西安至成都客运专线翻越秦岭地段最大坡度研究分析

杨 勃

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 研究背景

新建西安至成都客运专线,是我国高速铁路网的重要组成部分,是一条高标准、高密度、大能力的西南(川渝)地区快速客运北通道。本线对加快西部大开发进程,打造成都、西安成为我国西部经济发展高地,促进关中和成渝两大城市圈的融合,加快沿线旅游资源整合,保障国民经济可持续发展,开辟川渝地区北出快速客运新通道,实现川渝地区与全国快速客运专线的联网,释放既有铁路货运能力,提升区域综合交通运输体系,构建资源节约型和环境友好型社会等方面具有十分重要的意义。

本线需翻越秦岭山脉,其两侧西安、汉中两盆地高程约 400～500m,秦岭横亘其间,海拔1800～3760m,整体上北陡南缓,山势巍峨高耸;尤其秦岭北坡,在航空距离 30km范围内高差达1300～3260m,形成逾越十分困难的自然屏障。北坡可供线路选用的自然沟谷纵坡均在 15‰以上,大部分河段自然纵坡大于 20‰及 25‰。

本段线路最大坡度的研究确定,对线路走向、工程设置、运行安全及舒适度均有决定性作用。

2 西成客运专线秦岭段最大坡度的方案研究

2.1 既有铁路穿越秦岭的最大坡度总结

既有铁路穿越秦岭的有宁西、西康及宝成铁路,其翻越秦岭的主要技术特征如表1所示。

表1 既有铁路秦岭越岭最大坡度及相关技术指标

总结不同时期所修建铁路的最大坡度、越岭隧道长度及引线间的关系,可见:线路穿越秦岭在不展线的情况下,采用 12‰～15‰坡度时越岭隧道长度在 30～50km及以上,采用 20‰坡度时越岭隧道长度在 15～25km,采用25‰及以上坡度时越岭隧道长度在 10～15km。

2.2 高速铁路在长隧道地段的最大坡度总结

国外高速铁路最大坡度基本都大于 20‰,一般在20‰～40‰,但仅限局部地段使用;国内除台湾省台北—高雄铁路最大坡度采用 35‰外,大陆在建及拟建的高速铁路最大坡度一般不超过 20‰。由于目前在建、拟建工程主要位于中东部相对平缓低山丘陵地区,足坡地段长度一般不超过 10km。

国内外高速铁路在长隧道地段采用的最大坡度见表2。从已运营及拟建的国内外客运专线分析,长度10km以上的隧道最大坡度一般不超过 20‰。

2.3 动车组大坡度适应性分析

2.3.1 运输安全

国内已投入运营及今后长期运营的有 5种主型动车组。其中时速 200km动车组有 CRH1型、CRH2-200型、CRH5型,时速 300km动车组有 CRH2-300型、CRH3型。本线建成运营初、近期,以上 5种动车组都有上线运行的可能。鉴于此,从运输安全方面对 5种动车组进行分析。

(1)动车组下坡最大坡度

在连续长大下坡道地段,施加全电制动力,CRH1对应的最大坡度为 29‰,其他 4种动车组对应的最大坡度均在 34‰以上。若只施加 75%电制动力,除CRH1对应最大坡度为 24‰外,其他 4种动车均可在25‰的连续长大坡道匀速运行。从动车组的紧急制动距离看,CRH3型动车组坡度在 25‰下坡地段虽不满足《铁路主要技术政策》350km/h制动至停车不超过4800m的要求,但满足《京津城际铁路技术管理办法》(铁科技[2008]99号)文件技术要求。CRH2-300动车组在 0‰～30‰的下坡地段均不满足《铁路主要技术政策》350km/h制动至停车不超过4800m的要求,在京津城际铁路中已做了不超过6500m的技术规定,25‰的坡度方案对应的制动距离为7407m,比京津城际铁路技术规定仅长 907m,若考虑隧道空气附加阻力,则差距更小。

表2 国内外高速铁路在长隧道地段采用的最大坡度

(2)动车组起动对应的最大坡度

各型动车组起动牵引对应的最大坡度在 40‰～70‰,由此可见,各型动车组在 30‰及以下坡度均能正常起动。

2.3.2 运输质量

不同动车组与坡度、速度的适应性用 v-S曲线反映;以 CRH3为例,在不同足坡上坡地段初速度为 340 km/h运行工况如图1。

图1 CRH3动车组不同最大坡度v-S曲线

由图1可见,持续足坡地段运行 10km后,速度均在 250km/h以上,运行 20km后速度均在 200km/h以上。在 15‰、20‰、25‰、30‰不同上坡地段分别运行 60km后的速度分别为 262.8、234.2、207.4、184.9 km/h分别降低为最高速度的 75%、67%、59%、53%。以上分析表明,动车组闯坡及持续运行性能良好,对大坡度适应性较好,在持续大坡道上坡地段,动车组能够保持以较高的速度运行。

2.4 最大坡度方案比选

西安至成都客运专线必经汉中,西安至汉中必越秦岭且以涝峪佛坪(高速公路)通道为优。研究区域内秦岭山脉呈近东西向展布,航空线附近主峰为东梁(高程2965m),秦岭北坡地形陡峻,河流及支沟不发育,仅涝峪相对下切较深,其大部分河谷弯曲狭窄,河床纵坡15‰～35‰;岭南山势相对平缓,水系发育,支脉河流呈条带状间隔分布,主要可利用的沟峪为旬河源头江河及子午河(西河、蒲河、椒溪河)等,总体沟谷河床弯曲狭窄,上游纵坡 25‰～35‰、中下游纵坡 15‰～25‰。

《新建时速 300～350km客运专线设计暂行规定》中第3.3.1条指出正线的最大坡度,一般条件不应大于 20‰,困难条件下,经技术经济比较,不应大于30‰。秦岭越岭地段克服高差巨大,需充分发挥动车组爬坡能力强的特点。所以根据区域地形特点,分别研究了 20‰、25‰、30‰三个最大坡度方案。

2.4.1 线路平纵断面分析说明

在线路方案中,采用不同坡度时线路总体走向基本一致。为缩短引线,降低桥高,改善长隧道的施工条件,线路在岭北引线及越岭隧道地段,线位略有不同;其中 30‰方案可顺直出山,于户县北设站;而其他方案线路则均需略作展长,于户县东设站。各方案主要特征见表3。

表3 各方案纵断面主要特征

根据表3分析,采用 25‰及 30‰大坡度方案,越岭隧道减短,拔起高度增加,持续紧坡地段缩短;但30‰较 25‰方案减缓趋势不甚明显。

2.4.2 分析比选

(1)运输安全性分析

根据动车组在长大坡度上的运输安全性分析,持续长大坡道主要受动车组制动条件控制,各型动车组均能在 9km范围内进行紧急停车,仅制动距离有所差异:时速 350km的动车组制动距离 25‰、30‰分别比20‰方案长约 0.6、1.3km,时速 200km的动车组制动距离 25‰、30‰分别比 20‰方案长约 0.2、0.2km。比较而言,25‰方案、30‰方案在安全性方面,较 20‰方案略差,但无明显恶化。

(2)运输质量分析

本段线路需克服岭北高程障碍,线路以持续长大上坡(42～52km)隧道群通过,针对不同坡度方案,采用各型动车组进行模拟牵引计算,西安至汉中全段242km范围内,以 CRH3为例,采用 20‰及 25‰坡度方案,运行时分仅差 0.4min,平均速度仅差3.5km/h;能耗差异仅 332kW◦h;25‰和 30‰两方案运行时分及能耗差别甚微。

不同坡度方案坡顶的速度差别较大,平均速度也有差异;但在克服高差为一定数的情况下,当持续坡度大时,坡顶速度降低,但连续上坡地段减短,全程运行时分、平均速度和能耗差异较小。

故从运输质量分析,25‰方案具有优势。

(3)运输能力分析

根据运输组织模式研究结论,本线近期采用 A、B类动车组共线运行的运输组织模式,追踪间隔采用 4 min,远期运行动车组全部为 A类,追踪间隔采用 3min。

(4)地形适应性及工程投资比较分析

最大 25‰和 30‰坡度方案相比,主隧道长度差别小,投资差别也不大(越岭线路长度增加约 1.5km,工程投资增加约 1.85亿元;),说明最大坡度加大至25‰以上,工程上无优势。见表4。

表4 秦岭越岭地段不同坡度方案的工程投资比较

最大 25‰和 20‰坡度方案相比,线路长度短约0.8km,桥隧总长短 0.8km,越岭主隧道短 10km,辅助坑道(双线)设置减少 16km/6座(均采用 4年工期),工程投资节省 11.7亿元。说明采用 25‰坡度,更加适应地形,减少工程投资等优势更为明显。

(5)工期合理性分析及工程实施难度

在越岭方案中,局部采用 25‰方案较 20‰方案,可降低两端引线段桥梁高度,改善工程实施条件。尤其可将越岭主隧道由24.8km减短至14.9km,两方案按同一工期考虑,25‰方案可大幅减少辅助坑道及便道工程,工程实施难度大幅降低。故局部采用 25‰在工期及工程实施难度方面均较有利,而在东梁特长隧道地段其优势则更为明显。

2.5 最大坡度推荐意见

综上分析,局部采用 25‰与 20‰坡度方案相比,全程运行时分、平均速度和能耗差异均较小(分别差0.3min、3.9～2.4km/h、332～ 524(kW◦ h),即运营指标相当;线路长度分别可缩短 0.8、4.5km,投资节省 11.7、5.98亿元,工程改善明显;尤其主越岭隧道可缩短至 14.8km。故推荐翻越秦岭地段局部采用 25‰坡度方案。

3 结语

最大坡度是影响客运专线建设标准的最核心指标之一,科学合理地决策显得非常重要。本文通过对新建铁路西安至成都客运专线越岭地段最大坡度方案的研究分析,提出了适合本项目最大坡度的推荐意见。期望本项目的研究分析思路,能为其他项目的研究与决策提供参考。

[1]钱立新.世界高速铁路技术[M].北京:中国铁道出版社,2003.

[2]铁建设[2007]47号,新建时速 300～350km客运专线铁路设计暂行规定[S].

[3]铁建设[2005]140号,新建时速 200～250km客运专线铁路设计暂行规定[S].

[4]GB50090— 2006,铁路线路设计规范[S].

[5]中铁第一勘察设计集团有限公司,新建铁路西安至成都客运专线可行性研究[R].西安:2009.