新建西安至十堰高速鐵路最大坡度研究

王小紅

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

最大坡度是高速鐵路重要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一，對(duì)線路的長度、走向、建設(shè)規(guī)模、工程投資、運(yùn)營支出、運(yùn)輸質(zhì)量、線路能力等均具有較大影響，尤其對(duì)于山高溝深、高程落差大的復(fù)雜地區(qū)，選擇經(jīng)濟(jì)合理的坡度方案更為重要。結(jié)合項(xiàng)目沿線地形地質(zhì)條件、設(shè)計(jì)速度、運(yùn)輸需求[1]，綜合分析區(qū)域路網(wǎng)匹配性、工程投資經(jīng)濟(jì)性、列車運(yùn)行安全性、運(yùn)營效果合理性等影響因素，對(duì)新建西安至十堰高速鐵路最大坡度方案進(jìn)行研究。

1 西安至十堰高速鐵路概況

西安至十堰高速鐵路位于陜西省東南部和湖北省西北部，與建設(shè)中的武漢至十堰鐵路相連，形成連接關(guān)中城市群核心城市西安和江漢城市群核心城市武漢的便捷快速鐵路客運(yùn)通道，是中長期高速鐵路網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目[2]。線路西起陜西省西安市，向東南引線穿越秦嶺山脈，經(jīng)商洛至十堰市。紡織城(西安東)至十堰北新建正線全長253.725 km，其中陜西省境內(nèi)174.700 km、湖北省境內(nèi)79.025 km。全線共分布紡織城(西安東)、藍(lán)田、金陵寺、商洛西、山陽、漫川關(guān)、鄖西、十堰北等8處車站[3]。根據(jù)運(yùn)量預(yù)測，本線近期、遠(yuǎn)期客流密度和動(dòng)車組列車對(duì)數(shù)如表1所示。

表1 研究年度項(xiàng)目預(yù)測運(yùn)量

新建西安至十堰高速鐵路線路走向及平縱面示意見圖1。

圖1 西安至十堰高速鐵路線路走向及平縱斷面示意

2 沿線地形、地貌特征

新建西安至十堰高速鐵路沿線主要經(jīng)過4個(gè)地貌單元，西安至藍(lán)田屬渭河盆地區(qū)，主要由河谷平原區(qū)、黃土臺(tái)塬區(qū)及山前古洪積扇等次一級(jí)地貌單元組成，相對(duì)高差50～200 m，地形較平緩。藍(lán)田至商洛屬秦嶺中山區(qū)，北陡南緩，北坡溝谷短，溝床縱坡陡，多呈“U、V”形谷，南坡溝谷較長，溝床相對(duì)較緩，自然坡度一般25°～45°。商洛至鄖西屬秦嶺南麓低山區(qū)，綿延山巒與寬闊河谷相伴而生，自然坡度一般15°～35°。鄖西至十堰屬秦嶺南麓及武當(dāng)山北坡低山丘陵區(qū)，以圓緩的丘陵地貌為主[4]。沿線地形、地貌特征見圖2。秦嶺為我國溫帶和亞熱帶氣候的重要分界線。沿線地震動(dòng)峰值加速度值為0.05g～0.20g，抗震設(shè)防烈度為6～8度。

3 相關(guān)鐵路翻越秦嶺最大坡度及技術(shù)指標(biāo)分析

目前在秦嶺山區(qū)選線、最大坡度選擇及越嶺隧道的勘察設(shè)計(jì)已積累了一定經(jīng)驗(yàn)，秦嶺地區(qū)分布的既有線主要有寶成鐵路、西康鐵路、寧西鐵路及西成高鐵。

修建于20世紀(jì)50年代的寶成鐵路，選擇較大河谷及低埡口，采用陡坡(30‰)、短隧、硬展線翻越秦嶺；至20世紀(jì)90年代末修建的西康、寧西鐵路，則選擇較大河谷及適宜坡度(13‰)，采取特長隧道與適量展線相結(jié)合穿越高大山脈；西成高鐵因曲線半徑大，不宜展線，線路短捷順直，翻越秦嶺地段克服高差巨大，采用大坡道(25‰)、特長隧道及長大隧道群順直穿山越嶺[5]。

圖2 西安至十堰高速鐵路沿線地形、地貌分區(qū)

各線在越秦嶺段最大坡度及相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 相關(guān)鐵路越秦嶺最大坡度及相關(guān)技術(shù)指標(biāo)

4 最大坡度方案研究

4.1 坡度方案構(gòu)成

《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：“區(qū)間正線的最大坡度不宜大于20‰，困難條件下經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后不應(yīng)大于30‰。[6]”區(qū)域路網(wǎng)內(nèi)已運(yùn)營的大西高鐵最大坡度一般20‰、局部30‰，銀西[7]、西成、西延、延榆、西康、寶蘭高鐵最大坡度一般20‰、局部25‰，鄭西、西寶高鐵及武漢至十堰鐵路最大坡度20‰。

結(jié)合沿線地形、地貌特征，本線總體呈兩端相對(duì)平緩、中間起伏較大的特點(diǎn)。西端紡織城(西安東)至藍(lán)田段及東端鄖西至十堰北段分別位于渭河盆地和低山丘陵區(qū)，地形相對(duì)平緩，起伏較小[8]，20‰坡度可完全適應(yīng)地形。因此，最大坡度方案重點(diǎn)針對(duì)線路穿越秦嶺的藍(lán)田至商洛、商洛至鄖西段細(xì)化研究，結(jié)合規(guī)范要求及相鄰線主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，分別研究了20‰，25‰，30‰三個(gè)最大坡度方案。

4.2 不同方案工程經(jīng)濟(jì)性分析

4.2.1 藍(lán)田至商洛段

藍(lán)田至商洛山體寬厚，山勢(shì)北陡南緩，北坡溝谷段、南坡溝谷較長，航空線部分段落最大自然縱坡達(dá)到34‰，采用20‰坡度無法完全適應(yīng)地形。結(jié)合西安至商洛段宏觀走向，選擇草坪街埡口作為越嶺隧道的必經(jīng)埡口，針對(duì)此埡口進(jìn)行最大坡度方案比較。該段航空剖面及坡度方案比選見圖3，工程經(jīng)濟(jì)比選[9]如表3所示。

25‰方案較20‰方案縮短線路760 m、較30‰方案展長480 m。25‰坡度方案較20‰坡度方案地形適應(yīng)性好，可有效減少50 m以上高橋，工程投資節(jié)省1.95億元。30‰坡度方案較25‰坡度方案工程改善不明顯，工程投資相當(dāng)。

表3 坡度方案工程經(jīng)濟(jì)比較

4.2.2 商洛至鄖西段

圖3 藍(lán)田至商洛航空剖面及坡度方案比選示意

商洛至鄖西段穿越秦嶺褶皺帶，山勢(shì)陡峻、河谷深切，山勢(shì)綿延起伏，相對(duì)高差較大，山體厚度基本在30 km左右[10]。結(jié)合商洛至十堰走向方案，商洛至鄖西間經(jīng)過山陽、漫川關(guān)設(shè)站，由航空剖面圖可見，除漫川關(guān)站進(jìn)站端自然地勢(shì)有25‰坡度外，其余地段20‰坡度完全適應(yīng)地形。商洛至鄖西航空剖面及不同坡度方案比選見圖4，不同坡度經(jīng)濟(jì)性比較[11]，如表4所示。

表4 坡度方案工程經(jīng)濟(jì)比較

25‰坡度方案較20‰坡度方案可以縮短線路長度2.11 km，工程投資節(jié)省2.73億元，由于漫川關(guān)站位控制，30‰坡度方案與25‰坡度方案平面線位相同，縱斷面改善工程設(shè)置有限，工程投資相當(dāng)[12]。

4.3 不同坡度方案綜合分析

4.3.1 與地形、工程經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性分析

本線所經(jīng)地形山高谷深、地勢(shì)陡峻，采用25‰的坡度方案能較好地適應(yīng)地形，較20‰方案可縮短線路長度，有效減少隧道、橋梁工程[13]；30‰較25‰方案改善工程條件有限，且惡化運(yùn)營條件。經(jīng)比較分析，25‰較20‰的坡度方案工程投資節(jié)省4.68億元，節(jié)省效果明顯；30‰較25‰的坡度方案線路長度相差不大，越嶺隧道長度和橋梁高度均沒有明顯改善，投資僅節(jié)省0.47億元，效果不明顯。

4.3.2 與運(yùn)營效果、經(jīng)濟(jì)效益適應(yīng)性分析

各方案的運(yùn)營效果、經(jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在動(dòng)車組列車運(yùn)行時(shí)分和運(yùn)營能耗方面[14]。針對(duì)不同坡度方案的線路長度、坡度分布情況，通過模擬牽引計(jì)算分析，采用CRH3型動(dòng)車組，8輛編組，對(duì)各方案運(yùn)行時(shí)分、技術(shù)速度及運(yùn)營能耗指標(biāo)進(jìn)行分析[15]，比較結(jié)果如表5所示。

表5 不同坡度方案運(yùn)營效果、經(jīng)濟(jì)效益適應(yīng)性分析

不同坡度方案線路長度相當(dāng)，引起運(yùn)行時(shí)分相差甚微，對(duì)運(yùn)營效果無影響，運(yùn)行能耗相差不大，經(jīng)濟(jì)效益基本相當(dāng)。

4.3.3 與運(yùn)輸能力適應(yīng)性分析

根據(jù)高速鐵路現(xiàn)狀技術(shù)裝備(動(dòng)車組、車載等)及實(shí)際運(yùn)營情況，動(dòng)車組在不同坡度方案，尤其在持續(xù)長大下坡段落制動(dòng)距離，追蹤間隔影響明顯，導(dǎo)致運(yùn)輸能力差別較大。

式中l(wèi)列——列車長度，按16輛、長420 m考慮；

l分區(qū)——分區(qū)長度；

l列防——列車防護(hù)距離，取110 m。

l制——列車制動(dòng)距離，m；

t司確——司機(jī)確認(rèn)附加運(yùn)行時(shí)分，按15 s考慮；

v運(yùn)——列車運(yùn)行速度。

圖5 高速鐵路列車區(qū)間追蹤間隔示意

持續(xù)長大下坡地段，坡度越大，制動(dòng)距離增幅越大、最小追蹤間隔同步增加較大，對(duì)線路能力影響較大[17]。通過不同方案坡度分布，經(jīng)模擬計(jì)算，各方案在305 km/h制動(dòng)初速下，最困難地段線路可實(shí)現(xiàn)的列車追蹤間隔及運(yùn)輸能力[18]分析如表6所示。

表6 列車追蹤間隔及運(yùn)輸能力分析

由表6可見，各方案雖均可滿足運(yùn)輸需求，但25‰、30‰方案追蹤間隔略大于3 min。故20‰以上的持續(xù)長大坡段應(yīng)慎用[19]，在工程投資相差不大時(shí)，應(yīng)盡量選擇較小坡度，以便為運(yùn)營創(chuàng)造良好條件。

4.4 研究結(jié)論

綜合以上分析，本線雖大部分線路經(jīng)過了山大溝深的秦嶺山區(qū)，但困難地段的藍(lán)田至金陵寺段及漫川關(guān)進(jìn)站端采用25‰坡度，其余各段采用20‰的坡度，可適應(yīng)沿線地形條件，工程經(jīng)濟(jì)性較好；符合相關(guān)規(guī)范要求，且與相鄰高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)相統(tǒng)一，路網(wǎng)匹配性好；線路能力可滿足運(yùn)輸需求[20]，且能保證較好的運(yùn)輸質(zhì)量。因此，西安至十堰高速鐵路最大坡度推薦采用一般20‰、困難25‰。

5 結(jié)語

根據(jù)新建西安至十堰高速鐵路沿線地形、地貌特征，結(jié)合規(guī)范要求及相鄰高速鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，西安至藍(lán)田、鄖西至十堰采用適應(yīng)地形的20‰的坡度方案，并對(duì)越嶺地段的藍(lán)田至鄖西研究了20‰，25‰，30‰三個(gè)坡度方案，從工程經(jīng)濟(jì)、運(yùn)輸質(zhì)量、運(yùn)營能耗、輸送能力等方面綜合分析[21]，推薦經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的25‰方案。研究結(jié)論符合項(xiàng)目特征、滿足運(yùn)輸需求、與路網(wǎng)匹配性好，同時(shí)可為其他鐵路翻越秦嶺地段最大坡度選擇提供決策依據(jù)。