朔黄重载铁路局部区段扩能改造方案研究

尚培培

国能朔黄铁路发展有限责任公司，河北沧州 062350

朔黄铁路是我国西煤东运第二大通道（神府东胜煤田—黄骅港运煤专用铁路）的重要组成部分，全线总长594 km，属国家Ⅰ级干线、电气化重载铁路，已开通运营20余年［1］。朔黄铁路自开通运营以来运量逐年攀升，2020年全年货运总量达到3.46亿t，并提出进一步规模化开行1万t和2万t重载列车扩能改造方案，年运量将从3.5亿t提高至4.5亿t［2］。伴随着年运量大幅增加，部分区段通过能力偏紧、可停放2万t列车的车站站间距过大，部分车站咽喉区能力不足，到发线数量不足，山区小半径曲线过多，信号、联锁、闭塞设备老化等问题逐渐显现［3］。

本文针对解决朔黄铁路下行线谭家庄线路所—肃宁北站区间通过能力不足的问题，对该区间线路扩能改建方案及其控制性工程王佐下联特大桥上跨京九铁路、肃宁上联线的桥型方案进行比选，确定合理改扩建方案。

1 现状分析

1.1 区间及车站概况

朔黄铁路下行线谭家庄线路所—肃宁北站区间线路总长约2.5 km，跨京九铁路特大桥1座，桥梁全长2 117.4 m［4］。

谭家庄线路所位于朔黄铁路下行线K411+478处，设道岔2组、安全线1条，大里程端分别与朔黄铁路太师庄站、京九铁路王佐站相连，小里程端与朔黄铁路肃宁北站相连。

肃宁北站位于朔黄铁路与京九铁路交会处，车站中心里程为K406+571，按一级三场横列式布置，自北向南依次设有上行重车场、中间场和下行空车场［5］。站房位于南侧，站场东西长7.4 km，具备2万t列车接发条件。肃宁北站大里程端通过四条联络线分别与京九铁路肃宁站、王佐站相连，其中肃宁上联线直接从肃宁北站上行场引出，肃宁下联线直接引入肃宁北站下行空车场；王佐上联线经肃宁上联线上的柳科线路所引出，王佐下联线经谭家庄线路所接入朔黄铁路下行线后，再引入肃宁北站下行空车场。

1.2 区间存在的问题

在现行运输组织条件下谭家庄线路所—肃宁北站区间采用自动闭塞方式，货物列车平均追踪间隔时间为12.5 min。考虑到车流不均衡和不同方向车流运输组织的空费时间，利用率按90%计算，区间平图通过能力为97列/d。按照2021年朔黄铁路开行列车运行图，谭家庄线路所—肃宁北站区间每日实际安排开行列车黄骅南方向82列，王佐方向14列，通勤车1列，合计每日开行97列。由此可见，该区间通过能力已达到满负荷状态。随着朔黄铁路近远期运量进一步增长，该区间通过能力将无法满足运输要求。受该区间通过能力制约，谭家庄线路所与邻近京九铁路王佐站、朔黄铁路太师庄站间运输组织繁琐，黄骅南方向与王佐方向返回空车互相干扰，不仅造成通过能力浪费，而且增加车辆周转时间。综上所述，朔黄铁路下行线谭家庄线路所—肃宁北站区间亟待进行扩能改造，以提高运输能力。

2 改建线路走向方案

2.1 方案设计

为彻底解决谭家庄线路所—肃宁北站区间通过能力不足的问题，经研究确定取消谭家庄线路所，再新增一条引入肃宁北站下行空车场的平行进路，使王佐下联线与朔黄铁路下行线由目前的共线引入肃宁北站下行空车场改为利用平行进路分别引入肃宁北站下行空车场。考虑肃宁北站现状、工程特点、施工难点及技术措施，同时尽可能减少施工对运输的影响，拟定了两个改建线路走向方案，见图1。

图1 改建线路走向方案

1）改建王佐下联线方案（方案1）

取消谭家庄线路所，首先改建王佐下联线向西与朔黄铁路下行线并行，线间距18 m，然后采用半径700 m曲线上跨京九铁路、肃宁上联线，折向北跨越小白河后再采用半径500 m曲线与肃宁下联线并行，线间距25 m，最后采用半径500 m曲线引至肃宁北站下行场107#岔前。需对王佐下联线改线3.405 km，最大坡度5.5‰，进站前为5.9‰的下坡。该方案控制性工程为跨京九铁路特大桥，桥梁全长2 054.56 m，主跨上跨京九铁路、肃宁上联线时采用1×96 m钢-混凝土组合桁架梁。路基土石方量共计30.23万m3。该方案投资估算总额为20 398万元。

2）改建朔黄铁路下行线方案（方案2）

取消谭家庄线路所，将王佐下联线与既有朔黄铁路下行线相连，再取消既有101#道岔，将既有朔黄铁路下行线引至肃宁北站下行空车场107#岔前；同时改建朔黄铁路下行线，在朔黄铁路既有下行线南侧还建朔黄铁路下行线，与既有下行线并行，线间距18 m，再采用半径800 m曲线上跨京九铁路、肃宁上联线、肃宁下联线、小白河后，新建101#道岔，道岔直股与既有朔黄铁路下行线采用一对半径600 m反向曲线连接，侧股引至肃宁北站下行空车场103#岔前。该方案需对朔黄铁路下行线改线4.033 km。还建朔黄铁路下行线最大坡度5.0‰，进站前为8.1‰、0.8‰的下坡，进站信号机外紧急制动距离内进站方向为5.8‰的下坡。该方案控制性工程为跨京九铁路特大桥，桥梁全长2 192.5 m，主跨上跨京九铁路、肃宁上联线时采用1×72 m钢-混凝土组合桁架梁，上跨肃宁下联线时采用1×32 m预应力混凝土简支梁。路基土石方量共计37.30万m3。该方案投资估算总额为22 958万元。

2.2 方案比选

方案1的优点：①对朔黄铁路下行线影响较小；②方案1改建线路长度较方案2短0.628 km，投资较方案2少2 560万元；③方案1新征用地较方案2少5 653.33 m2；④方案1路基土石方较方案2减少7.07万m3；⑤对小白河水上公园无影响，征地拆迁难度较小。缺点：①线路上跨京九铁路、肃宁上联线时，改建王佐下联线采用的曲线半径（700 m）较小；②线路上跨京九铁路、肃宁上联线时，改建王佐下联线与其交角较小，需采用1×96 m钢-混凝土组合桁架梁进行上跨，跨度和施工难度均较大；③拆除谭家庄线路所进行改线施工时需采取过渡措施，以保证施工与运输两不误。

方案2的优点：①线路上跨京九铁路、肃宁上联线时，改建朔黄下行线采用的曲线半径（800 m）较大；②线路上跨京九铁路、肃宁上联线时，改建朔黄下行线与其交角较大，可采用1×72 m钢-混凝土组合桁架梁进行上跨，跨度和施工难度均较小；③改建朔黄下行线可先施工对既有线无干扰的相关工程，然后再进行线路拨接，无需进行施工过渡。缺点：①对朔黄铁路下行线影响较大，需对该下行线进行改线，改线长度较方案1长，新征用地、路基土石方和投资均较方案1多；②需侵占部分小白河水上公园，征地拆迁难度大。

综上所述，方案1对既有线影响较小，改建线路较短，新征用地、土石方和投资均较少，对小白河水上公园的影响较小，虽然施工难度较大，但可采取工程措施加以解决，故推荐方案1（改建王佐下联线方案）。

3 上跨京九铁路桥梁的桥型选择

3.1 方案设计

改建王佐下联线需上跨京九铁路、肃宁上联线。京九铁路为直线、线间距4.0 m的双线电气化铁路。肃宁上联线为半径800 m曲线、单线电气化铁路。由于改建线路大小里程端接轨点相距较近，且受朔黄铁路下行线和肃宁上联线位置影响，上跨位置不宜偏离既有线较远，宜选在京九铁路和肃宁上联线开始分开地段。改建线路与京九铁路、肃宁上联线交角均较小，路基高度3～4 m。根据线路条件、地形条件以及改建线路对既有线的影响，并结合以往设计及施工经验［6-8］，设计了矮塔斜拉桥、钢-混凝土组合桁架梁桥、预应力混凝土连续箱梁桥和简支T梁桥四种上跨京九铁路的桥型方案。梁底标高以高于京九铁路接触网承力索0.5 m为准，并考虑施工期间梁体下挠0.5 m，即梁底高于京九铁路接触网承力索1.0 m。

1）矮塔斜拉桥方案（方案Ⅰ）

该方案（图2，箭头表示转体方向）改建线路于CK1+513.60处跨越京九铁路，交角为48.3°；于CK1+552.57处跨越肃宁上联线，交角为34.6°。

图2 矮塔斜拉桥（单位：m）

桥梁主跨采用（60+110+60）m矮塔斜拉桥结构形式跨越京九铁路、肃宁上联线，全桥跨径组合为（11×32+3×24+3×32+60+110+60+16×32+2×24+21×32）m，桥全长2 039.79 m。斜拉桥采用转体施工，分别在京九铁路西北侧和肃宁上联线东南侧设置桥塔，平行于铁路施工。桥塔及主梁施工完毕后，在京九铁路、肃宁上联线天窗时间利用墩底转动球铰将独塔斜拉桥转至线位处。

2）钢-混凝土组合桁架梁桥方案（方案Ⅱ）

该方案（图3）改建线路于CK1+506.93处跨越京九铁路，交角为49°；于CK1+541.66处跨越肃宁上联线，交角为36°。

图3 钢-混凝土组合桁架梁桥方案（单位：m）

桥梁主跨采用1×96 m钢-混凝土组合桁架梁跨越京九铁路、肃宁上联线，全桥跨径组合为（3×32+3×24+13×32+1×96+41×32）m，桥全长2 054.56 m。主跨施工时首先在京九铁路、肃宁上联线外侧分别修建19#、20#桥墩，在京九铁路西北侧平行于铁路采用满堂支架法施工槽形梁，张拉预应力后槽形梁与钢桁架形成整体结构；然后修建移梁滑道跨越京九铁路、肃宁上联线，并将移梁滑道引至20#墩处；最后以19#墩为中心，利用移梁滑道将梁体平转至桥梁中轴线处，就位后再高位落梁。

3）预应力混凝土连续箱梁桥方案（方案Ⅲ）

该方案（图4）改建线路于CK1+516.94处跨越京九铁路，交角为48.5°；于CK1+562.46处跨越肃宁上联线，交角为32.3°。

图4 预应力混凝土连续箱梁桥方案（单位：m）

桥梁主跨采用（72+120+72）m预应力混凝土连续箱梁跨越京九铁路、肃宁上联线，全桥跨径组合为（10×32+4×24+3×32+72+120+72+38×32）m，桥全长2 048.60 m。

为了减小对既有线运营的影响，主跨采用转体施工。首先将连续箱梁分为两个（60+60）m的T构，分别设置于京九铁路西北侧和肃宁上联线东南侧，平行于铁路采用悬臂浇筑法进行施工。两个T构悬臂浇筑完成后，再利用京九铁路和肃宁上联线相同天窗时间将T构转体至桥位，之后浇筑连续梁中跨和边跨现浇段，最后对现浇段进行预应力张拉。

4）简支T梁桥方案（方案Ⅳ）

该方案（图5）改建线路于CK1+505.47处跨越京九铁路，交角为48.5°；于CK1+538.35处跨越肃宁上联线，交角为36.9°。桥梁采用简支梁跨越京九铁路、肃宁上联线，全桥跨径组合为（60×32+3×24）m，桥全长2 055.2 m。

图5 简支T梁桥方案（单位：m）

为了优化线路条件、降低施工难度，先在京九铁路和肃宁上联线两侧路基边坡填筑施工平台，施工桥墩和基础，然后利用天窗时间采用架桥机架梁。

3.2 方案比选

不同桥型方案优缺点对比见表1。

表1 不同桥型方案优缺点对比

由表1可知，虽然方案Ⅰ投资最高，但矮塔斜拉桥的梁高较低，梁跨较大、平衡转体施工安全系数高。方案Ⅱ不平衡转体施工安全系数较低；方案Ⅲ线路抬升高度较大，坡度大，远期反向运输适应性较差；方案Ⅳ对既有线影响较大。因此，改建王佐下联线跨越京九铁路、肃宁上联线时暂推荐方案Ⅰ，即矮塔斜拉桥方案。如不考虑反向运输需求，仅考虑煤炭空车返回，推荐采用方案Ⅲ。

4 运输能力与运输需求的适应性分析

根据国家能源集团及国能朔黄铁路发展有限责任公司“十四五”发展规划，对朔黄铁路煤炭运量进行了预测，初期（2025年）、近期（2030年）、远期（2040年）煤炭运量分别为38 200、40 700、42 700万t。

朔黄铁路货物列车运输采用普通列车、1万t列车、2万t列车混合运输模式［9-10］。基于朔黄铁路现行列车运行图，考虑朔黄铁路运量增长及各种货车的年输送能力，以优先开行1万t列车、2万t列车为原则，设计研究年度货物列车开行方案，见表2。可知，初期、近期、远期研究年度肃宁北站—黄骅南站区段开行列车分别为94列/d、99列/d、103列/d（各含通勤车1列），肃宁北站—王佐站区间返回空车均为15列/d，肃宁北站—肃宁站区间返回空车均为5列/d。本次改造不涉及肃宁北站—肃宁站区间，维持现状，其能力可满足运输需求。朔黄铁路下行线谭家庄线路所—肃宁北站区间扩能改造完成后，黄骅南站、王佐站和肃宁站方向下行货物列车通过各自进路返回肃宁北站，可避免返回空车互相干扰。改造后太师庄站—肃宁北站区间维持自动闭塞方式，参照朔黄铁路现行列车运行图中各类货物列车的追踪间隔时间，朔黄铁路货物列车追踪间隔时间取平均值12.5 min，太师庄站—肃宁北站区间单方向平图通过能力为108列/d。王佐站—肃宁北站区间采用半自动闭塞方式，图定列车运行时间15 min，连发间隔时间3 min，该区间单方向平图通过能力为75列/d。由此可见，改造后以上两个区间初期、近期、远期通过能力均能满足运输需求。

表2 研究年度货物列车开行方案

5 结语

对朔黄铁路下行线谭家庄线路所—肃宁北站区间扩能改造方案进行研究，最终确定采用改建王佐下联线，使其向西与朔黄铁路下行线并行引入肃宁北站的线路走向方案。对该方案控制性工程特大桥上跨京九铁路、肃宁上联线的四种桥型方案进行了比选，选定采用（60+110+60）m矮塔斜拉桥方案。按照以上方案改造完成后，该段线路运输能力可满足朔黄铁路运能增长需求。