川藏鐵路昌都至林芝段最大坡度研究

秦 鑒

(陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

1 項目概況

1.1 線路地理位置及徑路

川藏鐵路昌都至林芝段位于西藏自治區境內，地處青藏高原東南部。線路在昌都市加卡經開區設昌都站后跨瀾滄江，向西穿浪拉山，在昌都邦達機場北設邦達站，出站后穿果拉山、跨越怒江、穿伯舒拉嶺和多木格，于林芝市波密縣嘎朗鎮設波密站，出站向西北方向，沿帕隆藏布江右岸榜穿易貢鐵山，至通麥小鎮設站，跨過易貢藏布后線路折向西南，跨東久曲，線路穿越色季拉山，跨過尼洋河后終于林芝站，新建線路長度372.3 km。項目地理位置示意見圖1。

圖1 川藏鐵路昌都至林芝段地理位置示意

1.2 功能定位及運量預測

川藏鐵路是西南腹地及華中、華東地區進出藏最快速、便捷的客貨運輸主通道，是國家重大的民生工程，是支撐長江經濟帶與絲綢之路經濟帶戰略實施的重要基礎設施，也是引導沿線產業布局和資源開發、確保藏區長治久安和維護祖國統一的重要戰略通道，其功能定位為是一條客貨兼顧的高標準區際快速干線鐵路。本項目設計速度目標值為200 km/h，研究年度昌都至林芝段貨流密度及客車對數如表1所示。

表1 項目區段貨流密度及客車對數

2 規范相關規定及相鄰線最大坡度

2.1 規范有關最大坡度的規定

TB10621—2014《高速鐵路設計規范》對最大坡度的規定為：區間正線的最大坡度不宜大于20‰，困難條件下經技術比較后不應大于30‰[1]。TB10098—2017《鐵路線路設計規范》規定：高速鐵路、城際鐵路的區間正線最大坡度不宜大于20‰，困難條件下不應大于30‰；客貨共線I級和II級鐵路電力牽引的加力牽引坡度值不得大于30‰[2]。GB/T25337—2010《鐵路大型線路機械通用技術條件》規定鐵路線路的最大坡度為30‰[3]。

2.2 相鄰線最大坡度

結合列車開行方案，與本線相關的高速鐵路包括成雅鐵路、成渝高鐵、西成高鐵、成貴高鐵等，普速鐵路包括成昆鐵路和拉林鐵路。成雅鐵路成都至朝陽湖段最大坡度20‰；朝陽湖至雅安段最大坡度為12‰。成貴鐵路最大坡度為20‰，困難地段25‰，個別地段30‰[4]。西成高鐵最大坡度為20‰，困難地段25‰[5]。成昆鐵路成都南至峨眉段限制坡度為6‰。拉薩至林芝鐵路限制坡度為12‰[6]。青藏鐵路格爾木至拉薩段限制坡度為20‰[7]。拉薩至日喀則鐵路限制坡度為12.5‰[8]。

3 地形特點分析及最大坡度方案的提出

3.1 地形特點分析

川藏鐵路昌都至林芝段地貌形態主要受青藏高原地貌隆升的影響，地勢急劇隆升抬起，為典型的“V”形高山峽谷地貌；高原面地貌形態主要以丘狀高原及構造侵蝕形成的深切峽谷地貌為其總體特征。

昌都至林芝段地形起伏劇烈、三上三下穿越他念他翁山、怒江、伯舒拉嶺、易貢藏布、色季拉山、尼洋河等高山大江，自然高差巨大。山脈走向主要為南北向，山勢雄偉，群峰高聳，山嶺海拔多在5 000 m以上，谷底與山嶺相對高差一般在2 000～3 000 m，多懸崖絕壁，河流支流密布。劇烈的地形起伏對線路走向、工程設置影響巨大。

3.2 隧道坡度折減分析

根據沿線氣候條件，通過模擬仿真分析，結合《鐵路線路設計規范》關于坡度折減的相關規定，考慮和不考慮隧道折減對列車運營安全及運輸質量等影響均較小。因此，本次研究坡度方案按最大坡度，暫不考慮隧道內折減。

3.3 最大坡度方案的提出

川藏鐵路昌都至林芝段地形條件復雜、海拔高、高差大，線路需要大坡度才能較好地適應地形條件。大坡度鐵路風險系數高、管理難度大、操縱方式難、行車難度大?，F行鐵路規范應作為設計時的指導原則，在地形極其復雜的地區，如需突破規范的約束界限，就需要有充分的技術經濟依據，進行系統性、綜合性、全過程的論證[9]。本次結合昌都至林芝段復雜的地形特征，主要對24‰、30‰和35‰三個最大坡度方案從平、縱斷面的適應性、工程數量及投資、運營安全、運輸質量和運輸能力等方面進行重點研究。

4 最大坡度方案綜合比選

4.1 工程適應性分析

從線路方案走向分析，3個坡度方案走向基本相同。30‰、35‰方案較24‰方案爬坡能力更強，可減少緊坡地段展線長度，縮短越嶺隧道長度，增長隧道內人字坡，選線自由度高，適應地形地質條件好。35‰與30‰方案相比，在平面控制因素一致的情況下，兩方案線路平面基本一致，僅在縱斷面上縮短越嶺隧道長度，增長隧道內人字坡。24‰與30‰、35‰方案相比爬坡能力較弱，局部段落需要展線或者抬升線路高程。

從工程地質條件分析，24%坡度方案較30%、35‰方案工程地質條件惡化。其中，色曲至邦達段，24%方案穿越斷層破碎帶及軟質巖長度較長，距離瀾滄江斷裂帶和怒江斷裂帶交匯處附近，地層巖性受構造影響嚴重，軟巖大變形問題較為突出，工程地質條件差。瓢打曲至波堆藏布段，24‰方案隧道最大埋深較大，地應力水平增加，軟巖大變形風險增高，隧道圍巖條件變差，且在古通弄巴以橋梁形式通過，橋梁位于泥石流溝流通區，橋梁安全風險較大，而30‰、35‰方案以淺埋隧道段落通過該溝，可規避泥石流風險。通麥至魯朗段屬于極高地應力場區，地溫受雅江縫合帶地熱異常斷裂控制，24‰坡度方案展線后，巖爆及高地熱段落長，巖爆風險增高，熱害程度越高。

從橋梁及隧道工程分析，橋梁方面，24‰方案較30‰、35‰方案橋高抬高，建橋條件惡化；隧道方面，24‰方案增加了硬巖巖爆、軟巖大變形、高地溫熱害、巖溶等不良地質段落長度，隧道施工條件惡化，重點隧道施工風險加大。

從環保風險比較分析，邦達隧道穿越若巴縣級保護區緩沖區，穿越長度24‰方案較30‰、35‰方案長約4 km。拉月隧道穿越雅魯藏布國家級自然保護區和色季拉山森林公園，其中24‰方案穿越保護區實驗區和森林公園生態保育區較30‰、35‰方案長約2.4 km。魯朗隧道穿越工布自治區級自然保護區和色季拉山森林公園，其中24‰方案穿越保護區實驗區、緩沖區和森林公園生態保育區較30‰、35‰方案長約3.7 km。色季拉山隧道穿越工布自治區級自然保護區、色季拉山國家森林公園、魯朗林海風景名勝區，24‰、30‰、35‰在環境敏感區里程無明顯差別。

4.2 工程數量及投資比較

24‰方案較30‰方案線路增加5.30 km，35‰與30‰方案線路長度相當。24‰、35‰坡度方案隧道工程長度較30‰方案分別增加4.23 km、減少2.56 km，輔助坑道長度分別增加14.59 km、減少0.15 km，橋梁工程長度分別增加1.76 km、減少0.25 km。昌都至林芝段坡度方案主要工程數量及經濟比較見表2。

表2 昌都至林芝段坡度方案主要工程數量及經濟比較

由表2可知，35‰坡度方案隧道主體工程及輔助坑道縮短，靜態投資較30‰方案節省28.9億元，約2.7%；24‰坡度方案因線路展長隧道長度增加，且波堆藏布特大橋、東久曲特大橋等重點橋梁長度加大、高度抬高，靜態投資較30‰方案增加34.4億元，約3.2%。

4.3 綜合經濟性比較分析

結合機車選型及牽引質量分析，對不同坡度方案的工程投資、機車車輛購置費及運營支出采用費用現值法分別計算，將各年總費用折現至計算基年進行比較，昌都至林芝段各坡度方案綜合費用現值比較見表3。

由表3可知，各坡度方案綜合費用現值差別主要體現在工程費用上，隨著坡度增加，綜合費用現值有所節省，30‰方案較24‰方案節省20.4億元，較35‰方案增加21.3億元。

4.4 運營安全性分析

本線擬采用電力牽引，交流傳動電力機車具有功率大、牽引制動性能好、可靠性高等優點[10]。結合各機型應用現狀及本線列車運行速度的需要，貨物列車主要對HXD2(8軸9 600 kW)和HXD3(6軸7 200 kW)兩種交流傳動電力機車進行檢算。旅客列車主要對HXD1D型進行檢算。動車組主要對CR型和CRH型進行分析檢算。

4.4.1 基礎參數及條件分析

(1)長大坡道列車下坡限速分析

本項目研究段落最大坡度超過20‰，超出《鐵路技術管理規程》規定，下坡限速根據滿足緊急制動距離的要求進行計算。列車制動過程分為空走過程和有效制動過程兩部分，有效制動距離利用“分段累加法”，即將列車有效制動過程分為若干個小的速度間隔分別計算，再累加計算得出列車不同制動初速條件下的制動距離[11]。本線擬運行動車組、普速客車及貨物列車，客貨列車速差較大，且沿線地形困難，站間距離較大，對區間通過能力有較大影響，從車輛發展趨勢分析，貨車車輛最高允許速度將逐步過渡至120 km/h，為減少客貨列車速差，提高線路通過能力，提升運輸質量，本次研究貨物列車暫按120 km/h速度等級考慮，緊急制動距離按1 400 m?？拓浟熊囋诓煌缕碌赖南匏僖姳?。

表4 客貨列車緊急制動限速 km/h

(2)列車制動方式的選擇

列車制動方式包括電制動和空氣制動。電制動包括電阻制動和再生制動兩種，讓列車動輪帶動動力傳動裝置牽引電動機，使其產生逆作用，將列車動能轉變為電能，再變成熱能消耗掉或反饋回電網，兩者均為動力制動方式[12]。相比于空氣制動，電制動可以實現良好的制動力特性調節，減小閘瓦和車輪輪箍的磨損，避免輪箍過熱，且控制方便，制動平穩[13]。結合電制動特性和大坡道鐵路運營調研情況，列車在長大下坡道制動時應充分發揮電制動的作用，減少閘瓦的磨耗及熱負荷效應。因此，本次研究在長大下坡道按電制動調速考慮。

4.4.2 長大坡道貨物列車牽引質量檢算

列車上坡牽引時受持續牽引力限制，長大下坡制動時，考慮電制動力平衡下滑力保持勻速運行，同時考慮黏著力的影響，仍能夠保證在下坡限速運行時采用80%及以上的電制動系數[14]。采用HXD2型機車雙機牽引時，30‰坡道最大能滿足的牽引質量為2 410 t。綜合考慮各影響因素對列車牽引質量檢算的約束，電制動系數暫按80%考慮時，貨物列車在不同坡度能滿足的牽引質量見表5。

由表5可知，30‰坡道，貨物列按HXD2型機車雙機牽引考慮，施加80%電制動力時能滿足牽引質量為2 260 t，考慮牽引質量適當留有余量有利于提高貨物列車行車速度，降低客貨列車速差，提高線路通過能力，本線在30‰坡道的貨物列車牽引質量暫按2 000 t考慮。

表5 貨物列車在不同坡度滿足牽引質量 t

4.4.3 長大坡道普速客車編掛輛數檢算

列車上坡牽引時主要受持續牽引力限制，長大下坡制動時，考慮電制動力平衡下滑力保持勻速運行，同時考慮黏著力的影響，仍能夠保證在下坡限速運行時采用80%及以上的電制動系數。綜合考慮各影響因素對列車編掛輛數檢算的約束，電制動系數按80%考慮時，HXD1D牽引在不同坡度能滿足的編掛輛數見表6。

表6 旅客列車在不同坡道的編掛輛數計算結果 輛

由表6可知，30‰坡道，采用HXD1D雙機牽引可滿足編掛輛數19輛，要滿足牽引20輛時，電制動系數需達到82.8%。

4.4.4 動力分散動車組牽引制動性能分析

(1)各型車長大上坡道均衡速度

根據目前現有動車組車型，對不同車型在24‰、30‰和35‰的上坡道的均衡速度進行計算，結果見表7。

由表7可知，在30‰及以下的上坡道，復興號CR400系列及CRH380AL型動車組均衡速度大于200 km/h，上坡不降速；CRH380BL、CRH380CL型動車組均衡速度低于200 km/h，為171～181 km/h；250 km/h型動車組的牽引力較小，均衡速度相對較低。

表7 動車組不同上坡達到的均衡速度 km/h

(2)各型動力分散動車組下坡制動性能分析

對復興號CR400AF、CRH380AL以及CRH5型動車組在長大下坡道保持勻速運行時需要的電制動力比例進行分析，見表8。

表8 長大下坡道保持勻速時需要的電制動力比例

由表8可知，在長大下坡道采用電制動保持200 km/h勻速運行時，各坡度方案下，350 km/h速度等級的CR400AF和CRH380AL型動車組所需電制動系數在70%以內，250 km/h速度等級的CRH5在24‰坡度所需電制動系數已達93.1%，在30‰和35‰坡度發揮全部電制動力仍無法適應。因此，本線建議采用大功率動車組。

4.4.5 列車停放制動安全性分析

正常工況下，動車組、普速客車(考慮牽引19輛時)、貨物列車僅使用電制動即可滿足30‰長大下坡道恒速運行要求，電制動使用系數均不超過80%。故障工況下(電制動完全失效)，僅采用空氣制動調速，30‰長大下坡地段，旅客列車通過限速，運行80 km后，具備安全停車能力。貨物列車在電制動異常，僅使用空氣制動調速時，充風緩解時間不足，存在安全隱患，建議停車且做好防護后請求救援。

使用停放裝置時，正常工況下，空氣制動可滿足30‰坡道停放要求；在空氣制動完全失效情況下，現狀動車組及普速旅客列車的停放制動裝置不滿足30‰坡道停放要求，建議提高列車停放裝置停放能力，以確保安全。

4.5 運輸質量分析

根據昌都至林芝段不同坡度方案，對動力分散動車組、普速客車及貨物列車進行模擬牽引計算，得出列車運行時間及速度，見表9。

表9 不同坡度方案列車運行速度及時間

由表9可知，在運行時間上，24‰方案線路長度相對較長，雖列車運行速度相對較高，但運行時間最長，30‰和35‰坡度方案線路長度基本相當，由于30‰方案列車運行速度更高，列車運行時間較短，運輸質量更好。

4.6 運輸能力(追蹤間隔)分析

按照CTCS-2信號制式考慮時，計算不同坡度方案下，各種列車的常用制動距離及閉塞分區長度，見表10。24‰、30‰和35‰坡度下閉塞分區長度暫分別按照1.3，1.7 km和2.8 km考慮。

表10 不同坡度方案下閉塞分區長度計算及取值

不同坡度方案下，列車追蹤間隔見表11。

表11 不同坡度方案各種列車追蹤間隔

由表11可知，24‰坡度方案，列車追蹤間隔可滿足客車4 min，貨車4 min；30‰方案可滿足客車5 min，貨車6 min；35‰方案可滿足客車7 min，貨車10 min，隨著坡度的增加，客貨列車的追蹤間隔均增大，35‰方案的追蹤間隔時間較其他兩方案增加相對較多。

4.7 推薦坡度方案

從工程實施條件及投資分析，30‰、35‰方案平面線位一致，30‰已能較好地適應地形，不需展線克服高差。24‰與30‰、35‰方案相比，抬高車站橋高，增加設站難度，并增加了工程風險。30‰、35‰較24‰坡度方案隧道埋深總體減少、地應力降低，改善了軟巖大變形、巖爆及地熱等不良地質條件，并減少隧道輔助坑道長度。工程投資方面，30‰坡度方案較35‰坡度方案增加28.9億元，增加2.7%，較24‰坡度方案節省34.4億元，節省3.2%。

從運營安全性分析，30‰坡道在國內寶成鐵路寶雞至秦嶺段已有多年的實際運營經驗。正常工況下，列車僅使用電制動即可滿足24‰、30‰長大下坡道恒速運行要求，故障工況下(電制動完全失效)，僅采用空氣制動調速，30‰長大下坡地段，旅客列車通過限速，運行80 km后，具備安全停車能力；貨物列車在電制動異常，僅使用空氣制動調速時，充風緩解時間不足，安全隱患較大，建議停車且做好防護后請求救援。35‰坡度方案安全性相對低。

從運輸質量分析，動車組功率大，旅行時間相差甚微；普速旅客列車相差也較小，30‰較24‰方案上下行平均旅行時間增加僅3.6 min；貨物列車旅行時間也相差不大，30‰較24‰方案上下行平均旅行時間增加17.2 min。

從運輸能力分析，列車區間追蹤間隔越大，區間通過能力越小，24‰、30‰最大坡度方案均能滿足能力需求，35‰最大坡度方案區間追蹤間隔最大，能力適應性差。

綜合考慮，35‰方案存在缺少運營經驗、運營安全性相對低、運輸能力適應性差、運輸質量低等弊端，研究予以放棄。24‰方案雖然具有可優化運營條件、提高運輸能力等優勢，但存在增加工程投資、設站難度和工程風險等弊端，因此，本線最大坡度推薦采用30‰。

5 結論與建議

川藏鐵路地形高差顯著、地質條件復雜、氣候變化急劇、橋隧比重極高，宜采用大坡度方案適應地形，在保證運營安全條件下，節省工程投資，降低工程風險。最大坡度方案的選擇對工程建設、施工及后期運營均有重要的影響。最大坡度選擇時應從工程適應性、經濟性、運營安全性、運輸能力及運輸質量等方面進行綜合分析比選，確保設計的坡度方案安全、經濟、合理、可靠。

國內已運營大坡度鐵路青藏線、寶成線和內昆線等均有多年的實際運營經驗，在機車類型、牽引質量和行車速度等主要技術標準匹配方面實現了協調，且各線均制定了保證安全運營的技術規程。既有TB10098—2017《鐵路線路設計規范》規定的加力坡最大值為30‰。結合川藏鐵路昌都至林芝段復雜、起伏的地形條件，重點對24‰、30‰和35‰三個最大坡度方案進行了綜合分析論證，推薦采用30‰最大坡度方案。

考慮到川藏鐵路獨特的地理及氣候條件，建議根據川藏線特點，進一步研究提升列車制動性能，保障列車運行安全，并在運營前制定保障措施，確保川藏鐵路安全運營。