西安至寶雞鐵路客運專線速度目標值方案研究

趙永紅

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

西安至寶雞鐵路客運專線東接鄭州至西安客運專線，西連在建寶雞至蘭州客運專線，正線全長138 km，是隴海客運通道的重要組成部分，本線的修建既可緩解隴海鐵路運輸狀況，為西部的重點物資東運創造良好的條件，又能提高運輸質量，大大縮短西北與中南、華東地區各大城市間的時空距離，進一步密切東、中、西部地區的經濟聯系，對推動西部大開發戰略具有重要意義。

鐵路運輸是社會公認的安全、節能、環保的運輸方式，修建客運專線，最大限度地吸引乘客，既是鐵路自身效益的需求，更是建設節能環保社會的需要。快速、安全、舒適、便捷是旅客運輸的需求，客運專線鐵路作為大眾化交通工具，速度目標值的選擇是滿足旅客快捷需求的基本要素。結合西寶客運專線工程實踐，從通道客流特點、時間目標值選擇、速度目標值選擇，以及不同速度目標值方案的運營效果和適應性等方面進行系統分析，選擇合理、經濟的速度目標值方案。

1 通道的客流構成特點分析

預測2020年、2030年西北五省區(含西藏)鐵路發往陜西、華東、中南、華北、東北、西南的客流量分別為3 403萬人、4 910萬人，據路網中不同線路合理分工原則，隴海通道鄭西段客流密度4 140萬人和5 740萬人，西寶段客流密度4 720萬人和7 650萬人，寶天段客流密度2 920萬人和4 100萬人，天蘭段客流密度3 330萬人和4 980萬人，其中長途直通客流占70%以上。隴海通道相關旅客交流中蘭州及以遠與陜西、華北、中南、華東的交流量在各區段客流密度中均占有較高比重，研究年度西寶通道客流構成為地方客流占45%、西安以遠客流占55%，其中西寶客運專線客流構成為地方客流占26%、西安以遠客流占74%。

2 時間目標值的確定

確定速度目標值的前提，首先要分析確定時間目標值。旅行時間的長短，是旅客選擇出行方式的重要因素之一。時間目標值的選擇，主要通過不同運輸距離條件下，與不同的運輸方式比較確定。

2.1 綜合交通體系對時間目標值的要求

鐵路要在短途旅客運輸競爭中具有明顯優勢，必須在旅行時間上較公路有較大節省。在中長途旅客競爭中，旅客選擇不同的交通運輸工具主要出于對速度、安全、經濟及舒適性的比較，客運專線的優勢主要是運輸安全、全天候和較低的票價，但旅行時間不能處于明顯劣勢。通過對沿線蘭州、寶雞及西安等主要城市客運設施、旅客出行的情況調查，結合研究年度區域綜合交通運輸體系規劃，按照高速公路平均旅行速度100 km/h、航空經濟巡航速度700 km/h計算，高速公路蘭州至西安總旅行時間7.5 h，西安至寶雞總旅行時間3.0 h，航空蘭州至西安總旅行時間3.8 h。因此，西安至寶雞、西安至蘭州段鐵路總旅行時間應分別控制在2.5 h和4.5 h以內，對西寶高速公路及西安至蘭州的航空運輸均具有較強的競爭優勢，扣除鐵路旅行附加時間1.5 h，西安至寶雞、西安至蘭州間鐵路旅行時間應分別控制在1.0 h和3.0 h以內，將具有明顯的競爭優勢。

2.2 路網通道時間目標值分析

根據《中長期鐵路網規劃》，主要干線城市間鐵路旅行時間實現1 000 km左右范圍內“朝發夕歸”，2 000 km左右范圍內“夕發朝至”，4 000 km左右范圍內“一日到達”。蘭州至北京鐵路運距約1 600 km、至上海2 000 km、至廣州2 500 km，蘭州至北京應具備開行“朝發夕歸”、“夕發朝至”列車的條件，鐵路總旅行時間應控制在10～12 h以內，考慮西安至北京、上海、廣州旅行時間分別為3.5、4.7、6.7 h和鐵路1.5 h的附加時間，西安至蘭州段旅行時間應控制在3.0 h以內。

2.3 時間目標值的確定

為適應區域中短途旅客與長途通過客流的出行需要，使鐵路在區域綜合交通運輸體系具有競爭力，西安至寶雞、西安至蘭州間時間目標值應為1.0 h和3.0 h。

3 速度目標值方案研究

通過對時間目標值的分析，按照西安至寶雞、西安至蘭州間時間目標值應為1.0 h和3.0 h以內控制，采用速度目標值為350 km/h或250 km/h速度時均能滿足需求。根據時間目標值的分析結果和要求，分線下工程和線上工程兩個方面，從不同速度目標值方案采用的主要技術標準、影響工程投資的主要因素和工程投資經濟性，以及不同速度目標值方案的運營效果和適應性等方面進行系統分析，選擇合理的速度目標值方案。

3.1 線下基礎工程速度目標值的分析研究

根據250 km/h、350 km/h選用的主要技術標準，重點對350 km/h速度下的無砟軌道及250 km/h速度下的無砟軌道和有砟軌道進行工程經濟分析。

3.1.1線下基礎工程不同速度目標值方案采用的主要技術標準

線下基礎工程速度不同目標值方案選用的主要技術標準見表1。

表1 線下基礎工程不同速度目標值方案采用主要技術標準

3.1.2影響線下基礎工程速度目標值方案的工程因素分析

(1)線路平、縱斷面條件

速度目標值350 km/h及250 km/h對線路平、縱斷面條件要求有所不同；對縱斷面的要求幾無差別(最小坡長分別為2 000 m和1 200 m，困難條件下均為900 m)。線路平面要求中主要最小曲線半徑分別為一般7 000 m、困難5 500 m和一般4 000 m、困難3 500 m。針對此段渭河平原水網地區，曲線半徑的大小僅對橋梁跨越公路、道路、河流的交叉角度有所影響，可適當減少大跨橋梁，因無明顯臺地可供較小半徑曲線利用，對橋梁工程長度影響甚微，另外小半徑曲線可適當減少拆遷工程。

(2)軌道、路基

速度目標值250 km/h和350 km/h均采用無砟軌道時，軌道工程本身沒有差別；若速度目標值250 km/h采用有砟軌道時，軌道指標較無砟軌道有明顯的減少。

路基工程因沉降要求不同，地基處理措施有所差異，因此路基地基處理數量略有區別。采用有砟軌道時，250 km/h及350 km/h路基工程的指標分別較采用無砟軌道時路基工程指標減少約1 060萬元/km和410萬元/km，但主要是無砟軌道與有砟軌道路基長度區別較大，受渭河水位及松軟地基條件控制及道路水渠立交影響，填土高度高，頻繁設置涵路過渡等，導致無砟軌道路基工程工后沉降不易控制，對于路基填土較高的地段需要以橋代路。

(3)橋隧工程

兩種速度目標值對縱斷面的要求差別甚微，但受最小坡段長度和縱斷面平順性限制，平原水網區，橋梁工程主要因為跨越河流、公路、道路、水渠等引起。當采用無砟軌道時，為較好地控制工后沉降，減少涵路頻繁過渡，縱斷面設計中橋梁的比例達到77%(250 km/h)～85%(350 km/h)以上；當采用有砟軌道時，橋梁的比例略有減少(68%)。隨速度目標值的變化，橋梁動力性能存在差異，具體反映在梁體橫向、豎向剛度不同，引起橋梁上下部結構數量變化。250 km/h速度下的有砟和無砟軌道的橋梁工程費用主要是橋涵比例上的差異。

隧道工程主要是不同的速度和軌道類型引起隧道凈空面積的變化，速度350 km/h較250 km/h由于線間距等因素引起凈空面積增加較多，故投資相應增加；鋪設無砟軌道時，隧道開挖面積較有砟軌道可略有減小。本段范圍內隧道工程較小，對投資影響不大。

(4)電氣化工程

主要是隨著速度目標值的變化供電方式和接觸網線材投資有所不同，250 km/h較350 km/h略低，但牽引變壓器容量等主要技術指標相同。

(5)通信、信號工程

通信工程：250 km/h方案時，GSM-R無線移動通信基站數量及配套傳輸、接入、電源等設備相應減少。

信號工程：250 km/h速度目標值采用CTCS2級列控系統，350 km/h速度目標值采用CTCS2+CTCS3(ETCS2)，兩者工程費用相差較大。

3.1.3線下基礎工程不同速度目標值方案的工程投資綜合分析

通過詳細方案研究和工程投資比較，速度目標值350 km/h無砟軌道方案分別較250 km/h無砟軌道方案和250 km/h有砟軌道方案投資增加59 423萬元和126 317萬元，工程投資見表2。

表2 線下基礎工程不同速度目標值方案主要工程比較

3.2 線上工程不同速度目標值方案的分析研究

結合線下基礎工程速度目標值的選擇，研究了線下部分350 km/h，線上部分分別為350 km/h(無砟軌道)、250 km/h(有砟軌道)、200 km/h(有砟軌道)的3種不同速度目標值方案進行比選。

3.2.1線上工程不同速度目標值方案采用的主要技術標準

由于3種不同速度目標值方案均采用線下部分350 km/h的標準，故在線路平、縱斷面條件，以及路基、橋涵、隧道工程類型及工程措施和工程量上均相同。所采用技術標準的區別主要為軌道類型及站后工程，見表3。

3.2.2影響線上工程速度目標值方案的工程因素分析

(1)軌道工程

線上部分采用200 km/h方案鋪設有砟軌道，由于有砟軌道不均勻下沉產生的120 Hz以下頻率范圍的激振嚴重，軌道破損和變形加劇，從而使維修工作量顯著增加，維修周期明顯縮短；在高速列車荷載作用下，有砟軌道道砟粉化嚴重，道床穩定性較差，軌道幾何形位不易保持，旅客的乘坐舒適度也大大降低。為避免道砟在高速列車荷載作用下嚴重粉化，降低道床內的應力水平，需要在道砟下鋪設彈性墊層或者采用彈性軌枕，成本很高；無砟軌道整體性強，縱向、橫向穩定性較好，保持軌道幾何形位能力強，使用壽命長，線路狀況良好，不易脹軌跑道，基本可以達到免維修、少維護。不同軌道形式投資分析見表4。

表3 線上工程不同速度目標值方案采用主要技術標準

表4 不同軌道形式投資分析 萬元/單線km

由表4可見，無砟軌道比有砟軌道增加投資很大，雖然無砟軌道初期投資較高，但由于無砟軌道基本免維修，在運營過程中養護費用比有砟軌道低得多。從整個軌道結構生命周期來比較，無砟軌道總的投資比有砟軌道小。

由200 km/h有砟軌道改造為350 km/h無砟軌道時，既有軌料基本不能利用，需先將線路封閉，將有砟軌道完全拆除，再進行無砟軌道施工。對于不滿足鋪設無砟軌道的地段(如軌道高度不足、線下基礎沉降過大、橋梁梁端轉角過大等)，需要進行改造，引起大量廢棄工程，且必須對線下基礎進行處理，增加線下工程的投資。橋梁地段無砟軌道必須通過特殊措施連接到橋梁結構上，需要對有砟軌道橋梁結構進行改造，設計和施工難度大，對運營干擾巨大。

參照客運專線無砟軌道施工進度，如果對既有有砟軌道進行無砟軌道改造，由于無砟軌道對于下部基礎的要求非常嚴格，需要對鋪設有砟軌道地段的下部基礎進行全面評估，對大量橋梁進行加固處理，施工周期將更長。

(2)電氣化工程

采用線上部分不同速度目標值方案對電氣化專業設備選型及工程影響很大，具體情況詳見表5。

由表5可以看出，當線上部分速度目標值采用200 km/h和250 km/h時，由于供電方式及接觸網線材等不同，投資較350 km/h方案分別省26 910萬元和17 860萬元，另外外部電源投資(地方承擔)省17 500萬元。

速度目標值由200 km/h或250 km/h過渡到350 km/h時，牽引變電所及接觸網技術標準發生變化，牽引變電所需全部新建，接觸網大部分工程需新建，其中主要廢棄工程為外部電源工程110 kV電力線路將全部改為330 kV，原110 kV電力線路廢棄或為地方負荷供電；牽引變電所、分區所廢棄；接觸網線材及設備廢棄。改造工程除廢棄既有工程之外，尚需按照新的速度目標值要求新建(如將速度200 km/h改造為350 km/h，須廢棄工程投資29 423萬元，另新增投資56 333萬元)，并且將對線路運營產生很大影響。

(3)通信、信號工程

通信工程：通信系統線上部分采用200 km/h、250 km/h與350 km/h時，均采用多業務傳輸平臺(MSTP)，線下部分采用200 km/h、250 km/h方案時GSM-R數字移動通信系統均采用普通單網覆蓋，350 km/h方案采用交織單網覆蓋，投資較其他兩個方案多747萬元。由低速度目標值改造時須根據各專業不同需求配套相應通信設備。

信號工程：線上部分速度目標值200 km/h與250 km/h，對于信號專業方案相同，線上部分速度目標值350 km/h增加投資4 200萬元。如果在200 km/h或250 km/h基礎上改造為350 km/h，除了增加設備投資4 200萬元以外，需對CTC中心及車站設備、地面列控中心(TCC)、聯鎖、應答器、臨時限速服務器等主要設備進行數據修改，改造費用約為1 500萬元；系統調試費用1 000萬元，而且系統升級改造時將嚴重影響正常的運營，造成經濟損失和安全隱患。

表5 線上工程不同速度目標值方案電氣化工程及投資比較

(4)電力

線上部分采用200 km/h、250 km/h，速度目標值降低無線專業減少GSM-R基站20處(350 km/h時為45處)，引起電力設施總投資減少778萬元。如果在200 km/h或250 km/h基礎上改造為350 km/h，除按照要求增加基站個數外，為減少施工對運營的干擾，尚需增加部分過渡工程。

3.2.3線上工程不同速度目標值方案的工程投資綜合分析

通過以上分析和工程比較，線上部分采用200 km/h(有砟軌道)、250 km/h(有砟軌道)方案時，由于采用主要標準和設備選型、材料不同，均較采用350 km/h(無砟軌道)方案在軌道、電氣化、通信、信號及電力等方面工程投資上要省，全線工程投資分別節省103 170.59萬元和84 368.07萬元，減少幅度分別為7.6%和6.2%。其中軌道工程投資分別省61 738萬元和53 745萬元，電氣化工程投資分別為26 910萬元和17 860萬元，通信、信號工程投資分別節省747萬元和4 200萬元，電力專業節省778萬元(表6)。

4 不同速度目標值運營效果及適應性分析研究

4.1 運營時間比較(表7)

表6 線上工程不同速度目標值方案工程投資綜合比較 萬元

表7 西安至寶雞及蘭州至鄭州運行時分比較

由表7可以看出，蘭州至鄭州間運行時分由于速度目標值不同有較大的區別，350 km/h方案在本段較200 km/h方案縮短運營時間19～22 min，減少約37%，運營效果提高顯著。

4.2 運營費用及經濟效益分析

不同速度目標值運營支出不同，隨速度提高而增加，對本段的投資、客運量水平進行分析，參考《高速鐵路運營支出定額的研究》，對不同速度目標值的運營成本進行了定量分析。本線速度目標值采用200、250、350 km/h時，近期運營成本分別為10.96億元、12.29億元、14.81億元。

采用不同速度目標值時，工程投資、運量水平、運營成本及運價率均有差異。不同方案財務內部收益率見表8。

表8 不同速度目標值方案綜合效益分析

由表8可見，經初步財務分析測算，采用350 km/h方案項目財務效益較優。

4.3 能力適應性分析

本線跨線列車占80%左右，基本為新疆、甘肅至西安以遠的客流，平均運距較長。研究年度與本線相關的鄭西、京廣、京滬客運專線速度目標值均為350 km/h，全部運行300 km/h及以上高速動車組。當速度目標值為350 km/h時，通過鋪畫列車運行圖，研究年度平圖通過能力近期為289對/d、遠期為388對/d，與鄭西、京廣等客運專線速度目標值統一，運輸組織協調匹配，最大限度提高動車組運用效率和運輸質量；若本線采用350 km/h以下的速度目標值，大量的跨線列車在本線只能限速運行，動車組運用效率低，運輸質量差，同時，旅客在途時間長，易疲勞，將影響鐵路在市場競爭中的優勢。

4.4 與相鄰線協調匹配適應性

本線跨線列車占80%左右，基本為新疆、甘肅至西安以遠的客流，平均運距較長。研究年度與本線相關的鄭西、京廣、京滬客運專線速度目標值均為350 km/h，全部運行300 km/h及以上高速動車組。若本線采用350 km/h以下的速度目標值，大量的跨線列車在本線只能限速運行，動車組運用效率低，運輸質量差。同時，旅客在途時間長，易疲勞，將影響鐵路在市場競爭中的優勢。

4.5 與動車組發展水平的適應性

隨著我國高速鐵路的快速發展，已成功引進了高速動車組加工制造技術，目前已逐步實現國產化。2007年鐵路第六次大提速后，既有線已開行部分200 km/h的動車組，京津城際鐵路現采用CRH3型動車組，最高試驗速度達394 km/h，目前最高運營速度采用300 km/h以上，動車組各項性能穩定。鐵路客運專線的運營實踐及動車組的國產化水平的逐步提高，為我國高速鐵路建設速度目標值的選擇提供了有力的技術保障。

5 選擇高標準設計速度目標值的必要性分析

5.1從沿線居民經濟承受水平及對社會經濟影響、作用的分析

西寶客運專線地處我國西部，位于關天經濟區和關中城市群內。西安是陜西省省會和西部地區重要的中心城市，寶雞是陜西省第二大城市。關中城市群是國家西部大開發戰略確定的區域之一，關中—天水經濟區為西部及北方內陸地區的“開放開發龍頭地區”。西寶段涉及的寶雞、楊凌、咸陽、西咸新區、西安等五市(區)的人均GDP、城鎮化水平、居民生活水平均高于西部其他地區，居民的承受能力較強，采用高標準速度目標值符合客流組成中大部分人員提高時效的實際需要，因提高速度而節省的時間所能創造的社會價值高于因標準提高引起的工程投資增加和高票價付出，具有良好的社會經濟效益。

本項目作為關天經濟區和關中城市群重要基礎設施，它的建設將使西安至寶雞客車旅行時間由目前隴海鐵路西寶段提速改造后所開行的直達高速動車組的1.7 h縮短至0.6 h以內，將大幅提高時空距離和運輸服務質量，加快促進關天經濟區經濟產業結構調整，帶動城市帶的發展，實現關天經濟區和關中城市群空間發展戰略，對進一步密切沿線各城市間的經濟聯系，為地區間開展更廣闊領域的經濟協作創造更加良好的交通環境，從而帶動關天經濟區和關中城市群經濟的進一步發展具有重要意義。

5.2 從對路網規劃及其發展作用分析

西安至寶雞客運專線是我國《中長期鐵路網規劃》中徐蘭客運專線的重要組成部分，是在建徐鄭客運專線和既有鄭西客運專線的向西延伸段，本段客運專線的建設，對加快關天經濟區和關中城市群的經濟發展，加強陸橋通道運輸能力，提高運輸質量具有重要的意義和作用。

隴海鐵路是我國東西鐵路通道中客貨運輸最繁忙的通道之一。隨著鄭西客運專線的修建及西安東出鐵路能力的加強，西寶段成為通道中瓶頸區段(通過能力利用率已達到94.1%)，西安至寶雞客運專線的修建，將釋放既有線的能力，從根本上可解決西寶段運輸能力緊張狀況。本項目作為徐鄭客運專線、鄭西客運專線的向西延伸段和隴海鐵路通道主骨架，因此，本線

采用高標準速度運營對擴大東西通道能力、完善路網結構、強化路網主骨架建設、實現鐵路跨越式發展均具有重要的意義和作用。

6 速度目標值的推薦意見

綜上分析，我國在建及擬建客運專線的速度目標值大多數為350 km/h，本線是隴海客運專線的重要組成部分，350 km/h速度目標值方案與本線的通道功能定位相符，與鄭西、京廣等客運專線速度目標值統一，運輸組織協調匹配。可形成西安至蘭州、北京、武漢、上海、廣州等客運中心的客運快速通道，極大地縮短烏魯木齊、拉薩、蘭州與西安、北京、上海、廣州等各大城市間的時空距離。因此本線速度目標值推薦采用350 km/h。

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