既有單線半自閉鐵路擴能改造方案研究

楊麗娟 劉劍飛

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

既有鐵路擴能改造的最終目的是提高運輸能力、改善運輸條件,對于單線鐵路來說,常用的擴能改造方案有優化運輸組織、增開車站、延長車站到發線有效長、改換信聯閉設備[1]、軟化坡度、電氣化改造、增建雙線等,選取既能夠滿足運量增長的需求又能節省工程投資和運營成本的方式,是擴能改造重點需研究的內容。已有學者開展相關研究,方華提出初期提高牽引質量、近期全線增建二線的擴能改造方案,重點對精霍鐵路精河至伊寧段初、近、遠期能力適應性進行分期研究[2];楊朝暉從符合運營特征、滿足運輸能力、后方通道運輸組織協調性、適應地形條件,以及充分利用既有設施設備的角度,推薦電氣化改造,延長到發線有效長,提高牽引質量,軟化坡度的方案[3];李敬偉從運輸成本、運輸靈活性,實施難度等角度比選,推薦電氣化改造、延長車站到發線有效長的方案[4];逯紅兵結合北黑鐵路客車提速改造,對提速與擴能方案進行同步研究[5]。

綜上所述,每條線路運營情況不同,擴能目標不同,改造方案也不盡相同。需結合擴能目標,研究線路具體情況,確定出可選擇的擴能方案,并對不同方案的運輸組織適應性、靈活性,工程投資,運營效益等進行多方面綜合比選,最終確定出符合其路網功能、滿足未來發展的改造措施。

1 概述

葉柏壽至赤峰鐵路為單線、內燃半自閉鐵路,到發線有效長550m,采用DF4機車牽引(1500/1100t)和HXN系列機車牽引(2500/1500t)。此外,該線還開行5000t超長列車,采用雙機(HXN3、DF4型機車各1臺)牽引。在每日開行5列5000t列車的情況下,年貨運輸送能力僅為1400萬t。目前,我國最繁忙的單線鐵路行車量已達22～33對/d,年貨運輸送能力達2000萬t。從線路輸送能力的絕對數字來看,葉赤線遠低于全路的平均水平。此外,葉赤線線路允許速度為105km/h,限制區間(石腦—葉柏壽)貨車平均運行速度31km/h,現狀客車最高旅行速度56km/h,較低的速度影響運輸能力與運輸質量的提高[9]。

2 現狀線路情況

葉赤線始建于1934年,年代久遠,技術標準低,線路坡度大,曲線半徑普遍較小,橋梁等基礎設施老化,嚴重影響運營安全。

2.1 線路特征

葉赤線線路全長137.257km,既有線線路平縱斷面特征見表1。

表1 既有線線路平縱斷面特征

既有線坡度較大,最大坡度為20.7‰,全段最小坡長200m。最大坡度代數差34.9‰。足坡地段為32個/14.22km,占正線長10.36%;自由坡地段為282個/123.02km,占正線長89.64%。上、下行拔起高度為369.5m、508.08m。全線坡度示意見圖1。

圖1 全線坡度示意

既有線曲線半徑普遍較小,最小曲線半徑僅為300m,300m半徑的曲線有5處/2.276km,占曲線全長的7.73%,300～800m半徑的曲線有41處/14.817km,占曲線全長的50.24%。

2.2 現狀通過能力及利用程度

葉赤線現狀能力已經飽和,為提高輸送能力,在運營中組織開行5對三機(DF4型)牽引或雙機(HXN、DF4各1臺)牽引的5000t列車。葉赤線現狀能力已飽和,限制區間為石腦—葉柏壽區間,平圖能力僅26.2對/d,現狀該段通過能力缺口為1.3對/d,能力利用率為93.6%,已占用儲備能力。

3 擴能改造方案

研究年度葉赤線預測運量為近期客車3對/d、貨運量2617萬t,遠期客車5對/d、貨運量2830萬t;貨運量主要為赤峰、以遠、元寶山、平莊南、汐子、天義等站運至錦承線朝陽方向的煤炭等大宗貨物。既有線的能力遠不能滿足研究年度運量需求。

結合預測的運量需求及京通線電氣化改造[6],地區未來貨運發展格局[7]等區域路網情況,研究4個擴能改造方案:現狀電化方案;現狀電化、部分車站延長到發線有效長至1080m方案;全線車站延長到發線有效長至1080m方案;全線車站延長到發線有效長至1050m、落坡方案。

3.1 方案Ⅰ:現狀電化方案

(1)牽引質量及能力適應性

葉赤線現狀到發線有效長為550m,由于運量大部分為煤炭,采用C70型車輛,牽引質量可達3000t。

現狀線路條件較差,限制坡度為20.7‰,大坡地段主要集中在馬林—熱水、沙海—葉柏壽兩段,對兩段電力機車單機牽引3000t進行牽引計算模擬。根據模擬,在既有斷面條件下,HXD系列機車能夠單機牽引3000t列車。V-S曲線見圖2、圖3(紅色線為限速、洋紅色線為速度、黑色線為時間,下同)。

圖2 馬林—熱水HXD機車單機牽引3000t(方案Ⅰ)

圖3 沙海—葉柏壽HXD機車單機牽引3000t(方案Ⅰ)

葉赤線僅進行電氣化改造,在開行3對客車時,限制區間(天義—沙海)使用能力為25.2對,輸送能力為1710萬t,較現狀僅增加約250萬t,研究年度能力缺口較大。方案Ⅰ(現狀電化)無法滿足預測運量需求。

(2)主要工程內容及投資

線路全長146.255km,新建單線(單繞)2.896 km;新建石腦隧道L=705m(既有石腦隧道1934年建成,隧道內排水設施失效、襯砌腐蝕和滲漏水情況嚴重,限界不滿足電氣化鐵路要求。原位改造干擾既有線行車組織,施工難度大、影響運營安全,采取線路繞行新建隧道的方案);全線電氣化改造;路基、橋梁及軌道維持既有。方案Ⅰ靜態投資174720.61萬元。

3.2 方案Ⅱ:現狀電化、部分車站延長到發線有效長至1080m

(1)牽引質量及能力適應性

由于現狀電化方案能力的提高不大,故考慮進一步延長部分車站到發線有效長至1080m,開行部分5000t列車,牽引質量為3000t、5000t。

在既有斷面條件下,采用HXD系列機車單機牽引5000t時,V-S曲線見圖4、圖5。

圖4 馬林—熱水HXD機車單機牽引5000t(方案Ⅱ)

圖5 沙海—葉柏壽HXD機車單機牽引5000t(方案Ⅱ)

馬林→元寶山區間長大下坡約為6km,周期制動可滿足要求。元寶山→熱水區間為上坡最大坡度達20‰,牽引力使用系數為0.9時,到達坡頂的速度為41km/h;牽引力使用系數為1.0時,到達坡頂的速度為46km/h,小于最低計算速度65km/h,故研究認為該段需雙機牽引5000t。沙海→石腦區間19km+760m→17km+320m段為連續上坡,長度為2.78km,該段上坡坡度15.0‰、坡長200m,19.7‰、坡長800m,17.9‰、坡長280m。牽引力使用系數為0.9,到達坡頂的速度為46km/h;牽引力使用系數為1.0時,到達坡頂的速度為52km/h,小于最低計算速度65km/h,無法滿足動能闖坡要求,也需雙機牽引。綜上所述,方案Ⅱ重車方向需采用雙機牽引5000t列車。

葉赤線沿線有煤炭裝車點,為提高運輸效率,考慮延長煤炭裝車點車站到發線有效長;在此基礎上,根據最大限度提高線路輸送能力的原則,分析到發線數量對通過能力的影響[8],以及列車開行方案對到發線的需求[9],采用圖解法[10],計算出1080m有效長車站分布間距為26km左右。結合以上分析,延長元寶山、平莊南、汐子、天義、沙海等5個車站到發線有效長至1080m,滿足開行部分5000t列車要求。

方案Ⅱ能夠滿足預測近期運量的能力需求,但遠期通過能力缺口3.7對,通過能力利用率為97.4%,需占用儲備能力。

(2)主要工程內容及投資

線路全長146.315km;橋梁、路基、軌道工程病害整治,其中老齡橋改建、隧道改建、車站延長引起改線12處、改線約25.38km;全線59處平交道口改立交;元寶山、平莊南、天義站、汐子站4個車站延長到發線至1080m。方案Ⅱ靜態投資294826.44萬元。

3.3 方案Ⅲ:電氣化改造、全線延長到發線有效長度至1080m

(1)牽引質量及能力適應性

全線電氣化改造,提高葉赤線牽引質量至5000t。維持既有坡度,需雙機牽引5000t列車。

若采用新型貨車,到發線有效長1050m可滿足6000t列車要求,為預留發展條件,滿足提高運輸能力需求,按雙機牽引6000t列車進行檢算。根據方案Ⅱ模擬,在既有斷面下采用HXD系列機車需雙機牽引5000t列車,牽引6000t列車也需雙機牽引,V-S曲線見圖6、圖7。

圖6 馬林—熱水HXD機車雙機牽引6000t(方案Ⅲ)

圖7 沙海—葉柏壽HXD機車雙機牽引6000t(方案Ⅲ)

馬林—熱水、沙海—葉柏壽段可滿足雙機牽引6000t要求。沙海—葉柏壽區間長大下坡地段,周期制動可滿足要求。

方案Ⅲ研究年度均能夠滿足預測運量需求,遠期通過能力富余0.3對。

在進行財務管理的工作中。企業工作人員需準確進行風險預測，對財務管理及經營風險進行充分認識，同時掌控其工作體系。除此之外，部分財務人員在對財務管理問題進行處理的時候，并沒有制定出風險管控方案，于財務管理工作中，缺乏個人管理經驗，所以對管理工作的實際工作效果產生影響，將管理的難度增加[5]。

(2)主要工程內容及投資

電化長度為146.13km;橋梁、路基、軌道工程病害整治,其中老齡橋改建、隧道改建、車站延長引起改線13處、約改線28.14km,施工便線1.108km;全線59處平交道口改立交,全線13個車站延長到發線至1080m。方案Ⅲ靜態投資323867.45萬元。

3.4 方案Ⅳ:電氣化改造、全線延長到發線有效長度至1050m,局部區段落坡

(1)牽引質量及能力適應性

方案Ⅳ改造內容為:電氣化改造,提高葉赤線牽引質量至5000t,局部區段進行落坡改造,滿足單機牽引5000t要求。

根據牽引計算模擬,落坡改造后,采用HXD系列機車單機牽引6000t時,V-S曲線見圖8、圖9。

圖8 馬林—熱水HXD機車單機牽引6000t(方案Ⅳ)

圖9 沙海—葉柏壽HXD機車單機牽引6000t(方案Ⅲ)

采用HXD1機車,馬林—熱水區間落坡改造后,坡頂速度為69km/h,沙海—石腦區間落坡改造后,坡頂速度為70km/h,均大于65km/h,能夠滿足單機牽引6000t要求。

表2 下坡道周期制動檢算(HXD1-6000)

表3 下坡道周期制動檢算(HXD1-5000)

列車從緩解初速增至坡道限速時的增速時間(緩解過程中保持動力制動)大于“充風時間+空走時間”[12],即說明在下坡道上,列車能維持周期制動要求。結合鐵路長大下坡道列車周期制動參數的選擇,對減壓量60kPa、70kPa情況下的周期制動進行檢算[13]。

由表2、表3可知,在-19%的長大下坡道上,周期制動良好時,HXD系列機車可以滿足6000t、5000t列車的制動要求。

僅采用空氣制動時[14],石腦—葉柏壽區間采用HXD機車單機牽引5000t時V-S曲線見圖10。

圖10 石腦—葉柏壽HXD機車單機牽引5000t(方案Ⅳ,不采用動力制動)

由圖10可知,在動力制動失效的情況下,采用HXD1機車單機牽引5000t需4～5個周期制動,如操作措施合理,則列車可安全通過該長大下坡道。綜上,研究認為在機車動力制動作用良好時石腦—葉柏壽段長大下坡制動可保證安全;但在機車動力制動失效條件下,需合理操縱才能保證列車安全通過,或需在長大下坡道上停車等待救援。

該方案研究年度能夠滿足預測運量需求,近、遠期通過能力分別富余5.6對、0.3對。

(2)主要工程內容及投資

電化長度146.081km;橋梁、路基、軌道需進行工程病害整治,其中老齡橋改建、隧道改建、車站延長、軟化坡度引起改線41.43km,施工便線1.108km;全線59處平交道口改立交;全線13個車站延長到發線至1050m。

線路全長146.081km。其中,新建線路長41.43km,既有線改建長104.65km,靜態投資362845.74萬元。

4 擴能改造方案綜合比選

4.1 方案工程投資比較

主要工程數量及投資比較見表4。

表4 各方案投資比較

4.2 擴能方案綜合比選

(1)從工程投資角度分析

4個建設方案中投資最多為方案Ⅳ,其次為方案Ⅲ、方案Ⅱ、方案Ⅰ。

(2)從運營成本、運輸效率角度分析

方案Ⅳ對既有線路進行改造,將坡度改造為6/13‰,且延長到發線有效長,滿足單機牽引5000t,能夠節省機車購置費,節省運營成本[15],提高運輸效率。在機車動力制動作用良好的條件下,石腦—葉柏壽段長大下坡制動可保證安全;但在機車動力制動失效條件下,需合理操縱才能保證列車安全通過,或需在長大下坡道上停車等待救援。

方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ不改造既有坡度,維持現狀20.7‰的限制坡度,方案Ⅰ牽引質量為3000t,方案Ⅱ為3000t、部分5000t,方案Ⅲ為5000t,較方案Ⅳ運營成本高。

方案Ⅱ、Ⅲ采用雙機牽引5000t,同時出現機車制動故障幾率小,長大下坡道制動安全性優于方案Ⅳ;但同時雙機牽引存在部分區段機車能力虛靡問題,機車運用效率較低。

(3)從運輸能力角度分析

4個方案中,能力最大為方案Ⅲ、Ⅳ,其次為方案Ⅱ,最小為方案Ⅰ。根據計算,方案Ⅰ無法滿足近、遠期預測運量需求;方案近期能力可以滿足要求,但遠期需占用儲備能力;方案Ⅲ、Ⅳ近、遠期能力均可滿足預測運量需求。

5 結論

結合葉赤線在區域路網中的作用,該線主要承擔沿線元寶山、平莊南、汐子、天義等站運至錦承線朝陽方向的大宗貨物;通過運量可能的來源為赤大白線大板方向,但考慮到在建的錦赤線與赤大白線為同一通道,赤大白線運量主要經錦赤線運輸,故由葉赤線承擔的赤大白線通過運量存在不確定性。

綜合4個擴能改造方案比選,方案Ⅱ延長部分到發運量較大車站的到發線有效長,滿足開行5000t列車的要求,改善既有葉赤線運輸條件,并適當提高運輸能力,能夠滿足近期預測運量需求,雖然遠期需占用儲備能力,但考慮到葉赤線預測運量的不確定性,為節省工程投資,減少投資風險,建議先期采用方案Ⅱ,即現狀電化、部分車站延長到發線有效長度至1080m方案,適當提高線路運輸能力及運輸條件,未來運量增長后,再結合運量發展情況考慮進行擴能改造。