复杂艰险山区客运专线超长坡段最大坡度研究

复杂艰险山区客运专线超长坡段最大坡度研究

王晓栋

中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043

摘要 我国西部艰险山区客运专线需采用长大坡道以适应特殊地形，论文在总结分析中外高速铁路最大坡度建设标准的基础上，提出了对我国当前高速铁路最大坡度标准的理解，结合国内典型西部地区高速铁路长大坡道运营现状，从养护维修、运输质量、运输能力、运营安全、电分相设置等方面，对长大坡度地段运营存在问题进行分析，并从区间追踪间隔、坡顶降速、加速性能等方面研究了最大坡度与速度目标值的匹配关系，最后结合最大坡度对工程投资的影响，提出了西部山区铁路最大坡度的设置建议。^

关键词复杂艰险山区；客运专线；长大坡道；最大坡度；坡段长度

中图分类号：U211 文献标志码：A 文章编号：

随着新时代西部大开发和“交通强国”战略的推进，我国高速铁路网逐步由中东部平原丘陵地区向西部山区拓展。我国西部地区分布有天山、昆仑山、祁连山、秦岭、横断山脉等众多山脉，地形更是以山区为主^[1]。西部艰险山区高速铁路需采用长大坡道以适应地面高差的急剧变化，根据应用情况的不同，长大坡道主要用于大型越岭地段、地形地貌急剧变化过渡地段及沟谷深切侵蚀构造山区等特殊地形条件^[2]。线路坡度、坡长作为影响隧道长度和工程实施条件的重要指标，其对山区高速铁路工程有较大影响。采用长大坡道，可有效缩短线路及隧道长度、降低桥梁高度并增加选线的灵活性，优势明显，但与规范的符合性及其运输安全、运输质量、运输能力及工程影响需分析论证。国内既有高速铁路最大坡度的研究侧重于最大坡度方案的比选^[3-4]，结合项目需要对现行《高速铁路设计规范》最大坡度标准有不同程度的突破，尚未有文献对规范有关最大坡度规定的适用性进行了系统性分析。本文首先对中外高速铁路最大坡度标准进行了总结分析，其次结合我国高速铁路最大坡度使用现状，分析了长大坡道地段运营存在的问题，并对速度目标值与最大坡度合理匹配进行了探讨，最后针对高速铁路最大坡度设置提出了相应建议。

1 相关规范对最大坡度的规定及理解

1.1 中外高速铁路最大坡度标准对比^[5-6]

日本标准：日本新干线采用全高速模式，设计速度210～320km/h，最大坡度20‰～35‰，要求10km内平均坡度≤12‰、2.5km内坡度≤18‰、1km内坡度≤20‰，个别线路突破上述标准，如长野新干线存在约20km的30‰连续长大坡道，九州新干线个别地段最大坡度38‰。

欧洲标准：德国高速铁路设计速度250～330km/h，采用客运专线模式时，最大坡度为40‰，采用客货共线模式时，最大坡度为12.5‰。法国高速铁路采用全高速模式，设计速度为300～350km/h，最大坡度为35‰。参考德、法及欧盟标准，坡段长度10km内平均坡度≤25‰、6km内连续坡段长度≤35‰，40‰坡度作为个案处理。

UIC标准：UIC实用技术标准(SII)规定，350km/h客运专线最大坡度为35‰，坡段长度10km内平均坡度≤25‰，坡段长度6km内连续坡度长度≤35‰。

中国标准：我国高速铁路采用客运专线模式，设计速度250～350km/h，最大坡度一般20‰、困难30‰，最大坡度为15‰、20‰、25‰、30‰时，坡段长度分别不宜大于10km、6km、4km、3km。

通过对比可见，我国高速铁路最大坡度规定值较国外相对偏小，坡段长度标准严于欧洲标准及UIC标准，宽于日本标准。中外高速铁路最大坡度标准对比详见下表。

表1 国内外最大坡度的坡段长度限定值对照表

1.2 对我国高速铁路最大坡度标准的理解

规范主要考虑因素：根据《高速铁路设计规范》条文说明，我国现行最大坡度坡长标准，主要是针对上坡的运输质量，坡顶速度不低于80%，未涉及运输能力、运营安全，也未区分不同速度目标值。从目前运营高铁线路分析，持续长大坡道地段，上坡地段主要是解决好分相设置、运营养护维修及运输质量；下坡对运输能力、运营安全影响较大^[7-9]。

存在的歧义：现行最大坡度坡长标准未区分起伏坡和一面坡，执行起来存在歧义。以西成客专为例，北坡连续采用45公里25‰的足坡，若采用20‰和30‰的组合坡度（3公里20‰+3公里30‰），线路长度、走向均未发生变化，与连续45公里25‰足坡并没有质的变化。规范规定的长度是为了保证动车组以较高速度运行，如果长大上坡地段入口速度已较低，则最大坡度坡段长度的规定意义不大。因此，对最大坡度的规定应分起伏坡和一面坡。

2. 我国高速铁路最大坡度使用情况及存在的问题

2.1 最大坡度使用情况

我国高速铁路中东部地形相对平缓，线路主要集中在平原、丘陵地区，最大坡度大多采用一般12‰、困难20‰，超过20‰的坡段长度也较短；西部铁路地形相对困难，最大坡度一般20‰、困难不超过30‰，部分线路如西成、渝昆高铁等穿越艰险山区，由于地形地质等因素，需采用20‰以上的超长大坡道。选取我国西部地区典型高速铁路，分析最大坡度使用情况。

表2 我国西部地区典型高速铁路最大坡度使用情况

由上表可见，我国西部地区高速铁路在设计过程中，为适应地形地质条件，没有严格依据高速铁路设计规范，更多的是结合项目需要确定合理的最大坡度坡段长度。

2.2 长大坡度地段运营中存在的问题

2.2.1 增加了养护维修难度

轨道车和接触网作业车在长大坡道上运行存在以下两个问题。一是由于高坡牵引动力不足，机械传动型轨道车和接触网作业车在长大上坡道上无法长时间持续运行，引起维修天窗期内的有效作业时间较短。二是采用空气制动模式下长大下坡运行闸瓦温度持续增高，引起制动性能不足，存在安全隐患。

为保证长大下坡地段运营安全，中国铁路西安局集团有限公司印发了《西成高铁鄠邑至佛坪间长大坡道运输安全保障措施》的通知。保障措施主要包括装备配置、设备检测维修、行车组织、施工组织、人员管理、应急处置、环境整治、后续补强等八项内容。

2.2.2对运输能力的影响

高速铁路运输能力主要受区间追踪间隔、车站发车间隔和车站到达间隔时间三方面影响

^[10]。

（1）区间追踪间隔（ ）

是列车区间追踪运行时必须间隔最小距离的运行时间。计算方法如下：

其中： 为列车长度，按16辆编组，列车长420m； 为闭塞分区长度，结合不同坡度进行合理取值； 为列车防护距离，按110m； 为列车制动距离； 为附加时间，CTCS-2级控车取12s，CTCS-3级控车取16s； 为列车运行速度。

长大下坡地段列车制动距离延长，尤其是采用较高的速度目标值，对区间追踪间隔影响较大。经计算，不同速度长大下坡列车追踪间隔时间见下表。

表3 不同速度长大下坡列车区间追踪间隔表

由表可见，长大下坡地段速度和坡度对区间追踪间隔影响较大，速度目标值200km/h至350km/h，20‰下坡道区间追踪间隔为213s-297s，25‰下坡道区间追踪间隔为270s-392s，30‰下坡道区间追踪间隔为377s-606s。为满足5min区间追踪间隔，速度目标值250km/h线路最大坡度应在25‰及以下，速度目标值300km/h、350km/h线路最大坡度应在20‰及以下。

（2）车站发车间隔（ ）

是自前行列车由车站发出时起，至由该站同方向再发出另一列车时止的最小间隔时间。计算方法为：

其中： 为列车停车标至出站信号机间的距离； 为列车从车站出发的运行速度； 为列车出发作业时间，CTCS-2级控车取47s，CTCS-3级控车取51s。

主要受一离去范围（一般为2000m左右）影响，影响范围小，车站两端坡度较缓，故长大坡道对发车间隔影响较少。

（3）车站到达间隔（ ）

是自前行列车到达车站时起，至同方向后行列车到达该站时止的最小间隔时间。计算方法如下：

其中： 为列车到站停车的运行速度； 为列车到达作业时间，CTCS-2级控车取36s，CTCS-3级控车取40s。

车站到达间隔与制动距离、速度目标值关系较大。经测算，采用CRH380BL车型+CTCS3-300T车载，当咽喉区长度为600m时：25‰的长大下坡地段，250km/h的制动初速，制动距离约15km，到达间隔约6min，350km/h的制动初速，制动距离约33km，到达间隔约10min。30‰的长大下坡地段，250km/h的制动初速，制动距离约21km，到达间隔约8.5min，350km/h的制动初速，制动距离约51km，到达间隔约15min。不同长大坡道列车到达间隔时间见下表。因此，对始发终到列车较多的车站，进站前长大下坡道不宜过长。

表4 不同长大坡道列车到达间隔时间（咽喉区600m）

2.2.3对运输质量的影响

长大坡道对运输质量的影响主要体现在上坡运行引起的列车降速和运行时间损失。本次针对相同高差（1500m）和相同坡长（50km）两种情形，对坡底速度250km/h、350km/h，分别进行了模拟列车牵引计算。结果表明，克服相同高差，采用较大坡度有利于节省运行时间，但坡顶降速较多；采用相同坡长，采用较大坡度运行时间延长，且坡顶降速较多。

表5 不同长大坡道方案对运输质量影响表

注：350km/h动车组采用CRH380BL，250km/h动车组采用CRH2。

2.2.4 对动车组过分相的影响

受地形条件所限，困难条件下有时必须在长大坡道上设置电分相。动车组在长大坡道上通过电分相时会存在两个问题：一是动车组惰行通过电分相无电区时降速明显，二是动车组入口速度过低则无法惰行通过电分相无电区。

根据信号布点原则，列车在任意信号机（显示牌）前停车后再启动须能通过电分相，若列车在分相前信号机（显示牌）前停车再启动时，信号机（显示牌）至电分相预断标之间需要有足够的加速距离，才能满足动车组停车后再启动能加速至入口速度，如在25‰坡道上，电分相入口速度要求大于90km/h，则信号机（显示牌）至电分相预断标之间的加速距离要大于6km。因此，为了缓解动车组惰行通过电分相无电区时降速现象，降低动车组过电分相入口速度要求，必须在电分相设置缓坡段。缓坡段设置位置、设计坡度及坡段长度可以根据电分相设置和信号布点情况，经过行车检算后确定。长大坡道电分相区缓坡段不同坡度行车检算表见下表。

表6 长大坡道电分相区缓坡段不同坡度行车检算表

注：1、闭塞分区长度为3000m,按最不利条件考虑,动车组过分相无电惰行距离按1200m，缓坡段长度为1200m。

2、动车组过分相速度不低于20km/h，牵引力系数取0.9，未考虑隧道空气附加阻力。

2.2.5 运营安全

（1）正常工况

从我国西部地区山区铁路已开通运营的西成、大西、西宝等高铁，其设计速度目标值为250kn/h，运营安全已积累了一定的经验，尤其西成客专，秦岭北坡持续足坡长大45km/h，经分析，采用2级常用制动即可满足25‰的长大下坡恒速运行，电制动可以满足4级及以下常用制动的要求。

（2）故障工况（电制动完全失效）

动车组电制动完全失效、仅采用空气制动调速，30‰下坡地段限速120km/h 维持运行80km后，仍具备安全停车能力^[11]。

（3）长大下坡的驻车能力

空气制动正常时，可满足旅客列车在30‰长大坡道的停放要求。正常工况下，空气制动可满足30‰坡道停放要求；在空气制动完全失效情况下，现状动车组的停放制动装置不满足30‰坡道停放要求，需采用铁鞋等辅助制动设备或提高列车停放装置停放能力，以确保安全。

2.2.6 小结

长大坡道连续设置会对养护维修、运输质量、运输能力、运营安全、电分相设置等多方面产生系列影响，应同时考虑长大上坡道和长大下坡道对运营的影响，在铁路设计阶段对长大坡道设置方案进行多方面综合比选和系统论证。

3 长大坡道地段坡度与速度目标值的合理匹配

3.1坡度与追踪间隔分析

对于长大下坡道，随着最大坡度值和速度目标值的增加，列车追踪间隔将同步增加，以区间追踪间隔为例进行说明。

表7 不同坡度、速度目标值区间追踪间隔表

由上表可见，当必须采用长大坡道时，为了不影响运输能力，长大坡道区段速度目标值不宜太高，必要时进行限速。

3.2坡度与降速

本次分析对大坡度20‰、25‰、30‰，在250km/h和350km/h采用不同机型对速度降至80%和60%进行了牵引计算模拟，结果见下表。

表8 不同坡度降速距离表

由表可见时速250km/h的CRH1、CH2、CRH5等动车在长大上坡地段，由最高速度降速至200km/h（80%）。20‰方案降速距离为8.2-9.9km，25‰方案降速距离为5.8-6.5km，30‰方案降速距离为4.5-4.9km。

3.3坡度与动车组加速性能分析

CRH380AL动车组功率为21400kW，是目前国内动车组中功率最大的动车组，经分析计算，在坡度相同的前提下，加速至同一速度时，CRH380AL动车组最短，加速距离见下表。

表9 CRH380AL动车组加速距离表

由表可见，在20‰、25‰、30‰的长大上坡地段，CRH380AL动车组的均衡速度分别为277km/h、249km/h、225km/h。长大上坡地段采用坡度值越大，动车组所需要的加速距离越长，会降低旅客运输质量。

4 最大坡度对工程投资的影响

最大坡度是铁路主要标准之一，其对主隧道长度、桥梁高度、辅助隧道数量、躲避不良地质，改善工程设置条件、工期及工程投资均具有较大影响，尤其持续长大坡段，影响更为明显。根据我国高铁建设及设计经验，在具体工程设计中，对长大坡段的最大坡度选择均采用不同坡度方案，从工程投资、运输质量、运输能力、运营安全等方面系统论证，在保证运营安全的前提下，以满足运输需求为前提，做到工程投资、运输质量的合理匹配。

5 研究结论及建议

我国铁路设计一直是贯彻坡度适应地形、移动设备与固定设备协调配套、机车（动车组）牵引力与线路标准综合优化的设计思想，在保证行车安全和满足运输需求的前提下，增大了限制坡度选择的灵活性，为节约工程投资创造了更好条件。山区铁路需要克服较大高程障碍路段，基于近年来建设实践，建议取消最大坡度的坡长的限制，从以下几方面提出最大坡度设置建议。

（1）《高速铁路设计规范》5.3.3条规定的最大坡度对应长度，建议取消具体数值限制，修改为在保证运营安全的前提下，进行工程投资、运输质量、运输能力（区间能力、车站到发能力）等方面的综合比选。

（2）在持续长大上坡地段设置电分相时，需设置缓坡。

（3）针对西部长大坡道高铁，应加大动车组的功率，宜研发适应长大坡道的大功率、电制动的轨道车及接触网作业车。

（4）对不同速度目标值的最大坡度应区分对待，必要时适当降低大坡度路段的设计速度。

（5）最大坡度长度首先应把运营安全放在首位，其次是运输能力，在以上基础上考虑运输质量。

（6）动车组在持续长大下坡地段，为保证运行安全，尽可能的不考虑空气制动，按全电制动考虑,以减少对制动系统磨耗。

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收稿日期：2021-07-07；修回日期：

基金项目：中铁第一勘察设计院集团有限公司科研课题（院科（川藏）19-02）

作者简介：王晓栋（1975-），男，甘肃白银人，高级工程师，研究方向为铁路运输组织研究。E-mail：369957461@qq.com