鐵路專用線總體設(shè)計方案研究

余浩偉 黃志相 寇峻瑜 羅 圓 肖 杰

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610036)

1 概述

鐵路專用線是干線鐵路貨物集疏運系統(tǒng)的重要組成部分，是鐵路運量的主要來源。相較于干線鐵路，專用線設(shè)計具有不同的特點，應(yīng)從設(shè)計思路上區(qū)別對待。

近年來，國內(nèi)相關(guān)學(xué)者對與專用線設(shè)計有關(guān)的問題進行了許多探討，梁棟結(jié)合實例對煤運鐵路選線設(shè)計進行研究[1]，李耐振、解俊等對鐵路專用線的接軌方案進行了分析[2-4]，武曉暉探討了鐵路專用線站場改擴建設(shè)計的基本思路[5]，陳景瑜等對山區(qū)重載鐵路專用線設(shè)計方法進行了分析[6]，蔡永明、方金等分別對專用線工程投資控制方法、影響鐵路專用線造價的因素等問題進行了分析研究[7-9]，但以上研究多著眼于專用線設(shè)計的某個方面。為此，以下從總體設(shè)計角度，對主要技術(shù)標準、與各利益方的關(guān)系、工程措施方案等內(nèi)容進行研究。

2 主要技術(shù)標準

技術(shù)標準是鐵路建設(shè)的先決條件，對于工程影響較大，在專用線設(shè)計過程中，其技術(shù)標準不可按照規(guī)范生搬硬套，應(yīng)在參照規(guī)范的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際情況靈活確定。

2.1 鐵路等級

鐵路等級直接影響各專業(yè)主要設(shè)計標準及設(shè)計參數(shù)的取值，如設(shè)計使用年限、路基面寬度、橋梁設(shè)計洪水位等，對工程量以及工程造價等均有較大影響，應(yīng)慎重選用。

根據(jù)鐵路的作用、性質(zhì)、列車設(shè)計行車速度和客貨運量，將國家鐵路網(wǎng)統(tǒng)一劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四級[10-11]。為區(qū)別于國家干線鐵路，專用線一般采用以量定級的方式。對于有路網(wǎng)屬性的鐵路專用線，其鐵路等級的確定(或預(yù)留)應(yīng)滿足路網(wǎng)標準；如無路網(wǎng)屬性，則可根據(jù)實際運輸需求確定。

值得注意的是，大部分為資源開發(fā)服務(wù)的鐵路專用線，其運量往往可以達到國鐵Ⅰ、Ⅱ級的標準，各項建設(shè)標準均較高，使得專用線建設(shè)成本急驟上升。業(yè)主方對此意見較大，往往會提出降低標準的要求。此時應(yīng)堅定立 場，與業(yè)主充分溝通并達成一致意見，切不可完全按照業(yè)主指令行事，因為一旦出現(xiàn)任何質(zhì)量事故，設(shè)計單位和設(shè)計人員均要承擔相應(yīng)的經(jīng)濟、法律責任。

2.2 坡度

大部分專用線輕重車方向均較為明顯，設(shè)計中應(yīng)突破傳統(tǒng)均衡坡的概念，根據(jù)貨流方向、地形起伏情況，結(jié)合《列車牽引計算規(guī)程》計算滿足重車方向制動要求的坡度，并以此確定輕車方向的限制坡度，從而縮短線路長度，節(jié)省工程投資。

以敘大線為例，重車方向為大村至敘永，地形上為敘永低、大村高，其中敘永至震東段(下行方向)15.3 km內(nèi)高差達310.13 m，理論直線坡度為20.27‰，為減少展線，節(jié)約投資，對此開展了專題研究:根據(jù)《列車牽引計算規(guī)程》[12]計算最大限制坡度，在正常情況及電阻制動失效、僅采用空氣制動時，采用DF4B型機車牽引2 400 t可保證列車在20‰(不折減)的長大下坡道上安全運行，且下行方向單機牽引1 100 t也可滿足運量要求。因此，采用了上行10‰、牽引質(zhì)量2 400 t，下行20‰(不折減)、牽引質(zhì)量1 100 t的分方向限坡方案，較原設(shè)計(按《鐵路線路設(shè)計規(guī)范》[13])共縮短線路3.275 km，節(jié)約工程投資1.474億元[14]，取得了明顯的經(jīng)濟效益。

2.3 曲線半徑和緩和曲線長度

專用線設(shè)計速度相對較低，可采用較小的曲線半徑，有利于節(jié)省工程和投資。設(shè)計中，最小曲線半徑應(yīng)根據(jù)地形和工程情況合理選用，不可機械套用規(guī)范規(guī)定的最小值。

根據(jù)《鐵路軌道設(shè)計規(guī)范》，鋼軌磨耗與線路通過總質(zhì)量的關(guān)系如圖1所示[13]，曲線半徑小于800 m時，隨著曲線半徑的減小，鋼軌磨耗急劇增大，運營維修量急劇增加。因此，選線設(shè)計中曲線半徑的選擇，應(yīng)結(jié)合工程造價和以后的運營維修費用進行綜合比選，有條件時盡量采用較大的曲線半徑。

圖1 線路軌道通過總質(zhì)量與磨耗量的關(guān)系

另一方面，鐵路專用線對于曲線超高漸變率的要求較低(只需滿足不脫軌的要求即可)，理論上可使用較短的緩和曲線長度。為預(yù)留未來進一步發(fā)展或提速的條件，在不增加工程數(shù)量的情況下，緩和曲線長度應(yīng)盡可能采用較大值。對于線路較長且路網(wǎng)中具有一定聯(lián)絡(luò)意義的專用線，應(yīng)在選線過程中逐個核查，避免緩和曲線成為影響曲線段提速的主要因素。

3 統(tǒng)籌考慮各利益方訴求

國鐵建設(shè)多由中國鐵路總公司和地方政府主導(dǎo)，并具有一定的公益性質(zhì)，使得建設(shè)過程中的阻礙大幅降低。與此不同的是，鐵路專用線建設(shè)多以企業(yè)為主，實施過程中不可避免地要面臨諸多行政審批和市場準入的限制，設(shè)計過程中應(yīng)妥善處理與各利益方的關(guān)系，以保證建設(shè)工作的順利推進。

3.1 充分聽取業(yè)主的訴求

要樹立為業(yè)主服務(wù)的意識，充分了解業(yè)主真實的想法和面臨的困難，做好業(yè)主的技術(shù)參謀，實事求是地做好各項技術(shù)咨詢工作。需要指出的是，部分業(yè)主為追求利益最大化或?qū)τ诩夹g(shù)的不理解，有時候會提出部分無法保障施工或運營安全的要求，此時設(shè)計人員應(yīng)堅持原則，耐心解釋，巧妙拒絕。

3.2 多征求地方政府的意見

在線路方案確定的過程中，應(yīng)與各級地方政府進行充分的溝通，確保鐵路專用線的修建符合地方規(guī)劃、政策和相關(guān)文件的要求[15]。在國鐵線路方案選擇過程中，由于有地方政府的強力支持，線路經(jīng)過或者需要考慮的經(jīng)濟據(jù)點一般為縣城及以上，對于鄉(xiāng)鎮(zhèn)或者村等基層行政單位的需求，均由地方政府予以統(tǒng)籌解決，使得國鐵建設(shè)在滿足國家相關(guān)強制法規(guī)的前提下一路綠燈。而在專用線的建設(shè)中，鄉(xiāng)鎮(zhèn)或者村等基層行政單位的訴求均應(yīng)引起高度重視，通過調(diào)整線路方案或增加工程量的方式予以妥善解決。否則，極有可能造成專用線建設(shè)難以推進。

3.3 適當考慮方便群眾出行

在西部偏遠山區(qū)，有些鐵路專用線沿線交通條件相對較差。因此，對于長距離的鐵路專用線，在滿足貨物運輸?shù)耐瑫r，還應(yīng)考慮部分的社會公益性?？稍跐M足貨運需求的前提下，開行部分旅客列車，并在相關(guān)經(jīng)濟據(jù)點增設(shè)車站，配套相關(guān)簡易的客運設(shè)施，以方便沿線群眾出行，了卻老百姓的“火車夢”。

3.4 從方便運營角度優(yōu)化設(shè)計

(1)運輸路徑分析

因國鐵已經(jīng)形成龐大的網(wǎng)絡(luò)，屬于斷頭性質(zhì)的線路較少，本項工作在國鐵設(shè)計中相對較少。專用線必須通過接軌的國鐵線路進行運輸，運輸徑路的分析至關(guān)重要，需詳細測算不同運輸徑路上各條鐵路的運輸能力，提出合理的運輸徑路。因此，鐵路局對于運輸徑路的分析極為重視，也是歷次審查的重點。

(2)接軌站設(shè)計

國鐵設(shè)計中，對于接軌站一般均采取最少改動的原則，盡量維持其現(xiàn)狀，以減少對既有站以及既有線的運營干擾，通常根據(jù)能力需要增設(shè)一到兩條到發(fā)線。由于歷史原因，部分既有站站內(nèi)徑路不合理，設(shè)施陳舊，急需進行改造，當有鐵路專用線需要在該站接軌時，鐵路局往往會要求同步對該站進行改造，增加的投資列入專用線相關(guān)工程。由于改造費用過于龐大，專用線業(yè)主對此常持否定態(tài)度，需要與鐵路局進行多次溝通協(xié)商。因此，專用線設(shè)計中，應(yīng)將本項工作作為重點，對接軌站改造方案進行多方案比選，應(yīng)包含滿足鐵路局需要的大改造方案和滿足業(yè)主需求的省投資方案，最終方案應(yīng)由業(yè)主與鐵路局協(xié)商確定。

(3)站后配套

各站后專業(yè)設(shè)計中，應(yīng)認真對鐵路局的既有設(shè)施進行研究，提出專用線引入后的加強措施，并計列投資。

4 工程方案

4.1 站前工程

(1)為避免施工過程中偷工減料現(xiàn)象給施工質(zhì)量帶來的影響，“嚴格執(zhí)行標準+預(yù)留系數(shù)”造成設(shè)計標準居高不下，工程建設(shè)投資大幅增加，這主要是由設(shè)計與施工脫節(jié)造成的。在專用線建設(shè)中，一般均采用工程總承包等建設(shè)管理方式，使得設(shè)計與施工合理銜接，從而為按照實際需求開展設(shè)計、減少設(shè)計過程中的預(yù)留系數(shù)創(chuàng)造了有利條件，可切實降低相關(guān)工程量。

(2)在工程類型上，選線設(shè)計應(yīng)根據(jù)地形條件，充分利用半徑以及坡度，減少橋隧等工程的設(shè)置，盡量以路基為主，相應(yīng)的填料也應(yīng)根據(jù)線路周圍條件因地制宜，合理取材。對于跨越溝渠地段，盡量以預(yù)制管涵代替橋梁。同時，可在路基面形狀、路基寬度、路基填料等方面開展創(chuàng)新設(shè)計，也可采購國營鐵路換下來的舊軌，從而大幅降低工程投資。

(3)以資源開發(fā)型為主的專用線，其設(shè)計年限的確定，除參考設(shè)計規(guī)范相關(guān)規(guī)定以外，還應(yīng)充分考慮資源的開發(fā)年限。對于資源開發(fā)年限較短的專用線，若資源開發(fā)后即廢棄，相關(guān)設(shè)計年限可經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較后合理確定。

4.2 站后系統(tǒng)配置

在目前國內(nèi)機車技術(shù)飛躍式發(fā)展以及國家節(jié)能減排的大背景下，電力牽引幾乎是鐵路建設(shè)的“標配”。但對于距離較短的專用線，電力牽引需要配套的供電系統(tǒng)成本較高，采用內(nèi)燃牽引可能更具有經(jīng)濟上的優(yōu)勢。目前，國內(nèi)已經(jīng)成功研制了油電混合型機車，列車制動過程中的能量可通過車載電池回收，有效減少了運營過程中能源的消耗，使得內(nèi)燃牽引經(jīng)濟性、排放等指標均得到大幅提升。

對于其他不影響鐵路安全運營的相關(guān)設(shè)施、設(shè)備，可進行適當?shù)睾喕騼?yōu)化，可嘗試“逆潮流”而行，以手動、人工等方式代替全自動化，或按照初近遠期逐步完善的原則配套相應(yīng)設(shè)備

5 總結(jié)

(1)專用線設(shè)計中應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范體系合理選擇鐵路等級和各專業(yè)的設(shè)計標準、參數(shù)。

(2)設(shè)計中可根據(jù)專用線輕重車方向均較為明顯的特點，結(jié)合貨流方向、地形起伏情況，計算滿足重車方向制動要求的坡度，以縮短線路長度，節(jié)省工程投資。

(3)曲線半徑的選用應(yīng)考慮曲線半徑對鋼軌磨耗的影響。

(4)專用線建設(shè)過程中應(yīng)妥善處理與各利益方的關(guān)系，不僅要充分聽取業(yè)主的訴求，多征求地方政府的意見，更要從方便運營角度優(yōu)化設(shè)計，在運輸路徑、接軌站和站后配套等問題上多下功夫。

(5)各項工程方案，應(yīng)著眼于提高項目經(jīng)濟效益，在保證安全及功能的基礎(chǔ)上，根據(jù)項目特點因地制宜，合理確定。