尼泊爾國家鐵路網限制坡度及牽引體系規劃研究

趙振剛

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南設計院,濟南 250022)

1 尼泊爾國家鐵路網規劃

尼泊爾位于喜馬拉雅山脈南麓，東西長約885 km，南北寬145～241 km，國土面積14.7181萬km2。目前尼泊爾境內有鐵路2條，總運營長度約30 km。

根據尼泊爾國家鐵路網規劃，規劃建設鐵路干線4條，支線5條，線路總長約1 400 km[1]，鐵路網規劃見圖1。各規劃鐵路概況如下。

圖1 尼泊爾國家鐵路網規劃

1.1 加德滿都至博克拉鐵路

東起尼泊爾首都加德滿都，西至尼泊爾第二大城市、旅游勝地博克拉，線路長約164 km。

1.2 Kurintar至Lumbini鐵路

北起加德滿都至博克拉鐵路Kurintar站，南至Lumbini，線路長約161 km。

1.3 加德滿都至熱索瓦口岸鐵路

南起尼泊爾首都加德滿都，北至熱索瓦口岸，線路長約101 km。

1.4 Mechi至Mahakali鐵路及其支線

Mechi至Mahakali鐵路縱貫整個特萊平原，東起尼泊爾最東側Mechi區的Kakarbita，西至最西側Mahakali區的Gaddachauki，線路長約945 km。

有5條鐵路支線在該鐵路接軌，分別是Kohalpur-Nepalgenj、Butwal-Bhairahawa、Simara-Birganj、Bardibas-Jana _kpur、Itahari-Biratnagar鐵路，各線長度在5～10 km。

尼泊爾是典型的山區國家，地形起伏大，工程條件復雜。除Mechi至Mahakali鐵路位于特萊平原，其他鐵路均是典型的山區鐵路。

在鐵路主要技術標準中，限制坡度是山區鐵路關鍵性、基礎性的技術標準，對鐵路走向、線路長度、投資規模、施工及運營安全和養護維修費用起著決定性作用[2]。限制坡度選擇與鐵路等級、地形條件、牽引種類、機車類型、運營組織等密切相關，應進行綜合研究比選。

2 自然特征

2.1 地形地貌

尼泊爾有“山國”之稱，珠穆朗瑪峰位于中尼邊界上，地勢北高南低，從北向南劃分為4個地貌區：分別為高、中、低喜馬拉雅帶及山前盆地，尼泊爾地貌分區示意見圖2。

圖2 尼泊爾地貌分區示意

尼泊爾相對高差之大為世界所罕見，從北部的喜馬拉雅山脈至南部特萊平原，直線距離僅130 km。經過加德滿都谷底的喜馬拉雅山脈南麓地形縱斷面見圖3。

圖3 喜馬拉雅山脈南麓地形縱斷面特征

2.2 工程地質條件

沿線主要巖石種類有白云巖、石英巖、板巖、頁巖、石灰巖、千枚巖、片麻巖和片巖等，地表為河湖沉積物和河流冰川沉積物，以淤泥質粉質黏土、粉土、粉質黏土、砂類土、圓礫土及卵石土為主。抗震設防烈度8度，基巖水平地震動峰值加速度0.20g～0.45g。主要不良地質有：高地溫熱害、巖爆、滑坡、泥石流、崩塌、地震液化等[1]。

2.3 氣象特征

尼泊爾地處亞熱帶地區，氣候受南亞熱帶季風影響很大，分干季(10～3月)和雨季(4～9月)。各地區氣候隨地勢高低相差懸殊，南部平原熱季最高氣溫可達45 ℃，北部山區冷季最低氣溫可達-40 ℃。降雨量南部約2 300 mm，中部約1 500 mm，北部僅有500～600 mm[1]。

3 經濟運量

根據運量預測成果，研究年度加德滿都至博克拉鐵路、Kurintar至Lumbini鐵路、加德滿都至熱索瓦鐵路近、遠期各線貨流密度、旅客列車對數見表1。

表1 尼泊爾鐵路網貨流密度與旅客列車對數

4 限制坡度及牽引體系規劃原則

本次限制坡度及牽引體系規劃遵循以下原則。

4.1 采用電力牽引及大功率交流傳動電力機車、客運采用動車組

尼泊爾境內無石油或天然氣儲量，石油主要依賴進口，因尼泊爾是內陸國家，無海運港口，石油進口因各種原因常受到掣肘。

尼泊爾水力資源豐富，水電蘊藏量為8 300萬kW，在建及計劃建設的水電項目共20個，采用電力牽引可規避石油風險，降低能源消耗，節省運營成本。同時電力牽引可提供更大的牽引力，適應山區鐵路工程條件。因此，應采用電力牽引。

交流傳動電力機車具有功率大、牽引力大、黏著性能好、電阻制動性能好、構造簡單、可靠性高、維修量小、小半徑曲線通過能力好等優點。因此，應采用大功率交流傳動電力機車[3-4]。

根據運量預測成果，本鐵路網相關線路功能定位為以客為主、兼顧貨運，主要為滿足旅行、商務等客運需求，考慮在較大坡度的地形條件下提高旅客舒適度，客運采用電力動車組，速度目標值120 km/h。

4.2 坡度適應地形的原則

限制坡度應適應地形，避免迂回展線、減少高填深挖，減少橋隧工程量，以節省工程投資，提高工程安全性，便于施工及運營養護[5]。

4.3 各線牽引質量應互相協調，避免或減少列車換重作業

限制坡度及牽引體系規劃應便于各線牽引質量相協調，應減少列車換重作業，便于運輸組織、提高運輸效率[6-7]。

5 限制坡度規劃

5.1 加德滿都至博克拉鐵路

5.1.1 沿線縱斷面特征分析

加德滿都至博克拉鐵路位于中、低喜馬拉雅帶。通道內既有普利特維高速公路。鐵路自加德滿都谷地北緣引出，向西越嶺，沿Mahesh khola河谷、Trishuli Nadi河谷而下，經拜雷尼、馬雷庫、Kurintar至Muglin，高程也一路降低，由加德滿都的1 300 m降至Muglin的260 m；后沿Marsyandi Nadi河谷、Madi Nadi河谷、Seti Nadi河谷而上，經杜姆雷、達瑪烏里至博克拉，高程由Muglin的260 m升至博克拉的830 m。其縱斷面特征見圖4。

圖4 加德滿都至博克拉鐵路地形縱斷面特征

沿線河谷自然縱坡加德滿都至拜雷尼間為16‰～28‰；拜雷尼至Muglin間為3‰～5‰；Muglin至杜姆雷間為4‰～6‰；達瑪烏里至博克拉間為11‰～20‰。加德滿都至拜雷尼、達瑪烏里至博克拉自然縱坡較陡，為本線縱斷面的控制區段。其余地段坡度相對較緩。

5.1.2 限制坡度方案比選

本鐵路地形特點是東西高、自然坡度較陡；中間低、自然坡度較緩。其中東側的加德滿都至拜雷尼間為全線坡度最大地段，自然縱坡16‰～28‰；西側達瑪烏里至博克拉間自然縱坡為11‰～20‰；其他段落坡度較緩，為3‰～6‰。

因加德滿都至博克拉段線路長164 km，線路長度較短，同時大坡道分別位于東西兩端。因此，為便于安排機車交路，避免頻繁摘掛機車，全線按一個限制坡度標準考慮，不分段選擇限制坡度。

參考相關鐵路設計規范及研究成果，限制坡度最大值取值[8-10]見表2。

表2 限制坡度最大值取值 ‰

各級鐵路均可采用加力牽引坡度。加力牽引坡度最大值電力牽引時為30‰，內燃牽引時為25‰[2]。本線鐵路等級為Ⅰ級，所經地形類別為山區，采用電力牽引，限制坡度最大值為15‰。根據本線縱斷面特征分析內容，15‰限制坡度無法適應地形，應考慮加力牽引坡度方案。

綜合鐵路等級、地形特征、牽引種類等因素，研究了加力牽引坡度29‰(雙機，限制坡度15‰)、加力牽引坡度24‰(雙機，限制坡度12‰)及限制坡度20‰(單機)三個方案。各方案縱斷面主要特征見表3。

各方案主要工程數量及投資比較見表4。

從表3、表4可以看出，3個方案中，加力坡度29‰方案工程最大路塹邊坡高度、最高橋墩高度和最長隧道長度均最小，工程實施難度最小；線路長度最短，比加力坡度24‰方案、限制坡度20‰方案分別短10.995 km和19.505 km；工程投資最少，比加力坡度24‰方案、限制坡度20‰方案分別低13.85億元和31.11億元；工程運營費比加力坡度24‰方案、限制坡度20‰方案分別低10.94億元和25.98億元。

表3 加德滿都至博克拉鐵路限坡方案縱斷面主要特征

表4 加德滿都至博克拉鐵路限坡方案主要工程數量及投資比較

上述分析標明，加力坡度29‰方案能較好地適應沿線地形、工程實施難度小，線路長度短、工程投資少，工程運營費現值最低，優勢較為明顯，因此推薦采用加力牽引坡度29‰方案。

5.2 Kurintar至Lumbini鐵路

5.2.1 沿線縱斷面特征分析

該線位于低喜馬拉雅帶及山前盆地區，自加德滿都至博克拉鐵路的Kurintar站接軌，折向西南沿Narayani Nadi河谷而下，經戴維蓋特、巴拉特普爾至特萊平原，在巴拉特普爾南跨Narayani Nadi河，基本沿東西高速公路，經Tamsariya、Butwal(布特沃)至Lumbini。其縱斷面特征見圖5。

圖5 Kurintar至Lumbini鐵路地形縱斷面特征

Kurintar至巴拉特普爾段位于低喜馬拉雅帶，為喜馬拉雅山脈向平原區的過渡地段。沿線河谷自然縱坡為4‰～8‰。巴拉特普爾段至Lumbini段位于山前盆地，自然縱坡為3‰～6‰。

5.2.2 限制坡度方案比選

綜合考慮鐵路等級、地形特征、牽引種類等因素，研究了限制坡度6‰和限制坡度9‰兩個方案。各方案主要工程數量及投資比較見表5。

表5 Kurintar至Lumbini鐵路限坡方案主要工程數量及投資比較

從表5可以看出，限制坡度6‰方案主要工程投資較限制坡度9‰高1.77億元，但運營費相對較低，工程運營費現值比9‰低1.14億元。根據上述比較，限制坡度6‰方案能適應沿線地形條件，工程運營費限制較低，因此推薦采用限制坡度6‰方案。

5.3 加德滿都至熱索瓦口岸鐵路

5.3.1 沿線縱斷面特征分析

該線位于中、高喜馬拉雅帶，自加德滿都站東咽喉引出，折向北越嶺至Samundra，折向北跨Likhu Khola河、Chhopa Khola河，折向西至Urleni，折向北經Dunche，沿Trishuli Ganga Nadi河向北，經Lantan至熱索瓦口岸，線路長101 km。其縱斷面特征見圖6。

圖6 加德滿都至熱索瓦口岸鐵路地形縱斷面特征

加德滿都至熱索瓦口岸鐵路位于中、高喜馬拉雅帶，地形起伏大，加德滿都站高程1 340 m、Samundra站高程1 153 m、熱索瓦站高程2 684 m、熱索瓦口岸高程2 915 m。沿線河谷自然縱坡一般為23‰～27‰，熱索瓦至熱索瓦口岸段河谷自然縱坡達38‰。

5.3.2 限制坡度方案比選

本線自加德滿都站與加德滿都至博克拉鐵路接軌，為統一技術標準、統一牽引質量，根據《鐵路線路設計規范》(GB50090—2006)中關于電力牽引加力牽引坡度最大為30‰的規定，加德滿都至熱索瓦口岸鐵路限制坡度標準與加德滿都至博克拉鐵路相同，采用加力坡度29‰方案。經驗證，29‰限坡方案基本適應地形，工程條件可行。

5.4 Mechi至Mahakali鐵路及其支線

5.4.1 沿線縱斷面特征分析

該鐵路及與5條鐵路支線位于山前盆地區，地形起伏相對較小，地面高程一般為80～240 m，山嶺最高為770 m，地面自然坡度一般2‰～4‰。其縱斷面特征見圖7。

圖7 Mechi至Mahakali鐵路地形縱斷面特征

5.4.2 限制坡度方案比選

該鐵路位于山前盆地區，沿線地形起伏相對較小，縱斷面設計受兩處越嶺及與公里立交道控制，6‰限制坡度可以適應縱斷面設計要求。同時因Mechi至Mahakali鐵路與Kurintar至Lumbini鐵路在Tamsariya至Butwal段共線，為統一技術標準、統一牽引質量，提高運輸效率，Mechi至Mahakali鐵路及其支線限制坡度采用6‰。

5.5 綜合分析

經過上述比選，規劃限制坡度標準分別采用29‰和6‰兩個系列。位于高、中喜馬拉雅帶的加德滿都至博克拉鐵路和加德滿都至熱索瓦口岸鐵路限制坡度采用29‰，位于低喜馬拉雅帶、山前盆地區的Kurintar至Lumbini鐵路和Mechi至Mahakali鐵路及其線限制坡度采用6‰。

相關鐵路功能定位為以客為主、兼顧貨運，客運采用電力動車組。參考相關規范及研究成果，因動車組牽引和制動性能優良，29‰、6‰限制坡度條件下，客運動車組運行速度均可按設計速度目標值運行，不需限速。受計算制動距離控制，貨運列車在29‰長大下坡道運行時，限速60 km/h[11-13]。

6 機車類型及牽引體系規劃

6.1 機車類型選擇

本鐵路網中規劃鐵路大部分位于山區，地形條件復雜，限制坡度大，隧道較多。按照規劃原則，貨運機車宜采用大功率、交流傳動的HXD系列電力機車，相關機車的主要技術特征及參數見表6。

從表6可以看出，29‰限坡條件下，HXD2雙機牽引質量最高，該車型為8軸車型，持續牽引力時黏著系數較低[16-17]，可靠性好[18]。同時因該車型使用了在-40 ℃低溫條件下具有良好沖擊韌性值的特殊原材料，機車適應范圍廣。因此加德滿都至博克拉、加德滿都至熱索瓦口岸鐵路推薦采用HXD2型機車。

表6 HXD系列電力機車主要技術特征及參數[14-15]

6‰限坡條件下，HXD3B牽引質量最高，牽引質量基本是HXD2在29‰坡度下牽引質量的2倍，牽引質量可有序銜接，避免過多的調車作業。因此Kurintar至Lumbini鐵路、Mechi至Mahakali鐵路及其支線推薦采用HXD3B型機車。

6.2 牽引質量體系規劃

根據限制坡度及機車類型比選資料，加德滿都至博克拉、加德滿都至熱索瓦口岸鐵路限制坡度采用29‰，采用HXD2雙機牽引，牽引質量采用2 800 t。

Kurintar至Lumbini鐵路、Mechi至Mahakali鐵路及其支線限制坡度采用6‰，采用HXD3B型機車單機牽引，機車牽引質量采用5600t。

增減軸作業安排在Kurintar站進行，該站是加德滿都至博克拉鐵路與Kurintar至Lumbini鐵路的交匯點，貨物列車增減軸作業可與解編作業相結合，有利于提高運輸作業效率。

6.3 綜合分析

根據相關分析，采用上述加力牽引坡度、機車類型和牽引質量，并結合運量增長采取增設預留站等措施，相關鐵路各年度通過能力和輸送能力均符合運量需求。

綜合上述分析，各鐵路限制坡度方案、牽引種類、機車類型及牽引質量體系規劃匯總見表7。

表7 限制坡度方案、牽引種類、機車類型及牽引質量體系規劃匯總

7 結語

本次研究，分析了尼泊爾地形地貌、工程地質條件和社會經濟特征，提出了限制坡度和牽引體系規劃原則，根據數字化雷達高程數據，分析了鐵路網中各鐵路的縱斷面特征，比選確定了各鐵路限制坡度、機車類型和牽引質量，對列車牽引質量換重及編組方案進行了規劃。研究成果得到了尼泊爾國家交通部、項目業主等部門的認可。

主要研究結論如下。

(1)山區鐵路設計中，限制坡度是關鍵性、基礎性的基礎標準。直接決定著線路走向、線路長度和工程投資，并對施工期間的施工安全和運營后的養護維修起著決定性作用。限制坡度的選擇與鐵路等級、地形條件、牽引種類、機車類型等密切相關。

(2)限制坡度應盡量適應地形，需要時可選擇加力牽引坡度。坡度與地形條件適應時，避免迂回展線，以縮短線路長度、減少土石方和橋隧工程，提高施工和養護維修的安全性。

(3)限制坡度選擇應與牽引種類、機車類型選擇相結合，實現綜合優化。在可行的前提下，采用電力牽引和大功率交流傳動電力機車可有效提高鐵路的運輸能力，改善運輸質量。

(4)限制坡度體系應便于各線牽引質量相協調。可采用不同機車類型匹配的方法。本規劃中，加德滿都至博克拉鐵路加力牽引坡度29‰，Kurintar至Lumbini鐵路、Mechi至Mahakali鐵路限制坡度6‰。通過兩線分別采用不同的機車類型，牽引質量分別采用2800t和5600t，列車在Kurintar合二為一或一分為二，可減少列車換重作業。同時Kurintar也承擔車流改編作業，可與換重作業相結合，便于運輸組織、提高運輸效率。

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