楊麗娟 劉劍飛

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

既有鐵路擴(kuò)能改造的最終目的是提高運(yùn)輸能力、改善運(yùn)輸條件,對(duì)于單線鐵路來說,常用的擴(kuò)能改造方案有優(yōu)化運(yùn)輸組織、增開車站、延長車站到發(fā)線有效長、改換信聯(lián)閉設(shè)備[1]、軟化坡度、電氣化改造、增建雙線等,選取既能夠滿足運(yùn)量增長的需求又能節(jié)省工程投資和運(yùn)營成本的方式,是擴(kuò)能改造重點(diǎn)需研究的內(nèi)容。已有學(xué)者開展相關(guān)研究,方華提出初期提高牽引質(zhì)量、近期全線增建二線的擴(kuò)能改造方案,重點(diǎn)對(duì)精霍鐵路精河至伊寧段初、近、遠(yuǎn)期能力適應(yīng)性進(jìn)行分期研究[2];楊朝暉從符合運(yùn)營特征、滿足運(yùn)輸能力、后方通道運(yùn)輸組織協(xié)調(diào)性、適應(yīng)地形條件,以及充分利用既有設(shè)施設(shè)備的角度,推薦電氣化改造,延長到發(fā)線有效長,提高牽引質(zhì)量,軟化坡度的方案[3];李敬偉從運(yùn)輸成本、運(yùn)輸靈活性,實(shí)施難度等角度比選,推薦電氣化改造、延長車站到發(fā)線有效長的方案[4];逯紅兵結(jié)合北黑鐵路客車提速改造,對(duì)提速與擴(kuò)能方案進(jìn)行同步研究[5]。

綜上所述,每條線路運(yùn)營情況不同,擴(kuò)能目標(biāo)不同,改造方案也不盡相同。需結(jié)合擴(kuò)能目標(biāo),研究線路具體情況,確定出可選擇的擴(kuò)能方案,并對(duì)不同方案的運(yùn)輸組織適應(yīng)性、靈活性,工程投資,運(yùn)營效益等進(jìn)行多方面綜合比選,最終確定出符合其路網(wǎng)功能、滿足未來發(fā)展的改造措施。

1 概述

葉柏壽至赤峰鐵路為單線、內(nèi)燃半自閉鐵路,到發(fā)線有效長550m,采用DF4機(jī)車牽引(1500/1100t)和HXN系列機(jī)車牽引(2500/1500t)。此外,該線還開行5000t超長列車,采用雙機(jī)(HXN3、DF4型機(jī)車各1臺(tái))牽引。在每日開行5列5000t列車的情況下,年貨運(yùn)輸送能力僅為1400萬t。目前,我國最繁忙的單線鐵路行車量已達(dá)22～33對(duì)/d,年貨運(yùn)輸送能力達(dá)2000萬t。從線路輸送能力的絕對(duì)數(shù)字來看,葉赤線遠(yuǎn)低于全路的平均水平。此外,葉赤線線路允許速度為105km/h,限制區(qū)間(石腦—葉柏壽)貨車平均運(yùn)行速度31km/h,現(xiàn)狀客車最高旅行速度56km/h,較低的速度影響運(yùn)輸能力與運(yùn)輸質(zhì)量的提高[9]。

2 現(xiàn)狀線路情況

葉赤線始建于1934年,年代久遠(yuǎn),技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)低,線路坡度大,曲線半徑普遍較小,橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施老化,嚴(yán)重影響運(yùn)營安全。

2.1 線路特征

葉赤線線路全長137.257km,既有線線路平縱斷面特征見表1。

表1 既有線線路平縱斷面特征

既有線坡度較大,最大坡度為20.7‰,全段最小坡長200m。最大坡度代數(shù)差34.9‰。足坡地段為32個(gè)/14.22km,占正線長10.36%;自由坡地段為282個(gè)/123.02km,占正線長89.64%。上、下行拔起高度為369.5m、508.08m。全線坡度示意見圖1。

圖1 全線坡度示意

既有線曲線半徑普遍較小,最小曲線半徑僅為300m,300m半徑的曲線有5處/2.276km,占曲線全長的7.73%,300～800m半徑的曲線有41處/14.817km,占曲線全長的50.24%。

2.2 現(xiàn)狀通過能力及利用程度

葉赤線現(xiàn)狀能力已經(jīng)飽和,為提高輸送能力,在運(yùn)營中組織開行5對(duì)三機(jī)(DF4型)牽引或雙機(jī)(HXN、DF4各1臺(tái))牽引的5000t列車。葉赤線現(xiàn)狀能力已飽和,限制區(qū)間為石腦—葉柏壽區(qū)間,平圖能力僅26.2對(duì)/d,現(xiàn)狀該段通過能力缺口為1.3對(duì)/d,能力利用率為93.6%,已占用儲(chǔ)備能力。

3 擴(kuò)能改造方案

研究年度葉赤線預(yù)測(cè)運(yùn)量為近期客車3對(duì)/d、貨運(yùn)量2617萬t,遠(yuǎn)期客車5對(duì)/d、貨運(yùn)量2830萬t;貨運(yùn)量主要為赤峰、以遠(yuǎn)、元寶山、平莊南、汐子、天義等站運(yùn)至錦承線朝陽方向的煤炭等大宗貨物。既有線的能力遠(yuǎn)不能滿足研究年度運(yùn)量需求。

結(jié)合預(yù)測(cè)的運(yùn)量需求及京通線電氣化改造[6],地區(qū)未來貨運(yùn)發(fā)展格局[7]等區(qū)域路網(wǎng)情況,研究4個(gè)擴(kuò)能改造方案:現(xiàn)狀電化方案;現(xiàn)狀電化、部分車站延長到發(fā)線有效長至1080m方案;全線車站延長到發(fā)線有效長至1080m方案;全線車站延長到發(fā)線有效長至1050m、落坡方案。

3.1 方案Ⅰ:現(xiàn)狀電化方案

(1)牽引質(zhì)量及能力適應(yīng)性

葉赤線現(xiàn)狀到發(fā)線有效長為550m,由于運(yùn)量大部分為煤炭,采用C70型車輛,牽引質(zhì)量可達(dá)3000t。

現(xiàn)狀線路條件較差,限制坡度為20.7‰,大坡地段主要集中在馬林—熱水、沙海—葉柏壽兩段,對(duì)兩段電力機(jī)車單機(jī)牽引3000t進(jìn)行牽引計(jì)算模擬。根據(jù)模擬,在既有斷面條件下,HXD系列機(jī)車能夠單機(jī)牽引3000t列車。V-S曲線見圖2、圖3(紅色線為限速、洋紅色線為速度、黑色線為時(shí)間,下同)。

圖2 馬林—熱水HXD機(jī)車單機(jī)牽引3000t(方案Ⅰ)

圖3 沙海—葉柏壽HXD機(jī)車單機(jī)牽引3000t(方案Ⅰ)

葉赤線僅進(jìn)行電氣化改造,在開行3對(duì)客車時(shí),限制區(qū)間(天義—沙海)使用能力為25.2對(duì),輸送能力為1710萬t,較現(xiàn)狀僅增加約250萬t,研究年度能力缺口較大。方案Ⅰ(現(xiàn)狀電化)無法滿足預(yù)測(cè)運(yùn)量需求。

(2)主要工程內(nèi)容及投資

線路全長146.255km,新建單線(單繞)2.896 km;新建石腦隧道L=705m(既有石腦隧道1934年建成,隧道內(nèi)排水設(shè)施失效、襯砌腐蝕和滲漏水情況嚴(yán)重,限界不滿足電氣化鐵路要求。原位改造干擾既有線行車組織,施工難度大、影響運(yùn)營安全,采取線路繞行新建隧道的方案);全線電氣化改造;路基、橋梁及軌道維持既有。方案Ⅰ靜態(tài)投資174720.61萬元。

3.2 方案Ⅱ:現(xiàn)狀電化、部分車站延長到發(fā)線有效長至1080m

(1)牽引質(zhì)量及能力適應(yīng)性

由于現(xiàn)狀電化方案能力的提高不大,故考慮進(jìn)一步延長部分車站到發(fā)線有效長至1080m,開行部分5000t列車,牽引質(zhì)量為3000t、5000t。

在既有斷面條件下,采用HXD系列機(jī)車單機(jī)牽引5000t時(shí),V-S曲線見圖4、圖5。

圖4 馬林—熱水HXD機(jī)車單機(jī)牽引5000t(方案Ⅱ)

圖5 沙海—葉柏壽HXD機(jī)車單機(jī)牽引5000t(方案Ⅱ)

馬林→元寶山區(qū)間長大下坡約為6km,周期制動(dòng)可滿足要求。元寶山→熱水區(qū)間為上坡最大坡度達(dá)20‰,牽引力使用系數(shù)為0.9時(shí),到達(dá)坡頂?shù)乃俣葹?1km/h;牽引力使用系數(shù)為1.0時(shí),到達(dá)坡頂?shù)乃俣葹?6km/h,小于最低計(jì)算速度65km/h,故研究認(rèn)為該段需雙機(jī)牽引5000t。沙?！X區(qū)間19km+760m→17km+320m段為連續(xù)上坡,長度為2.78km,該段上坡坡度15.0‰、坡長200m,19.7‰、坡長800m,17.9‰、坡長280m。牽引力使用系數(shù)為0.9,到達(dá)坡頂?shù)乃俣葹?6km/h;牽引力使用系數(shù)為1.0時(shí),到達(dá)坡頂?shù)乃俣葹?2km/h,小于最低計(jì)算速度65km/h,無法滿足動(dòng)能闖坡要求,也需雙機(jī)牽引。綜上所述,方案Ⅱ重車方向需采用雙機(jī)牽引5000t列車。

葉赤線沿線有煤炭裝車點(diǎn),為提高運(yùn)輸效率,考慮延長煤炭裝車點(diǎn)車站到發(fā)線有效長;在此基礎(chǔ)上,根據(jù)最大限度提高線路輸送能力的原則,分析到發(fā)線數(shù)量對(duì)通過能力的影響[8],以及列車開行方案對(duì)到發(fā)線的需求[9],采用圖解法[10],計(jì)算出1080m有效長車站分布間距為26km左右。結(jié)合以上分析,延長元寶山、平莊南、汐子、天義、沙海等5個(gè)車站到發(fā)線有效長至1080m,滿足開行部分5000t列車要求。

方案Ⅱ能夠滿足預(yù)測(cè)近期運(yùn)量的能力需求,但遠(yuǎn)期通過能力缺口3.7對(duì),通過能力利用率為97.4%,需占用儲(chǔ)備能力。

(2)主要工程內(nèi)容及投資

線路全長146.315km;橋梁、路基、軌道工程病害整治,其中老齡橋改建、隧道改建、車站延長引起改線12處、改線約25.38km;全線59處平交道口改立交;元寶山、平莊南、天義站、汐子站4個(gè)車站延長到發(fā)線至1080m。方案Ⅱ靜態(tài)投資294826.44萬元。

3.3 方案Ⅲ:電氣化改造、全線延長到發(fā)線有效長度至1080m

(1)牽引質(zhì)量及能力適應(yīng)性

全線電氣化改造,提高葉赤線牽引質(zhì)量至5000t。維持既有坡度,需雙機(jī)牽引5000t列車。

若采用新型貨車,到發(fā)線有效長1050m可滿足6000t列車要求,為預(yù)留發(fā)展條件,滿足提高運(yùn)輸能力需求,按雙機(jī)牽引6000t列車進(jìn)行檢算。根據(jù)方案Ⅱ模擬,在既有斷面下采用HXD系列機(jī)車需雙機(jī)牽引5000t列車,牽引6000t列車也需雙機(jī)牽引,V-S曲線見圖6、圖7。

圖6 馬林—熱水HXD機(jī)車雙機(jī)牽引6000t(方案Ⅲ)

圖7 沙?！~柏壽HXD機(jī)車雙機(jī)牽引6000t(方案Ⅲ)

馬林—熱水、沙?！~柏壽段可滿足雙機(jī)牽引6000t要求。沙海—葉柏壽區(qū)間長大下坡地段,周期制動(dòng)可滿足要求。

方案Ⅲ研究年度均能夠滿足預(yù)測(cè)運(yùn)量需求,遠(yuǎn)期通過能力富余0.3對(duì)。

在進(jìn)行財(cái)務(wù)管理的工作中。企業(yè)工作人員需準(zhǔn)確進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)，對(duì)財(cái)務(wù)管理及經(jīng)營風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行充分認(rèn)識(shí)，同時(shí)掌控其工作體系。除此之外，部分財(cái)務(wù)人員在對(duì)財(cái)務(wù)管理問題進(jìn)行處理的時(shí)候，并沒有制定出風(fēng)險(xiǎn)管控方案，于財(cái)務(wù)管理工作中，缺乏個(gè)人管理經(jīng)驗(yàn)，所以對(duì)管理工作的實(shí)際工作效果產(chǎn)生影響，將管理的難度增加[5]。

(2)主要工程內(nèi)容及投資

電化長度為146.13km;橋梁、路基、軌道工程病害整治,其中老齡橋改建、隧道改建、車站延長引起改線13處、約改線28.14km,施工便線1.108km;全線59處平交道口改立交,全線13個(gè)車站延長到發(fā)線至1080m。方案Ⅲ靜態(tài)投資323867.45萬元。

3.4 方案Ⅳ:電氣化改造、全線延長到發(fā)線有效長度至1050m,局部區(qū)段落坡

(1)牽引質(zhì)量及能力適應(yīng)性

方案Ⅳ改造內(nèi)容為:電氣化改造,提高葉赤線牽引質(zhì)量至5000t,局部區(qū)段進(jìn)行落坡改造,滿足單機(jī)牽引5000t要求。

根據(jù)牽引計(jì)算模擬,落坡改造后,采用HXD系列機(jī)車單機(jī)牽引6000t時(shí),V-S曲線見圖8、圖9。

圖8 馬林—熱水HXD機(jī)車單機(jī)牽引6000t(方案Ⅳ)

圖9 沙?！~柏壽HXD機(jī)車單機(jī)牽引6000t(方案Ⅲ)

采用HXD1機(jī)車,馬林—熱水區(qū)間落坡改造后,坡頂速度為69km/h,沙?！X區(qū)間落坡改造后,坡頂速度為70km/h,均大于65km/h,能夠滿足單機(jī)牽引6000t要求。

表2 下坡道周期制動(dòng)檢算(HXD1-6000)

表3 下坡道周期制動(dòng)檢算(HXD1-5000)

列車從緩解初速增至坡道限速時(shí)的增速時(shí)間(緩解過程中保持動(dòng)力制動(dòng))大于“充風(fēng)時(shí)間+空走時(shí)間”[12],即說明在下坡道上,列車能維持周期制動(dòng)要求。結(jié)合鐵路長大下坡道列車周期制動(dòng)參數(shù)的選擇,對(duì)減壓量60kPa、70kPa情況下的周期制動(dòng)進(jìn)行檢算[13]。

由表2、表3可知,在-19%的長大下坡道上,周期制動(dòng)良好時(shí),HXD系列機(jī)車可以滿足6000t、5000t列車的制動(dòng)要求。

僅采用空氣制動(dòng)時(shí)[14],石腦—葉柏壽區(qū)間采用HXD機(jī)車單機(jī)牽引5000t時(shí)V-S曲線見圖10。

圖10 石腦—葉柏壽HXD機(jī)車單機(jī)牽引5000t(方案Ⅳ,不采用動(dòng)力制動(dòng))

由圖10可知,在動(dòng)力制動(dòng)失效的情況下,采用HXD1機(jī)車單機(jī)牽引5000t需4～5個(gè)周期制動(dòng),如操作措施合理,則列車可安全通過該長大下坡道。綜上,研究認(rèn)為在機(jī)車動(dòng)力制動(dòng)作用良好時(shí)石腦—葉柏壽段長大下坡制動(dòng)可保證安全;但在機(jī)車動(dòng)力制動(dòng)失效條件下,需合理操縱才能保證列車安全通過,或需在長大下坡道上停車等待救援。

該方案研究年度能夠滿足預(yù)測(cè)運(yùn)量需求,近、遠(yuǎn)期通過能力分別富余5.6對(duì)、0.3對(duì)。

(2)主要工程內(nèi)容及投資

電化長度146.081km;橋梁、路基、軌道需進(jìn)行工程病害整治,其中老齡橋改建、隧道改建、車站延長、軟化坡度引起改線41.43km,施工便線1.108km;全線59處平交道口改立交;全線13個(gè)車站延長到發(fā)線至1050m。

線路全長146.081km。其中,新建線路長41.43km,既有線改建長104.65km,靜態(tài)投資362845.74萬元。

4 擴(kuò)能改造方案綜合比選

4.1 方案工程投資比較

主要工程數(shù)量及投資比較見表4。

表4 各方案投資比較

4.2 擴(kuò)能方案綜合比選

(1)從工程投資角度分析

4個(gè)建設(shè)方案中投資最多為方案Ⅳ,其次為方案Ⅲ、方案Ⅱ、方案Ⅰ。

(2)從運(yùn)營成本、運(yùn)輸效率角度分析

方案Ⅳ對(duì)既有線路進(jìn)行改造,將坡度改造為6/13‰,且延長到發(fā)線有效長,滿足單機(jī)牽引5000t,能夠節(jié)省機(jī)車購置費(fèi),節(jié)省運(yùn)營成本[15],提高運(yùn)輸效率。在機(jī)車動(dòng)力制動(dòng)作用良好的條件下,石腦—葉柏壽段長大下坡制動(dòng)可保證安全;但在機(jī)車動(dòng)力制動(dòng)失效條件下,需合理操縱才能保證列車安全通過,或需在長大下坡道上停車等待救援。

方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ不改造既有坡度,維持現(xiàn)狀20.7‰的限制坡度,方案Ⅰ牽引質(zhì)量為3000t,方案Ⅱ?yàn)?000t、部分5000t,方案Ⅲ為5000t,較方案Ⅳ運(yùn)營成本高。

方案Ⅱ、Ⅲ采用雙機(jī)牽引5000t,同時(shí)出現(xiàn)機(jī)車制動(dòng)故障幾率小,長大下坡道制動(dòng)安全性優(yōu)于方案Ⅳ;但同時(shí)雙機(jī)牽引存在部分區(qū)段機(jī)車能力虛靡問題,機(jī)車運(yùn)用效率較低。

(3)從運(yùn)輸能力角度分析

4個(gè)方案中,能力最大為方案Ⅲ、Ⅳ,其次為方案Ⅱ,最小為方案Ⅰ。根據(jù)計(jì)算,方案Ⅰ無法滿足近、遠(yuǎn)期預(yù)測(cè)運(yùn)量需求;方案近期能力可以滿足要求,但遠(yuǎn)期需占用儲(chǔ)備能力;方案Ⅲ、Ⅳ近、遠(yuǎn)期能力均可滿足預(yù)測(cè)運(yùn)量需求。

5 結(jié)論

結(jié)合葉赤線在區(qū)域路網(wǎng)中的作用,該線主要承擔(dān)沿線元寶山、平莊南、汐子、天義等站運(yùn)至錦承線朝陽方向的大宗貨物;通過運(yùn)量可能的來源為赤大白線大板方向,但考慮到在建的錦赤線與赤大白線為同一通道,赤大白線運(yùn)量主要經(jīng)錦赤線運(yùn)輸,故由葉赤線承擔(dān)的赤大白線通過運(yùn)量存在不確定性。

綜合4個(gè)擴(kuò)能改造方案比選,方案Ⅱ延長部分到發(fā)運(yùn)量較大車站的到發(fā)線有效長,滿足開行5000t列車的要求,改善既有葉赤線運(yùn)輸條件,并適當(dāng)提高運(yùn)輸能力,能夠滿足近期預(yù)測(cè)運(yùn)量需求,雖然遠(yuǎn)期需占用儲(chǔ)備能力,但考慮到葉赤線預(yù)測(cè)運(yùn)量的不確定性,為節(jié)省工程投資,減少投資風(fēng)險(xiǎn),建議先期采用方案Ⅱ,即現(xiàn)狀電化、部分車站延長到發(fā)線有效長度至1080m方案,適當(dāng)提高線路運(yùn)輸能力及運(yùn)輸條件,未來運(yùn)量增長后,再結(jié)合運(yùn)量發(fā)展情況考慮進(jìn)行擴(kuò)能改造。