蒙古國北部礦區(qū)鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究

王 群 趙金順 栗 偉 趙 娜

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司濟(jì)南設(shè)計(jì)院，山東濟(jì)南 250000；2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100071)

1 概述

鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不僅影響鐵路的運(yùn)輸能力、運(yùn)輸效率，而且對(duì)工程投資的規(guī)模及經(jīng)濟(jì)效益也有重要影響[2，6]。在中國，對(duì)適合本國鐵路建設(shè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究較多，已形成一套適用于標(biāo)準(zhǔn)軌距(1435 mm)的規(guī)范，可滿足本國鐵路網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)管理要求。伴隨著“一帶一路”建設(shè)進(jìn)程的不斷加快，中國鐵路優(yōu)質(zhì)的基礎(chǔ)設(shè)施及技術(shù)服務(wù)在國際上得到越來越多國家的認(rèn)可，這也給中國企業(yè)提供了越來越多的走出國門參與國外鐵路建設(shè)的機(jī)會(huì)。不同國家對(duì)于鐵路建設(shè)要求各異，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也多種多樣，如越南、菲律賓、泰國、柬埔寨等國家多采用米軌[7]或窄軌，歐洲國家則采用寬軌[12]。因此，國外鐵路項(xiàng)目技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的確定需要結(jié)合項(xiàng)目所在國的實(shí)際情況，對(duì)項(xiàng)目等級(jí)、軸重、速度目標(biāo)值、最小曲線半徑、限制坡度等進(jìn)行綜合分析，采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)需符合所在國國情及遠(yuǎn)期發(fā)展目標(biāo)，滿足運(yùn)輸要求并力求經(jīng)濟(jì)合理。以蒙古國北部礦區(qū)鐵路項(xiàng)目為例，結(jié)合蒙古國國情及既有鐵路情況，對(duì)新建項(xiàng)目的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究。

1.1 地理位置

本項(xiàng)目位于蒙古國北部，西起庫蘇古勒省khalban縣的敖包特煤礦，經(jīng)庫蘇古勒省、布爾干省至鄂爾渾省額爾登特市既有鐵路的額爾登特車站，新建正線長(zhǎng)約547.7 km。沿線經(jīng)過地區(qū)地勢(shì)西高東低，高程為1 200～1 900 m。沿線可分為3個(gè)較大的地貌單元，分別為平原、低山丘陵、山間河谷階地，地表分布第四系全新統(tǒng)沖洪積砂類土及粉質(zhì)黏土，之下為第四系上更新統(tǒng)沖洪積砂類土(主要為粗砂、礫砂，其次為粉細(xì)砂)、細(xì)圓礫土，河谷平原和湖泊附近分布有粉質(zhì)黏土及黏土等，下伏基巖為玄武巖和花崗巖，以及泥巖、砂巖、礫巖、片麻巖等。沿線河流主要為Selenge river及其支流，Selenge river河面寬30～60 m，水深0.5～3 m，局部地段流速較大。地下水主要為第四系孔隙水，分布于圓礫土和砂類土層中，埋藏深度變化較大。沿線不良地質(zhì)主要有崩塌落石、雪害、滑坡等，特殊巖土主要包括永久性凍土及季節(jié)性凍土、軟土等。

1.2 項(xiàng)目背景

本項(xiàng)目建設(shè)近期目標(biāo)為服務(wù)于蒙古國敖包特煤礦和HC鐵礦(位于木倫市北約60 km處)，主要承擔(dān)兩礦區(qū)的外運(yùn)業(yè)務(wù)；遠(yuǎn)期目標(biāo)為促進(jìn)沿線礦產(chǎn)資源開發(fā)，推動(dòng)沿線地區(qū)采礦業(yè)和運(yùn)輸業(yè)發(fā)展。本線為服務(wù)于敖包特煤礦和HurenChuulut鐵礦的鐵路專用線，根據(jù)運(yùn)量預(yù)測(cè)，本線近、遠(yuǎn)期最大貨流密度均為1 500萬t，通勤列車1對(duì)/d，遠(yuǎn)景輸送能力達(dá)到3 000萬t，通勤列車2對(duì)/d。

該項(xiàng)目初步計(jì)劃由中國企業(yè)與蒙古國北方鐵路公司合資建設(shè)。為便于貨物在蒙古國境內(nèi)的運(yùn)輸，業(yè)主提出了幾點(diǎn)要求：(1)設(shè)計(jì)線路軌距采用寬軌(1 520 mm)，與蒙古國既有軌距保持一致；(2)運(yùn)輸功能為貨運(yùn)專用鐵路；(3)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不能照搬中國標(biāo)準(zhǔn)軌的規(guī)范，并盡可能降低工程造價(jià)。

1.3 相鄰線路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

蒙古國境內(nèi)與本項(xiàng)目相鄰鐵路的現(xiàn)狀及規(guī)劃主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究及選擇

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不僅影響鐵路運(yùn)輸能力、運(yùn)輸效率，而且對(duì)工程投資、項(xiàng)目效益、工程可實(shí)施性有著重要的影響。國內(nèi)尚無寬軌鐵路的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，本項(xiàng)目的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)需要綜合考慮項(xiàng)目的具體情況確定[16]。

2.1 正線數(shù)目

依據(jù)國內(nèi)外運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，牽引質(zhì)量5 000 t的單線鐵路輸送能力可達(dá)3 500萬t，牽引質(zhì)量10 000 t的單線鐵路輸送能力可達(dá)7 000萬t，均可滿足本線的近、遠(yuǎn)期及遠(yuǎn)景運(yùn)量要求，故正線數(shù)目按單線設(shè)計(jì)。

表1 相鄰線鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2.2 軸重

本線主要運(yùn)輸大宗重質(zhì)貨物(煤炭和鐵礦石)，宜采用較大軸重。相鄰線額爾登特支線以及烏蘭巴托干線目前均采用軸重21 t以下的運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)，線路條件未達(dá)到重載標(biāo)準(zhǔn)，未來擴(kuò)能改造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚未定論。因此，為避免過大軸重引起較大工程投資，本線設(shè)計(jì)軸重為25 t(線下條件)，車輛選型暫按21～23 t軸重考慮。

2.3 速度目標(biāo)值及最小曲線半徑

(1)速度目標(biāo)值

速度目標(biāo)值應(yīng)符合項(xiàng)目定位。國際上重載鐵路最高運(yùn)行速度通常在80 km/h以內(nèi)，見表2。

從機(jī)車車輛構(gòu)造速度來看，軸重21～23 t車輛構(gòu)造速度均在100 km/h及以上，考慮遠(yuǎn)期發(fā)展，本次研究速度目標(biāo)值按100 km/h考慮。

表2 國際上重載鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(2)最小曲線半徑

最小曲線半徑與設(shè)計(jì)速度、地形條件及養(yǎng)護(hù)維修等多種因素有關(guān)[3]，本項(xiàng)目為貨運(yùn)專用線，最小半徑的選擇主要考慮滿足列車最高行車速度、內(nèi)外軌均磨要求及工程經(jīng)濟(jì)性。車輛在曲線地段行駛時(shí)存在離心力，為平衡離心力，提高線路穩(wěn)定性及安全性，需要設(shè)置外軌超高[1]，超高計(jì)算公式[8，12，15]為

(1)

式(1)中，g—重力加速度/(9.81 m/s2)；h—曲線外軌超高；S—兩鋼軌之間中線之間距離/mm，軌距為1 520 mm時(shí)，取S=1 600 mm；V—列車通過速度/(km/h)；R—圓曲線半徑/m。

利用式(1)，可以得出滿足要求的最小曲線半徑計(jì)算公式。

滿足列車最高行車速度要求的最小曲線半徑

(2)

式(2)中，Vmax—列車最高行車速度；hmax—最大超高值/mm；hqy—欠超高允許值/mm。

滿足內(nèi)外軌磨耗條件要求的最小曲線半徑

(3)

式(3)中，Vmax—列車最高行車速度；VD—列車低速行車速度，本項(xiàng)目取80 km/h、60 km/h、50 km/h、40 km/h、30 km/h；hgy—過超高允許值/mm；hqy—欠超高允許值/mm。通過對(duì)超高的取值計(jì)算，參照國內(nèi)外取值經(jīng)驗(yàn)，本項(xiàng)目對(duì)超高取值為：hmax取值為150 mm；hqy一般取60 mm，困難條件取85 mm；hgy一般取40 mm，困難條件取60 mm。

帶入式(2)，計(jì)算結(jié)果為：R一般值為599.5 m，困難值為535.7 m。

帶入式(3)，計(jì)算結(jié)果為：R一般值為1145.7 m，困難值為790.1 m。

從工程經(jīng)濟(jì)性方面分析，可利用最小曲線半徑(600 m)的地段為CK465+3 000～CK472+000，對(duì)該地段按600 m曲線半徑進(jìn)行展線，可用的曲線半徑個(gè)數(shù)為8，較采用800 m半徑可減少土石方數(shù)量約40 550 m3，減少邊坡防護(hù)費(fèi)用約409萬元，共計(jì)減少490.1萬元，但是線路長(zhǎng)度增長(zhǎng)約0.15 km，估算費(fèi)用增加270萬元，故采用600 m曲線半徑較800 m曲線半徑可減少費(fèi)用約220.1萬元。

綜合以上分析，本項(xiàng)目最小曲線半徑采用800 m。

2.4 限制坡度與牽引質(zhì)量

蒙古鐵路現(xiàn)狀敞車平均質(zhì)量為23 t，平均凈質(zhì)量為65 t。根據(jù)目前沙爾赫特-額爾登特支線到發(fā)線有效長(zhǎng)，每條線可容納58～63輛車，支線鐵路通常30輛車為一整列，然后至烏蘭巴托鐵路干線兩列組合為一列，即支線牽引質(zhì)量為2 500～3 000 t，干線牽引質(zhì)量為5 000～6 000 t?，F(xiàn)以2 500 t/3 000 t為基礎(chǔ)牽引質(zhì)量，在不同限制坡度條件下，對(duì)不同限坡方案進(jìn)行工程運(yùn)營(yíng)費(fèi)比較[9]。

根據(jù)沿線地形類別、自然坡度等因素[5]，結(jié)合運(yùn)輸能力，重點(diǎn)研究了雙機(jī)牽引9 000 t/9‰的限坡方案，雙機(jī)牽引6 000 t/12‰的限坡方案，雙機(jī)牽引9 000 t/9‰、局部三機(jī)12‰的限坡方案，雙機(jī)牽引9 000 t/9‰與9 000 t/18‰均衡坡方案(見表3)。

表3 主要工程數(shù)量及投資比較

(1)從工程投資角度分析

雙機(jī)牽引9 000 t/9‰的限坡方案工程運(yùn)營(yíng)費(fèi)較雙機(jī)牽引6 000 t/12‰的限坡方案節(jié)省34 808.6萬元，較雙機(jī)牽引9 000 t/9‰、局部三機(jī)12‰的限坡方案節(jié)省18 131.1萬元，較雙機(jī)牽引9 000 t/9‰、9 000 t/18‰均衡坡的限坡方案節(jié)省4 165.1萬元?？梢钥闯?，雙機(jī)牽引9 000 t/9‰的限坡方案工程投資最省，對(duì)坡度適應(yīng)性較好。

(2)從工程規(guī)模及實(shí)施的難易角度分析

雙機(jī)牽引9 000 t/9‰限坡方案的橋隧比為6.8%，其中最長(zhǎng)特大橋約3.15 km，最長(zhǎng)隧道約3.8 km；雙機(jī)牽引6 000 t/12‰限坡方案的橋隧比為9.41%，其中最長(zhǎng)特大橋6.065 km，最長(zhǎng)隧道9.1 km；雙機(jī)牽引9 000 t/9‰、局部三機(jī)12‰限坡方案的橋隧比為9.88%，其中最長(zhǎng)特大橋5.95 km，最長(zhǎng)隧道9.1 km；雙機(jī)牽引9 000 t/9‰、9 000 t/18‰均衡坡限坡方案的橋隧比為7.1%，其中最長(zhǎng)特大橋3.1 km，最長(zhǎng)隧道3.7 km?？梢钥闯觯p機(jī)牽引9 000 t/9‰的限坡方案與雙機(jī)牽引9 000 t/9‰、9 000 t/18‰均衡坡限坡方案工程規(guī)模相對(duì)較小，工程實(shí)施難度相對(duì)較好。

(3)從與周邊路網(wǎng)相鄰既有線協(xié)調(diào)性角度分析

周邊路網(wǎng)相鄰既有線的限制坡度為單機(jī)9‰，雙機(jī)18‰，考慮遠(yuǎn)期既有線擴(kuò)能改造的可能性，雙機(jī)牽引9 000 t/9‰的限坡方案與周邊路網(wǎng)協(xié)調(diào)性較好，便于遠(yuǎn)期路網(wǎng)運(yùn)輸組織的統(tǒng)一性。

綜上所述，本次研究推薦雙機(jī)牽引9 000 t/9‰的限坡方案。

2.5 機(jī)車類型

本次研究暫以中國標(biāo)準(zhǔn)軌機(jī)車類型為主要研究對(duì)象(見表4、表5)。

表4 主型內(nèi)燃機(jī)車的主要特性

表5 限坡9‰條件下機(jī)車牽引質(zhì)量 t

在9‰限坡條件下，HXN系列和GE Evolution機(jī)車雙機(jī)牽引質(zhì)量接近10 000 t列車標(biāo)準(zhǔn)，DF4D型機(jī)車雖為國內(nèi)較大功率內(nèi)燃機(jī)車，但其功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于HXN系列機(jī)車，予以舍棄。中國HXN5機(jī)車與美國GE Evolution在功率及牽引力方面幾乎相同。因此，本次著重研究HXN3型與HXN5型機(jī)車。

HXN3型機(jī)車是美國EMD(易安迪)與大連機(jī)車車輛有限公司聯(lián)合設(shè)計(jì)制造的一款具有世界先進(jìn)水平的貨運(yùn)機(jī)車。HXN5型機(jī)車由美國GE(通用電氣)研制，通過技術(shù)轉(zhuǎn)移的方式，由戚墅堰機(jī)車車輛廠制造，兩款機(jī)車均具備三機(jī)重聯(lián)功能，為目前國內(nèi)外同類產(chǎn)品中技術(shù)先進(jìn)、功率較大的節(jié)能環(huán)保型內(nèi)燃機(jī)車，具有持續(xù)牽引力大、油耗低、排放低、速度快，耐久性高等一系列優(yōu)點(diǎn)。

HXN型內(nèi)燃機(jī)車均與美國合作，采用其生產(chǎn)的柴油機(jī)。蒙古國作為鐵路機(jī)車純進(jìn)口國，本項(xiàng)目建議仍采用進(jìn)口機(jī)車，具體車型可參考HXN系列機(jī)車。

2.6 到發(fā)線有效長(zhǎng)度

為與相鄰線匹配，本次車輛類型采用蒙古國鐵路網(wǎng)現(xiàn)狀使用的23 t軸重敞車，機(jī)車按HXN雙機(jī)考慮，按照10 000 t標(biāo)準(zhǔn)系列編組。到發(fā)線有效長(zhǎng)按照114輛編組設(shè)計(jì)。根據(jù)國內(nèi)外鐵路運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，萬噸及以上重載列車停車附加距離按照列車長(zhǎng)度的10%取值，故到發(fā)線有效長(zhǎng)采用1 700 m較為適宜。

2.7 閉塞類型

本線為企業(yè)專用線，近、遠(yuǎn)期暫不開行客運(yùn)列車，綜合考慮蒙古國地廣人稀的國情，以及兩種閉塞設(shè)備的安全性和經(jīng)濟(jì)性，本次建議采用半自動(dòng)閉塞。

3 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)推薦意見

正線數(shù)目：?jiǎn)尉€；

設(shè)計(jì)行車速度：100 km/h；

最小曲線半徑：800 m；

限制坡度：9‰；

牽引種類：內(nèi)燃；

機(jī)車類型：貨機(jī)機(jī)車HXN系列；

牽引質(zhì)量：10 000 t系列；

到發(fā)線有效長(zhǎng)度：1 700 m；

閉塞方式：半自動(dòng)閉塞；

建筑限界：1 520 mm軌距建筑限界。

4 結(jié)束語

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)確定對(duì)鐵路項(xiàng)目建設(shè)意義重大，是一個(gè)系統(tǒng)工程[4]，在滿足鐵路運(yùn)輸安全、快捷的前提下，應(yīng)盡可能贏得較好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。本項(xiàng)目以功能定位為基礎(chǔ)，以項(xiàng)目的實(shí)際情況為依據(jù)，結(jié)合蒙古國國情的特點(diǎn)和業(yè)主要求，對(duì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了詳細(xì)的研究和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，希望對(duì)國外其他鐵路建設(shè)有一定的借鑒意義。