■中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司 喬響路

限制坡度是貨運鐵路重要技術(shù)標準之一，對線路走向、建設(shè)投資、運輸能力等均有較大影響。在山區(qū)重載貨運鐵路，選擇經(jīng)濟合理、安全可靠的限制坡度尤為關(guān)鍵。本文以帽帽山礦區(qū)鐵路為研究對象，結(jié)合沿線地形地質(zhì)條件、運輸需求，深入分析路網(wǎng)匹配性、工程經(jīng)濟性、運營安全性等影響因素，對山區(qū)煤礦限制坡度方案進行系統(tǒng)研究。

1.帽帽山礦區(qū)鐵路概況

1.1 項目基本情況

線路位于山西省大同市左云縣、朔州市懷仁市境內(nèi)，接軌于北同蒲線里八莊站，全長約31.042km，主要承擔帽帽山礦區(qū)及周邊煤炭外運任務，年運量約1500萬t。

1.2 選線控制點及線路方案

（1）沿線采空區(qū)范圍大：線路附近煤礦企業(yè)眾多，礦產(chǎn)開采時間久，故以煤礦開采形成的采空區(qū)為控制線路方案的最主要因素。

（2）環(huán)境敏感點數(shù)量多：沿線分布有重要環(huán)境敏感區(qū)7處，其中國家級風景名勝區(qū)1處、省級森林公園2處、國家級濕地1處，其他敏感區(qū)3處。

（3）基本農(nóng)田分布廣：本線位于山西省大同市和朔州市境內(nèi)，沿線基本農(nóng)田廣泛分布。

總之，沿線控制因素較多，線路走向受控，給限制坡度的選擇帶來了較大難度。經(jīng)線路走向、接軌點等綜合比選，推薦的線路方案如圖1所示。

圖1 線路方案示意圖

2.限制坡度的選擇

2.1 影響因素分析

限制坡度選擇的影響因素較多，主要包括地形條件、牽引質(zhì)量、工程投資、運營安全等[1]。

帽帽山礦區(qū)鐵路沿線地形呈西高東低態(tài)勢，其中，帽帽山煤礦新建水窯裝車站高程較大，里八莊站高程較低，小磨站位于兩者之間。線路主要經(jīng)過兩個地貌單元，分別為山前傾斜平原區(qū)和晉北高原丘陵區(qū)。山前傾斜平原區(qū)主要分布在CK0+000～CK15+466，晉北高原丘陵區(qū)主要分布在

CZK1+500～CZK16+953。

本線后方運輸通道為北同蒲線及大秦線，均開行萬噸、2萬噸煤炭重載列車，為便于牽引質(zhì)量的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，本線牽引質(zhì)量盡可能采用萬噸。但由于受山上地形及采空區(qū)影響，牽引質(zhì)量受限制僅滿足5000t條件，導致萬噸列車貫通運輸難度較大，故考慮在中間合適位置進行組合，以實現(xiàn)本線交出至北同蒲線的列車滿足萬噸要求，減少對后方通道運輸效率的影響。

沿線地形呈西高東低的特點，重車方向上坡基本不受制約，主要受下坡制動影響，故此次研究限制坡度選擇重點為重車下坡制動[2]。

綜合以上因素，結(jié)合線路走向方案、牽引質(zhì)量要求，為盡可能適應地形、節(jié)約工程投資[3]，此次將全線分為里八莊至小磨、小磨至水窯兩段進行限制坡度研究。

2.2 里八莊至小磨段

2.2.1 沿線地形條件

里八莊至小磨段主要通過山前傾斜平原，沿山脈邊緣廣泛分布山前洪積扇，構(gòu)成山前傾斜平原，坡度一般5°～6°，最大可達8°～10°，沿山脈的走向形成起伏不平的波浪狀，西高東低，地表多發(fā)育淺溝，海拔約1013m～1150m。

從地形條件分析，本段地面自然坡度相對較大，僅有一處500kV高壓走廊通道，線路沿500kV托源Ⅰ線北側(cè)向西走行，長度約14.3km。區(qū)間CK0+000～CK5+000段相對高差25m，自然坡度為5‰；CK5+000～CK11+000段相對高差80m，自然坡度為14‰；CK11+000～CK13+000段相對高差16m，自然坡度為8‰。因此，本段適應地形的坡度為14‰。

2.2.2 外部運輸條件

從運輸通路分析，為便于牽引質(zhì)量的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，本段限制坡度宜與后方通路相統(tǒng)一[4]。本線接軌的北同蒲線限制坡度為6‰，后方通道大秦線為4‰/12‰，區(qū)域內(nèi)神朔、朔黃、準池等重載鐵路限制坡度均為4‰/12‰，準朔線限制坡度為6‰/14‰。

2.2.3 限制坡度方案比選

結(jié)合沿線地形條件及外部運輸條件，本段宜與相關(guān)各線限制坡度12‰相統(tǒng)一，但考慮CK5+000～CK11+000段采用14‰坡度可以顯著減少橋梁長度，降低路基填高，節(jié)省工程投資，故本段主要研究12‰、14‰兩個方案。

（1）工程經(jīng)濟性分析

通過兩方案對比，線路長度基本相同，14‰方案較12‰方案橋涵長度減少3.595km，工程投資減少1.3億元，經(jīng)濟性優(yōu)勢明顯。

（2）制動安全分析

1）理論計算

①計算原理及公式

根據(jù)TB/T 1407.1-2018《列車牽引計算》（以下簡稱《牽規(guī)》）[5]，為了滿足列車在長大下坡道上安全平穩(wěn)運行，采用周期制動時列車充風時間需滿足再次制動要求，即在每一個制動周期內(nèi)，列車緩解后由緩解速度上升到坡道限制速度時的增速時間之和[6]-[7]。

緩解增速時間

②下坡制動坡度檢算

采用HXD1型8軸機車牽引萬噸進行制動檢算，列車編組102輛，列車管空氣壓量取500kPa，制動限速為80km/h，緩解速度取30km/h，其余參數(shù)取值按《牽規(guī)》相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

12‰方案：減壓量取50kPa～70kPa情況下，采用空電聯(lián)合制動可以滿足周期制動要求，保證運輸安全。

14‰方案：理論計算一個周期制動距離大約4.9km，本段長大下坡主要應用在CK6+100～CK9+500段，長度分別為3.4km，HXD1單機采用空電聯(lián)合制動可以滿足周期制動要求。

2）牽引模擬計算

經(jīng)牽引模擬計算，本段在14‰坡度方案下滿足制動要求，牽引VS曲線如圖2所示。

圖2 里八莊至小磨段14‰方案牽引VS曲線

3）運營實踐經(jīng)驗

根據(jù)國內(nèi)重載鐵路運營情況，大秦、神朔、朔黃等重載鐵路限制坡度均為4‰/12‰，目前在12‰下坡開行萬噸的運營經(jīng)驗成熟。接軌于北同蒲線宋家莊站的小峪專用線，由HXD系列電力機車牽引萬噸列車，重車方向存在部分大于14‰下坡，長約2.86km，可滿足列車下坡制動運營要求。

2.2.4 小結(jié)

綜合分析，14‰方案與12‰方案均能滿足運輸需求，保證運輸安全，且14‰方案與12‰方案投資減少1.3億元，故里八莊至小磨段限制坡度推薦采用14‰。

2.3 小磨至水窯段

本段主要通過晉北高原丘陵區(qū)，線路長度13.7km，地形起伏大。區(qū)間CZK0+000～CZK3+000段相對高差34m，自然坡度為11‰；CZK3+000～CZK7+000段相對高差64m，自然坡度為16‰；CZK7+000～CZK13+000段相對高差122m，自然坡度為20.3‰。該段穿越多個煤礦礦區(qū)，沿線分布有大量煤礦采空區(qū)，線路宜繞避采空區(qū)，展線條件困難，選線難度較大，受工程條件限制需采用較大坡度[8]。

根據(jù)沿線地形條件，結(jié)合牽引質(zhì)量匹配情況，本段重點研究20‰、24‰兩個方案。

2.3.1 方案說明

20‰方案：線路自小磨站引出后，沿鵝毛河河堤外以路基形式上山，于水窯站東側(cè)以20‰坡度展線后，引入水窯站。

24‰方案：線路走向與20‰方案大致相同，于水窯站東側(cè)以24‰坡度展線后，引入水窯站。

2.3.2 工程經(jīng)濟性分析

線路若采用20‰以下限制坡度，則CZK7+000～CZK13+ 000段不能沿鵝毛河河道走行，工程投資急劇增加；若采用24‰以上限制坡度，則大段落線路不能充分利用限制坡度。兩方案對比，20‰方案較24‰線路長度增加0.8km，投資增加0.3億元。

2.3.3 制動性能分析

（1）理論計算

結(jié)合線路地形條件，本段坡度受下坡制動限制。根據(jù)前述檢算原理，列車管空氣壓量取500kPa、減壓量取80kPa，制動限速為60km/h，緩解速度取20km/h其余參數(shù)取值按《牽規(guī)》相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。不同坡度牽引質(zhì)量適應情況計算如表1所示。

表1 不同坡度適應性表

（2）運營實踐經(jīng)驗

結(jié)合國內(nèi)既有線運營現(xiàn)狀，新疆地區(qū)的紅嶺線為DF8B型機車雙機在20‰的下坡地段可滿足牽引5000t要求；山西口泉支線、小峪專用線均為DF系列內(nèi)燃機車單機牽引2500t，坡度在24‰左右。

2.3.4 小結(jié)

小磨至水窯段限制坡度采用20‰方案與沿線地形適應性較好，工程投資較24‰方案增加較少，綜合經(jīng)濟性能較優(yōu)，可在小磨站實現(xiàn)萬噸組合分解，前后兩段的運輸協(xié)調(diào)性較好，故本段限制坡度推薦采用20‰。

2.4 研究結(jié)論

綜上所述，本線里八莊至小磨段采用14‰方案、小磨至里八莊站采用20‰方案與沿線地形適應性強，運輸組織協(xié)調(diào)性較好，工程投資適中，綜合效益較優(yōu)，故作為限制坡度推薦方案。

3.結(jié)語

帽帽山礦區(qū)鐵路里八莊至小磨段限制坡度采用14‰、小磨至水窯段采用20‰，綜合技術(shù)經(jīng)濟較優(yōu)，運輸組織協(xié)調(diào)性好，可以保障運輸安全要求。限制坡度的確定，為本線其他鐵路主要技術(shù)標準、線路方案、工程投資的確定提供了支撐，同時可為復雜山區(qū)重載鐵路限制坡度選擇提供參考。