既有單線半自閉鐵路擴能改造方案研究

楊麗娟 劉劍飛

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

既有鐵路擴能改造的最終目的是提高運輸能力、改善運輸條件,對于單線鐵路來說,常用的擴能改造方案有優(yōu)化運輸組織、增開車站、延長車站到發(fā)線有效長、改換信聯(lián)閉設備[1]、軟化坡度、電氣化改造、增建雙線等,選取既能夠滿足運量增長的需求又能節(jié)省工程投資和運營成本的方式,是擴能改造重點需研究的內容。已有學者開展相關研究,方華提出初期提高牽引質量、近期全線增建二線的擴能改造方案,重點對精霍鐵路精河至伊寧段初、近、遠期能力適應性進行分期研究[2];楊朝暉從符合運營特征、滿足運輸能力、后方通道運輸組織協(xié)調性、適應地形條件,以及充分利用既有設施設備的角度,推薦電氣化改造,延長到發(fā)線有效長,提高牽引質量,軟化坡度的方案[3];李敬偉從運輸成本、運輸靈活性,實施難度等角度比選,推薦電氣化改造、延長車站到發(fā)線有效長的方案[4];逯紅兵結合北黑鐵路客車提速改造,對提速與擴能方案進行同步研究[5]。

綜上所述,每條線路運營情況不同,擴能目標不同,改造方案也不盡相同。需結合擴能目標,研究線路具體情況,確定出可選擇的擴能方案,并對不同方案的運輸組織適應性、靈活性,工程投資,運營效益等進行多方面綜合比選,最終確定出符合其路網(wǎng)功能、滿足未來發(fā)展的改造措施。

1 概述

葉柏壽至赤峰鐵路為單線、內燃半自閉鐵路,到發(fā)線有效長550m,采用DF4機車牽引(1500/1100t)和HXN系列機車牽引(2500/1500t)。此外,該線還開行5000t超長列車,采用雙機(HXN3、DF4型機車各1臺)牽引。在每日開行5列5000t列車的情況下,年貨運輸送能力僅為1400萬t。目前,我國最繁忙的單線鐵路行車量已達22～33對/d,年貨運輸送能力達2000萬t。從線路輸送能力的絕對數(shù)字來看,葉赤線遠低于全路的平均水平。此外,葉赤線線路允許速度為105km/h,限制區(qū)間(石腦—葉柏壽)貨車平均運行速度31km/h,現(xiàn)狀客車最高旅行速度56km/h,較低的速度影響運輸能力與運輸質量的提高[9]。

2 現(xiàn)狀線路情況

葉赤線始建于1934年,年代久遠,技術標準低,線路坡度大,曲線半徑普遍較小,橋梁等基礎設施老化,嚴重影響運營安全。

2.1 線路特征

葉赤線線路全長137.257km,既有線線路平縱斷面特征見表1。

表1 既有線線路平縱斷面特征

既有線坡度較大,最大坡度為20.7‰,全段最小坡長200m。最大坡度代數(shù)差34.9‰。足坡地段為32個/14.22km,占正線長10.36%;自由坡地段為282個/123.02km,占正線長89.64%。上、下行拔起高度為369.5m、508.08m。全線坡度示意見圖1。

圖1 全線坡度示意

既有線曲線半徑普遍較小,最小曲線半徑僅為300m,300m半徑的曲線有5處/2.276km,占曲線全長的7.73%,300～800m半徑的曲線有41處/14.817km,占曲線全長的50.24%。

2.2 現(xiàn)狀通過能力及利用程度

葉赤線現(xiàn)狀能力已經(jīng)飽和,為提高輸送能力,在運營中組織開行5對三機(DF4型)牽引或雙機(HXN、DF4各1臺)牽引的5000t列車。葉赤線現(xiàn)狀能力已飽和,限制區(qū)間為石腦—葉柏壽區(qū)間,平圖能力僅26.2對/d,現(xiàn)狀該段通過能力缺口為1.3對/d,能力利用率為93.6%,已占用儲備能力。

3 擴能改造方案

研究年度葉赤線預測運量為近期客車3對/d、貨運量2617萬t,遠期客車5對/d、貨運量2830萬t;貨運量主要為赤峰、以遠、元寶山、平莊南、汐子、天義等站運至錦承線朝陽方向的煤炭等大宗貨物。既有線的能力遠不能滿足研究年度運量需求。

結合預測的運量需求及京通線電氣化改造[6],地區(qū)未來貨運發(fā)展格局[7]等區(qū)域路網(wǎng)情況,研究4個擴能改造方案:現(xiàn)狀電化方案;現(xiàn)狀電化、部分車站延長到發(fā)線有效長至1080m方案;全線車站延長到發(fā)線有效長至1080m方案;全線車站延長到發(fā)線有效長至1050m、落坡方案。

3.1 方案Ⅰ:現(xiàn)狀電化方案

(1)牽引質量及能力適應性

葉赤線現(xiàn)狀到發(fā)線有效長為550m,由于運量大部分為煤炭,采用C70型車輛,牽引質量可達3000t。

現(xiàn)狀線路條件較差,限制坡度為20.7‰,大坡地段主要集中在馬林—熱水、沙?！~柏壽兩段,對兩段電力機車單機牽引3000t進行牽引計算模擬。根據(jù)模擬,在既有斷面條件下,HXD系列機車能夠單機牽引3000t列車。V-S曲線見圖2、圖3(紅色線為限速、洋紅色線為速度、黑色線為時間,下同)。

圖2 馬林—熱水HXD機車單機牽引3000t(方案Ⅰ)

圖3 沙?！~柏壽HXD機車單機牽引3000t(方案Ⅰ)

葉赤線僅進行電氣化改造,在開行3對客車時,限制區(qū)間(天義—沙海)使用能力為25.2對,輸送能力為1710萬t,較現(xiàn)狀僅增加約250萬t,研究年度能力缺口較大。方案Ⅰ(現(xiàn)狀電化)無法滿足預測運量需求。

(2)主要工程內容及投資

線路全長146.255km,新建單線(單繞)2.896 km;新建石腦隧道L=705m(既有石腦隧道1934年建成,隧道內排水設施失效、襯砌腐蝕和滲漏水情況嚴重,限界不滿足電氣化鐵路要求。原位改造干擾既有線行車組織,施工難度大、影響運營安全,采取線路繞行新建隧道的方案);全線電氣化改造;路基、橋梁及軌道維持既有。方案Ⅰ靜態(tài)投資174720.61萬元。

3.2 方案Ⅱ:現(xiàn)狀電化、部分車站延長到發(fā)線有效長至1080m

(1)牽引質量及能力適應性

由于現(xiàn)狀電化方案能力的提高不大,故考慮進一步延長部分車站到發(fā)線有效長至1080m,開行部分5000t列車,牽引質量為3000t、5000t。

在既有斷面條件下,采用HXD系列機車單機牽引5000t時,V-S曲線見圖4、圖5。

圖4 馬林—熱水HXD機車單機牽引5000t(方案Ⅱ)

圖5 沙?！~柏壽HXD機車單機牽引5000t(方案Ⅱ)

馬林→元寶山區(qū)間長大下坡約為6km,周期制動可滿足要求。元寶山→熱水區(qū)間為上坡最大坡度達20‰,牽引力使用系數(shù)為0.9時,到達坡頂?shù)乃俣葹?1km/h;牽引力使用系數(shù)為1.0時,到達坡頂?shù)乃俣葹?6km/h,小于最低計算速度65km/h,故研究認為該段需雙機牽引5000t。沙?！X區(qū)間19km+760m→17km+320m段為連續(xù)上坡,長度為2.78km,該段上坡坡度15.0‰、坡長200m,19.7‰、坡長800m,17.9‰、坡長280m。牽引力使用系數(shù)為0.9,到達坡頂?shù)乃俣葹?6km/h;牽引力使用系數(shù)為1.0時,到達坡頂?shù)乃俣葹?2km/h,小于最低計算速度65km/h,無法滿足動能闖坡要求,也需雙機牽引。綜上所述,方案Ⅱ重車方向需采用雙機牽引5000t列車。

葉赤線沿線有煤炭裝車點,為提高運輸效率,考慮延長煤炭裝車點車站到發(fā)線有效長;在此基礎上,根據(jù)最大限度提高線路輸送能力的原則,分析到發(fā)線數(shù)量對通過能力的影響[8],以及列車開行方案對到發(fā)線的需求[9],采用圖解法[10],計算出1080m有效長車站分布間距為26km左右。結合以上分析,延長元寶山、平莊南、汐子、天義、沙海等5個車站到發(fā)線有效長至1080m,滿足開行部分5000t列車要求。

方案Ⅱ能夠滿足預測近期運量的能力需求,但遠期通過能力缺口3.7對,通過能力利用率為97.4%,需占用儲備能力。

(2)主要工程內容及投資

線路全長146.315km;橋梁、路基、軌道工程病害整治,其中老齡橋改建、隧道改建、車站延長引起改線12處、改線約25.38km;全線59處平交道口改立交;元寶山、平莊南、天義站、汐子站4個車站延長到發(fā)線至1080m。方案Ⅱ靜態(tài)投資294826.44萬元。

3.3 方案Ⅲ:電氣化改造、全線延長到發(fā)線有效長度至1080m

(1)牽引質量及能力適應性

全線電氣化改造,提高葉赤線牽引質量至5000t。維持既有坡度,需雙機牽引5000t列車。

若采用新型貨車,到發(fā)線有效長1050m可滿足6000t列車要求,為預留發(fā)展條件,滿足提高運輸能力需求,按雙機牽引6000t列車進行檢算。根據(jù)方案Ⅱ模擬,在既有斷面下采用HXD系列機車需雙機牽引5000t列車,牽引6000t列車也需雙機牽引,V-S曲線見圖6、圖7。

圖6 馬林—熱水HXD機車雙機牽引6000t(方案Ⅲ)

圖7 沙海—葉柏壽HXD機車雙機牽引6000t(方案Ⅲ)

馬林—熱水、沙海—葉柏壽段可滿足雙機牽引6000t要求。沙?！~柏壽區(qū)間長大下坡地段,周期制動可滿足要求。

方案Ⅲ研究年度均能夠滿足預測運量需求,遠期通過能力富余0.3對。

在進行財務管理的工作中。企業(yè)工作人員需準確進行風險預測，對財務管理及經(jīng)營風險進行充分認識，同時掌控其工作體系。除此之外，部分財務人員在對財務管理問題進行處理的時候，并沒有制定出風險管控方案，于財務管理工作中，缺乏個人管理經(jīng)驗，所以對管理工作的實際工作效果產生影響，將管理的難度增加[5]。

(2)主要工程內容及投資

電化長度為146.13km;橋梁、路基、軌道工程病害整治,其中老齡橋改建、隧道改建、車站延長引起改線13處、約改線28.14km,施工便線1.108km;全線59處平交道口改立交,全線13個車站延長到發(fā)線至1080m。方案Ⅲ靜態(tài)投資323867.45萬元。

3.4 方案Ⅳ:電氣化改造、全線延長到發(fā)線有效長度至1050m,局部區(qū)段落坡

(1)牽引質量及能力適應性

方案Ⅳ改造內容為:電氣化改造,提高葉赤線牽引質量至5000t,局部區(qū)段進行落坡改造,滿足單機牽引5000t要求。

根據(jù)牽引計算模擬,落坡改造后,采用HXD系列機車單機牽引6000t時,V-S曲線見圖8、圖9。

圖8 馬林—熱水HXD機車單機牽引6000t(方案Ⅳ)

圖9 沙?！~柏壽HXD機車單機牽引6000t(方案Ⅲ)

采用HXD1機車,馬林—熱水區(qū)間落坡改造后,坡頂速度為69km/h,沙海—石腦區(qū)間落坡改造后,坡頂速度為70km/h,均大于65km/h,能夠滿足單機牽引6000t要求。

表2 下坡道周期制動檢算(HXD1-6000)

表3 下坡道周期制動檢算(HXD1-5000)

列車從緩解初速增至坡道限速時的增速時間(緩解過程中保持動力制動)大于“充風時間+空走時間”[12],即說明在下坡道上,列車能維持周期制動要求。結合鐵路長大下坡道列車周期制動參數(shù)的選擇,對減壓量60kPa、70kPa情況下的周期制動進行檢算[13]。

由表2、表3可知,在-19%的長大下坡道上,周期制動良好時,HXD系列機車可以滿足6000t、5000t列車的制動要求。

僅采用空氣制動時[14],石腦—葉柏壽區(qū)間采用HXD機車單機牽引5000t時V-S曲線見圖10。

圖10 石腦—葉柏壽HXD機車單機牽引5000t(方案Ⅳ,不采用動力制動)

由圖10可知,在動力制動失效的情況下,采用HXD1機車單機牽引5000t需4～5個周期制動,如操作措施合理,則列車可安全通過該長大下坡道。綜上,研究認為在機車動力制動作用良好時石腦—葉柏壽段長大下坡制動可保證安全;但在機車動力制動失效條件下,需合理操縱才能保證列車安全通過,或需在長大下坡道上停車等待救援。

該方案研究年度能夠滿足預測運量需求,近、遠期通過能力分別富余5.6對、0.3對。

(2)主要工程內容及投資

電化長度146.081km;橋梁、路基、軌道需進行工程病害整治,其中老齡橋改建、隧道改建、車站延長、軟化坡度引起改線41.43km,施工便線1.108km;全線59處平交道口改立交;全線13個車站延長到發(fā)線至1050m。

線路全長146.081km。其中,新建線路長41.43km,既有線改建長104.65km,靜態(tài)投資362845.74萬元。

4 擴能改造方案綜合比選

4.1 方案工程投資比較

主要工程數(shù)量及投資比較見表4。

表4 各方案投資比較

4.2 擴能方案綜合比選

(1)從工程投資角度分析

4個建設方案中投資最多為方案Ⅳ,其次為方案Ⅲ、方案Ⅱ、方案Ⅰ。

(2)從運營成本、運輸效率角度分析

方案Ⅳ對既有線路進行改造,將坡度改造為6/13‰,且延長到發(fā)線有效長,滿足單機牽引5000t,能夠節(jié)省機車購置費,節(jié)省運營成本[15],提高運輸效率。在機車動力制動作用良好的條件下,石腦—葉柏壽段長大下坡制動可保證安全;但在機車動力制動失效條件下,需合理操縱才能保證列車安全通過,或需在長大下坡道上停車等待救援。

方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ不改造既有坡度,維持現(xiàn)狀20.7‰的限制坡度,方案Ⅰ牽引質量為3000t,方案Ⅱ為3000t、部分5000t,方案Ⅲ為5000t,較方案Ⅳ運營成本高。

方案Ⅱ、Ⅲ采用雙機牽引5000t,同時出現(xiàn)機車制動故障幾率小,長大下坡道制動安全性優(yōu)于方案Ⅳ;但同時雙機牽引存在部分區(qū)段機車能力虛靡問題,機車運用效率較低。

(3)從運輸能力角度分析

4個方案中,能力最大為方案Ⅲ、Ⅳ,其次為方案Ⅱ,最小為方案Ⅰ。根據(jù)計算,方案Ⅰ無法滿足近、遠期預測運量需求;方案近期能力可以滿足要求,但遠期需占用儲備能力;方案Ⅲ、Ⅳ近、遠期能力均可滿足預測運量需求。

5 結論

結合葉赤線在區(qū)域路網(wǎng)中的作用,該線主要承擔沿線元寶山、平莊南、汐子、天義等站運至錦承線朝陽方向的大宗貨物;通過運量可能的來源為赤大白線大板方向,但考慮到在建的錦赤線與赤大白線為同一通道,赤大白線運量主要經(jīng)錦赤線運輸,故由葉赤線承擔的赤大白線通過運量存在不確定性。

綜合4個擴能改造方案比選,方案Ⅱ延長部分到發(fā)運量較大車站的到發(fā)線有效長,滿足開行5000t列車的要求,改善既有葉赤線運輸條件,并適當提高運輸能力,能夠滿足近期預測運量需求,雖然遠期需占用儲備能力,但考慮到葉赤線預測運量的不確定性,為節(jié)省工程投資,減少投資風險,建議先期采用方案Ⅱ,即現(xiàn)狀電化、部分車站延長到發(fā)線有效長度至1080m方案,適當提高線路運輸能力及運輸條件,未來運量增長后,再結合運量發(fā)展情況考慮進行擴能改造。