顏 文

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 線路運(yùn)輸設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710043)

1 馬西鐵路限制坡度方案分析及提出

1.1 馬西鐵路

幾內(nèi)亞馬瑞巴亞港至西芒杜礦區(qū)鐵路(以下簡稱“馬西鐵路”)位于幾內(nèi)亞共和國南部，貫穿行經(jīng)金迪亞、馬木、法拉納及康康大區(qū)境內(nèi)，總體呈西東走向。線路自馬瑞巴亞港引出，向東經(jīng)福雷卡利亞隨后轉(zhuǎn)向東北沿幾內(nèi)亞/塞拉利昂邊境于穆巴魯越嶺后經(jīng)馬雷拉至法拉納，隨后向東南走行至凱魯阿內(nèi)并沿N2 公路走行至西芒杜礦區(qū)。馬西鐵路是幾內(nèi)亞西芒杜礦區(qū)鐵礦石規(guī)模開采、實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)海鐵聯(lián)運(yùn)的重要配套設(shè)施，是一條服務(wù)鐵礦石運(yùn)輸?shù)膶Ｓ描F路，采用中國鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，線路正線長度620.48 km，正線數(shù)目為雙線，研究年度分別為初期(2025 年)、近期(2027 年)、遠(yuǎn)期(2034 年)，全線共分布車站15 座，平均站間距44 km，最大站間距54.5 km，最小站間距16 km，近遠(yuǎn)期年運(yùn)量分別為7 000 萬t、1.0 億t。

馬西鐵路地勢總體由西向東逐漸抬升，沿線最小高程約為1 m，位于馬瑞巴亞港附近；最大高程約為660 m，位于穆巴魯附近。線路由西向東依次經(jīng)過濱海平原區(qū)、中低山區(qū)、剝蝕準(zhǔn)平原區(qū)及中低山丘陵區(qū)，其中，馬瑞巴亞港至金達(dá)弗里段線位處于濱海平原區(qū)及低山丘陵區(qū)，河漫灘、階地發(fā)育，河流較順直，地面高程0 ～ 230 m。金達(dá)弗里至穆巴魯至馬雷拉段線位處于中部山區(qū)，山勢陡峭，山嶺海拔230 ～ 650 m，地形高差50 ～ 400 m，為典型越嶺地段。馬雷拉至法拉納至西芒杜礦區(qū)段線位處于低山丘陵區(qū)，地勢相對平緩，地形呈起伏狀，海拔400 ～ 530 m，地形高差30 ～ 100 m，馬西鐵路地形地勢示意圖如圖1 所示。

圖1 馬西鐵路地形地勢示意圖Fig.1 Topographic map of Maribaya-Simandou Railway

此類地形地貌、地勢高差將直接影響鐵路限制坡度的選擇，因而需要開展馬西鐵路限制坡度研究，從而為國外地區(qū)以經(jīng)濟(jì)選線為主導(dǎo)的貨運(yùn)鐵路限制坡度的選擇提供參考。

1.2 限制坡度取值范圍計(jì)算

在確定馬西鐵路限制坡度方案前，需對其取值范圍進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)《鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10098-2017)、《鐵路選線設(shè)計(jì)》及《列車牽引計(jì)算第一部分：機(jī)車牽引式列車》(TB/T1407.1-2018)中相關(guān)規(guī)定[1-3]，進(jìn)行列車起動檢算，最大限制坡度計(jì)算公式為

粘著牽引力計(jì)算公式為

式中：Fμ為機(jī)車計(jì)算粘著牽引力，kN；Pμ為機(jī)車粘著質(zhì)量，t；μj為粘著系數(shù)。

將公式(2)代入公式(1)計(jì)算得到馬西鐵路牽引質(zhì)量為7 000 t 時(shí)，最大限制坡度為13.6‰，由于馬西鐵路地面自然平均坡度約為5.4‰，且以經(jīng)濟(jì)選線為主導(dǎo)，避免產(chǎn)生線路展線，節(jié)省工程投資，因而馬西鐵路限制坡度取值范圍宜為5.4‰ ～ 13.6‰。

1.3 限制坡度方案

根據(jù)線路走向方案，結(jié)合地形地勢特點(diǎn)，研究選擇在埡口高程較低的穆巴魯越嶺，以縮短線路正線長度，降低工程規(guī)模。不同坡度的選擇對工程適應(yīng)性及工程投資影響較大[4-5]，工程差異主要集中于低山丘陵區(qū)和中部山區(qū)，因而重點(diǎn)對中部山區(qū)越嶺地段進(jìn)行不同坡度方案的比選。

馬西鐵路的車流特點(diǎn)決定了限制坡度方案的取值，其中，上行為重車方向，下行為輕車方向，且地形條件也合適(重車方向緩，輕車方向陡)，因而可采用分方向選擇限制坡度的均衡坡[6-8]，以節(jié)省工程投資?！惰F路線路設(shè)計(jì)規(guī)范》中指出，輕、重車方向貨流顯著不平衡，遠(yuǎn)期也不致發(fā)生巨大變化，且分方向采用不同限制坡度有顯著經(jīng)濟(jì)價(jià)值時(shí)，可分方向選擇限制坡度，稱為均衡坡[2]。

馬西鐵路多尼亞至穆巴魯至馬雷拉段線位處于中部山區(qū)，地形相對困難，重車方向采用9‰的坡度可基本適應(yīng)地形，其余段落地形相對平緩，重車采用6‰可大部分適應(yīng)地形。

根據(jù)限制坡度取值范圍計(jì)算結(jié)果，重車方向可采用6‰，9‰最大坡度和輕車方向采用9‰，13‰最大坡度，并結(jié)合貨流特點(diǎn)提出 6‰/9‰均衡坡方案、6‰/13‰均衡坡方案、 9‰/13‰均衡坡方案3 種限制坡度方案，馬西鐵路不同坡度方案示意圖如圖2 所示。

（1）6‰/9‰均衡坡方案：為優(yōu)化線路運(yùn)輸條件，滿足貨運(yùn)鐵路牽引質(zhì)量的要求，提出6‰/9‰均衡坡方案。6‰/9‰均衡坡方案線路正線長度620.48 km，橋隧占比為14.33%，該方案最長越嶺隧道為3.895 km，足坡率為73.12%，坡度利用充分，靜態(tài)投資357.55 億元。

（2）6‰/13‰均衡坡方案：為縮短線路正線長度，同時(shí)縮短越嶺隧道長度，提出6‰/13‰均衡坡方案。6‰/13‰均衡坡方案線路正線長度616.64 km，橋隧占比為15.05%，該方案最長越嶺隧道為3.434 km，由于線路繞避村莊和自然保護(hù)區(qū)等敏感點(diǎn)，足坡率為61.07%，靜態(tài)投資352.53 億元。

（3）9‰/13‰均衡坡方案：為適應(yīng)地形地勢條件，減少工程數(shù)量和工程投資，提出9‰/13‰均衡坡方案。9‰/13‰均衡坡方案線路正線長度605.47 km，橋隧占比為15.24%，由于采用較大的坡度，線路設(shè)置了4.2 km 的長越嶺隧道，導(dǎo)致線路坡度利用不充分，足坡率僅為53.12%，靜態(tài)投資346.60 億元。

2 馬西鐵路限制坡度方案比選確定

2.1 限制坡度選擇影響因素

2.1.1 線路功能定位

馬西鐵路的功能定位決定了鐵路的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，馬西鐵路是幾內(nèi)亞礦區(qū)礦產(chǎn)資源出口運(yùn)輸?shù)闹饕ǖ?，主要服?wù)于西芒杜礦區(qū)企業(yè)鐵礦石產(chǎn)品的鐵路外運(yùn)，未來可作為幾內(nèi)亞鐵路網(wǎng)橫貫東西的主干線。

2.1.2 地形地貌

限制坡度的選擇與鐵路沿線的地形地貌特征密切相關(guān)，當(dāng)鐵路沿線地面起伏較小，即地面自然平均坡度越小，限制坡度的取值范圍越大[9]。由于鐵路的縱斷面坡度值不僅決定了線站橋隧等鐵路主要結(jié)構(gòu)工程，還控制了橋隧路等高度和長度，將直接影響鐵路的工程經(jīng)濟(jì)性，因而為使鐵路工程結(jié)構(gòu)物設(shè)置的更加合理，限制坡度的取值至關(guān)重要。當(dāng)鐵路行經(jīng)地區(qū)地面自然平均坡度較小時(shí)，限制坡度的選擇基本不受地形地貌的限制，當(dāng)鐵路行經(jīng)地區(qū)地面自然平均坡度較大時(shí)，限制坡度的選擇盡量采用較大值以適應(yīng)地形，減少土石方等工程數(shù)量[10-12]。

馬西鐵路自西向東依次穿越濱海平原區(qū)、富塔賈隆高原南部的中低山區(qū)、富塔賈隆高原南部剝蝕準(zhǔn)平原區(qū)及中低山丘陵區(qū)，穆巴魯至馬雷拉段地形起伏大，地勢陡峻，溝谷深切。

2.1.3 車流特點(diǎn)

馬西鐵路上行方向(馬瑞巴亞港方向)為礦區(qū)鐵礦石外運(yùn)車流的重車方向，研究年度運(yùn)量大，裝卸點(diǎn)集中；下行方向(西芒杜礦區(qū)方向)主要為礦區(qū)所需生產(chǎn)和生活物資，研究年度運(yùn)量小，發(fā)到地明確。從車流特點(diǎn)看，輕重車流不均衡性十分明顯，具備采用均衡坡條件。

2.1.4 牽引種類及牽引質(zhì)量

馬西鐵路以鐵礦石運(yùn)輸為主，運(yùn)量大，從提高運(yùn)輸能力、運(yùn)輸效率、節(jié)能減排等方面考慮，適宜采用電力牽引。但受幾內(nèi)亞國家電網(wǎng)限制，現(xiàn)狀電力供應(yīng)價(jià)格高，且現(xiàn)狀沿線電力資源不具備為本線供電的條件。因此，牽引種類推薦采用內(nèi)燃牽引。

馬西鐵路越嶺段隧道較多，最長隧道約為3.9 km，為減少列車在長隧道內(nèi)的運(yùn)營安全隱患，宜保證一定的速度快速通過隧道，牽引質(zhì)量需考慮適當(dāng)富余。且當(dāng)牽引種類一定時(shí)，限制坡度越大，牽引質(zhì)量越小。因此，限制坡度選取時(shí)應(yīng)充分考慮設(shè)計(jì)線路的牽引種類及牽引質(zhì)量，以滿足線路的牽引能力。

2.2 方案比選

2.2.1 工程適應(yīng)性及投資分析

馬西鐵路緊坡展線地段均處于中部山區(qū)且相對集中，原則上需充分利用地形條件[13-14]，研究發(fā)現(xiàn)3 個(gè)限制坡度方案均能夠適應(yīng)越嶺地段地形，其中9‰/13‰坡度方案對地形的適應(yīng)性最強(qiáng)，6‰/13‰坡度方案在越嶺前相比6‰/9‰坡度方案更能適應(yīng)地形條件。馬西鐵路主要工程數(shù)量及投資比較如表1 所示。由表1 可知，9‰/13‰及6‰/13‰坡度方案較6‰/9‰坡度方案線路正線長度分別縮短15.01 km，3.84 km，靜態(tài)投資節(jié)省10.96 億元、5.03 億元。

表1 馬西鐵路主要工程數(shù)量及投資比較Tab.1 Comparison of main project quantity and investment in Maribaya-Simandou Railway

2.2.2 限制坡度、機(jī)車類型、牽引質(zhì)量的匹配合理性分析

馬西鐵路擬采用內(nèi)燃牽引，因此，研究對交流傳動的HXN5 和HXN5B 型機(jī)車牽引質(zhì)量進(jìn)行檢算，不同坡度方案牽引質(zhì)量如表2 所示。

表2 不同坡度方案牽引質(zhì)量表Tab.2 Tonnage rating of gradient schemes

由于馬西鐵路為內(nèi)燃牽引且越嶺段隧道較多，為利于隧道通風(fēng)，保證隧道內(nèi)行車安全，列車需具備一定的過隧速度，牽引質(zhì)量宜適當(dāng)留有余量。本次研究6‰/9‰，6‰/13‰，9‰/13‰均衡坡方案牽引質(zhì)量分別為10 000 t，7 000 t 和7 000 t。

2.2.3 工程經(jīng)濟(jì)性分析

結(jié)合機(jī)型與限坡、牽引質(zhì)量匹配性分析，6‰/9‰坡度方案按HXN5B 型雙機(jī)牽引10 000 t，9/13‰，6‰/13‰坡度方案按HXN5B 型雙機(jī)牽引7 000 t。對不同方案的工程投資、機(jī)車車輛購置費(fèi)及運(yùn)營費(fèi)采用費(fèi)用現(xiàn)值法計(jì)算，得出不同坡度方案經(jīng)濟(jì)性比較如表3 所示。

表3 不同坡度方案經(jīng)濟(jì)性比較表 萬元Tab.3 Economic comparison between gradient schemes

綜上分析，6‰/9‰均衡坡方案可基本適應(yīng)地形，工程數(shù)量及投資較6‰/13‰和9‰/13‰增加不明顯，同時(shí)，由表3 可知，6‰/9‰方案機(jī)車運(yùn)用臺數(shù)更少、機(jī)車購置費(fèi)、運(yùn)營費(fèi)更加節(jié)省，綜合費(fèi)用現(xiàn)值更低，經(jīng)濟(jì)性更好，符合馬西鐵路的經(jīng)濟(jì)性選線原則，各方案均滿足研究年度運(yùn)輸需求。因此，馬西鐵路限制坡度推薦采用6‰/9‰均衡坡方案。

3 結(jié)束語

在滿足鐵路運(yùn)輸安全、運(yùn)輸需求及自然技術(shù)條件的前提下，鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)需經(jīng)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選后確定，盡可能采用經(jīng)濟(jì)與社會效益較好的方案。針對以經(jīng)濟(jì)選線為主導(dǎo)的貨運(yùn)專用鐵路，限制坡度是影響線路走向的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，限制坡度的合理確定對線路正線長度、車站分布和橋隧比等有很大影響，同時(shí)直接關(guān)系到鐵路運(yùn)輸能力、行車安全性、工程投資和運(yùn)營費(fèi)用等。馬西鐵路限制坡度方案通過多角度論證并結(jié)合機(jī)型與限坡、牽引質(zhì)量匹配性分析，在滿足研究年度運(yùn)輸需求前提下采用綜合費(fèi)用現(xiàn)值法，推薦采用經(jīng)濟(jì)性更好的6‰/9‰均衡坡方案，研究成果為國內(nèi)外貨運(yùn)專用鐵路建設(shè)項(xiàng)目技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究提供了科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。