哈薩克阿斯塔納至阿拉木圖高速鐵路速度目標(biāo)值選擇

來 琳

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司， 天津 300142)

哈薩克阿斯塔納至阿拉木圖高速鐵路速度目標(biāo)值選擇

來 琳

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司， 天津 300142)

通過對時間目標(biāo)值、工程建設(shè)成本、環(huán)保需求、適應(yīng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)狀況及列車運行速度目標(biāo)值的分析，從技術(shù)的可行性、經(jīng)濟(jì)合理性以及哈國鐵路技術(shù)的長遠(yuǎn)角度發(fā)展，來確定合理的速度目標(biāo)值。從工程投資和經(jīng)濟(jì)效益角度分析，250～300 km/h速度目標(biāo)值略優(yōu)，但是考慮本線在哈國的意義，及從功能定位、時間目標(biāo)值適應(yīng)性、技術(shù)先進(jìn)性和與區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的適應(yīng)性分析，建議采用350 km/h速度方案。

高速鐵路 哈撒斯坦 速度目標(biāo)值

阿斯塔納—阿拉木圖高速鐵路項目位于哈薩克斯坦共和國東部，連接首都阿斯塔納和最大城市阿拉木圖。線路起自阿斯塔納市，經(jīng)阿克莫拉州、卡拉干達(dá)州、阿拉木圖州，終點為阿拉木圖市。線路大體為西北—東南走向，線路長度1 011.2 km。

根據(jù)建設(shè)必要性的研究，本線定位為以客運功能為主的高速鐵路。速度目標(biāo)值是高速鐵路設(shè)計的主要技術(shù)指標(biāo)之一，目前，國內(nèi)外高速鐵路發(fā)展迅速，但速度目標(biāo)值各有不同，希望本文的研究能對具有類似特點的高速鐵路速度目標(biāo)值選擇有一定的參考價值。

1 時間目標(biāo)值的定位分析

1.1 既有鐵路旅行時間

既有阿拉木圖至阿斯塔納鐵路全長1 343 km，車站基本位于城市中心。快速列車運行時間約12.5 h，最高時速140 km/h，旅行速度約107 km/h，考慮候車和市內(nèi)交通附加時間1 h，既有快速鐵路旅行時間為13.5 h；普速列車運行時間約20 h，旅行速度約67 km/h，附加時間1 h，既有普速鐵路旅行時間為20.5 h。

1.2 航空旅行時間

哈薩克斯坦阿拉木圖至阿斯塔納的航空距離約960 km，飛行時間約1.5 h。阿拉木圖市機(jī)場距離市中心20 min的行程(正常情況)，阿斯塔納市機(jī)場距離市中心35 min的行程；候機(jī)時間按1 h計算，航空旅客旅行時間約3.5 h。

1.3 公路旅行時間

哈薩克斯坦阿拉木圖至阿斯塔納兩城市之間既有雙向兩車道公路，全長1 247 km，公路運輸?shù)穆眯袝r間約16 h，平均旅行速度約80 km/h。由于距離較遠(yuǎn)，開行的長途汽車較少。

既有鐵路、航空、公路的旅行時間見表1。

表1 既有鐵路、航空、公路旅行時間 h

1.4 高速鐵路時間目標(biāo)值

高速鐵路與其他運輸方式相比，具有高速、便捷、安全、全天候運行等優(yōu)勢。從滿足旅行時間目標(biāo)值，更好地發(fā)揮其在綜合交通運輸體系中的作用和競爭力考慮，高速鐵路旅行時間目標(biāo)值宜確定為4 h左右。

2 適應(yīng)時間目標(biāo)值要求分析

據(jù)本線初步的選線方案分析，線路全長1 011 km，考慮候車和市內(nèi)交通時間1.0 h，以350 km/h速度計算，直達(dá)列車旅行時間約4.1 h；以300 km/h速度計算，直達(dá)列車旅行時間約4.6 h；以250 km/h速度計算，直達(dá)列車旅行時間約5.2 h。

可見，滿足4～5 h左右時間目標(biāo)值要求的速度目標(biāo)值宜為300 km/h及其以上。

3 與本線功能定位適應(yīng)性分析

速度的設(shè)定與線路功能定位息息相關(guān)，采用高速鐵路的建設(shè)模式，賦予中長途客運系統(tǒng)以較高的設(shè)計速度定位，已成為多數(shù)國家的共識。本線是貫穿哈薩克斯坦南北新舊首都的重要客運通道，是國家高速客專網(wǎng)的重要組成部分，亦可能成為歐亞通道的組成部分，本線長達(dá)1 011 km，賦予該線以較高的設(shè)計速度定位，符合世界鐵路客運的發(fā)展共識。

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選

考慮300～350 km/h投資較高，研究250 km/h方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比選。

4.1 主要技術(shù)要求分析

(1)線路

本項目采用的主要線路標(biāo)準(zhǔn)如表2。

表2 不同速度目標(biāo)值主要線路標(biāo)準(zhǔn)

針對本線研究區(qū)域自然狀況，線路平、縱斷面條件不影響速度目標(biāo)值的選擇。

(2)路基

路基面形狀：

有砟軌道路基面形狀為三角形，由路基面中心向兩側(cè)設(shè)置不小于4%的橫向排水坡。曲線加寬時，路基面仍應(yīng)保持三角形。

無砟軌道支承層(或底座)底部范圍內(nèi)路基面水平設(shè)置，支承層(或底座)外側(cè)路基面兩側(cè)設(shè)置不小于4%的橫向排水坡。

基床結(jié)構(gòu)：

路基基床由基床表層和基床底層構(gòu)成?；脖韺雍穸扔许能壍罏?.7 m，無砟軌道為0.4 m，基床底層厚度為2.3 m。

路基填料要求及壓實標(biāo)準(zhǔn)：

有砟軌道和無砟軌道高速鐵路路基填料要求及壓實標(biāo)準(zhǔn)相同。沿線填料采用山坡覆蓋層的碎石土，填料豐富。

路基工后沉降：

工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 路基工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

無砟軌道路基沉降比較均勻，調(diào)整軌面高程后的豎曲線半徑滿足一定要求時，允許的工后沉降為3 cm，路基與橋梁或橫向結(jié)構(gòu)物交界處不均勻沉降造成的折角不應(yīng)大于1/1 000。

路線途經(jīng)的平原地帶——哈薩克斯坦中部山地和沙地，具有良好的工程地質(zhì)條件，路基工后沉降不影響速度目標(biāo)值的選擇。

(3)橋梁

對于300 km/h及350 km/h，對于梁部、墩臺、基礎(chǔ)等原則上采用同一套結(jié)構(gòu)體系。與速度250 km/h梁部主要尺寸變化見表4。

表4 時速300、350 km/h與時速250 km/h主要尺寸比較

注：表中梁高均考慮了加高平臺高度；時速300 km/h與350 km/h采用梁圖同。

對于不同軌道類型，高速鐵路橋梁基礎(chǔ)的沉降限值不同，對沉降限值的規(guī)定見表5。

表5 橋梁墩臺基礎(chǔ)工后沉降限值

沿線工程地質(zhì)條件良好，橋梁墩臺工后沉降不影響速度目標(biāo)值的選擇。

(4)軌道

本設(shè)計速度350 km/h及300 km/h時，軌道型式采用無砟軌道，250 km/h時采用有砟軌道。

(5)電氣化

按照本項目行車組織方案，速度目標(biāo)值250 km/h、300 km/h、350 km/h牽引變壓器容量，分區(qū)所及AT所自耦變壓器容量均一致，牽引變壓器容量為2X(20MVA+20MVA)，分區(qū)所自耦變壓器容量為4X16MVA，AT所自耦變壓器容量為2X20MVA。

(6)通信

結(jié)合信號系統(tǒng)研究，設(shè)計速度目標(biāo)值為250 km/h時，信號系統(tǒng)采用CTCS-2， GSM-R不承載列控數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，此種情況下GSM-R采用單網(wǎng)非冗余覆蓋，基站間距約為5 km。

設(shè)計速度目標(biāo)值為300 km/h及350 km/h時，信號系統(tǒng)采用CTCS-3， GSM-R承載列控數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，此種情況下，GSM-R采用單網(wǎng)交織覆蓋，基站間距約為3 km。MSC交換中心為冗余配置。

(7)信號

設(shè)計速度250 km/h方案列車運行控制系統(tǒng)地面設(shè)備采用CTCS-2級，采用目標(biāo)—距離控制模式。

設(shè)計速度300 km/h方案列車運行控制系統(tǒng)與350 km/h方案一致，地面設(shè)備按CTCS-3級系統(tǒng)設(shè)計，采用目標(biāo)—距離控制模式。

4.2 經(jīng)濟(jì)比選

不同線路走向方案、不同軌距標(biāo)準(zhǔn)條件下不同設(shè)計速度的經(jīng)濟(jì)比選：經(jīng)測算，設(shè)計速度350 km/h方案靜態(tài)為340.4億美元，投資分別較300 km/h方案、250 km/h方案主要工程投資增加約0.6%和19.4%。

5 能耗分析

根據(jù)多項目牽引計算研究結(jié)果，單位牽引能耗：350 km/h列車為601 kWh/104t·km，300 km/h列車為474 kWh/104t·km，250 km/h列車為356 kWh/104t·km，350 km/h、300 km/h列車約是250 km/h列車的1.69倍和1.33倍。速度與能耗呈遞增關(guān)系，速度越高，能耗越大。

本項目不同速度目方案的年耗能如表6。

表6 不同速度方案年能耗量(2033年)

6 環(huán)保要求分析

高速鐵路運營時產(chǎn)生的噪聲及振動對周圍建筑物有一定的影響，對于噪聲及振動強(qiáng)度的控制，國際及世界各國均有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

與噪聲聲源有關(guān)的主要因素有列車類型、運行速度、線路類型、軌道結(jié)構(gòu)、垂向指向性等；與傳播有關(guān)的主要因素有幾何發(fā)散損失、大氣吸收、地面聲衰減、屏障聲繞射衰減、建筑群衰減等。當(dāng)速度為240 km/h，噪音為86 dB。隨著速度的提高，噪聲也隨之加大，速度每增加10 km/h，噪聲增加0.5～1 dB。

影響鐵路環(huán)境振動的主要因素有列車類型、運行速度、線路結(jié)構(gòu)、地質(zhì)條件、建筑物類型等。當(dāng)速度為240 km/h，噪音為80 dB。隨著速度的提高，振動也隨之加大，速度每增加10 km/h，振動增加0.5 dB。

沿線環(huán)境敏感點主要為鐵路經(jīng)過的阿斯塔納、卡拉干達(dá)、阿拉木圖等市區(qū)范圍，敏感點較少，設(shè)計速度250 km/h與300～350 km/h影響不大。

根據(jù)哈薩克斯坦噪音標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計速度250 km/h及以上時，噪聲及振動源強(qiáng)均超出控制標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)環(huán)境要求，需要采取必要的減振、降噪措施。

7 技術(shù)體系成熟度和先進(jìn)性分析

新建高速鐵路設(shè)計速度一般為250 km/h、300 km/h、350 km/h三種速度等級。高速鐵路的設(shè)計速度經(jīng)歷了不斷的發(fā)展過程，從日本第一條高速鐵路以時速210 km運營，逐步發(fā)展到以時速300 km及以上運營。目前中國已有設(shè)計時速300 km及以上高速鐵路近萬公里，韓國、意大利、俄羅斯、美國等國家，其高速鐵路設(shè)計速度均選擇了300 km/h或350 km/h。

350 km/h的設(shè)計速度代表著當(dāng)今世界高鐵領(lǐng)域最先進(jìn)的技術(shù)水平，其技術(shù)成熟度和可靠性有充分保障。本線為哈薩克斯坦首條新建高速鐵路，速度目標(biāo)值宜為300～350 km/h。

8 與區(qū)域經(jīng)濟(jì)水平的關(guān)系分析

高速鐵路建設(shè)應(yīng)與沿線區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相適應(yīng)，需具備一定的經(jīng)濟(jì)水平來支撐項目的客流及運價，使得經(jīng)濟(jì)評價可行。從已運營及正在建設(shè)的中國高速鐵路分析，設(shè)計速度目標(biāo)值與經(jīng)濟(jì)水平的關(guān)系分別為：北京、上海人均GDP 1.1萬美元，京滬高速鐵路設(shè)計速度350 km/h；北京、廣州均人均GDP為1.1萬美元，京廣客專設(shè)計速度350 km/h；石家莊人均GDP 5 000美元，太原人均GDP6700美元，石太客專設(shè)計速度250 km/h。

2010年哈薩克斯坦人均GDP為9 000美元，阿斯塔納市人均GDP 1.8萬美元、阿拉木圖市人均GDP 1.9萬美元。參照中國高速鐵路的建設(shè)理念，本項目的設(shè)計速度定在300 km/h以上是適宜的。

9 綜合分析

通過對時間目標(biāo)值要求、本線功能定位、技術(shù)經(jīng)濟(jì)、能耗、環(huán)保要求、技術(shù)體系成熟先進(jìn)性、區(qū)域經(jīng)濟(jì)水平等方面的綜合分析論證，結(jié)合國際與中國高速鐵路速度目標(biāo)值建設(shè)及技術(shù)發(fā)展，考慮高速鐵路交通方式在研究區(qū)域的競爭力，本線的設(shè)計速度采用300～350 km/h是合適的。

從本項目的線路、路基、軌道、橋梁、電氣化、信息、信號、車輛等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對比以及投資估算結(jié)果看，設(shè)計速度350 km/h方案與300 km/h差別不大。

10 結(jié)論

從滿足時間目標(biāo)值、線路功能定位、高鐵的技術(shù)成熟度等方面分析，本項目按速度350 km/h設(shè)計是合理、可行的。

[1] TB10621—2009高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)[S]

[2] GB50091—2006鐵路車站及樞紐設(shè)計規(guī)范[S]

[3] 鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司阿斯坦納-阿拉木圖高速鐵路經(jīng)濟(jì)技術(shù)論證(第二篇)[R].天津:鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，2011．

[4] 王秀麗.哈濱至齊齊哈爾城際鐵路速度目標(biāo)值選擇[J].鐵道工程學(xué)報，2008(2)：17-20

[5] 史艷麗.京津城際客運專線速度目標(biāo)值的選擇[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2005(4)：21-22

[6] 馬大煒.高速列車及其速度目標(biāo)值的探討[J].中國鐵道科學(xué)，2003(10)：1-8

[7] 徐安華.我國高速鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的幾點思考[J].世界標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量管理，2004(8)：43-45

[8] 張紅偉.貴陽至廣州鐵路速度目標(biāo)值選擇[J].鐵道工程學(xué)報，2009(12)：25-29

[9] 闞叔愚，陳峰.京滬高速鐵路速度目標(biāo)值與主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和工程造價[J].鐵道工程學(xué)報，1998(3)：36-41

[10] 宋小滿，顧保南.京滬高速鐵路速度目標(biāo)值對工程及運營成本的影響[J].上海交通大學(xué)學(xué)報，1996(6)：85-90

OptionofSpeedTargetValueoftheAstana—Alma-AtaofKazakhstanHigh-SpeedRailway

LAI Lin

2013-10-28

來 琳(1983—)，男，2008年畢業(yè)于北京交通大學(xué)城市軌道交通專業(yè)，工學(xué)碩士，工程師。

1672-7479(2014)01-0056-04

U212.32

： B