòng)完全失效情況下,現(xiàn)狀動(dòng)車組及普速旅客列車的停放制動(dòng)裝置不滿足30‰坡道停放要求,建議提高列車停放裝置停放能力,以確保安全。
根據(jù)昌都至林芝段不同坡度方案,對動(dòng)力分散動(dòng)車組、普速客車及貨物列車進(jìn)行模擬牽引計(jì)算,得出列車運(yùn)行時(shí)間及速度,見表9。
表9 不同坡度方案列車運(yùn)行速度及時(shí)間
由表9可知,在運(yùn)行時(shí)間上,24‰方案線路長度相對較長,雖列車運(yùn)行速度相對較高,但運(yùn)行時(shí)間最長,30‰和35‰坡度方案線路長度基本相當(dāng),由于30‰方案列車運(yùn)行速度更高,列車運(yùn)行時(shí)間較短,運(yùn)輸質(zhì)量更好。
按照CTCS-2信號(hào)制式考慮時(shí),計(jì)算不同坡度方案下,各種列車的常用制動(dòng)距離及閉塞分區(qū)長度,見表10。24‰、30‰和35‰坡度下閉塞分區(qū)長度暫分別按照1.3,1.7 km和2.8 km考慮。
表10 不同坡度方案下閉塞分區(qū)長度計(jì)算及取值
不同坡度方案下,列車追蹤間隔見表11。
表11 不同坡度方案各種列車追蹤間隔
由表11可知,24‰坡度方案,列車追蹤間隔可滿足客車4 min,貨車4 min;30‰方案可滿足客車5 min,貨車6 min;35‰方案可滿足客車7 min,貨車10 min,隨著坡度的增加,客貨列車的追蹤間隔均增大,35‰方案的追蹤間隔時(shí)間較其他兩方案增加相對較多。
從工程實(shí)施條件及投資分析,30‰、35‰方案平面線位一致,30‰已能較好地適應(yīng)地形,不需展線克服高差。24‰與30‰、35‰方案相比,抬高車站橋高,增加設(shè)站難度,并增加了工程風(fēng)險(xiǎn)。30‰、35‰較24‰坡度方案隧道埋深總體減少、地應(yīng)力降低,改善了軟巖大變形、巖爆及地?zé)岬炔涣嫉刭|(zhì)條件,并減少隧道輔助坑道長度。工程投資方面,30‰坡度方案較35‰坡度方案增加28.9億元,增加2.7%,較24‰坡度方案節(jié)省34.4億元,節(jié)省3.2%。
從運(yùn)營安全性分析,30‰坡道在國內(nèi)寶成鐵路寶雞至秦嶺段已有多年的實(shí)際運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)。正常工況下,列車僅使用電制動(dòng)即可滿足24‰、30‰長大下坡道恒速運(yùn)行要求,故障工況下(電制動(dòng)完全失效),僅采用空氣制動(dòng)調(diào)速,30‰長大下坡地段,旅客列車通過限速,運(yùn)行80 km后,具備安全停車能力;貨物列車在電制動(dòng)異常,僅使用空氣制動(dòng)調(diào)速時(shí),充風(fēng)緩解時(shí)間不足,安全隱患較大,建議停車且做好防護(hù)后請求救援。35‰坡度方案安全性相對低。
從運(yùn)輸質(zhì)量分析,動(dòng)車組功率大,旅行時(shí)間相差甚微;普速旅客列車相差也較小,30‰較24‰方案上下行平均旅行時(shí)間增加僅3.6 min;貨物列車旅行時(shí)間也相差不大,30‰較24‰方案上下行平均旅行時(shí)間增加17.2 min。
從運(yùn)輸能力分析,列車區(qū)間追蹤間隔越大,區(qū)間通過能力越小,24‰、30‰最大坡度方案均能滿足能力需求,35‰最大坡度方案區(qū)間追蹤間隔最大,能力適應(yīng)性差。
綜合考慮,35‰方案存在缺少運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)、運(yùn)營安全性相對低、運(yùn)輸能力適應(yīng)性差、運(yùn)輸質(zhì)量低等弊端,研究予以放棄。24‰方案雖然具有可優(yōu)化運(yùn)營條件、提高運(yùn)輸能力等優(yōu)勢,但存在增加工程投資、設(shè)站難度和工程風(fēng)險(xiǎn)等弊端,因此,本線最大坡度推薦采用30‰。
川藏鐵路地形高差顯著、地質(zhì)條件復(fù)雜、氣候變化急劇、橋隧比重極高,宜采用大坡度方案適應(yīng)地形,在保證運(yùn)營安全條件下,節(jié)省工程投資,降低工程風(fēng)險(xiǎn)。最大坡度方案的選擇對工程建設(shè)、施工及后期運(yùn)營均有重要的影響。最大坡度選擇時(shí)應(yīng)從工程適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)營安全性、運(yùn)輸能力及運(yùn)輸質(zhì)量等方面進(jìn)行綜合分析比選,確保設(shè)計(jì)的坡度方案安全、經(jīng)濟(jì)、合理、可靠。
國內(nèi)已運(yùn)營大坡度鐵路青藏線、寶成線和內(nèi)昆線等均有多年的實(shí)際運(yùn)營經(jīng)驗(yàn),在機(jī)車類型、牽引質(zhì)量和行車速度等主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)匹配方面實(shí)現(xiàn)了協(xié)調(diào),且各線均制定了保證安全運(yùn)營的技術(shù)規(guī)程。既有TB10098—2017《鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的加力坡最大值為30‰。結(jié)合川藏鐵路昌都至林芝段復(fù)雜、起伏的地形條件,重點(diǎn)對24‰、30‰和35‰三個(gè)最大坡度方案進(jìn)行了綜合分析論證,推薦采用30‰最大坡度方案。
考慮到川藏鐵路獨(dú)特的地理及氣候條件,建議根據(jù)川藏線特點(diǎn),進(jìn)一步研究提升列車制動(dòng)性能,保障列車運(yùn)行安全,并在運(yùn)營前制定保障措施,確保川藏鐵路安全運(yùn)營。