日喀則至亞東鐵路線路限制坡度方案研究

王 靖

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

1 項目概況

日喀則至亞東鐵路位于西藏自治區(qū)日喀則市。線路由拉日鐵路吉瓊車站引出后，沿年楚河河谷布線經(jīng)白朗縣、拉孜縣，后折向南與省道S204共通道并行經(jīng)康馬縣至亞東縣帕里鎮(zhèn)，設(shè)帕里站后足坡以橋隧布線穿越瓦康山、唐嘎拉山，在亞東縣城西側(cè)巔扁杠設(shè)亞東車站。并預(yù)留向不丹、印度的延伸條件。線路全長261.08 km。是一條國鐵Ⅰ級、速度目標(biāo)值為120 km/h的單線電氣化鐵路、吉瓊至帕里限制坡度采用13‰，帕里至亞東限制坡度采用30‰。

本線吉瓊至帕里段線路主要沿省道S204布線，走行于年楚河寬谷區(qū)和峽谷區(qū)，年楚河河床縱坡為4‰～10‰，本段地形較平緩，采用13‰坡度方案能基本適應(yīng)地形，且與相鄰線坡度匹配，運輸組織和機(jī)車運用更為靈活，本段限制坡度推薦13‰。帕里至亞東段穿越喜馬拉雅山脈，航空距離37 km，高差1 300 m，平均自然縱坡達(dá)35.1‰。合理選擇線路的限制坡度，對于線路適應(yīng)地形變化，降低運營風(fēng)險、控制投資等方面有顯著作用[1-7]。

2 影響限制坡度選擇的因素

2.1 本項目功能定位

日喀則至亞東線是保障邊疆地區(qū)經(jīng)濟(jì)和國防協(xié)調(diào)發(fā)展的重要設(shè)施；項目預(yù)留進(jìn)一步向不丹、印度的延伸條件，是我國面向南亞陸路貿(mào)易大通道的重要組成部分。

2.2 相鄰線的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

本線由拉日線既有吉瓊站接軌向南延伸至亞東縣。既有拉日線的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[3-4]見表1。

表1 拉日鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2.3 地形地貌

本項目地處青藏高原南部，線路自北向南橫跨喜馬拉雅山脈。以康馬—哈金桑惹隆起帶山脈為界，中間高，南北低，地形復(fù)雜，但分帶性明顯。主山脈走向與區(qū)域構(gòu)造線方位大體一致，呈近東西向展布。

帕里至亞東段線路自東向西行進(jìn)，翻越曉不甲墩、多達(dá)杰高山。整體地勢自北向南傾斜，海拔4 000～5 000 m，河流下切強(qiáng)烈，岸坡陡峻，呈明顯的“V”形溝槽，最窄處不足50 m，沿途植被稀疏。

2.4 運量特點

通過分析，本項目貨流下行方向為重車方向，即日喀則至亞東口岸方向，最大貨流區(qū)段為165，233萬t，上行方向為輕車方向，最大區(qū)段貨流密度為46，73萬t。預(yù)測研究年度客流密度分別為54，78萬人。

根據(jù)本項目功能及定位，結(jié)合預(yù)測項目運量，建議本線遠(yuǎn)景年輸送能力為：貨運500萬t，客車5對/日。

3 既有大坡度線路設(shè)計情況

目前，國外客貨共線鐵路最大坡度一般在30‰以內(nèi)，局部地段坡度達(dá)到35‰～40‰[4]。我國客貨共線鐵路中寶成線坡度達(dá)到了33‰，鷹夏鐵路、內(nèi)昆鐵路[5]和青藏線格拉段[6]等最大坡度均達(dá)到20‰，規(guī)劃的麗香鐵路、香林鐵路最大坡度則達(dá)到30‰[7]。

寶成線最大坡度采用33‰，貨車由SS4加補(bǔ)機(jī)兩臺HXD3三機(jī)牽引，牽引質(zhì)量上坡3 000 t，客貨列車限速70 km/h，下坡牽引質(zhì)量2 600 t，貨車限速55 km/h，客車由SS7D或SS6B加補(bǔ)HXD3牽引1 100 t，客車限速60 km/h；內(nèi)昆鐵路大關(guān)至昭通段最大坡度采用23.5‰，貨車由SS3加補(bǔ)機(jī)SS3B雙機(jī)重聯(lián)牽引，牽引質(zhì)量上坡2 600 t，貨車限速70 km/h，下坡牽引質(zhì)量4 000 t，貨車限速60 km/h，客車由SS3或HXD3C牽引，編組18輛，客車限速80 km/h；青藏線格拉段最大坡度采用20‰，采用NJ2雙機(jī)牽引2 000 t，三機(jī)牽引3 000 t。

4 限制坡度選線方案研究

從帕里至亞東有兩個溝谷，其中東側(cè)溝谷(省道S204沿此溝布線)自然縱坡大，達(dá)48.8‰，省道迂回展線至亞東，道路標(biāo)準(zhǔn)低?？课鱾?cè)康布溝自然縱坡28.6‰，專用道路Z714沿此溝布線，道路標(biāo)準(zhǔn)低，寬度僅6 m。

帕里至亞東段沿線地形高程詳見圖1，為克服本段的巨大高差，需采用大坡度方案以適應(yīng)地形特點，為此研究了24‰(A6K)、30‰(AK)和35‰(A7K)3個坡度方案，方案示意見圖2。

圖1 帕里至亞東段沿線地形高程示意

4.1 工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

不同坡度方案工程數(shù)量及投資比較見表2。

表2 主要工程數(shù)量及投資比較

圖2 帕里至亞東段不同坡度方案示意

由表2可知，35‰(A7K)方案線路長度最短，24‰(A6K)方案線路最長。30‰(AK)方案工程投資較24‰方案節(jié)省13.87億元，較35‰(A7K)方案增加11.26億元。隨著坡度增加，線路長度縮短，工程投資降低。

4.2 地質(zhì)條件分析

30‰(AK)方案：線路經(jīng)過麻曲河谷，之后以隧道工程穿越二疊系砂巖、奧陶系灰?guī)r夾砂巖、灰?guī)r夾千枚巖、寒武系石英片巖、片麻巖、喜山期侵入巖，以硬質(zhì)巖為主，圍巖條件較好。主要的不良地質(zhì)有滑坡、 危巖、落石、崩塌、巖堆、泥石流、放射性、高地溫、雪崩、風(fēng)吹雪等，主要工程問題有圍巖失穩(wěn)、涌水突泥、巖爆、高地溫等。

24‰(A6K)方案：線路經(jīng)過地層與30‰(AK)方案基本相當(dāng)，不良地質(zhì)及主要工程問題基本相當(dāng)。但蘇點拉至告烏段，以隧道工程為主，線路方向與奧陶系灰?guī)r夾千枚巖走向一致，巖體呈薄層狀，巖質(zhì)較軟，隧道存在軟巖變形問題，且彩淌嘎附近沿斷層走行約4 km，巖體破碎，圍巖條件差。

35‰(A7K)方案：線路經(jīng)過地層與30‰(AK)方案基本相當(dāng)，不良地質(zhì)及主要工程問題基本相當(dāng)。但曉不甲墩越嶺段，以隧道工程為主，線路方向與寒武系片巖走向一致，片巖薄層狀，巖質(zhì)較軟，隧道存在軟巖變形問題。

綜上所述，30‰(AK)方案工程地質(zhì)條件較好，35‰(A7K)方案次之，24‰(A6K)方案最差。

4.3 限制坡度、機(jī)車類型、牽引質(zhì)量的合理匹配分析[11-20]

(1)貨物列車

①不同限坡機(jī)型及牽引質(zhì)量適應(yīng)性分析

HXD2型和HXD3型交流傳動電力機(jī)車在不同限坡上采用雙機(jī)牽引時受牽引力限制的牽引質(zhì)量分析見表3。

表3 受牽引力限制的牽引質(zhì)量 t

由表3可知，24‰(A6K)坡度方案，HXD2型機(jī)車能滿足雙機(jī)牽引3 000 t以上，HXD3能滿足雙機(jī)牽引2 000 t以上；30‰(AK)和35‰(A7K)坡度方案，HXD2型機(jī)車均能滿足雙機(jī)牽引2 000 t以上，HXD3能滿足雙機(jī)牽引1 500 t以上。

②長大下坡道列車限速要求

根據(jù)《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》(普速鐵路部分)[8]，普通貨物列車計算制動距離800 m，20‰下坡限速69 km/h，超過20‰的下坡道列車限速由鐵路局根據(jù)實際試驗規(guī)定。經(jīng)檢算，24‰(A6K)、30‰(AK)和35‰(A7K)坡度方案滿足計算制動距離800 m的貨車限速分別為65，57 km/h和50 km/h，從安全角度考慮，檢算通過能力時列車下坡最高速度按此控制。

③長大下坡道列車安全運行分析

列車在長大下坡道上運行，安全是必須保證的前提條件。TB/T1407—1998《列車牽引計算規(guī)程》[9]指出，列車在調(diào)速制動時，應(yīng)將動力制動力計算在內(nèi)。交流傳動電力機(jī)車的動力制動為再生制動，雙機(jī)重聯(lián)牽引采用再生制動，在不同坡度下保持列車勻速運行的牽引質(zhì)量見表4。

表4 純動力制動保持恒速運行對應(yīng)的牽引質(zhì)量 t

由表4可見，交流電力機(jī)車動力制動力大，制動力在全負(fù)荷作用下，滿足長大坡道下坡保持列車勻速運行的牽引質(zhì)量大于受機(jī)車牽引力限制的上坡牽引質(zhì)量。為保證列車運行的安全可靠，動力制動系數(shù)按80%考慮，以HXD2型機(jī)車為例，各坡度方案均能滿足下坡道牽引2 000 t的要求。

(2)旅客列車

①長大上坡道牽引輛數(shù)分析

采用運營速度為120 km/h的HXD3交流傳動電力機(jī)車，不同限坡上受牽引力限制的牽引輛數(shù)見表5。

表5 受牽引力限制的牽引輛數(shù) 輛

由表5可知，24‰(A6K)、30‰(AK)方案均能實現(xiàn)單機(jī)牽引16輛。35‰方案需雙機(jī)牽引滿足16輛以上。

②長大下坡道列車限速要求

根據(jù)《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》(普速鐵路部分)[8]，120 km/h旅客列車運行于20‰下坡道，在每百噸列車重力的閘瓦瓦力660 kN條件下的制動限速為103 km/h。超過20‰的下坡道列車制動限速未明確規(guī)定。經(jīng)檢算，24‰(A6K)、30‰(AK)和35‰(A7K)坡度方案滿足計算制動距離800 m的客車限速分別為98，90 km/h和86 km/h。列車牽引計算下坡最高速度按此控制。

③ 長大下坡道列車安全運行分析

采用HXD3交流傳動電力機(jī)車，在純動力制動條件下，在不同坡度下保持列車勻速安全運行的牽引輛數(shù)見表6。

表6 純動力制動恒速運行對應(yīng)的牽引輛數(shù) 輛

由表6可見，在動力制動力取80%的情況下，除24‰(A6K)坡度方案外，其他坡度方案度均需采用雙機(jī)牽引滿足16輛以上。

4.4 經(jīng)濟(jì)性分析

8軸9 600 kW機(jī)車黏著牽引力大，牽引質(zhì)量大，能較好地適應(yīng)山區(qū)大坡度鐵路，在我國重載鐵路及西南、西北山區(qū)鐵路廣泛應(yīng)用，應(yīng)作為本線貨物列車的首選機(jī)型，不同限坡方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對比見表7。

表7 不同限坡方案經(jīng)濟(jì)性比較 萬元

由表7可知，30‰(AK)坡度方案綜合費用現(xiàn)值較24‰(A6K)方案節(jié)省13.04億元，較35‰(A7K)坡度方案增加9.99億元。隨著坡度增加，綜合費用現(xiàn)值較為節(jié)省。

4.5 推薦意見

綜上分析，日喀則至亞東線帕里至亞東段采用30‰(AK)坡度方案工程投資較24‰(A6K)方案更節(jié)省，經(jīng)濟(jì)性更好。考慮帕里至亞東段地形起伏大，為了便于運輸組織，研究年度牽引質(zhì)量采用2 000 t，在采用80%電制動力時，貨車能滿足HXD2雙機(jī)牽引2 000 t以上。30‰坡度方案雖經(jīng)濟(jì)性比35‰方案略差，但結(jié)合實際運營經(jīng)驗，其運輸安全性能夠更好保證，且滿足TB10098—2017《鐵路線路設(shè)計規(guī)范》[10]對最大坡度的要求，故推薦采用30‰(AK)坡度方案。

5 結(jié)語

(1)針對日喀則至亞東鐵路帕里至亞東段地形高差大的特點，研究年度牽引質(zhì)量采用2 000 t，選用30‰限制坡度及HXD2雙機(jī)牽引，可達(dá)到科學(xué)合理降低工程投資的目標(biāo)。

(2)日喀則至亞東鐵路線路限制坡度方案的研究成果，對以后類似高差大的建設(shè)項目具有指導(dǎo)和借鑒意義，可提高工作效率，提升設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計技術(shù)水平。