焦柳鐵路超限坡區間擴能改造方案研究

張國虎

(中鐵第六勘察設計院集團有限公司 線路站場設計院，天津 300308)

1 焦柳鐵路超限坡區間擴能改造方案分析

焦柳鐵路(焦作—柳州)起于河南省焦作月山站，止于廣西柳州南站，全長1 636.33 km，是我國中西部地區重要的南北鐵路干線，是南北客貨交流的重要通道之一，是一條以貨為主、兼顧客運的路網干線鐵路。焦柳鐵路懷化至柳州段屬于焦柳鐵路末端，為國鐵I級標準[1]單線鐵路，牽引質量為3 000 t，內燃機車牽引。為更好地與路網內主要鐵路技術標準相匹配，需要對焦柳鐵路懷化至柳州段進行電氣化擴能及提速改造[2]，其限制坡度采用6‰，牽引質量提高至4 000 t (普超4 500 t)。

牙屯堡(K1373+904)至八斗(K1403+518.8)區間作為焦柳鐵路懷化至柳州段的超限坡地段，是焦柳鐵路懷化至柳州段電氣化擴能改造的控制工程。該區間坡度均大于限制坡度6‰。其中，下行方向最大坡度為9.3‰，上行方向最大坡度為11.9‰，超限坡地段高程差為230.5 m[3]。超限坡對列車運行速度和線路輸送能力均有很大影響[4]，對于單線鐵路，超限坡地段列車運行速度降低，增大鐵路運行圖周期，因而影響線路的平圖能力。為滿足焦柳鐵路懷化至柳州段電氣化擴能的需求，提高超限坡地段列車運行速度[5]，必須采取合理可行的超限坡地段擴能改造方案，以克服超限坡的影響。

為解決焦柳鐵路懷化至柳州段牙屯堡至八斗超限坡區間問題，提出既有線補機牽引方案(方案I)、既有線大功率機車動能闖坡方案(方案II)、展線軟化坡度方案(方案III)及局部增二線方案(方案IV) 4個擴能改造方案，并通過限制坡度與機車選型匹配性分析、方案工程技術經濟比較和方案優缺點分析進行綜合評價[6-7]。

（1）方案I。牙屯堡至八斗區間既有線路長度29.615 km，包含水團、三江縣兩座車站，橋梁16座(有效長1.952 km)，隧道29座(有效長13.033 km)。方案I維持既有線路平面和縱斷面，超限坡地段采用雙機牽引，在八斗站設置補機點，牙屯堡站折返，由于區間既有坡度最大達到11.3‰，故雙機牽引坡度按12‰考慮。

（2）方案II。同方案I一樣，既有線路長度29.615 km，維持既有線路平面和縱斷面。但方案II對超限坡地段進行牽引計算分析，采用大功率機車動能闖坡的方式跨越超限坡。采用動能坡原則上闖過坡頂速度應不低于機車計算速度。但由于受氣象變化(暴風雨、大霧、嚴寒冰凍等)、司機操作或列車調度不當及線路維修需要減速等原因，常易造成列車運行緩慢或中途停車事故，一般不輕易采用動能闖坡。

（3）方案III。由于牙屯堡至八斗區間線路穿行于山區之間，地形條件復雜，橋隧相連，不具備沿既有線位落坡條件，因而考慮采用展線方式克服超限坡的高程差，限制坡度采用6‰。改建線路自既有鐵路牙屯堡站大里程側引出，沿既有線東側林溪河一路順應地形迂回展線，以6‰足坡下行最終接入八斗站。方案III展線正線全長39.366 km，廢棄既有線長度29.018 km，沿線新設3座會讓站，新建大中橋40座(有效長10.22 km)，新建隧道18座(有效長17.53 km)。

（4）方案IV。由于牙屯堡至八斗區間超限坡主要集中在上行方向，而下行方向超限坡較短且最大坡度為9.3‰，對牽引質量影響不大，故下行方向利用既有線，上行方向按新建二線考慮，限制坡度采用9‰。新建二線自既有鐵路牙屯堡站大里程側引出，基本并行既有線以9‰的坡度順應地形展線后接入既有八斗站。方案IV下行方向超限坡地段可利用動能闖坡，上行方向增建二線正線全長29.178 km，取消2個會讓站，新建大中橋16座(有效長3.20 km)，新建隧道16座(有效長18.88 km)。

2 焦柳鐵路超限坡區間機車選型匹配性分析

機車牽引動力是受限制坡度影響因素之一，對鐵路提高運能、減少工程投資、降低工程風險起到重要的作用。焦柳鐵路提速改造牽引定數4 000 t (普超4 500 t)，機車選型需滿足牽引4 500 t需求。目前，我國鐵路主要以“和諧型”為代表的機車，逐步實現機車大功率、交流化，提高貨物列車運行速度至120 km/h。通過自主研發并運營的交－直－交型和諧電力機車主要有八軸輪軸功率9 600 kW的HXD1型機車、八軸輪軸功率10 000 kW的HXD2型機車、六軸輪軸功率9 600 kW的HXD1B(HXD2B、HXD3B)型機車、六軸輪軸功率7 200 kW的HXD3(HXD1C、HXD2C、HXD3C)型機車。從滿足運輸需求出發，結合焦柳鐵路超限坡區間擴能改造4個方案中不同限制坡度進行機車選型合理匹配性分析。

2.1 機車選型

（1）方案I。對于限制坡度6‰ (雙機坡12‰)，HXD1、HXD2、HXD2B、HXD3B機力富余過大，不宜采用；HXD3、HXD1B、HXD1C(HXD2C/HXD3C)可以滿足要求。研究年度內(初期2020年、近期2025年、遠期2035年)區域路網貨機以HXD3型機車為主，為實現長交路，提高機車運用效率，減少列車技術作業，有效縮短貨物列車旅行時間，機車類型宜采用HXD3型機車。

（2）方案II。通過闖坡方式經過八斗至牙屯堡上行方向12‰的坡度，需要選取功率大、持續牽引力大的機車，比較分析選取單機牽引能力較大的HXD2型機車進行動能闖坡并進行模擬計算，運行模擬曲線結果。牙屯堡至八斗上行方向超限坡地段闖坡模擬計算運行模擬曲線如圖1所示。

根據模擬計算曲線，牙屯堡至八斗上行方向闖坡地段技術速度為55.9 km/h，除起車、停車外，區間低于計算持續速度65 km/h的運行距離約為6 km，運行時間約為6.5 min，坡頂最低速度56 km/h。原則上，采用動能闖坡闖過坡頂速度需不低于計算速度，本方案采用HXD2型機車牽引4 500 t進行動能闖坡坡頂速度低于計算持續速度，故需進一步通過運營測試來確定采用HXD2型機車牽引4 500 t闖坡方案的合理性和可行性。

圖1 牙屯堡至八斗上行方向超限坡地段闖坡模擬計算運行模擬曲線Fig.1 Curve of the simulated calculation of climbing slope on the over-limit slope section in the up direction

（3）方案III。限制坡度6‰，根據上述方案I分析，機車類型宜采用HXD3型機車。

（4）方案IV。新建二線平均坡度9‰，滿足牽引4 500 t要求的機車有HXD1型機車、HXD2型機車、HXD3B型機車，結合機車購置成本考慮，機車類型宜采用HXD3B型機車。

2.2 限制坡度與機車選型匹配性分析

針對各方案機車選型進行牽引模擬計算，結合對超限坡地段擴能改造方案機車選型分析及牽引模擬計算結果可知：①各方案區間通過能力[8]均滿足需求，遠期富余量較少，能力趨于緊張。其中，方案I、方案III、方案IV均滿足提速要求，但方案II采用大功率機車動能闖坡低于計算速度，無法達到提速的效果。②方案I、方案III采用HXD3型機車與全線限制坡度及路網適應性較強，方案II、方案IV分別采用HXD2和HXD3B型機車，存在機力虛糜情況，與焦柳鐵路北段及相鄰鐵路限制坡度匹配及路網適應性較差，不便于運營管理。機車選型綜合分析表如表1所示。

表1 機車選型綜合分析表Tab.1 Comprehensive analysis on locomotive selection

3 焦柳鐵路超限坡區間擴能方案比選

（1）方案I。優點：現狀電氣化擴能改造，施工工期短；土建工程投資無增加；總投資最少，較方案Ⅱ、方案III和方案IV分別節省6 608萬元、130 328萬元和126 081萬元。缺點：需要增加列車摘、掛補機作業，降低運輸效率；增加機車車輛購置費用及補機點運營成本；運營費現值(30年累計)投資最大，較方案Ⅱ、方案III和方案IV分別增加38 033萬元、31 461萬元和33 212萬元。

（2）方案II。優點：現狀電氣化擴能改造，施工工期短；單機牽引，減少列車摘、掛補機作業，利于提高運輸效率，同時節約補機點運營費用；土建工程投資無增加；運營費現值(30年累計)投資最少，較方案I、方案III和方案IV分別節省38 033萬元、6 572萬元和3 411萬元。缺點：闖坡過程坡頂速度低于機車計算速度，需要進行溫升校驗；區域路網機車協調性差，增加機務檢修工作及設備投資，不便于運營管理；對不良天氣適應性差；機車車輛購置費投資最大，較方案I、方案III和方案IV分別增加44 641萬元、53 641萬元和26 393萬元；。

（3）方案III。優點：單機牽引，減少列車摘、掛補機作業，使焦柳線懷化至柳州段牙屯堡至八斗區間限制坡度軟化為6‰，利于提高運輸效率；機車車輛購置費最小，較方案I、方案Ⅱ和方案IV分別節省9 000萬元、53 641萬元和27 248萬元。缺點：新建39.366 km線路，土建工程費用較高，增加170 788萬元；新建線路橋隧比70.5%，控制性工程多，施工工期長；總投資最大，較方案I、方案Ⅱ和方案IV分別增加130 328萬元、123 720萬元和4 247萬元；車站數量及線路運營長度增加，導致運營成本隨之增加。

（4）方案IV。優點：能夠充分利用既有線，取消2個會讓站，節省部分運營成本；單機牽引，減少列車摘、掛補機作業，利于提高運輸效率，同時節約補機點運營費用。缺點：新建29.178 km線路，土建工程費用高，增加142 454萬元；新建線路橋隧比75.7%，控制性工程多，施工工期長；線路運營長度增加，運營維護費用高；重車上行方向仍然需要使用9‰的坡度，區域路網機車協調性差；運營費現值(30年累計)、機車車輛購置費及總投資均較高。

綜上所述，方案I雖然需要進行補機作業，但其無改建線路工程，現狀電化擴能改造施工工期短，總的換算工程、運營費最節省，從改建工程量及工程投資角度分析，方案I為最優方案。方案III盡管工程總投資最大，但使焦柳線懷化至柳州段牙屯堡至八斗區間限制坡度軟化為6‰，從焦柳鐵路全線統一技術標準，減少鐵路局負擔、減少運營費用角度分析，方案III為最優方案。結合焦柳鐵路懷化至柳州段電化擴能改造工程充分利用既有線、節約投資的特點，研究推薦方案I，即既有線補機牽引方案。隨著運量增長情況，從遠期規劃角度，研究推薦方案III，即展線軟化坡度方案。

4 結束語

既有線超限坡地段提速改造應結合路網內運輸組織方案，綜合考慮機車選型與限制坡度的合理匹配性及與路網的適應性，降低多機牽引技術復雜性。同時，應結合改建工程量、限速點集中情況、工程投資等因素綜合分析確定超限坡的保留與改建。在實際工程當中，當軟化坡度工程量不大，而且為統一全段機車臺數，降低多機牽引技術復雜性，減少運營費用，提高運輸效率，經綜合分析后可采用展線方式進行超限坡坡度軟化；當引起大型橋隧建筑物改建、長距離改線或其他巨大工程時，經過運營實踐或牽引檢算證明，貨物列車利用動能闖坡速度不低于機車計算速度，可保留原有的超限坡度；對于既有線單線提速改造結合增建二線同時進行的，為了充分利用既有線節約投資，對既有超過限制坡度的地段，可作為單方向行車的下坡線。鐵路既有線提速是我國鐵路發展的重要方向之一，焦柳鐵路超限坡區間擴能改造方案可以為單線鐵路既有線提速改造方案提供借鑒。