張唐重載鐵路主要技術標準研究

李洪斌

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300142)

1 概況

張唐鐵路地處我國冀北、冀東地區,起于張家口,經承德至唐山，線路穿越燕山山脈，全長525 km。張唐鐵路,西接張集鐵路、集包鐵路,與我國主要煤炭能源基地內蒙古西部地區相通；北接錫承鐵路,又與內蒙古東部煤炭基地相連；南達唐山市的曹妃甸港,構成了內蒙古西部、內蒙古東部兩大煤炭基地直達沿海港口的鐵路大通道,對保障國家能源運輸需要以及加強曹妃甸的疏港功能具有重要意義。張唐鐵路牽引質量10 000 t,電氣化雙線；最大貨流密度1.7億t/年。張家口至唐山線路平面示意見圖1。

圖1 張家口至唐山線路平面示意

2 重載鐵路的運輸組織

世界鐵路重載列車主要有3種模式。

重載單元列車：列車固定編組,貨物品種單一,運量大而集中,在裝卸地之間循環往返運行。這種列車以北美鐵路為代表,我國在大秦線采用C63、C70、C76、C80等開行這種重載列車。

重載組合列車：2列或2列以上列車連掛合并,使列車的運行時間間隔壓縮為零。這種列車以俄羅斯為代表,我國大秦線開行的4×5 000 t和2×10 000 t列車為這種重載列車。

重載混編列車：單機或多機重聯牽引,由不同型式和載重的貨車混合編組而成。我國京滬、京廣、京哈等大干線開行的5 000 t貨物列車為這種重載列車。

張唐鐵路采用的主要是重載組合列車模式。

3 相鄰線的主要技術標準(表1)4 張唐線主要技術標準研究

4.1 最小曲線半徑

最小曲線半徑與設計速度和地形條件及養護維修等因素有關,結合線路平縱斷面條件、與相鄰線路的銜接等綜合確定。

4.1.1 設計速度的研究

(1)符合鐵路發展要求

我國《鐵路主要技術政策》要求“客貨運共線鐵路主要干線旅客列車運行速度≤200 km/h,一般干線≤160 km/h,其他線路≤120 km/h”。

本線在路網中定位為煤運通道,以貨為主,兼顧客運,本線速度目標值不應超過160 km/h。

表1 張唐重載鐵路相鄰線主要技術標準

(2)與線路的功能定位和運量相適應

本線煤炭運輸性質明顯,設計速度不宜過高。

(3)與線路所經的地形條件相適應

全線大部分地處山區,地形極為困難,在滿足項目功能的前提下,不宜追求過高的速度目標值,以免造成工程量的急劇增加。

因此,本線設計速度為120 km/h，對應的最小曲線半徑為1 200 m,困難條件下800 m。

4.1.2 基于養護維修要求的最小曲線半徑

根據我國目前大秦、朔黃等重載鐵路的運營實踐,采用800 m以上的平面曲線半徑,對減少養護維修工作量,特別是延長鋼軌使用壽命,效果比較明顯。因此,從減少維修角度,本線平面曲線半徑標準不宜過低,應在800 m以上。

因此,本線的最小曲線半徑為1 200 m,困難條件下800 m。

4.2 限制坡度的研究

沿線地形條件復雜,自然坡度較大,限制坡度是本線重要的技術標準,而限制坡度與牽引種類、貨運牽引機型、牽引質量、到發線有效長度相互關聯,互相影響,因此,限制坡度與這些標準應綜合系統研究。張唐線的研究思路是：首先,分析確定牽引種類和牽引質量、到發線有效長度；然后,針對本線與相鄰線匹配限制坡度的可能性,結合本線的運量特點及地形條件,重點研究比選了6‰、6‰/12‰限制坡度方案。

4.2.1 牽引種類的選擇

(1)與相鄰鐵路協調

與本線銜接的既有線為京包線、京通線、京哈線、津山線、遷曹線,在建線有張集線,全部都是電氣化鐵路,電力牽引是該區域鐵路干線牽引種類的主流。本線電氣化牽引便于與相關線協調運輸組織，延長交路。

(2)適應沿線地形條件,運輸成本低

本線穿行于燕山山脈之間,地形起伏大,隧道多且長,隧道長度為239 km共85座,占全線長度的44%,最長隧道21 km(燕山隧道)。如按內燃牽引，隧道一般不長于8 km,將對線路走向產生致命影響,無謂展長線路過多,極不合理；而且,按《牽規》和《隧規》規定,單機或雙機重聯內燃機車牽引力取值需要修正,減低機車使用效率,增加機車運用數量,且長度大于2 km的隧道內燃牽引時需設置機械通風設備,增加檢修、能耗等運輸成本。

(3)符合鐵路長遠規劃

《鐵路主要技術政策》要求“運煤專線、主要干線及長大坡道、長隧道、高海拔地區等線路,采用電力牽引”。推薦采用電力牽引。

(4)利于保護環境

電力機車無廢氣、煙塵,噪聲較小,對空氣無污染,有利于解決鐵路在運輸中燃油對環境的污染問題,促進能源與環境的協調發展。根據有關資料,內燃牽引一氧化碳排放量是電力牽引的47.4倍,氮氧化物為電力牽引的7.1倍,二氧化硫為電力牽引的62.3倍,顆粒物超過萬倍,采用電力牽引更有利于環境保護、減少環境污染。

4.2.2 牽引質量、到發線有效長度的選擇

在運量較大的煤運專線,開行萬噸及以上重載列車是提高線路能力行之有效的措施。本通道以運煤為主,發到地明確,具備開行萬噸以上列車的條件；隨著煤炭外運量的增長,本線的運量將逐步提高,故考慮本工程按萬噸條件設計。到發線有效長按1 700 m設計。

4.2.3 限制坡度的比選

4.2.3.1 張唐線限制坡度的控制因素

(1)相鄰線坡度采用情況

本通道相鄰線限制坡度系統重車方向主要為6‰、4‰系統。為方便運營組織,減少技術作業,限坡盡可能協調統一。

(2)本線運量以煤炭下水為主,重空車方向明顯,限坡選擇應根據本線車流特點、結合本線地形條件,具備分方向選擇坡度的基礎；

(3)地形地貌特點：本線由西北向東南穿越燕山山脈,進入冀東平原,依次穿越大洋河、白河、潮河、灤河間的分水嶺,線路起終點高差約734 m,線路存在4處明顯越嶺。地形條件極為困難,北高南低的特點明顯,正與坡度的方向吻合。

4.2.3.2 重、空車分方向的限制坡度

結合本線地形條件,運輸特點以及相鄰路網限坡情況,對張家口至豐潤段分方向研究限坡方案。

(1)重車方向限制坡度的選擇

根據相鄰線路限坡標準分析,本線前后方通路基本為6‰與4‰限坡系統。本線限坡選擇6‰系列,能夠與區域路網相協調,保證區域鐵路運輸組織的統一,且隨著機車技術的發展,6‰的坡度完全能夠適應雙機牽引質量10 000 t的要求,即采用4‰系列標準沒有必要。

本線地形復雜,大坡度雖然機車購置費和運營成本較多,但克服高程障礙優勢較明顯。

因此,重車方向限制坡度進行6‰、12‰詳細技術經濟比較。

(2)空車方向限制坡度的選擇

①空車方向采用大坡度節約工程極為明顯

遵化至李家營段輕車需由華北平原爬升至燕山山谷,李家營高程477.5 m,遵化西高程49.6 m,高差427.7 m,航空距離49.38 km,平均坡度8.6‰,如采用6‰限制坡度,從遵化西至李家營則需約79.2 km長大緊坡,展線達32.3 km,展線系數達1.65。豐寧至楊木柵子段線路穿越潮河白河分水嶺,豐寧高程730 m,楊木柵子高程930 m,高差200 m,航空距離27.64 km,平均坡度7.23‰,如輕車方向采用6‰限制坡度,從豐寧至楊木柵子則需約39.2 km長大緊坡,展線達11.86 km,展線系數達1.51。輕車采用6‰限坡,工程量太大,不經濟,也沒有必要。

②空車方向采用12‰對本線是適宜的

根據行車牽引計算,并參考大秦、朔黃等線的運營實際,空車方向采用12‰～14‰均能適應地形并滿足空車方向的運輸需求。12‰縱斷面技術特征見表2。

由表2可以看出，采用12‰可以適應地形變化,若采用14‰限坡方案也只能局部降低橋高,節省投資不明顯。

表2 12‰縱斷面技術特征

③從重車下坡的角度分析

研究10 000 t列車分別在12‰和14‰的下坡道上進行檢算,按同時滿足周期制動及《技規》251條規定,電力單機牽引5 000 t下坡不宜大于12‰。因此,從安全的角度考慮12‰更具優勢。

另外,隨著內蒙古西部、內蒙古東部煤炭資源的開發,本線有進一步提高牽引質量的可能,屆時制動要求將進一步提高,采用12‰的限坡能夠更好地適應地形以及未來的發展。

經綜合分析,輕車方向限坡采用12‰是經濟合理的。

4.2.3.3 基于地形特點的分段限制坡度比選方案

承德(灤平東)至豐潤段線路由北至南穿越燕山,本段地形條件北高南低,主要是輕車方向需要大坡度來克服高程障礙,重車方向采用6‰或更大坡度對工程影響甚微，故本段推薦采用6‰/12‰；豐潤至曹妃甸段地處冀東平原,地形平坦,限坡主要受立交控制,線路連接了京哈、津山等既有線路,為保證各線之間行車組織順暢連續,同時考慮曹妃甸的疏港因素,本段限坡不宜分方向選擇,采用6‰。

張家口(孔家莊)至承德(灤平東)段越嶺頻繁,地形極為復雜,進行6‰/12‰,12‰限制坡度比選(表3)。

表3 限坡方案比較

6‰/12‰方案比12‰方案線路長度長14.61 km,工程投資增加10億元。增加比例5.95%。但12‰方案牽引萬噸需要4機牽引,機車購置費增加114 097萬元,年運營費增加27 583.6萬元。結合機車購置費、年運營費,單機坡方案較雙機坡方案優勢明顯,因此張家口(孔家莊)至承德(灤平東)推薦6‰/12‰方案。

綜上分析,張唐線推薦限坡重車方向6‰,輕車方向最大坡度12‰。

4.3 其他主要標準

無論是從本線的功能定位及路網作用上還是從運量水平上分析,本線應為國鐵I級。一次雙線。

4.4 鐵路主要技術標準的推薦意見

鐵路等級：國鐵Ⅰ級；

正線數目：雙線；

設計行車速度：120 km/h；

最小曲線半徑：1 200 m(800 m)；

限制坡度：重車方向6‰、輕車方向12‰；

牽引種類：電力；

機車類型：貨機交流傳動機車HXD系列；客機SS9；

牽引質量：5 000 t,10 000 t；

到發線有效長度：1 700 m；

閉塞方式：自動閉塞。

5 結論

技術標準對一條鐵路甚至區域路網影響深遠,對項目建設意義重大。張唐線的技術標準研究,以項目的功能定位為基礎,以運量規模為依據,結合重載鐵路的特點和項目的實際情況,按照科學合理、區域匹配、適度超前的原則,進行了詳細的研究和技術經濟比選。

研究推薦的120 km/h的設計速度,6‰/12‰分方向選擇的限制坡度,能夠滿足重載鐵路運輸需要,同時節約了大量工程投資。與世界其他國家重載鐵路功能單一、運輸獨立、牽引質量大、運輸密度較小的特征不同,我國的重載鐵路貨流密度大、運輸方向眾多、網絡效應明顯。這是由我國的國情決定的。本文給出了重載鐵路技術標準確定的一般方法,對其他鐵路也有一定借鑒作用,具體到不同的項目,應當針對項目自身的定位,以科學嚴謹的工作態度,認真研究、比選,務求找到經濟合理、適應性強的技術標準,為項目建設打下堅實基礎。

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