新建包头至银川铁路速度目标值方案研究

贺永志

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300142)

1 概述

拟建包头至银川铁路项目(以下简称“包银铁路”)位于内蒙古自治区和宁夏回族自治区境内，东起包头东站，向西途经内蒙古自治区包头、巴彦淖尔、鄂尔多斯、乌海市和宁夏回族自治区石嘴山、银川市，止于银川站，线路全长约537 km[1]。包银铁路东与在建京张铁路、在建张呼铁路、既有集包线呼包段，南与规划银兰客专共同构筑我国《中长期铁路网规划(2016—2030年)》“八纵八横”京兰高铁通道[2]。

速度目标值即最高设计速度，是高速铁路核心技术指标，不仅决定了未来列车可能实现的最高运行速度，直接影响线路方案和工程投资，也直接关系高铁路网功能作用、建设运营成本和网络运营效率效益[3]。因此，深入研究包银铁路的速度目标值尤为重要。速度目标值方案研究应结合既有高铁建设运营实践经验，根据项目在铁路快速客运网中的作用、运输需求、工程条件、旅行时间目标值等因素，进行综合比选后确定。

2 项目功能定位对速度目标值选择的影响

包银铁路是跨区域高速铁路通道京兰通道的重要组成部分，其建设对全线形成京兰跨区域高速铁路通道、构筑完善的京兰大通道及区域铁路网是至关重要的一环。宁夏沿黄经济区和呼包鄂榆地区是国家《全国主体功能区规划》正式定位的国家级重点开发区域，呼包鄂榆之呼包鄂地区是内蒙古最重要的经济圈和城市带，本项目的建设，将成为两个经济区与京津冀及东北地区联系和加强自身联系的重要纽带，包银铁路兼具宁夏沿黄经济区和内蒙古呼包鄂地区城际铁路功能。因此本项目既承担着高速客运通道的路网功能，也兼顾区域城际铁路功能，速度目标值选择应符合本项目的功能定位要求，宜选择较高的速度目标值[4]，且不宜低于250 km/h。区域铁路客运通道构成如图1所示。

图1 区域铁路客运通道构成示意

3 项目客流特点对速度目标值选择的影响

北京至兰州通道是国家“中长期铁路网规划(2016—2030)”规划的跨区域高速铁路通道之一，主要承担西北四省区与京津冀、东北部分旅客交流，宁夏与京津冀北部、东北主要旅客交流，蒙西及晋北与西北地区主要旅客交流，以及沿线经济区内城际客流。全线客流总体呈现出两端较大，中间跨自治区地段较低的状态，研究年度包银铁路通道区段客流密度详见表1。该项目既服务于长途跨线客流，又服务于区际城际客流，一般而言，客流随速度目标值的提高而增加。新建包银铁路共设车站14座，平均站间距为41.3 km，最大站间距为61.7 km，站间距较大支持较高速度目标值。因此，为满足乘客安全、舒适、快捷的交通需求，最大限度地吸引客流和构筑中心城市时间圈的要求，速度目标值不宜低于250 km/h。

表1 研究年度包银铁路通道区段客流密度 万人

4 通道相邻线路建设标准对速度目标值选择的影响

为了成段成网形成互联互通，更好地发挥优势、提高运输效率效益，需要统筹考虑京兰高铁客运通道及关联径路已投产及在建项目的建设标准，包银铁路速度目标值应与通道标准相协调。

4.1 既有普速铁路概况

通道内既有普速铁路主要有包兰铁路，该铁路包头至惠农段线路长度409 km，线路允许速度为120～140 km/h，惠农至银川段线路长度99 km，线路允许速度为200 km/h[5]，现状客车平均旅行速度最快87.6 km/h，最慢69.6 km/h。银川地区旅客出行经包兰铁路至北京线路长度1 332 km，最快需要运行15 h 18 min，银川—包头线路长度508 km，最快需要运行5 h 56 min；乌海—北京线路长度1 185 km，最快需要运行13 h 12 min，乌海—包头线路长度361 km，最快需要运行3 h 42 min；临河—北京线路长度1 041 km，最快需要运行11 h 33 min；旅客列车旅行速度低、服务质量差，不利于沿线经济的发展。

4.2 通道内相邻线路速度目标值分析

研究年度京兰高速铁路通道除利用既有集包线呼和浩特至包头段线路长度173 km、运行速度为200 km/h外[6]，在建京张铁路线路长度174 km、张呼铁路线路长度286.8 km，均采用250 km/h速度目标值，仅有京张铁路北京至崇礼段线路长度约50 km、采用250 km/h以上速度目标值。另外，相邻路网的银西客专及规划包西客专等均采用250 km/h及以上速度目标值[7-9]，因此，考虑与通道其他线路及相邻路网建设标准的协调性，新建包银铁路速度目标值宜为250 km/h及以上。

4.3 不同速度目标值时分分析

根据中长期铁路网规划修编的布局方案，包头至银川铁路定位为跨区域高速铁路，规划目标为形成连通省会级城市的高速通达网络，因此速度目标值应满足通道客流的快捷出行要求。结合包银铁路在路网中的地理位置与吸引范围，同比国内主要省会城市至北京的直达时间一般在8h左右，本项目采用250 km/h及以上速度目标值，则兰州、银川经本线至京津地区8 h、6 h可到达，详见表2，因此，从整个路网角度看，包银铁路宜采用250 km/h及以上的速度目标值。

表2 区域间直达列车旅行时间 h

5 速度目标值的综合技术经济分析

综合上述分析，结合我国高速铁路建设标准及实际情况，包银铁路速度目标值选择应包括250、300 km/h和350 km/h三个方案。综合考虑沿线地形条件、不同速度目标值对线下基础设施工程投资的影响、投资节时效果、效益评价等因素，速度目标值方案补充了250 km/h平面预留300 km/h和250 km/h工程预留350 km/h两个比选方案。

根据项目前期研究成果，采用300 km/h方案较350 km/h方案，在技术标准、工程方案上差异不大，投资基本相当；因此，结合京包兰通道线路技术标准，重点对250、250 km/h平面预留300、250 km/h工程预留350 km/h和350 km/h等四个速度目标值方案进行比选论证[10-11]。

5.1 不同速度目标值线路方案说明

包银铁路主要位于河套平原，地势相对平坦，线路平、纵断面采用较高标准能够适应沿线地形条件，故4个速度目标值方案线路平面差别不大，局部地段受外部因素控制，平面曲线存在进一步提速受限的情况，但最低速度也可达到250 km/h。

5.2 不同速度目标值主要工程分析

主要技术标准随着速度目标值的提高而相应提高，主要体现在线间距加大，最小曲线半径加大。此外，轨道结构类型、隧道断面积、桥梁梁型、路基填筑及沉降控制标准等线下基础设施工程也都随速度目标值的不同而发生变化。250 km/h工程预留350 km/h与350 km/h方案主要差别在路基工程上[12-13]。

5.2.1 轨道工程

有砟轨道对路基、桥梁工后沉降要求低，建设费用低、破坏时修复时间短，但有砟轨道运营期间养护维修频繁、总费用高；无砟轨道对路基、桥梁工后沉降要求高，建设成本高，对下部基础沉降适应性差，运营期间养护维修少、总费用低，但一旦发生了破坏，养护维修难。结合国内外实验、运营经验以及在建银西铁路技术标准等情况[14]，本次研究250、250 km/h平面预留300、250 km/h工程预留350 km/h三个方案采用有砟轨道，350 km/h方案采用无砟轨道参与比较。

5.2.2 桥梁及隧道工程

桥梁地段一般受承载力控制，基础费用增加不多，梁部费用无砟轨道较有砟轨道有所增加，沉降标准不同使无砟轨道和有砟轨道的路桥分界高度有较大不同，从而使桥梁比重明显上升。结合沿线交叉跨越控制点、重点征拆、地形、地质等因素合理设置桥梁的情况，全线无砟轨道方案桥梁长度较有砟轨道方案增加13.84%，对工程投资影响较大。

影响隧道工程主要因素是轨面以上净空有效面积，250 km/h速度目标值方案约为90 m2，其余方案约为100 m2，隧道断面大小影响工程投资。

5.2.3 路基工程

不同速度目标值在路基设计方面的差异主要体现在路基面宽度、基床填料和沉降控制标准方面，从而影响工程投资。

不同的沉降标准对路基工程的最大影响体现在地基处理措施的方法和深度上。无砟轨道铁路需对所有土质路基，包括风化呈土状的岩石地基进行沉降分析，对软土地基和深层软土地基，无砟轨道一般采用CFG桩桩网复合地基或螺杆桩等刚性桩加固。有砟轨道对地质条件良好的地基一般不需进行沉降分析，对软土地基和深层软土地基，一般采用搅拌桩、旋喷桩、CFG桩桩网复合地基或螺杆桩加固。无砟轨道的处理措施更强、处理深度更深，费用更昂贵。

5.3 不同速度目标值投资及经济效益分析

5.3.1 不同速度目标值投资等分析

不同速度目标值方案投资等综合比较详见表3。

表3 不同速度目标值方案综合比较

从表3可以看出，250 km/h平面预留300、250 km/h工程预留350、350 km/h分别较250 km/h投资增加2.79亿元、12.87亿元、90.51亿元。经测算，为防止提速后道砟飞砟，250 km/h工程预留350 km/h方案，远期轨道部分还需追加投资约13.38亿元。包头至银川段350 km/h比250 km/h方案节省32 min，较250 km/h方案投资节时比为28 284万元/min，效果不明显。350 km/h方案采用无砟轨道工程投资最高，较250 km/h方案增加36.34亿元。从节省时分看，尤其京兰高速铁路通道中，兰州至北京和银川至北京时间差值更加不明显，从旅客出行总时间角度分析，350 km/h较250 km/h方案旅客平均出行时间节省6.3%，由此可见，效果并不明显[15-17]。

5.3.2 不同速度目标值的经济效益分析

经济效益最大化，是铁路企业运营管理的最核心问题；本次研究从国民经济效益角度，对不同速度目标值方案运营成本、旅行时间节约价值、转移旅客运输费用等经济要素进行分析。

从运量预测对速度的敏感性来看，客流随速度目标值的提高而增加，同时按成本构成要素分析速度对运输成本来看，能耗是运营成本增加的主要因素。从国民经济效益来看，随着速度目标值的提高，旅客在途时间缩短，相应地节约旅行时间价值，且由于客流从公路和航空转移至铁路运输，综合单位运输成本降低，从而引起整个社会运输成本的降低。经济净现值与速度目标值关系见表4。

表4 经济净现值与速度目标值关系

由表4可见，250 km/h方案与250 km/h平面预留300 km/h方案经济净现值基本相当，250 km/h较250 km/h工程预留350 km/h方案经济效益略差，350 km/h方案经济效益最差。

6 结论

6.1 路网匹配方面

根据前述分析，京兰铁路通道除既有集包线呼包段为200 km/h外，其余段落大部分是250 km/h，从通道上看，本线采用250 km/h速度目标值是适宜的。

6.2 运行时分方面

根据前述分析，包银铁路采用250、300、350 km/h方案均能实现兰州至北京8 h以内，银川至北京6 h以内，结合通道速度目标值情况，本线采用250 km/h速度方案是适宜的。

6.3 投资及效益方面

350 km/h方案较250 km/h方案增加投资约90.51亿元，初期投资较大，经济效益较差。250 km/h工程预留350 km/h方案虽然经济效益略好，但初期投资比250 km/h方案增加12.87亿元，且远期提速需追加轨道固结费用13.38亿元，远期提速后较250 km/h方案节约的时分在京兰高速通道中对于兰州至北京、银川至北京的旅客，平均出行时间节省6.3%，时间差值不明显[18-20]。250 km/h方案与250 km/h平面预留300 km/h方案经济净现值基本相当，但250 km/h方案较250 km/h平面预留300 km/h方案初期投资节省2.79亿元，有利于缓解初期建设投资压力。

综合以上分析，采用宏观定性分析与翔实工程方案定量计算相结合的研究方法，确定的包银铁路采用250 km/h速度目标值方案符合项目功能定位，适应跨线及沿线客流特点，与衔接的京张、呼张、规划银兰等铁路标准协调匹配，工程投资最省，经济效益较好。对于客运专线铁路的相关研究具有较高的借鉴价值。