蒙古国北部矿区铁路主要技术标准研究

王 群 赵金顺 栗 伟 赵 娜

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院，山东济南 250000；2.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100071)

1 概述

铁路主要技术标准不仅影响铁路的运输能力、运输效率，而且对工程投资的规模及经济效益也有重要影响[2，6]。在中国，对适合本国铁路建设技术标准的研究较多，已形成一套适用于标准轨距(1435 mm)的规范，可满足本国铁路网络运营管理要求。伴随着“一带一路”建设进程的不断加快，中国铁路优质的基础设施及技术服务在国际上得到越来越多国家的认可，这也给中国企业提供了越来越多的走出国门参与国外铁路建设的机会。不同国家对于铁路建设要求各异，技术标准也多种多样，如越南、菲律宾、泰国、柬埔寨等国家多采用米轨[7]或窄轨，欧洲国家则采用宽轨[12]。因此，国外铁路项目技术标准的确定需要结合项目所在国的实际情况，对项目等级、轴重、速度目标值、最小曲线半径、限制坡度等进行综合分析，采用的技术标准需符合所在国国情及远期发展目标，满足运输要求并力求经济合理。以蒙古国北部矿区铁路项目为例，结合蒙古国国情及既有铁路情况，对新建项目的技术标准进行研究。

1.1 地理位置

本项目位于蒙古国北部，西起库苏古勒省khalban县的敖包特煤矿，经库苏古勒省、布尔干省至鄂尔浑省额尔登特市既有铁路的额尔登特车站，新建正线长约547.7 km。沿线经过地区地势西高东低，高程为1 200～1 900 m。沿线可分为3个较大的地貌单元，分别为平原、低山丘陵、山间河谷阶地，地表分布第四系全新统冲洪积砂类土及粉质黏土，之下为第四系上更新统冲洪积砂类土(主要为粗砂、砾砂，其次为粉细砂)、细圆砾土，河谷平原和湖泊附近分布有粉质黏土及黏土等，下伏基岩为玄武岩和花岗岩，以及泥岩、砂岩、砾岩、片麻岩等。沿线河流主要为Selenge river及其支流，Selenge river河面宽30～60 m，水深0.5～3 m，局部地段流速较大。地下水主要为第四系孔隙水，分布于圆砾土和砂类土层中，埋藏深度变化较大。沿线不良地质主要有崩塌落石、雪害、滑坡等，特殊岩土主要包括永久性冻土及季节性冻土、软土等。

1.2 项目背景

本项目建设近期目标为服务于蒙古国敖包特煤矿和HC铁矿(位于木伦市北约60 km处)，主要承担两矿区的外运业务；远期目标为促进沿线矿产资源开发，推动沿线地区采矿业和运输业发展。本线为服务于敖包特煤矿和HurenChuulut铁矿的铁路专用线，根据运量预测，本线近、远期最大货流密度均为1 500万t，通勤列车1对/d，远景输送能力达到3 000万t，通勤列车2对/d。

该项目初步计划由中国企业与蒙古国北方铁路公司合资建设。为便于货物在蒙古国境内的运输，业主提出了几点要求：(1)设计线路轨距采用宽轨(1 520 mm)，与蒙古国既有轨距保持一致；(2)运输功能为货运专用铁路；(3)技术标准不能照搬中国标准轨的规范，并尽可能降低工程造价。

1.3 相邻线路主要技术标准

蒙古国境内与本项目相邻铁路的现状及规划主要技术标准见表1。

2 主要技术标准的研究及选择

技术标准不仅影响铁路运输能力、运输效率，而且对工程投资、项目效益、工程可实施性有着重要的影响。国内尚无宽轨铁路的设计标准，本项目的技术标准需要综合考虑项目的具体情况确定[16]。

2.1 正线数目

依据国内外运营经验，牵引质量5 000 t的单线铁路输送能力可达3 500万t，牵引质量10 000 t的单线铁路输送能力可达7 000万t，均可满足本线的近、远期及远景运量要求，故正线数目按单线设计。

表1 相邻线铁路主要技术标准

2.2 轴重

本线主要运输大宗重质货物(煤炭和铁矿石)，宜采用较大轴重。相邻线额尔登特支线以及乌兰巴托干线目前均采用轴重21 t以下的运输标准，线路条件未达到重载标准，未来扩能改造技术标准尚未定论。因此，为避免过大轴重引起较大工程投资，本线设计轴重为25 t(线下条件)，车辆选型暂按21～23 t轴重考虑。

2.3 速度目标值及最小曲线半径

(1)速度目标值

速度目标值应符合项目定位。国际上重载铁路最高运行速度通常在80 km/h以内，见表2。

从机车车辆构造速度来看，轴重21～23 t车辆构造速度均在100 km/h及以上，考虑远期发展，本次研究速度目标值按100 km/h考虑。

表2 国际上重载铁路技术标准

(2)最小曲线半径

最小曲线半径与设计速度、地形条件及养护维修等多种因素有关[3]，本项目为货运专用线，最小半径的选择主要考虑满足列车最高行车速度、内外轨均磨要求及工程经济性。车辆在曲线地段行驶时存在离心力，为平衡离心力，提高线路稳定性及安全性，需要设置外轨超高[1]，超高计算公式[8，12，15]为

(1)

式(1)中，g—重力加速度/(9.81 m/s2)；h—曲线外轨超高；S—两钢轨之间中线之间距离/mm，轨距为1 520 mm时，取S=1 600 mm；V—列车通过速度/(km/h)；R—圆曲线半径/m。

利用式(1)，可以得出满足要求的最小曲线半径计算公式。

满足列车最高行车速度要求的最小曲线半径

(2)

式(2)中，Vmax—列车最高行车速度；hmax—最大超高值/mm；hqy—欠超高允许值/mm。

满足内外轨磨耗条件要求的最小曲线半径

(3)

式(3)中，Vmax—列车最高行车速度；VD—列车低速行车速度，本项目取80 km/h、60 km/h、50 km/h、40 km/h、30 km/h；hgy—过超高允许值/mm；hqy—欠超高允许值/mm。通过对超高的取值计算，参照国内外取值经验，本项目对超高取值为：hmax取值为150 mm；hqy一般取60 mm，困难条件取85 mm；hgy一般取40 mm，困难条件取60 mm。

带入式(2)，计算结果为：R一般值为599.5 m，困难值为535.7 m。

带入式(3)，计算结果为：R一般值为1145.7 m，困难值为790.1 m。

从工程经济性方面分析，可利用最小曲线半径(600 m)的地段为CK465+3 000～CK472+000，对该地段按600 m曲线半径进行展线，可用的曲线半径个数为8，较采用800 m半径可减少土石方数量约40 550 m3，减少边坡防护费用约409万元，共计减少490.1万元，但是线路长度增长约0.15 km，估算费用增加270万元，故采用600 m曲线半径较800 m曲线半径可减少费用约220.1万元。

综合以上分析，本项目最小曲线半径采用800 m。

2.4 限制坡度与牵引质量

蒙古铁路现状敞车平均质量为23 t，平均净质量为65 t。根据目前沙尔赫特-额尔登特支线到发线有效长，每条线可容纳58～63辆车，支线铁路通常30辆车为一整列，然后至乌兰巴托铁路干线两列组合为一列，即支线牵引质量为2 500～3 000 t，干线牵引质量为5 000～6 000 t。现以2 500 t/3 000 t为基础牵引质量，在不同限制坡度条件下，对不同限坡方案进行工程运营费比较[9]。

根据沿线地形类别、自然坡度等因素[5]，结合运输能力，重点研究了双机牵引9 000 t/9‰的限坡方案，双机牵引6 000 t/12‰的限坡方案，双机牵引9 000 t/9‰、局部三机12‰的限坡方案，双机牵引9 000 t/9‰与9 000 t/18‰均衡坡方案(见表3)。

表3 主要工程数量及投资比较

(1)从工程投资角度分析

双机牵引9 000 t/9‰的限坡方案工程运营费较双机牵引6 000 t/12‰的限坡方案节省34 808.6万元，较双机牵引9 000 t/9‰、局部三机12‰的限坡方案节省18 131.1万元，较双机牵引9 000 t/9‰、9 000 t/18‰均衡坡的限坡方案节省4 165.1万元。可以看出，双机牵引9 000 t/9‰的限坡方案工程投资最省，对坡度适应性较好。

(2)从工程规模及实施的难易角度分析

双机牵引9 000 t/9‰限坡方案的桥隧比为6.8%，其中最长特大桥约3.15 km，最长隧道约3.8 km；双机牵引6 000 t/12‰限坡方案的桥隧比为9.41%，其中最长特大桥6.065 km，最长隧道9.1 km；双机牵引9 000 t/9‰、局部三机12‰限坡方案的桥隧比为9.88%，其中最长特大桥5.95 km，最长隧道9.1 km；双机牵引9 000 t/9‰、9 000 t/18‰均衡坡限坡方案的桥隧比为7.1%，其中最长特大桥3.1 km，最长隧道3.7 km。可以看出，双机牵引9 000 t/9‰的限坡方案与双机牵引9 000 t/9‰、9 000 t/18‰均衡坡限坡方案工程规模相对较小，工程实施难度相对较好。

(3)从与周边路网相邻既有线协调性角度分析

周边路网相邻既有线的限制坡度为单机9‰，双机18‰，考虑远期既有线扩能改造的可能性，双机牵引9 000 t/9‰的限坡方案与周边路网协调性较好，便于远期路网运输组织的统一性。

综上所述，本次研究推荐双机牵引9 000 t/9‰的限坡方案。

2.5 机车类型

本次研究暂以中国标准轨机车类型为主要研究对象(见表4、表5)。

表4 主型内燃机车的主要特性

表5 限坡9‰条件下机车牵引质量 t

在9‰限坡条件下，HXN系列和GE Evolution机车双机牵引质量接近10 000 t列车标准，DF4D型机车虽为国内较大功率内燃机车，但其功率远远低于HXN系列机车，予以舍弃。中国HXN5机车与美国GE Evolution在功率及牵引力方面几乎相同。因此，本次着重研究HXN3型与HXN5型机车。

HXN3型机车是美国EMD(易安迪)与大连机车车辆有限公司联合设计制造的一款具有世界先进水平的货运机车。HXN5型机车由美国GE(通用电气)研制，通过技术转移的方式，由戚墅堰机车车辆厂制造，两款机车均具备三机重联功能，为目前国内外同类产品中技术先进、功率较大的节能环保型内燃机车，具有持续牵引力大、油耗低、排放低、速度快，耐久性高等一系列优点。

HXN型内燃机车均与美国合作，采用其生产的柴油机。蒙古国作为铁路机车纯进口国，本项目建议仍采用进口机车，具体车型可参考HXN系列机车。

2.6 到发线有效长度

为与相邻线匹配，本次车辆类型采用蒙古国铁路网现状使用的23 t轴重敞车，机车按HXN双机考虑，按照10 000 t标准系列编组。到发线有效长按照114辆编组设计。根据国内外铁路运营经验，万吨及以上重载列车停车附加距离按照列车长度的10%取值，故到发线有效长采用1 700 m较为适宜。

2.7 闭塞类型

本线为企业专用线，近、远期暂不开行客运列车，综合考虑蒙古国地广人稀的国情，以及两种闭塞设备的安全性和经济性，本次建议采用半自动闭塞。

3 主要技术标准推荐意见

正线数目：单线；

设计行车速度：100 km/h；

最小曲线半径：800 m；

限制坡度：9‰；

牵引种类：内燃；

机车类型：货机机车HXN系列；

牵引质量：10 000 t系列；

到发线有效长度：1 700 m；

闭塞方式：半自动闭塞；

建筑限界：1 520 mm轨距建筑限界。

4 结束语

技术标准确定对铁路项目建设意义重大，是一个系统工程[4]，在满足铁路运输安全、快捷的前提下，应尽可能赢得较好的经济与社会效益。本项目以功能定位为基础，以项目的实际情况为依据，结合蒙古国国情的特点和业主要求，对技术标准进行了详细的研究和技术经济比选，希望对国外其他铁路建设有一定的借鉴意义。