多丰、虎丰线增建二线限坡方案研究

胡江民

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 项目概况

多丰、虎丰线位于华北北部,起自锡多线多伦站,经内蒙古自治区锡林郭勒盟多伦县、东水泉，进入河北省承德市丰宁县境内；经大骡子沟、下窝铺、上黄旗、南关、东弓匠营、塔黄旗,终接虎什哈至丰宁线一期工程天桥站。线路呈北南走向,研究范围内既有线全长约140 km。

多丰、虎丰线原按单线、内燃、限制坡度上行12‰/下行15‰、牵引质量上行3 500 t(双机)/下行3 000 t(双机)设计。多丰、虎丰线北端锡多铁路已开展复线、预留电化及万吨条件改造工程；南端拟建的张唐铁路为一次双线、电气化、万吨铁路。随着路网变化,多丰、虎丰线从为地方服务的铁路转变为蒙东煤炭下水锡曹通道的组成部分,其功能定位、运量、流向均发生显著变化,单线运能已远不能满足运输需求,扩能改造势在必行。通过对各种扩能方案研究,推荐采用增建二线扩能方式。

多丰、虎丰增建二线后,与锡多铁路、张唐铁路共同构成了蒙东煤炭下水锡曹通道,该项目的修建对于开辟蒙东煤炭下海通道,保障东南沿海地区能源供给,优化曹妃甸港铁路集疏运通道布局,进一步拓展津冀沿海港口群腹地空间,完善蒙东地区铁路路网结构,增强路网运输灵活性和机动性,促进沿线经济发展,带动贫困地区脱贫致富等均具有重要意义。

多丰、虎丰线原标准低下,坡度大,牵引质量小,合理选择第二线限制坡度,对二线走向、工程规模、既有设施利用均有较大影响,有必要对影响二线坡度选择的各种因素进行综合分析研究。

2 地形特征

多丰、虎丰线内蒙古境内段属内蒙古高原丘陵区,海拔高度在1 259～1 493 m之间。丘坡呈浑圆状孤丘,丘间谷地开阔、平缓,略有起伏；河北境内段属中山区,海拔高度在511～1 438 m之间,地形起伏较大,沟谷下切强烈。

3 沿线自然坡度

自然坡度是地形特征分析的结果,沿线自然坡度的特点对限制坡度的选择具有一定指导作用。本项目由北向南,沿线自然坡度特征为：多伦至东水泉段,海拔高程1 260～1 350 m,平均自然纵坡8.4‰；东水泉至大骡子沟段,海拔高程1 350～1 128 m,平均自然纵坡11.5‰；大骡子沟至下窝铺段,海拔高程1 128～1 070 m,平均自然纵坡5‰;下窝铺至上黄旗段,海拔高程1 070～850 m,平均自然纵坡11.9‰；上黄旗至南关段,海拔高程850～780 m,平均自然纵坡3.5‰；南关至东弓匠营段780～590 m,平均自然纵坡11.7‰；东弓匠营至塔黄旗段590～525 m,平均自然纵坡6.8‰。

由经由点的海拔关系可知,多丰、虎丰线全线自然纵坡为凸形,以东水泉为分界点,东水泉以北段(多伦—东水泉)为上坡地段,其平均自然纵坡约为8.4‰；东水泉以南段(东水泉—塔黄旗)为下坡地段,其平均自然纵坡分布为3.5‰～11.9‰。

分析多丰、虎丰线自然纵坡特征可知,6‰～15‰坡度可以适应项目地形。

4 相邻铁路技术标准

多丰、虎丰线相关的既有线路主要有锡多线、集通线、京通线、赤大白线等。其现状主要技术标准见表1。

表1 现状相邻线铁路主要技术标准

研究年度相关线路的铁路主要技术标准见表2。

表2 研究年度相邻线铁路主要技术标准

由表1、表2可以看出,本线相邻路网基本是6‰系列。

5 项目货流特征

多丰、虎丰线外部路网变化后,预测其客货运量见表3。

表3 多丰、虎丰线货流密度 104t

由表3可知,多丰、虎丰线以煤炭外运为主,轻重车方向明显,且预测未来货流变化趋势不大,研究年度轻重车比例近期1∶29～1∶19、远期1∶33～1∶21,限坡方案存在分方向限坡选择的可能性。

6 机车类型与限制坡度、牵引质量关系

各种机型在不同坡度下所对应的牵引质量见表4。

由表4可知,HXD1、HXD2、SS4B型电力机车,在6‰/13‰的限坡上可满足单机牵引5 000 t、双机牵引10 000 t的要求,在15‰/12‰的限坡上,双机牵引质量能达到5 000 t。

7 重载列车下坡道限制坡度研究

锡多线进行复线改造,同时部分到发线有效长延长至1 700 m,以满足开行万吨列车的条件；张唐线建成后,直接开行万吨列车。因此,为与相邻线技术标准匹配、减少中间作业环节,提高铁路服务质量及效率,减少运营成本,锡林浩特地区经多丰、虎丰线发往曹妃甸港的煤炭货物,应组织开行万吨列车,即多丰、虎丰线增建二线后可能是一条煤运重载铁路。

表4 机车类型与限制坡度、牵引质量关系 t

煤运重载铁路下坡道应当满足重载列车在长大下坡道上的制动要求。大秦线运营实践表明：万吨列车的纵向力并不影响列车运行的安全(即压钩力与拉钩力均在允许范围之内),多丰、虎丰线增建二线项目主要研究重车方向长大下坡道区间的列车再充风问题。

通过计算,当同时使用电阻制动和空气制动时,HXD1型机车单机牵引5 000 t(车辆采用C80、编组50辆),在13‰、18‰的长大下坡道上,列车从缓解初速增至限速的增速时间分别为364 s、125 s,而“充风时间+空走时间”分别为79 s、80 s,均小于增速时间,能够满足周期制动要求。HXD1型机车双机重联牵引10 000 t(车辆采用C80、编组100辆),在13‰的长大下坡道上,列车从缓解初速增至限速的增速时间为364 s,而“充风时间+空走时间”为171 s,小于增速时间,能够满足周期制动要求；在18‰的长大下坡道上,列车从缓解初速增至限速的增速时间为125 s,小于“充风时间+空走时间”之和173 s,不能保证万吨列车的再充风时间要求。

由上述分析可知,多丰、虎丰增建二线后,若组织开行万吨列车,则万吨列车走行线限制坡度不宜超过13‰,考虑既有多丰、虎丰线限制坡度为上行12‰/下行15‰,已大于13‰,为避免既有线软化坡度引起既有线的大拆大改,显然应将第二线做为万吨列车走行线,即多丰、虎丰线若组织开行万吨列车,二线坡度不应大于13‰。

8 限坡方案比选

多丰、虎丰线既有限坡为上行12‰/下行15‰的均衡坡,二线可与既有多丰、虎丰并行,充分利用既有设施,利于节约用地,限制坡度首先研究12‰/15‰的均衡坡方案。

锡多铁路复线后预留万吨条件,其限制坡度为6‰/12‰均衡坡；张唐线为双线万吨铁路,其限制坡度亦为6‰/12‰均衡坡。为使锡曹通道技术标准协调统一,减少中间技术环节,同时结合多丰、虎丰线自然坡度特征、货流特征及机车类型、牵引质量及限制坡度关系,研究了6‰/13‰均衡坡方案方案。多丰、虎丰线既有限制坡度上行12‰/下行15‰,若要在该坡度上开行万吨列车,不仅需要多机牵引,机车购置费、运营成本增多，且15‰的长大下坡道,难以满足双机重联万吨单元列车的周期制动要求。故需对坡度进行软化,若将既有线落坡至上行6‰/下行13‰,线路需改建82.669 km,既有线利用率仅有40.57%,既有线改建土建工程投资约28.7亿元,废弃工程大,明显不合理,既有线软化坡度为上行6‰/下行13‰,二线与之并行采用上行6‰/下行13‰的限制坡度方案明显不合理,首先予以舍弃；重点对第二线采用上行6‰/下行13‰限坡方案进行研究。

6‰/13‰均衡坡方案(第二线牵引质量为10 000 t)和12‰/15‰均衡坡方案(第二线牵引质量为5 000 t)技术经济比较详见表5。

表5 限坡方案技术经济比较 万元

从第二线与既有线采用不同限坡可行性方面分析,据运量预测,多丰、虎丰线以煤炭外运为主,轻重车方向明显,且预测未来货流变化趋势不大,研究年度轻重车比例近期1∶29～1∶19、远期1∶33～1∶21,大宗货流主要为曹妃甸港口下水的煤炭。据左向行车原则,若把第二线布置在既有线左侧,则重车在第二线运行,轻车在既有线运行；既有线采用12‰/15‰均衡坡,经检算在15‰坡度上,采用SS4B或HXD系列机车双机牵引,牵引质量均可达5 000 t,满足万吨列车回空车(车型C70,编组108辆,牵引总重2 570.4 t)及非煤列牵引质量5 000 t的要求,即第二线与既有线采用不同限坡可行。

从工程投资及换算工程运营费方面分析,虽然12‰/15‰方案较6‰/13‰方案,用地省,工程投资节省38 926.48万元,但牵引5 000 t列车机车购置费、列车走行费均相应增加,30年运营费现值增加了35 013.26万元,换算工程运营费增加了800.92万元；且采用双机牵引5 000 t,列车需在多伦、塔黄旗进行加挂补机作业,车辆中转时间及货物在途时间均延长,运营成本增大。

综上所述,建议新建二线作为重车线使用,限制坡度采用6‰/13‰,既有多丰、虎丰线作为轻车线使用,限制坡度12‰/15‰维持不变。

9 结束语

增建二线限制坡度的选择,可与既有线限坡一致,亦可不一致。第二线限坡的选定应根据项目货流特征、地形特征,结合相邻路网限制坡度、机车类型、牵引质量等因素综合考虑,并通过技术经济比较,尤其是换算工程运营费比较,最终确定二线的限制坡度,以控制工程规模,节省投资。

[1]中铁工程设计咨询集团有限公司.改建铁路多伦至虎什哈线多伦至塔黄旗段增建二线工程预可行性研究[R].北京：中铁工程设计咨询集团有限公司，2010

[2]中铁工程设计咨询集团有限公司.改建铁路多丰线内蒙古自治区段增建二线工程可行性研究[R].北京：中铁工程设计咨询集团有限公司，2010

[3]中铁工程设计咨询集团有限公司.改建铁路多丰线河北省段增建二线工程可行性研究[R].北京：中铁工程设计咨询集团有限公司，2010

[4]中铁工程设计咨询集团有限公司.改建铁路虎丰线黄土梁至塔黄旗段增建二线工程可行性研究[R].北京：中铁工程设计咨询集团有限公司，2010