焦柳铁路超限坡区间扩能改造方案研究

张国虎

(中铁第六勘察设计院集团有限公司 线路站场设计院，天津 300308)

1 焦柳铁路超限坡区间扩能改造方案分析

焦柳铁路(焦作—柳州)起于河南省焦作月山站，止于广西柳州南站，全长1 636.33 km，是我国中西部地区重要的南北铁路干线，是南北客货交流的重要通道之一，是一条以货为主、兼顾客运的路网干线铁路。焦柳铁路怀化至柳州段属于焦柳铁路末端，为国铁I级标准[1]单线铁路，牵引质量为3 000 t，内燃机车牵引。为更好地与路网内主要铁路技术标准相匹配，需要对焦柳铁路怀化至柳州段进行电气化扩能及提速改造[2]，其限制坡度采用6‰，牵引质量提高至4 000 t (普超4 500 t)。

牙屯堡(K1373+904)至八斗(K1403+518.8)区间作为焦柳铁路怀化至柳州段的超限坡地段，是焦柳铁路怀化至柳州段电气化扩能改造的控制工程。该区间坡度均大于限制坡度6‰。其中，下行方向最大坡度为9.3‰，上行方向最大坡度为11.9‰，超限坡地段高程差为230.5 m[3]。超限坡对列车运行速度和线路输送能力均有很大影响[4]，对于单线铁路，超限坡地段列车运行速度降低，增大铁路运行图周期，因而影响线路的平图能力。为满足焦柳铁路怀化至柳州段电气化扩能的需求，提高超限坡地段列车运行速度[5]，必须采取合理可行的超限坡地段扩能改造方案，以克服超限坡的影响。

为解决焦柳铁路怀化至柳州段牙屯堡至八斗超限坡区间问题，提出既有线补机牵引方案(方案I)、既有线大功率机车动能闯坡方案(方案II)、展线软化坡度方案(方案III)及局部增二线方案(方案IV) 4个扩能改造方案，并通过限制坡度与机车选型匹配性分析、方案工程技术经济比较和方案优缺点分析进行综合评价[6-7]。

（1）方案I。牙屯堡至八斗区间既有线路长度29.615 km，包含水团、三江县两座车站，桥梁16座(有效长1.952 km)，隧道29座(有效长13.033 km)。方案I维持既有线路平面和纵断面，超限坡地段采用双机牵引，在八斗站设置补机点，牙屯堡站折返，由于区间既有坡度最大达到11.3‰，故双机牵引坡度按12‰考虑。

（2）方案II。同方案I一样，既有线路长度29.615 km，维持既有线路平面和纵断面。但方案II对超限坡地段进行牵引计算分析，采用大功率机车动能闯坡的方式跨越超限坡。采用动能坡原则上闯过坡顶速度应不低于机车计算速度。但由于受气象变化(暴风雨、大雾、严寒冰冻等)、司机操作或列车调度不当及线路维修需要减速等原因，常易造成列车运行缓慢或中途停车事故，一般不轻易采用动能闯坡。

（3）方案III。由于牙屯堡至八斗区间线路穿行于山区之间，地形条件复杂，桥隧相连，不具备沿既有线位落坡条件，因而考虑采用展线方式克服超限坡的高程差，限制坡度采用6‰。改建线路自既有铁路牙屯堡站大里程侧引出，沿既有线东侧林溪河一路顺应地形迂回展线，以6‰足坡下行最终接入八斗站。方案III展线正线全长39.366 km，废弃既有线长度29.018 km，沿线新设3座会让站，新建大中桥40座(有效长10.22 km)，新建隧道18座(有效长17.53 km)。

（4）方案IV。由于牙屯堡至八斗区间超限坡主要集中在上行方向，而下行方向超限坡较短且最大坡度为9.3‰，对牵引质量影响不大，故下行方向利用既有线，上行方向按新建二线考虑，限制坡度采用9‰。新建二线自既有铁路牙屯堡站大里程侧引出，基本并行既有线以9‰的坡度顺应地形展线后接入既有八斗站。方案IV下行方向超限坡地段可利用动能闯坡，上行方向增建二线正线全长29.178 km，取消2个会让站，新建大中桥16座(有效长3.20 km)，新建隧道16座(有效长18.88 km)。

2 焦柳铁路超限坡区间机车选型匹配性分析

机车牵引动力是受限制坡度影响因素之一，对铁路提高运能、减少工程投资、降低工程风险起到重要的作用。焦柳铁路提速改造牵引定数4 000 t (普超4 500 t)，机车选型需满足牵引4 500 t需求。目前，我国铁路主要以“和谐型”为代表的机车，逐步实现机车大功率、交流化，提高货物列车运行速度至120 km/h。通过自主研发并运营的交－直－交型和谐电力机车主要有八轴轮轴功率9 600 kW的HXD1型机车、八轴轮轴功率10 000 kW的HXD2型机车、六轴轮轴功率9 600 kW的HXD1B(HXD2B、HXD3B)型机车、六轴轮轴功率7 200 kW的HXD3(HXD1C、HXD2C、HXD3C)型机车。从满足运输需求出发，结合焦柳铁路超限坡区间扩能改造4个方案中不同限制坡度进行机车选型合理匹配性分析。

2.1 机车选型

（1）方案I。对于限制坡度6‰ (双机坡12‰)，HXD1、HXD2、HXD2B、HXD3B机力富余过大，不宜采用；HXD3、HXD1B、HXD1C(HXD2C/HXD3C)可以满足要求。研究年度内(初期2020年、近期2025年、远期2035年)区域路网货机以HXD3型机车为主，为实现长交路，提高机车运用效率，减少列车技术作业，有效缩短货物列车旅行时间，机车类型宜采用HXD3型机车。

（2）方案II。通过闯坡方式经过八斗至牙屯堡上行方向12‰的坡度，需要选取功率大、持续牵引力大的机车，比较分析选取单机牵引能力较大的HXD2型机车进行动能闯坡并进行模拟计算，运行模拟曲线结果。牙屯堡至八斗上行方向超限坡地段闯坡模拟计算运行模拟曲线如图1所示。

根据模拟计算曲线，牙屯堡至八斗上行方向闯坡地段技术速度为55.9 km/h，除起车、停车外，区间低于计算持续速度65 km/h的运行距离约为6 km，运行时间约为6.5 min，坡顶最低速度56 km/h。原则上，采用动能闯坡闯过坡顶速度需不低于计算速度，本方案采用HXD2型机车牵引4 500 t进行动能闯坡坡顶速度低于计算持续速度，故需进一步通过运营测试来确定采用HXD2型机车牵引4 500 t闯坡方案的合理性和可行性。

图1 牙屯堡至八斗上行方向超限坡地段闯坡模拟计算运行模拟曲线Fig.1 Curve of the simulated calculation of climbing slope on the over-limit slope section in the up direction

（3）方案III。限制坡度6‰，根据上述方案I分析，机车类型宜采用HXD3型机车。

（4）方案IV。新建二线平均坡度9‰，满足牵引4 500 t要求的机车有HXD1型机车、HXD2型机车、HXD3B型机车，结合机车购置成本考虑，机车类型宜采用HXD3B型机车。

2.2 限制坡度与机车选型匹配性分析

针对各方案机车选型进行牵引模拟计算，结合对超限坡地段扩能改造方案机车选型分析及牵引模拟计算结果可知：①各方案区间通过能力[8]均满足需求，远期富余量较少，能力趋于紧张。其中，方案I、方案III、方案IV均满足提速要求，但方案II采用大功率机车动能闯坡低于计算速度，无法达到提速的效果。②方案I、方案III采用HXD3型机车与全线限制坡度及路网适应性较强，方案II、方案IV分别采用HXD2和HXD3B型机车，存在机力虚糜情况，与焦柳铁路北段及相邻铁路限制坡度匹配及路网适应性较差，不便于运营管理。机车选型综合分析表如表1所示。

表1 机车选型综合分析表Tab.1 Comprehensive analysis on locomotive selection

3 焦柳铁路超限坡区间扩能方案比选

（1）方案I。优点：现状电气化扩能改造，施工工期短；土建工程投资无增加；总投资最少，较方案Ⅱ、方案III和方案IV分别节省6 608万元、130 328万元和126 081万元。缺点：需要增加列车摘、挂补机作业，降低运输效率；增加机车车辆购置费用及补机点运营成本；运营费现值(30年累计)投资最大，较方案Ⅱ、方案III和方案IV分别增加38 033万元、31 461万元和33 212万元。

（2）方案II。优点：现状电气化扩能改造，施工工期短；单机牵引，减少列车摘、挂补机作业，利于提高运输效率，同时节约补机点运营费用；土建工程投资无增加；运营费现值(30年累计)投资最少，较方案I、方案III和方案IV分别节省38 033万元、6 572万元和3 411万元。缺点：闯坡过程坡顶速度低于机车计算速度，需要进行温升校验；区域路网机车协调性差，增加机务检修工作及设备投资，不便于运营管理；对不良天气适应性差；机车车辆购置费投资最大，较方案I、方案III和方案IV分别增加44 641万元、53 641万元和26 393万元；。

（3）方案III。优点：单机牵引，减少列车摘、挂补机作业，使焦柳线怀化至柳州段牙屯堡至八斗区间限制坡度软化为6‰，利于提高运输效率；机车车辆购置费最小，较方案I、方案Ⅱ和方案IV分别节省9 000万元、53 641万元和27 248万元。缺点：新建39.366 km线路，土建工程费用较高，增加170 788万元；新建线路桥隧比70.5%，控制性工程多，施工工期长；总投资最大，较方案I、方案Ⅱ和方案IV分别增加130 328万元、123 720万元和4 247万元；车站数量及线路运营长度增加，导致运营成本随之增加。

（4）方案IV。优点：能够充分利用既有线，取消2个会让站，节省部分运营成本；单机牵引，减少列车摘、挂补机作业，利于提高运输效率，同时节约补机点运营费用。缺点：新建29.178 km线路，土建工程费用高，增加142 454万元；新建线路桥隧比75.7%，控制性工程多，施工工期长；线路运营长度增加，运营维护费用高；重车上行方向仍然需要使用9‰的坡度，区域路网机车协调性差；运营费现值(30年累计)、机车车辆购置费及总投资均较高。

综上所述，方案I虽然需要进行补机作业，但其无改建线路工程，现状电化扩能改造施工工期短，总的换算工程、运营费最节省，从改建工程量及工程投资角度分析，方案I为最优方案。方案III尽管工程总投资最大，但使焦柳线怀化至柳州段牙屯堡至八斗区间限制坡度软化为6‰，从焦柳铁路全线统一技术标准，减少铁路局负担、减少运营费用角度分析，方案III为最优方案。结合焦柳铁路怀化至柳州段电化扩能改造工程充分利用既有线、节约投资的特点，研究推荐方案I，即既有线补机牵引方案。随着运量增长情况，从远期规划角度，研究推荐方案III，即展线软化坡度方案。

4 结束语

既有线超限坡地段提速改造应结合路网内运输组织方案，综合考虑机车选型与限制坡度的合理匹配性及与路网的适应性，降低多机牵引技术复杂性。同时，应结合改建工程量、限速点集中情况、工程投资等因素综合分析确定超限坡的保留与改建。在实际工程当中，当软化坡度工程量不大，而且为统一全段机车台数，降低多机牵引技术复杂性，减少运营费用，提高运输效率，经综合分析后可采用展线方式进行超限坡坡度软化；当引起大型桥隧建筑物改建、长距离改线或其他巨大工程时，经过运营实践或牵引检算证明，货物列车利用动能闯坡速度不低于机车计算速度，可保留原有的超限坡度；对于既有线单线提速改造结合增建二线同时进行的，为了充分利用既有线节约投资，对既有超过限制坡度的地段，可作为单方向行车的下坡线。铁路既有线提速是我国铁路发展的重要方向之一，焦柳铁路超限坡区间扩能改造方案可以为单线铁路既有线提速改造方案提供借鉴。