黄 海
(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)
牙屯堡—八斗区段是焦柳铁路(焦作—柳州)怀化—柳州段的一个列车运行区段,位于湖南、贵州、广西交界处,区段长度为30 km,所处位置群山绵延,地表起伏大,地形条件复杂。牙屯堡站与八斗站的高程差为230.09 m,既有线路纵断面条件较差,区段限制坡度基本大于6‰,下行最大坡度为9.3‰,上行最大坡度为11.9‰[1],是焦柳铁路怀化—柳州段限制坡度最大的区段,牵引质量仅为3 800 t。由于该区段为超限坡地段,通过该区段列车需要加挂补机,采用双机牵引,是列车运行的瓶颈。同时,由于限制坡度影响,列车运行速度降低,区间运行时分增加,导致运行图周期较长,区间通过能力较小,成为焦柳铁路的能力瓶颈,影响我国中西部地区与东部沿海地区之间的交流,对区域经济发展产生不利影响。因此,焦柳铁路怀化—柳州段扩能改造需要研究合理可行的超限坡地段扩能改造方案,以提升列车在牙屯堡—八斗区段的运行速度和通过能力,满足焦柳铁路通道运输需要。
为了实现电气化铁路成网,提高列车运行速度,增强铁路市场竞争能力,焦柳铁路怀化—柳州段计划实施电气化改造,需要统一全线限制坡度,取消补机点。目前焦柳铁路怀化—柳州段采用内燃机车牵引,考虑线路功能定位、线路条件、运输需求及运输安全等方面的因素,针对牙屯堡—八斗补机区段限制坡度,提出4 个限制坡度方案[2]。
(1)方案I:维持既有限制坡度,采用补机牵引方案。牙屯堡—八斗区段维持既有线路平面和纵断面,车站位置维持不变,仅对线路进行电气化改造。牙屯堡—八斗区段继续采用双机牵引,保留牙屯堡站的补机点,在牙屯堡站和八斗站进行摘、挂补机作业。
(2)方案II:维持既有限制坡度,采用大功率机车单机牵引方案。牙屯堡至八斗区段维持既有线路平面和纵断面,车站位置维持不变,仅对线路进行电气化改造。全线采用大功率机车单机牵引,在本段采用动能闯坡方式通过,取消牙屯堡站的补机点。
(3)方案III:软化坡度并采用单机牵引方案。根据线路所处区域的地形地貌特征,将线路的坡度软化至6‰,取消牙屯堡站的补机点。该方案需要改建线路,自牙屯堡站里程较大端引出,沿既有线东侧布置迂回展线,将限制坡度降至6‰,接入八斗站。改建线路正线全长39.366 km。沿线新建水团站、新寨站及平坦站3 座会让站;新建大、中型桥梁40 座,总长10.22 km;新建隧道18 座,总长17.53 km。同时,取消牙屯堡补机点,全线采用单机牵引。
(4)方案Ⅳ:局部增建二线,采用大功率机车单机牵引。根据目前大功率机车在9‰坡度上可以满足牵引4 000 t 列车的条件,保留原有线路(最大坡度为9.3‰)作为下行线,新建上行线(限制坡度为9‰),采用大功率机车单机牵引。新建上行线自牙屯堡里程较大端引出,与既有线路基本平行,接入八斗站。改建线路正线全长29.178 km,新建大、中型桥梁16座,总长3.20 km,新建隧道16座,总长18.88 km。新建线路无新建车站,取消既有的水团站和江头站2 座会让站。
牙屯堡—八斗区段限制坡度方案III、Ⅳ示意图如图1 所示[2]。
我国采用“交—直—交”传动方式的和谐型电力机车主要有HXD1 (8 轴,轮轴功率9 600 kW),HXD2 (8 轴,轮轴功率10 000 kW),HXD1B/HXD2B/HXD3B (6 轴,轮轴功率9 600 kW),HXD3/HXD1C/HXD2C/HXD3C (6 轴,轮轴功率7 200 kW)[3]。焦柳铁路怀化—柳州段车站到发线有效长为850 m,采用的机车需要满足牵引4 500 t 列车的要求,据此为各限制坡度解决方案选定合理的机车型号。
(1)方案I。当限制坡度为6‰ (双机坡12‰)时,HXD1,HXD2,HXD2B,HXD3B 机车的牵引能力过大,与该区段运行的列车质量不匹配。HXD3,HXD1B,HXD1C/HXD2C/HXD3C 可以满足该区段列车牵引的要求。区域路网货运机车以HXD3 型为主,为了实现长交路,提高机车运用效率,减少列车技术作业,缩短货物列车旅行时间,焦柳铁路怀化—柳州段机车宜采用HXD3 型。
(2)方案II。根据各型号机车在不同坡度下的牵引质量特性,HXD1,HXD2,HXD2B,HXD3B,HXD3,HXD1B,HXD1C/HXD2C/HXD3C 均不能满足在12‰的坡度上牵引4 500 t 列车的要求。因此,需要利用大功率机车单机,通过闯坡方式通过八斗—牙屯堡12‰的坡度,应选取机车功率和持续牵引力较大的机车。通过比较分析,选取HXD2 型机车在八斗—牙屯堡超限制坡度地段进行动能闯坡模拟计算。根据模拟计算可知,在闯坡地段,牙屯堡—八斗上行技术速度为55.9 km/h,不考虑列车起动、停车过程,区间低于持续速度65 km/h 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。模拟计算结果表明,采用大功率机车单机牵引可以以动能闯坡的方式通过超限制坡度段,但是机车低于持续速度运行时间较长,不利于发动机散热[4]。总体而言,该方案基本可行,推荐采用HXD2 型机车。
(3)方案III。该方案将区段的限制坡度降低至6‰。HXD3,HXD1B,HXD1C/HXD2C/HXD3C 型机车可以满足牵引4 500 t 列车的要求。考虑到区域路网货运机车以HXD3 型机车为主,为实现长交路,推荐采用HXD3 型机车。
(4)方案Ⅳ。该方案的限制坡度9‰,考虑曲线及附加阻力,满足牵引4 500 t 要求的机车有HXD1,HXD2,HXD3B,结合机车购置成本考虑,推荐采用HXD3B 型机车。
图1 牙屯堡—八斗区段限制坡度方案III、Ⅳ示意图Fig.1 Ruling gradient solution III, IV of Yatunbao to Badou section
焦柳线怀柳段经柳州枢纽衔接主要线路有湘桂铁路(衡阳—凭祥)衡阳—柳州段、柳州—南宁段,黔桂铁路(龙里—柳州)洛满—柳州段等线路,其限制坡度主要为6‰,少数为13‰。焦柳铁路怀化—柳州段与湘桂铁路柳州—南宁段及黎湛铁路(黎塘—湛江),构成中西部地区通向华南深水港口的重要出海运输通道,该通道限制坡度均为6‰。考虑牙屯堡—八斗区段与这些相邻线路限制坡度相协调[5],而方案I、方案II、方案Ⅳ的限制坡度与这些相邻线路主要运输通道限制坡度差异较大,开行直达、直通货物列车需要摘、挂补机,机车的牵引能力存在较大浪费,而方案III的限制坡度与相邻线路的主要运输通道限制坡度一致,有利于组织开行直达、直通列车,可以避免机车牵引能力的浪费。
结合焦柳铁路客、货运输市场趋势,预测焦柳铁路怀化—柳州段客货能力。在客运方面,旅客列车预测对数分别为初期(2025 年) 6 对/d,近期(2030 年) 7 对/d 和远期(2040 年) 10 对/d;在货运方面,上行为重车方向,初期1 950 万t/a,近期2 061 万t/a,远期2 170 万t/a[1]。根据怀化—柳州段客货运量预测,牙屯堡—八斗区段远期需要通过能力为43.5 对/d。依据牵引计算结果,方案I 中,列车需要摘、挂补机,运行时间较长;方案II 中,列车会因为动能闯坡而增加运行时间;方案III 列车会因列车需要在展线上迂回降坡而增加运行时间。牙屯堡—八斗区段平行运行图通过能力如表1 所示。
表1 牙屯堡—八斗区段平行运行图通过能力 对/dTab.1 Carrying capacity of the section with parallel train working diagram
由表1 可知,方案I,II,III 的平行运行图通过能力接近,方案Ⅳ通过局部增建二线的方式,提高了线路的通过能力,各方案均可满足预测运量要求,方案Ⅳ能力富余更充分,对将来列车对数增长趋势的适应性更好。
焦柳铁路怀化—柳州段旅客列车最高运行速度为120 km/h,货物列车最高运行速度为80 km/h,通过牵引模拟计算可知,方案I、方案III、方案Ⅳ列车均可以正常通过。方案II 采用HXD2 型机车,在八斗—牙屯堡区段需要采用动能闯坡方式通过,而采用动能闯坡方式闯过坡顶的速度不能低于计算速度。但是,根据HXD2 机车牵引4 500 t 列车动能闯坡的模拟计算结果,方案II 列车在坡顶的最低速度为56 km/h,低于机车的持续速度。由于气象变化(如暴风雨、大雾、严寒冰冻)、司机操作、列车调度不当和线路大修等原因,列车在区间需要限速运行,如果列车运行速度不能达到持续速度的要求,则需要减轴运行,否则容易发生列车中途停车事故,因而方案II 在恶劣天气等情况下不利于运营安全[6]。
根据焦柳铁路客、货运量预测,结合八斗—牙屯堡区段各限制坡度方案,从土建工程费、机车购置费及运营费用等方面,按照30 a 折现考虑,计算方案I、方案II、方案III、方案Ⅳ在30 a 内换算总费用[7],分别为193 079 万元、199 710 万元、334 191 万元、313 575 万元。牙屯堡—八斗区段限制坡度方案总费用分析表如表2 所示。
表2 牙屯堡—八斗区段限制坡度方案总费用分析表Tab.2 Project investment of each ruling gradient solution
(1)方案I。该方案可以有效地控制工程规模,节省投资,施工技术简单,施工工期短,机车路网适应匹配性强。但是该方案的运营费达到10.8 亿元,是各方案中运营费用最高的。同时,该方案需要进行大量的列车摘、挂补机作业,运输效率较低,机车购置费用及补机点运营成本。
(2)方案II。该方案的优点与方案I 相同。此外,该方案的运营费用较少。采用单机牵引,作业环节较少,运输组织效率较高。该方案不需要使用补机,运营费用较低。但是,由于该方案需要采用大功率机车牵引,机车车辆购置费为12.8 亿元,在各方案中最高。同时,该方案采用动能闯坡时,列车运行速度低于机车持续速度,需要进行温升校验,而且对不良天气的适应性差。该方案选用的机车与区域路网的机车不同,不利于采用长交路,机务检修设备投资较大,也不利于提高机务检修效率,不便于运营管理。
(3)方案III。该方案由于限制坡度降低明显,机车车辆购置费为7.5 亿元,是各方案中投资最小的。采用单机牵引,不需要进行列车摘、挂补机作业,有利于提高运输效率。因此,该方案可以明显节约补机购置费及补机点运营费。但是,该方案需要新建39.366 km 线路,车站数量最多,线路运营长度最长,且桥隧比高达70.5%,控制性工程多,施工工期长,总投资为31.9 亿元,是各方案中工程建设投资最高的。
(4)方案Ⅳ。该方案最明显的优点是充分利用既有线路增建双线,明显提升了线路的通过能力,取消了2 个会让站,降低运营成本。同时,该方案采用单机牵引,减少作业环节,提高运输组织效率,节约补机购置费和补机点运营费用。但是,该方案需要新建29.178 km 线路,投资14.2 亿元,桥隧比高达75.7%,控制性工程多,施工工期长。同时,线路运营长度增加,运营维护费用高。该方案采用的机车与区域路网机车不同,协调性差,还需要增加机务检修工装设备投资,不利于提高机务检修效率,不便于运营管理。
经综合比选,焦柳铁路牙屯堡—八斗区段限制坡度方案推荐采用方案I,即维持既有限制坡度采用补机牵引方案。
既有线扩能改造项目中,采用合理的限制坡度解决方案可以提高我国既有线运输组织效率。在既有线扩能改造中,应以满足运输需求为前提,以机车等移动设备与站前工程固定设备的匹配作为方案研究出发点,以减少站前工程为目标,综合考虑工程费用、运营费用、运输组织等因素选取限制坡度方案[8]。随着我国机车制造水平不断提高,功率更大、运行速度更快的机车将大量投入使用,在坡度较大的山区铁路上可以有效地提高牵引质量、提升运输效率。另外,还应进一步发挥新型大功率机车的作用,以减少限制坡度工程投资。