蒙西至三北羊场铁路限制坡度选择研究

曾灵敏

（中交铁道设计研究总院有限公司高级工程师，北京 101304）

0 引言

蒙西至三北羊场铁路（以下简称蒙三铁路）是鄂尔多斯西部纵向运输通道的重要组成部分，主要承担蒙西工业园及沿线化工园区货物集疏运和煤矿运输业务，是工业园区、矿区对外运输大能力通道。项目为地方货运专线铁路，远期预留客运条件。近期货运17.6～22.95 Mt，远期货运21.8～28.75 Mt、客车1 对; 货运以工业园区至三北羊场以远地方大宗运量为主。蒙三铁路设计行车速度为120 km/h。

1 铁路项目限制坡度选择控制因素分析

新建铁路的最大坡度，在单机牵引路段称限制坡度，在一台以上机车牵引路段称为加力坡[1]。限制坡度是单机牵引普通货物列车，在持续上坡道上、最后以机车计算速度等速运行的坡度；它是限制坡度区段的最大坡度，货物列车牵引质量需依据它来计算。限制坡度是铁路主要技术标准组成要素之一，直接影响铁路输送能力。

铁路限制坡度的选择与铁路等级、沿线地形条件、铁路输送能力要求、相邻路网条件、牵引动力条件[2]、环境敏感点、工程分布等各方面因素密切相关。具体设计时需综合考虑以上控制因素，根据项目实际酌情分析，并结合项目运输组织设计，如最大坡度和牵引质量的协调匹配、运输组织的顺畅及路网直通、尽量减少增减轴技术作业、提高运输组织效率及节省运营成本等，科学合理确定限制坡度。

1.1 铁路等级

铁路等级越高，则设计铁路在路网中的意义、作用和客货运量越大，更需要有良好的运营条件和较低的运输成本，因此宜采用较小的限制坡度。

1.2 相邻路网条件

如果设计铁路与邻接铁路的直通货流量很大，或者设计铁路在路网中联络分流作用显著，则在限制坡度选择时，应考虑与相邻铁路牵引定数相协调，尽量使设计铁路限制坡度与相邻路网相统一。这样，可避免直通货物列车在接轨站的甩挂作业，加速货物送达，降低运输成本，提高运输效率。

1.3 机车牵引动力与坡度体系的发展趋势

机车牵引力是选择限制坡度的决定性因素之一。我国铁路装备水平提高，正在加快更新货运机车[3]，HXD 系列电力机车在9‰限制坡度条件下，牵引质量均可达到4 000 t以上，如表1所示。

表1 HXD系列货机牵引质量表单位t：

近年来“和谐型”大功率电力机车已经覆盖我国绝大部分地区，机车牵引动力的发展，使我国铁路网限制坡度（单机牵引）具备了从6‰提高至9‰的条件，同时能够提高运能、减少工程投资、降低工程风险。

1.4 地形条件

不同的地形条件，线路沿线的自然纵坡不一样，如河谷地区、越岭地区、平原和丘陵地区等。为了克服高程障碍，绕避不良地质，正确处理铁路与行经地区的关系等，需要选用不同的限制坡度或加力坡来适应不同的地形条件。

1.5 环境敏感点保护要求

依据《铁路工程环境保护设计规范》（TB 10501—2016）规定[5]：铁路选线严禁穿越自然保护区的核心区和缓冲区、风景名胜区的核心景区、世界文化和自然遗产地、饮用水水源一级保护区；宜避开自然保护区的试验区及其外围保护地带、风景名胜区核心景区外的其他外围保护地带、储藏量大且有开采价值的矿区、饮用水水源一级保护区外的其他等级保护区以及森林公园、地质公园、重要湿地、天然林、珍稀濒危野生动植物天然集中分布区、重要水生生物的自然产卵场、索饵场、越冬场和洄游通道、天然渔场等；宜使用劣地和荒地,不占或少占用耕地和基本农田。

铁路选线设计时，要尽量绕避这些环境敏感点，不可避免地会对限制坡度选择造成影响。

1.6 工程分布影响

为满足铁路沿线所经地区控制性工程净空要求，如：大江大河的通航要求、高速公路或城市道路上跨要求、既有铁路的上跨要求、国家重点项目的跨线要求等，不可避免地会在局部地段采用大坡度来满足工程分布影响，对限制坡度选择造成影响。

2 蒙三铁路限制坡度选择

2.1 铁路等级

《铁路线路设计规范》（TB 10098—2017）（以下简称《线规》）规定[6]，铁路等级对应的客货共线铁路限制坡度不得大于表2规定的数值。

表2 限制坡度最大值单位‰：

蒙三铁路近期运量超过20 Mt，依据《线规》规定“铁路网中起骨干作用的铁路，或近期年客货运量大于或等于20 Mt 者为Ⅰ级铁路”，确定蒙三铁路等级为Ⅰ级。又蒙三铁路设计为电力牵引线路，从南向北依次经过平原、丘陵山区和平原等地形，由表2可知，铁路等级对应的限制坡度最大值不应超过15‰。

2.2 相邻路网条件

新建蒙三铁路位于内蒙古自治区鄂尔多斯市西部，线路南端与东乌铁路、三新线相连，线路北端远期预留与包兰铁路相连条件，线路全长118 km，与既有东乌铁路接轨于三北羊场站（图1）。与蒙三铁路相邻的既有铁路限制坡度情况见表3。相邻路网除既有三新线、东乌线限制坡度为9‰外，其余干线铁路限坡大多为6‰系列。

图1 蒙三铁路相邻路网图

从路网条件分析，蒙三铁路限制坡度选择应考虑与相邻东乌线、三新线、包兰线牵引定数相协调，尽量使设计铁路限制坡度与相邻路网相统一。这样，可避免直通货物列车在接轨站的甩挂作业，加速货物送达，降低运输成本，提高运输效率。

综上，从相邻路网条件考虑，蒙三铁路限坡应选择6‰或9‰系列。

2.3 沿线地形地貌

蒙三铁路总的地势为中间高南北低，沿线地形地貌从南到北大致可分为波状高原区、低中山区和冲洪积平原区。沿线自然纵坡大概在9‰～16‰之间。

2.4 货物流向及运输组织

从运输组织特点分析，本线轻、重车方向货流密度比为1∶1.2 左右，轻重车方向货流较均衡，从运输组织角度考虑，货流轻重车方向较均衡，不考虑分方向选择限制坡度。

本线到达的货物主要为蒙西工业园区企业所需煤炭、铁矿石、兰炭等原材料，流量大，流向集中，主要来源方向为昌汗乌素、三北羊场以远方向，主要利用东乌既有线运输，限坡为9‰；本线发送的货物主要为PVC、电石、焦炭、钢材产品等，主要去向为三北羊场以远，主要利用东乌新增二线运输，限坡为6‰/13‰。本线车流以大宗跨线直达车流为主，应考虑路企直通运输，相应本线限制坡度及牵引质量应与后方运输通道东乌线协调一致，以便于运输组织，提高运输效率。

从货物流向及运输组织协调匹配考虑，本线限坡应选择6‰或9‰系列。

2.5 限坡方案比选

从本线地形地貌、相邻线铁路主要技术标准、货物特点及运输路径等方面综合考虑，本次主要对6‰、9‰与13‰限坡方案进行了比选。

1）6‰限坡方案。线路全长194.500 km，其中桥梁总长76.383 km，隧道总长5.2 km，桥隧比41.9%，穿越西鄂尔多斯国家级自然保护区实验区61.642 km，共设车站14个（含接轨站），其中预留车站2个，预留线路所1个。该方案穿越了西鄂尔多斯国家级自然保护区实验区，但绕避了西鄂尔多斯国家自然保护区核心区和缓冲区。

2）9‰限坡方案。线路全长130.5 km，其中桥梁总长30.864 km，隧道总长18.7 km，桥隧比38.0%，穿越西鄂尔多斯国家级自然保护区实验区43.53 km，核心区2.5 km，缓冲区10.87 km。全线共设车站11 个（含接轨站），其中预留车站2 个，预留线路所1个。该方案穿越了西鄂尔多斯国家级自然保护区核心区及缓冲区。

3）13‰限坡方案。线路全长118.471 km，其中桥梁总长25.689 km，隧道总长10.210 km，桥隧比30.3%，穿越西鄂尔多斯国家级自然保护区实验区31.9 km。全线共设车站10个（含接轨站），其中预留车站2个，预留线路所1个。该方案穿越了西鄂尔多斯国家级自然保护区实验区，但绕避了西鄂尔多斯国家自然保护区核心区和缓冲区。

2.6 方案优缺点分析

地形适应性：采用6‰坡度时，全线展线系数为2.15；采用9‰坡度时，全线展线系数为1.49；采用13‰坡度时，全线展线系数为1.29，较9‰坡度及6‰坡度小，13‰坡度更能适应地形。

机车、牵引质量与限制坡度匹配性：当前及未来主力电力货运机车不同限制坡度牵引质量如表4。

表4 主力货机在不同限制坡度的牵引质量表单位t：

从表4可知，当机车牵引力系数为1.0时，在9‰限坡上，HXD2 机车可单机牵引5 000 t。对HXD 系列机车来说，6‰和9‰为单机坡，13‰为双机坡。

运输组织分析：本线限坡采用6‰或9‰时，本线去往东乌线直达列车均不需要在三北羊场站进行补机摘挂作业；采用13‰时，需要在三北羊场进行补机摘挂作业。

环境敏感点保护要求：9‰方案穿越西鄂尔多斯国家级自然保护区核心区及缓冲区，环保要求不合格。6‰和13‰方案绕避西鄂尔多斯国家自然保护区核心区和缓冲区，满足环境敏感点保护要求。

工程投资及换算运营工程费：经计算，工程投资6‰方案最高，9‰方案次之，13‰方案最小。换算运营工程费13‰方案最小，9‰方案次之，6‰方案最高（表5）。无论是工程投资还是换算运营工程费，都是6‰方案>9‰方案>13‰方案。

表5 主要工程数量及投资对比表

2.7 综合比选结果

6‰、9‰限坡方案与相邻线铁路主要技术标准匹配好，运输组织最顺畅，13‰限坡方案需要在接轨站增设机待线进行补机摘挂作业，导致运输组织效率降低，但13‰限坡方案线路长度最短，工程静态投资最少，工程经济性最好；6‰限坡方案展线系数大，线路长度最长，换算运营工程费最高；9‰限坡方案换算运营工程费虽然相对较小，但线路穿越西鄂尔多斯国家级自然保护区核心区及缓冲区，不符合环保要求，工程不可行。因此，本次研究限制坡度推荐采用13‰限坡方案。

3 结语

限制坡度是影响新建铁路输送能力、工程数量和运营费用的关键因素，有时甚至影响线路走向。笔者以蒙三铁路为例，通过对蒙三铁路等级、沿线地形条件、相邻路网条件、运输组织适应性、是否符合环保要求等进行分析，并对各方案进行换算运营工程费比较，最终推荐采用13‰限制坡度方案。本文详细分析了新建铁路限坡选择需要考虑铁路等级、相邻路网条件、机车牵引动力及坡系发展趋势、运输组织、地形条件、环保要求、工程分布等控制因素影响以及设计时采取的具体应对措施，对新建铁路科学选择限制坡度具有参考意义。