新建西安至十堰高速铁路最大坡度研究

王小红

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

最大坡度是高速铁路重要技术标准之一，对线路的长度、走向、建设规模、工程投资、运营支出、运输质量、线路能力等均具有较大影响，尤其对于山高沟深、高程落差大的复杂地区，选择经济合理的坡度方案更为重要。结合项目沿线地形地质条件、设计速度、运输需求[1]，综合分析区域路网匹配性、工程投资经济性、列车运行安全性、运营效果合理性等影响因素，对新建西安至十堰高速铁路最大坡度方案进行研究。

1 西安至十堰高速铁路概况

西安至十堰高速铁路位于陕西省东南部和湖北省西北部，与建设中的武汉至十堰铁路相连，形成连接关中城市群核心城市西安和江汉城市群核心城市武汉的便捷快速铁路客运通道，是中长期高速铁路网规划项目[2]。线路西起陕西省西安市，向东南引线穿越秦岭山脉，经商洛至十堰市。纺织城(西安东)至十堰北新建正线全长253.725 km，其中陕西省境内174.700 km、湖北省境内79.025 km。全线共分布纺织城(西安东)、蓝田、金陵寺、商洛西、山阳、漫川关、郧西、十堰北等8处车站[3]。根据运量预测，本线近期、远期客流密度和动车组列车对数如表1所示。

表1 研究年度项目预测运量

新建西安至十堰高速铁路线路走向及平纵面示意见图1。

图1 西安至十堰高速铁路线路走向及平纵断面示意

2 沿线地形、地貌特征

新建西安至十堰高速铁路沿线主要经过4个地貌单元，西安至蓝田属渭河盆地区，主要由河谷平原区、黄土台塬区及山前古洪积扇等次一级地貌单元组成，相对高差50～200 m，地形较平缓。蓝田至商洛属秦岭中山区，北陡南缓，北坡沟谷短，沟床纵坡陡，多呈“U、V”形谷，南坡沟谷较长，沟床相对较缓，自然坡度一般25°～45°。商洛至郧西属秦岭南麓低山区，绵延山峦与宽阔河谷相伴而生，自然坡度一般15°～35°。郧西至十堰属秦岭南麓及武当山北坡低山丘陵区，以圆缓的丘陵地貌为主[4]。沿线地形、地貌特征见图2。秦岭为我国温带和亚热带气候的重要分界线。沿线地震动峰值加速度值为0.05g～0.20g，抗震设防烈度为6～8度。

3 相关铁路翻越秦岭最大坡度及技术指标分析

目前在秦岭山区选线、最大坡度选择及越岭隧道的勘察设计已积累了一定经验，秦岭地区分布的既有线主要有宝成铁路、西康铁路、宁西铁路及西成高铁。

修建于20世纪50年代的宝成铁路，选择较大河谷及低垭口，采用陡坡(30‰)、短隧、硬展线翻越秦岭；至20世纪90年代末修建的西康、宁西铁路，则选择较大河谷及适宜坡度(13‰)，采取特长隧道与适量展线相结合穿越高大山脉；西成高铁因曲线半径大，不宜展线，线路短捷顺直，翻越秦岭地段克服高差巨大，采用大坡道(25‰)、特长隧道及长大隧道群顺直穿山越岭[5]。

图2 西安至十堰高速铁路沿线地形、地貌分区

各线在越秦岭段最大坡度及相关技术指标如表2所示。

表2 相关铁路越秦岭最大坡度及相关技术指标

4 最大坡度方案研究

4.1 坡度方案构成

《高速铁路设计规范》规定：“区间正线的最大坡度不宜大于20‰，困难条件下经技术经济比较后不应大于30‰。[6]”区域路网内已运营的大西高铁最大坡度一般20‰、局部30‰，银西[7]、西成、西延、延榆、西康、宝兰高铁最大坡度一般20‰、局部25‰，郑西、西宝高铁及武汉至十堰铁路最大坡度20‰。

结合沿线地形、地貌特征，本线总体呈两端相对平缓、中间起伏较大的特点。西端纺织城(西安东)至蓝田段及东端郧西至十堰北段分别位于渭河盆地和低山丘陵区，地形相对平缓，起伏较小[8]，20‰坡度可完全适应地形。因此，最大坡度方案重点针对线路穿越秦岭的蓝田至商洛、商洛至郧西段细化研究，结合规范要求及相邻线主要技术标准，分别研究了20‰，25‰，30‰三个最大坡度方案。

4.2 不同方案工程经济性分析

4.2.1 蓝田至商洛段

蓝田至商洛山体宽厚，山势北陡南缓，北坡沟谷段、南坡沟谷较长，航空线部分段落最大自然纵坡达到34‰，采用20‰坡度无法完全适应地形。结合西安至商洛段宏观走向，选择草坪街垭口作为越岭隧道的必经垭口，针对此垭口进行最大坡度方案比较。该段航空剖面及坡度方案比选见图3，工程经济比选[9]如表3所示。

25‰方案较20‰方案缩短线路760 m、较30‰方案展长480 m。25‰坡度方案较20‰坡度方案地形适应性好，可有效减少50 m以上高桥，工程投资节省1.95亿元。30‰坡度方案较25‰坡度方案工程改善不明显，工程投资相当。

表3 坡度方案工程经济比较

4.2.2 商洛至郧西段

图3 蓝田至商洛航空剖面及坡度方案比选示意

商洛至郧西段穿越秦岭褶皱带，山势陡峻、河谷深切，山势绵延起伏，相对高差较大，山体厚度基本在30 km左右[10]。结合商洛至十堰走向方案，商洛至郧西间经过山阳、漫川关设站，由航空剖面图可见，除漫川关站进站端自然地势有25‰坡度外，其余地段20‰坡度完全适应地形。商洛至郧西航空剖面及不同坡度方案比选见图4，不同坡度经济性比较[11]，如表4所示。

表4 坡度方案工程经济比较

25‰坡度方案较20‰坡度方案可以缩短线路长度2.11 km，工程投资节省2.73亿元，由于漫川关站位控制，30‰坡度方案与25‰坡度方案平面线位相同，纵断面改善工程设置有限，工程投资相当[12]。

4.3 不同坡度方案综合分析

4.3.1 与地形、工程经济适应性分析

本线所经地形山高谷深、地势陡峻，采用25‰的坡度方案能较好地适应地形，较20‰方案可缩短线路长度，有效减少隧道、桥梁工程[13]；30‰较25‰方案改善工程条件有限，且恶化运营条件。经比较分析，25‰较20‰的坡度方案工程投资节省4.68亿元，节省效果明显；30‰较25‰的坡度方案线路长度相差不大，越岭隧道长度和桥梁高度均没有明显改善，投资仅节省0.47亿元，效果不明显。

4.3.2 与运营效果、经济效益适应性分析

各方案的运营效果、经济效益主要体现在动车组列车运行时分和运营能耗方面[14]。针对不同坡度方案的线路长度、坡度分布情况，通过模拟牵引计算分析，采用CRH3型动车组，8辆编组，对各方案运行时分、技术速度及运营能耗指标进行分析[15]，比较结果如表5所示。

表5 不同坡度方案运营效果、经济效益适应性分析

不同坡度方案线路长度相当，引起运行时分相差甚微，对运营效果无影响，运行能耗相差不大，经济效益基本相当。

4.3.3 与运输能力适应性分析

根据高速铁路现状技术装备(动车组、车载等)及实际运营情况，动车组在不同坡度方案，尤其在持续长大下坡段落制动距离，追踪间隔影响明显，导致运输能力差别较大。

式中l列——列车长度，按16辆、长420 m考虑；

l分区——分区长度；

l列防——列车防护距离，取110 m。

l制——列车制动距离，m；

t司确——司机确认附加运行时分，按15 s考虑；

v运——列车运行速度。

图5 高速铁路列车区间追踪间隔示意

持续长大下坡地段，坡度越大，制动距离增幅越大、最小追踪间隔同步增加较大，对线路能力影响较大[17]。通过不同方案坡度分布，经模拟计算，各方案在305 km/h制动初速下，最困难地段线路可实现的列车追踪间隔及运输能力[18]分析如表6所示。

表6 列车追踪间隔及运输能力分析

由表6可见，各方案虽均可满足运输需求，但25‰、30‰方案追踪间隔略大于3 min。故20‰以上的持续长大坡段应慎用[19]，在工程投资相差不大时，应尽量选择较小坡度，以便为运营创造良好条件。

4.4 研究结论

综合以上分析，本线虽大部分线路经过了山大沟深的秦岭山区，但困难地段的蓝田至金陵寺段及漫川关进站端采用25‰坡度，其余各段采用20‰的坡度，可适应沿线地形条件，工程经济性较好；符合相关规范要求，且与相邻高速铁路标准相统一，路网匹配性好；线路能力可满足运输需求[20]，且能保证较好的运输质量。因此，西安至十堰高速铁路最大坡度推荐采用一般20‰、困难25‰。

5 结语

根据新建西安至十堰高速铁路沿线地形、地貌特征，结合规范要求及相邻高速铁路技术标准，西安至蓝田、郧西至十堰采用适应地形的20‰的坡度方案，并对越岭地段的蓝田至郧西研究了20‰，25‰，30‰三个坡度方案，从工程经济、运输质量、运营能耗、输送能力等方面综合分析[21]，推荐经济性最优的25‰方案。研究结论符合项目特征、满足运输需求、与路网匹配性好，同时可为其他铁路翻越秦岭地段最大坡度选择提供决策依据。