大同至西安高速鐵路提速方案研究

蘇 勇

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司， 天津)

截止2021年底，我國高速鐵路運(yùn)營里程已達(dá)4萬km，其中設(shè)計(jì)速度250 km/h線路約占40%，是我國高速鐵路網(wǎng)中的重要組成部分。對250 km/h等級高速鐵路實(shí)施速度提升，可有效提升高速鐵路運(yùn)行品質(zhì)和效率效益，充分挖掘高速鐵路線路固定資產(chǎn)潛力，最大限度增加客運(yùn)供給，進(jìn)一步優(yōu)化完善高速鐵路路網(wǎng)布局，最終實(shí)現(xiàn)鐵路效益最大化。同時(shí)，高速鐵路速度提升可進(jìn)一步縮短區(qū)域聯(lián)系時(shí)間，減少社會(huì)經(jīng)濟(jì)交流成本，為區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展注入新的活力，對推動(dòng)交通強(qiáng)國戰(zhàn)略實(shí)施具有重要意義。

大同至西安高速鐵路(以下簡稱大西高鐵)原平西至西安北段全長697.607 km。太原至西安段 2014年開通運(yùn)營，原平西至太原段2018年開通運(yùn)營，原設(shè)計(jì)速度250 km/h，最高運(yùn)營速度250 km/h，基礎(chǔ)設(shè)施預(yù)留了進(jìn)一步提速條件。大西高鐵在高速鐵路網(wǎng)中的地位和影響舉足輕重，旅客發(fā)送量逐年遞增，隨著社會(huì)發(fā)展、技術(shù)進(jìn)步及相鄰350 km/h項(xiàng)目規(guī)劃或?qū)嵤斜匾獙Υ笪鞲哞F進(jìn)行提速改造[1-3]。

1 相鄰鐵路速度目標(biāo)值概況

大西高鐵串聯(lián)太原、西安兩大鐵路樞紐，路網(wǎng)中銜接既有高速鐵路包含石太、太焦、西成、西銀等一批設(shè)計(jì)速度250 km/h鐵路，以及鄭西、西寶等設(shè)計(jì)速度350 km/h鐵路；銜接在建集大原高速鐵路(250 km/h，預(yù)留300 km/h)、西延高速鐵路(350 km/h)。

此外，根據(jù)中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃，本項(xiàng)目還將銜接規(guī)劃太原至綏德、雄安至忻州、西安至重慶、西安至十堰等一批設(shè)計(jì)速度350 km/h的鐵路[4]。

2 關(guān)鍵系統(tǒng)現(xiàn)狀

2.1 工務(wù)系統(tǒng)

(1)線路平縱斷面及線下基礎(chǔ)設(shè)施

除太原樞紐外，大西高鐵正線線間距5.0 m，線路平、縱斷面均采用350 km/h標(biāo)準(zhǔn)并實(shí)施，正線路、橋、隧及車站線下基礎(chǔ)設(shè)施均按350 km/h標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，開通以來運(yùn)營狀態(tài)良好，滿足提速至300～350 km/h開行條件。

太原至運(yùn)城段正線個(gè)別地段受地形、地質(zhì)條件控制，采用不大于30‰的長大坡道，目前限速運(yùn)行，如 表1 所示。

表1 大西高鐵長大坡道線路限速表

(2)軌道

除太原樞紐外，正線鋪設(shè)CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道，岔區(qū)鋪設(shè)軌枕埋入式無砟軌道。正線采用60 kg/m鋼軌、WJ-8A扣件，岔區(qū)采用岔枕配套扣件。

2.2 電務(wù)系統(tǒng)

(1)通信

原平西至太原段(不含太原樞紐)段GSM-R移動(dòng)通信系統(tǒng)采用交織冗余覆蓋方式，滿足 350 km/h速度運(yùn)營要求。沿線所有模擬攝像機(jī)均已調(diào)整為高清攝像機(jī)。

太原南至西安北段GSM-R移動(dòng)通信系統(tǒng)采用單網(wǎng)單層覆蓋方式，滿足250 km/h速度運(yùn)營要求。綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)無區(qū)間線路視頻監(jiān)控設(shè)備，沿線采集點(diǎn)攝像機(jī)均為模擬攝像機(jī)。

(2)信號(hào)

采用CTCS-2級列控系統(tǒng)，行車指揮方式為調(diào)度集中(CTC)。

(3)災(zāi)害監(jiān)測

原平西至太原段設(shè)置自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)，太原至西安北段設(shè)置災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)。

2.3 供電系統(tǒng)

(1)電力

全線設(shè)10 kV綜合電力貫通線及一級負(fù)荷電力貫通線各1條；全線電力遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)納入SCADA統(tǒng)一調(diào)度。

(2)牽引供電

正線(不含太原樞紐)采用AT供電方式，全線共設(shè)200 kV牽引變電所11座，330 kV牽引變電所4座。牽引變電所均采用Vx接線型式變壓器，固定備用。

接觸網(wǎng)正線采用全補(bǔ)償彈性鏈形懸掛，正線接觸線采用銅錫(鎂)、承力索均采用CTMH/CTSH-150+JTM-120銅鎂絞線，一般區(qū)段正線接觸線張力 30 kN、承力索21 kN，腕臂采用鋁合金材質(zhì)。

3 提速方案研究

由于平面曲線半徑較小，太原樞紐范圍不具備提速條件，建議該段維持現(xiàn)狀運(yùn)營。對不含太原樞紐段落提速至300 km/h、350 km/h的工務(wù)、電務(wù)、供電等關(guān)鍵系統(tǒng)對提速工程的影響和適應(yīng)性以及相應(yīng)改造方案進(jìn)行分析。

3.1 提速至300 km/h方案

3.1.1 工務(wù)系統(tǒng)

路、橋、隧及車站線下基礎(chǔ)設(shè)施均按350 km/h標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，滿足提速至300 km/h開行條件。相關(guān)研究表明，軌道結(jié)構(gòu)及扣件系統(tǒng)病害，路基工后沉降、過渡段不均勻沉降、邊坡失穩(wěn)等病害以及橋梁附屬設(shè)施病害等與提速關(guān)系不大，重點(diǎn)應(yīng)對與提速密切相關(guān)的無砟軌道及超高適應(yīng)性進(jìn)行分析。

(1)無砟軌道適應(yīng)性分析

列車速度由250 km/h提速至300 km/h會(huì)造成輪軌力增大，對無砟軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，有必要針對道床板和底座板受力及配筋進(jìn)行進(jìn)一步檢算。TB 10621-2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]和TB 10082-2017《鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]中規(guī)定，設(shè)計(jì)速度250 km/h線路動(dòng)載系數(shù)取2.5，設(shè)計(jì)速度300 km/h及以上線路動(dòng)載系數(shù)取3.0。大西高鐵采用CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道、列車軸重17 t，考慮動(dòng)載系數(shù)變化后道床板設(shè)計(jì)彎矩變化如圖1所示。

圖1 不同動(dòng)載系數(shù)下道床板彎矩變化圖

由圖1可知，當(dāng)動(dòng)載系數(shù)由2.5增大到3.0后，路基地段縱向彎矩和橫向彎矩分別增大了4.70 kN·m/m和2.97 kN·m/m，橋梁地段縱向和橫向彎矩分別增大了2.60 kN·m/m和3.13 kN·m/m，隧道地段縱向和橫向彎矩分別增大了2.50 kN·m/m和3.00 kN·m/m，相對來說路基地段變化最大。由配筋檢算可知，采用φ16 mm的鋼筋時(shí)對設(shè)計(jì)配筋量沒有影響，另外考慮到安全富裕量，動(dòng)載系數(shù)由2.5增大到3.0對道床板配筋不會(huì)產(chǎn)生影響。

(2)超高適應(yīng)性分析

根據(jù)TB 10082-2017《鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，超高的理論公式為：

h=11.8V2/R

(1)

式中：R——曲線半徑(m)；

V——列車運(yùn)行速度(m/s)；

h——計(jì)算超高。

曲線地段無砟軌道最大、最小設(shè)計(jì)超高值分別175 mm和15 mm。以曲線欠超高允許值60 mm、過超高允許值70 mm，僅考慮直通列車，不考慮低于本線速度的跨線列車和中間站進(jìn)出站列車為例，250 km/h和300 km/h情況下不同曲線半徑超高設(shè)計(jì)最大、最小值如圖2所示。

圖2 不同曲線半徑下超高取值圖

當(dāng)判斷既有曲線半徑是否滿足提速要求后，需進(jìn)一步確認(rèn)實(shí)設(shè)超高增大后超高順坡率是否滿足要求(最大值取1/(9Vmax))。超高順坡率與緩和曲線長度密切相關(guān)，不同緩和曲線長度下，250 km/h和300 km/h超高允許最大值如圖3所示。

圖3 不同緩和曲線長度下超高取值圖

由圖2可知，隨著緩和曲線長度的增大，250 km/h和300 km/h超高允許最大值均呈線性增加。速度為250 km/h、緩和曲線長度小于380 m時(shí)，應(yīng)核對實(shí)設(shè)超高是否滿足超高順坡率要求，緩和曲線長度大于380 m時(shí)可不用核對；速度為300 km/h、緩和曲線長度小于460 m時(shí)，應(yīng)核對實(shí)設(shè)超高是否滿足超高順坡率要求，當(dāng)緩和曲線長度大于460 m時(shí)可不用核對。

通過對大西高鐵由速度250 km/h提高至 300 km/h 后道床板配筋及超高設(shè)置情況進(jìn)行分析，可得：

①速度提高后動(dòng)載系數(shù)由2.5增至3.0，動(dòng)載系數(shù)增大引起道床板設(shè)計(jì)彎矩增大，路基地段相對橋梁、隧道影響較大，但對配筋設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)耐久性等不會(huì)產(chǎn)生影響。

②速度提高后需進(jìn)一步驗(yàn)證既有實(shí)設(shè)超高是否滿足欠超高允許值要求，調(diào)整時(shí)應(yīng)關(guān)注最大超高設(shè)計(jì)值、最小曲線半徑、最小緩和曲線長度等是否滿足相關(guān)要求。

③速度提高后應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注無砟軌道平順性是否滿足規(guī)范要求以及鋼軌、扣件等的長期服役性能。

結(jié)合V-S曲線，參考鐵集成〔2009〕86號(hào)《關(guān)于新建客運(yùn)專線鐵路曲線超高設(shè)定的指導(dǎo)意見》，以欠超高不大于60 mm作為限值標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算提速后的超高值、超高調(diào)整值。結(jié)合工務(wù)部門意見，大西高鐵扣件高低調(diào)整量按10 mm控制，通過調(diào)整曲線超高，除局部地段需限速280 km/h、290 km/h外，全線均可提速至300 km/h。

原平至陽曲西段(曲線里程K 194+212.480～K 197+501.920)，軌道現(xiàn)狀可滿足270 km/h行車速度要求，以10 mm作為扣件調(diào)整超高的限值，調(diào)整超高后行車速度可達(dá)到280 km/h；晉中至西安北范圍(曲線半徑為 6 000 m的大坡道地段)，軌道現(xiàn)狀可滿足280 km/h行車速度要求，調(diào)整超高后可滿足290 km/h行車速度要求。

3.1.2 電務(wù)系統(tǒng)

(1)通信

原平西至太原段通信系統(tǒng)設(shè)置滿足 300 km/h 運(yùn)營要求，僅需為其他專業(yè)提供新增的傳輸通道。

太原南至西安北段通信系統(tǒng)如需滿足 300 km/h 運(yùn)營要求，需新設(shè)基站控制器，區(qū)間場強(qiáng)覆蓋采用同站址雙網(wǎng)覆蓋方式，同時(shí)需進(jìn)行線路視頻補(bǔ)強(qiáng)，并將沿線既有模擬攝像機(jī)均更換為高清攝像機(jī)。本段沿線其他通信系統(tǒng)根據(jù)移動(dòng)通信系統(tǒng)和綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的改造、相關(guān)專業(yè)的通道需求進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

(2)信號(hào)

大西高鐵提速至300 km/h后列控系統(tǒng)需升級為CTCS-3級列控系統(tǒng)，太原局管轄大西北段約110 m，在忻州西站設(shè)置1套R(shí)BC設(shè)備，大西南段太原南至永濟(jì)北段約410 km，設(shè)置2套R(shí)BC設(shè)備；西安局管轄范圍約150 km，設(shè)1套R(shí)BC設(shè)備。除新設(shè)RBC及應(yīng)答器外，還需對既有列控系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)、信號(hào)集中監(jiān)測系統(tǒng)、既有應(yīng)答器報(bào)文及列控?cái)?shù)據(jù)的修改。

對于目前大西高鐵長大坡道限速的2個(gè)段落，可結(jié)合提速工程中列控系統(tǒng)軟件修改，針對原閉塞分區(qū)長度不足的缺陷，按照合并閉塞分區(qū)發(fā)碼的方式解決。

(3)災(zāi)害監(jiān)測

提速至300 km/h時(shí)，大西高鐵北段無工程改造內(nèi)容，而大西高鐵南段地震預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)需全部按照新設(shè)考慮。

3.1.3 供電系統(tǒng)

(1)電力

大西高鐵北段維持現(xiàn)狀標(biāo)準(zhǔn)，無新增用電需求，電力無配套工程內(nèi)容。南段信號(hào)專業(yè)在臨汾西站既有信號(hào)機(jī)房內(nèi)增設(shè)2套R(shí)BC設(shè)備、西安北站增設(shè)1套R(shí)BC設(shè)備，通信專業(yè)增加區(qū)間視頻監(jiān)控設(shè)備，防災(zāi)專業(yè)新增地震預(yù)警設(shè)備，電力為以上新增用電負(fù)荷供電。

(2)電氣化

大西高鐵提速改造工程牽引供電系統(tǒng)維持正線采用AT供電方式不變，正線接觸懸掛維持采用150 mm2銅合金接觸線+120 mm2銅合金絞線的組合不變。

采用提速300 km/h方案時(shí)，原平西至太原段2處牽引變電所變壓器需增加風(fēng)冷裝置。結(jié)合現(xiàn)場運(yùn)營情況，對正饋線弛度、正饋線在關(guān)節(jié)處的固定方式、關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行調(diào)整和整治，并在關(guān)鍵區(qū)段增加視頻監(jiān)控；太原至西安北段1處牽引變電所變壓器增加風(fēng)冷裝置，4處 牽引變電所主變增容并更換對應(yīng)27.5 kV開關(guān)設(shè)備，其余維持不變。

此外，接觸網(wǎng)正線張力需結(jié)合現(xiàn)場運(yùn)營情況進(jìn)行調(diào)整。

3.2 提速至350 km/h方案

(1)工務(wù)系統(tǒng)

路橋隧及車站線下基礎(chǔ)設(shè)施均按350 km/h標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，滿足提速至350 km/h開行條件。

初期無砟軌道建設(shè)以250 km/h設(shè)計(jì)速度為標(biāo)準(zhǔn)，全線提速至350 km/h時(shí)，幾乎全線范圍曲線超高均需調(diào)整，且大多數(shù)曲線的超高調(diào)整量超過了WJ-8A標(biāo)準(zhǔn)扣件的調(diào)整范圍，需鋪設(shè)具有更大高低調(diào)整能力的扣件調(diào)整超高。

除部分曲線段落由于超高設(shè)置無法同時(shí)滿足欠、過超高要求，需限速運(yùn)行外，通過調(diào)整超高、更換特殊扣件等措施，全線可提速至350 km/h。

(2)電務(wù)系統(tǒng)

提速至350 km/h時(shí)通信、信息、災(zāi)害監(jiān)測、信號(hào)、電力方案與提速至300 km/h方案一致。

(3)供電系統(tǒng)

若采用提速350 km/h方案，需對原平西至太原段2處牽引變電所主變增容并更換對應(yīng)27.5 kV開關(guān)設(shè)備，結(jié)合現(xiàn)場運(yùn)營情況，對正饋線弛度、正饋線在關(guān)節(jié)處的固定方式、關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行調(diào)整和整治，并在關(guān)鍵區(qū)段增加視頻監(jiān)控；太原至西安北段7處牽引變電所變壓器需增加風(fēng)冷裝置，5處牽引變電所需對主變增容并更換對應(yīng)27.5 kV開關(guān)設(shè)備。此外，接觸網(wǎng)正線張力需結(jié)合現(xiàn)場運(yùn)營情況進(jìn)行調(diào)整。

4 運(yùn)行時(shí)分分析

大西高鐵提速至300 km/h和 350 km/h方案與現(xiàn)狀運(yùn)行時(shí)間比較如表2所示。

表2 提速方案與現(xiàn)狀運(yùn)行時(shí)間比較表(min)

由表2可知，目前原平西至太原南的直達(dá)列車運(yùn)行時(shí)間為46 min；線路最高運(yùn)行速度提高至300 km/h后，直達(dá)列車的運(yùn)行時(shí)間較現(xiàn)狀減少4 min；線路最高運(yùn)行速度提高至350 km/h后，直達(dá)列車運(yùn)行時(shí)間較現(xiàn)狀運(yùn)行時(shí)間減少7 min。時(shí)間節(jié)省較少的原因主要是太原樞紐內(nèi)列車速度較低。

目前，太原南至西安北的直達(dá)列車運(yùn)行時(shí)間為 163 min，線路最高運(yùn)行速度提高至300 km/h后，直達(dá)列車運(yùn)行時(shí)間較現(xiàn)狀減少43 min；線路最高運(yùn)行速度提高至350 km/h后，直達(dá)列車運(yùn)行時(shí)間較現(xiàn)狀運(yùn)行時(shí)間減少58 min。

綜上可知，大西高鐵南段采用提速方案后，節(jié)省時(shí)間較多，提速方案效果顯著，提速350 km/h方案較300 km/h方案運(yùn)行時(shí)間提升不大。

5 投資分析

大西高鐵提速工程投資如表3所示。

表3 大西高鐵提速工程投資表

由表3可知，大西高鐵由250 km/h提速至 300 km/h時(shí)工程投資為14.52億元，提速至350 km/h時(shí)工程投資為22.35億元，提速350 km/h方案較300 km/h 方案投資增加50%以上。

6 提速方案比選

綜上，大西高鐵提速300 km/h方案僅需通過WJ-8A扣件調(diào)整超高，升級補(bǔ)強(qiáng)電務(wù)、供電系統(tǒng)。除太原樞紐維持現(xiàn)狀運(yùn)營和北段、南段個(gè)別小半徑曲線限速280～290 km/h以外，其他區(qū)段均可實(shí)現(xiàn)提速 300 km/h[7-8]。

若采用提速350 km/h方案，為滿足曲線地段提速要求需更換特殊扣件調(diào)整超高；目前，該扣件不屬于鐵路建設(shè)過程中的標(biāo)準(zhǔn)部件，缺少長期運(yùn)營的驗(yàn)證，且尚無上道許可。同時(shí)，提速350 km/h方案較300 km/h方案運(yùn)行時(shí)間提升不大，但投資增加50%以上，投入產(chǎn)出的經(jīng)濟(jì)性不高。

因此，綜合考慮工程投資、實(shí)施難度及提速后的經(jīng)濟(jì)性，建議大西高鐵按照300 km/h方案進(jìn)行提速改造。

7 結(jié)論

本文針對大西高鐵現(xiàn)狀，系統(tǒng)比選了提速300 km/h和350 km/h方案，考慮超高調(diào)整的工程的可實(shí)施性，運(yùn)行時(shí)間和工程投資等因素，推薦提速300 km/h方案，同時(shí)總結(jié)出既有高速鐵路提速工程方案研究的重點(diǎn)內(nèi)容和主要影響因素如下：

(1)運(yùn)營高速鐵路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)狀：詳細(xì)梳理和調(diào)查運(yùn)營高速鐵路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及目前基礎(chǔ)設(shè)施條件。

(2)工程可實(shí)施性：工務(wù)系統(tǒng)，重點(diǎn)分析曲線半徑和超高等適應(yīng)性，通過調(diào)整或更換扣件等措施達(dá)到預(yù)計(jì)的速度目標(biāo)值。路、橋、隧等不同基礎(chǔ)設(shè)施針對提速方案采用相應(yīng)措施。供電系統(tǒng)，檢算牽引變電所變壓器容量、接觸網(wǎng)有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)性并提出相應(yīng)改造措施。電務(wù)系統(tǒng)，分析通信傳輸能力、信號(hào)列控系統(tǒng)、信息災(zāi)害監(jiān)測等適應(yīng)性提出補(bǔ)強(qiáng)改造措施。

(3)旅行時(shí)分：分析不同提速方案節(jié)省旅行時(shí)分效果。

(4)工程投資：基于相應(yīng)改造工程，綜合比較不同提速方案的工程投資。

(5)綜合效益：綜合考慮工程可行性、對運(yùn)營影響、節(jié)約旅行時(shí)分、工程投資等因素，分析不同提速方案的綜合效益，最終確定運(yùn)營高速鐵路的提速方案。