既有单线半自闭铁路扩能改造方案研究

杨丽娟 刘剑飞

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

既有铁路扩能改造的最终目的是提高运输能力、改善运输条件,对于单线铁路来说,常用的扩能改造方案有优化运输组织、增开车站、延长车站到发线有效长、改换信联闭设备[1]、软化坡度、电气化改造、增建双线等,选取既能够满足运量增长的需求又能节省工程投资和运营成本的方式,是扩能改造重点需研究的内容。已有学者开展相关研究,方华提出初期提高牵引质量、近期全线增建二线的扩能改造方案,重点对精霍铁路精河至伊宁段初、近、远期能力适应性进行分期研究[2];杨朝晖从符合运营特征、满足运输能力、后方通道运输组织协调性、适应地形条件,以及充分利用既有设施设备的角度,推荐电气化改造,延长到发线有效长,提高牵引质量,软化坡度的方案[3];李敬伟从运输成本、运输灵活性,实施难度等角度比选,推荐电气化改造、延长车站到发线有效长的方案[4];逯红兵结合北黑铁路客车提速改造,对提速与扩能方案进行同步研究[5]。

综上所述,每条线路运营情况不同,扩能目标不同,改造方案也不尽相同。需结合扩能目标,研究线路具体情况,确定出可选择的扩能方案,并对不同方案的运输组织适应性、灵活性,工程投资,运营效益等进行多方面综合比选,最终确定出符合其路网功能、满足未来发展的改造措施。

1 概述

叶柏寿至赤峰铁路为单线、内燃半自闭铁路,到发线有效长550m,采用DF4机车牵引(1500/1100t)和HXN系列机车牵引(2500/1500t)。此外,该线还开行5000t超长列车,采用双机(HXN3、DF4型机车各1台)牵引。在每日开行5列5000t列车的情况下,年货运输送能力仅为1400万t。目前,我国最繁忙的单线铁路行车量已达22～33对/d,年货运输送能力达2000万t。从线路输送能力的绝对数字来看,叶赤线远低于全路的平均水平。此外,叶赤线线路允许速度为105km/h,限制区间(石脑—叶柏寿)货车平均运行速度31km/h,现状客车最高旅行速度56km/h,较低的速度影响运输能力与运输质量的提高[9]。

2 现状线路情况

叶赤线始建于1934年,年代久远,技术标准低,线路坡度大,曲线半径普遍较小,桥梁等基础设施老化,严重影响运营安全。

2.1 线路特征

叶赤线线路全长137.257km,既有线线路平纵断面特征见表1。

表1 既有线线路平纵断面特征

既有线坡度较大,最大坡度为20.7‰,全段最小坡长200m。最大坡度代数差34.9‰。足坡地段为32个/14.22km,占正线长10.36%;自由坡地段为282个/123.02km,占正线长89.64%。上、下行拔起高度为369.5m、508.08m。全线坡度示意见图1。

图1 全线坡度示意

既有线曲线半径普遍较小,最小曲线半径仅为300m,300m半径的曲线有5处/2.276km,占曲线全长的7.73%,300～800m半径的曲线有41处/14.817km,占曲线全长的50.24%。

2.2 现状通过能力及利用程度

叶赤线现状能力已经饱和,为提高输送能力,在运营中组织开行5对三机(DF4型)牵引或双机(HXN、DF4各1台)牵引的5000t列车。叶赤线现状能力已饱和,限制区间为石脑—叶柏寿区间,平图能力仅26.2对/d,现状该段通过能力缺口为1.3对/d,能力利用率为93.6%,已占用储备能力。

3 扩能改造方案

研究年度叶赤线预测运量为近期客车3对/d、货运量2617万t,远期客车5对/d、货运量2830万t;货运量主要为赤峰、以远、元宝山、平庄南、汐子、天义等站运至锦承线朝阳方向的煤炭等大宗货物。既有线的能力远不能满足研究年度运量需求。

结合预测的运量需求及京通线电气化改造[6],地区未来货运发展格局[7]等区域路网情况,研究4个扩能改造方案:现状电化方案;现状电化、部分车站延长到发线有效长至1080m方案;全线车站延长到发线有效长至1080m方案;全线车站延长到发线有效长至1050m、落坡方案。

3.1 方案Ⅰ:现状电化方案

(1)牵引质量及能力适应性

叶赤线现状到发线有效长为550m,由于运量大部分为煤炭,采用C70型车辆,牵引质量可达3000t。

现状线路条件较差,限制坡度为20.7‰,大坡地段主要集中在马林—热水、沙海—叶柏寿两段,对两段电力机车单机牵引3000t进行牵引计算模拟。根据模拟,在既有断面条件下,HXD系列机车能够单机牵引3000t列车。V-S曲线见图2、图3(红色线为限速、洋红色线为速度、黑色线为时间,下同)。

图2 马林—热水HXD机车单机牵引3000t(方案Ⅰ)

图3 沙海—叶柏寿HXD机车单机牵引3000t(方案Ⅰ)

叶赤线仅进行电气化改造,在开行3对客车时,限制区间(天义—沙海)使用能力为25.2对,输送能力为1710万t,较现状仅增加约250万t,研究年度能力缺口较大。方案Ⅰ(现状电化)无法满足预测运量需求。

(2)主要工程内容及投资

线路全长146.255km,新建单线(单绕)2.896 km;新建石脑隧道L=705m(既有石脑隧道1934年建成,隧道内排水设施失效、衬砌腐蚀和渗漏水情况严重,限界不满足电气化铁路要求。原位改造干扰既有线行车组织,施工难度大、影响运营安全,采取线路绕行新建隧道的方案);全线电气化改造;路基、桥梁及轨道维持既有。方案Ⅰ静态投资174720.61万元。

3.2 方案Ⅱ:现状电化、部分车站延长到发线有效长至1080m

(1)牵引质量及能力适应性

由于现状电化方案能力的提高不大,故考虑进一步延长部分车站到发线有效长至1080m,开行部分5000t列车,牵引质量为3000t、5000t。

在既有断面条件下,采用HXD系列机车单机牵引5000t时,V-S曲线见图4、图5。

图4 马林—热水HXD机车单机牵引5000t(方案Ⅱ)

图5 沙海—叶柏寿HXD机车单机牵引5000t(方案Ⅱ)

马林→元宝山区间长大下坡约为6km,周期制动可满足要求。元宝山→热水区间为上坡最大坡度达20‰,牵引力使用系数为0.9时,到达坡顶的速度为41km/h;牵引力使用系数为1.0时,到达坡顶的速度为46km/h,小于最低计算速度65km/h,故研究认为该段需双机牵引5000t。沙海→石脑区间19km+760m→17km+320m段为连续上坡,长度为2.78km,该段上坡坡度15.0‰、坡长200m,19.7‰、坡长800m,17.9‰、坡长280m。牵引力使用系数为0.9,到达坡顶的速度为46km/h;牵引力使用系数为1.0时,到达坡顶的速度为52km/h,小于最低计算速度65km/h,无法满足动能闯坡要求,也需双机牵引。综上所述,方案Ⅱ重车方向需采用双机牵引5000t列车。

叶赤线沿线有煤炭装车点,为提高运输效率,考虑延长煤炭装车点车站到发线有效长;在此基础上,根据最大限度提高线路输送能力的原则,分析到发线数量对通过能力的影响[8],以及列车开行方案对到发线的需求[9],采用图解法[10],计算出1080m有效长车站分布间距为26km左右。结合以上分析,延长元宝山、平庄南、汐子、天义、沙海等5个车站到发线有效长至1080m,满足开行部分5000t列车要求。

方案Ⅱ能够满足预测近期运量的能力需求,但远期通过能力缺口3.7对,通过能力利用率为97.4%,需占用储备能力。

(2)主要工程内容及投资

线路全长146.315km;桥梁、路基、轨道工程病害整治,其中老龄桥改建、隧道改建、车站延长引起改线12处、改线约25.38km;全线59处平交道口改立交;元宝山、平庄南、天义站、汐子站4个车站延长到发线至1080m。方案Ⅱ静态投资294826.44万元。

3.3 方案Ⅲ:电气化改造、全线延长到发线有效长度至1080m

(1)牵引质量及能力适应性

全线电气化改造,提高叶赤线牵引质量至5000t。维持既有坡度,需双机牵引5000t列车。

若采用新型货车,到发线有效长1050m可满足6000t列车要求,为预留发展条件,满足提高运输能力需求,按双机牵引6000t列车进行检算。根据方案Ⅱ模拟,在既有断面下采用HXD系列机车需双机牵引5000t列车,牵引6000t列车也需双机牵引,V-S曲线见图6、图7。

图6 马林—热水HXD机车双机牵引6000t(方案Ⅲ)

图7 沙海—叶柏寿HXD机车双机牵引6000t(方案Ⅲ)

马林—热水、沙海—叶柏寿段可满足双机牵引6000t要求。沙海—叶柏寿区间长大下坡地段,周期制动可满足要求。

方案Ⅲ研究年度均能够满足预测运量需求,远期通过能力富余0.3对。

在进行财务管理的工作中。企业工作人员需准确进行风险预测，对财务管理及经营风险进行充分认识，同时掌控其工作体系。除此之外，部分财务人员在对财务管理问题进行处理的时候，并没有制定出风险管控方案，于财务管理工作中，缺乏个人管理经验，所以对管理工作的实际工作效果产生影响，将管理的难度增加[5]。

(2)主要工程内容及投资

电化长度为146.13km;桥梁、路基、轨道工程病害整治,其中老龄桥改建、隧道改建、车站延长引起改线13处、约改线28.14km,施工便线1.108km;全线59处平交道口改立交,全线13个车站延长到发线至1080m。方案Ⅲ静态投资323867.45万元。

3.4 方案Ⅳ:电气化改造、全线延长到发线有效长度至1050m,局部区段落坡

(1)牵引质量及能力适应性

方案Ⅳ改造内容为:电气化改造,提高叶赤线牵引质量至5000t,局部区段进行落坡改造,满足单机牵引5000t要求。

根据牵引计算模拟,落坡改造后,采用HXD系列机车单机牵引6000t时,V-S曲线见图8、图9。

图8 马林—热水HXD机车单机牵引6000t(方案Ⅳ)

图9 沙海—叶柏寿HXD机车单机牵引6000t(方案Ⅲ)

采用HXD1机车,马林—热水区间落坡改造后,坡顶速度为69km/h,沙海—石脑区间落坡改造后,坡顶速度为70km/h,均大于65km/h,能够满足单机牵引6000t要求。

表2 下坡道周期制动检算(HXD1-6000)

表3 下坡道周期制动检算(HXD1-5000)

列车从缓解初速增至坡道限速时的增速时间(缓解过程中保持动力制动)大于“充风时间+空走时间”[12],即说明在下坡道上,列车能维持周期制动要求。结合铁路长大下坡道列车周期制动参数的选择,对减压量60kPa、70kPa情况下的周期制动进行检算[13]。

由表2、表3可知,在-19%的长大下坡道上,周期制动良好时,HXD系列机车可以满足6000t、5000t列车的制动要求。

仅采用空气制动时[14],石脑—叶柏寿区间采用HXD机车单机牵引5000t时V-S曲线见图10。

图10 石脑—叶柏寿HXD机车单机牵引5000t(方案Ⅳ,不采用动力制动)

由图10可知,在动力制动失效的情况下,采用HXD1机车单机牵引5000t需4～5个周期制动,如操作措施合理,则列车可安全通过该长大下坡道。综上,研究认为在机车动力制动作用良好时石脑—叶柏寿段长大下坡制动可保证安全;但在机车动力制动失效条件下,需合理操纵才能保证列车安全通过,或需在长大下坡道上停车等待救援。

该方案研究年度能够满足预测运量需求,近、远期通过能力分别富余5.6对、0.3对。

(2)主要工程内容及投资

电化长度146.081km;桥梁、路基、轨道需进行工程病害整治,其中老龄桥改建、隧道改建、车站延长、软化坡度引起改线41.43km,施工便线1.108km;全线59处平交道口改立交;全线13个车站延长到发线至1050m。

线路全长146.081km。其中,新建线路长41.43km,既有线改建长104.65km,静态投资362845.74万元。

4 扩能改造方案综合比选

4.1 方案工程投资比较

主要工程数量及投资比较见表4。

表4 各方案投资比较

4.2 扩能方案综合比选

(1)从工程投资角度分析

4个建设方案中投资最多为方案Ⅳ,其次为方案Ⅲ、方案Ⅱ、方案Ⅰ。

(2)从运营成本、运输效率角度分析

方案Ⅳ对既有线路进行改造,将坡度改造为6/13‰,且延长到发线有效长,满足单机牵引5000t,能够节省机车购置费,节省运营成本[15],提高运输效率。在机车动力制动作用良好的条件下,石脑—叶柏寿段长大下坡制动可保证安全;但在机车动力制动失效条件下,需合理操纵才能保证列车安全通过,或需在长大下坡道上停车等待救援。

方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ不改造既有坡度,维持现状20.7‰的限制坡度,方案Ⅰ牵引质量为3000t,方案Ⅱ为3000t、部分5000t,方案Ⅲ为5000t,较方案Ⅳ运营成本高。

方案Ⅱ、Ⅲ采用双机牵引5000t,同时出现机车制动故障几率小,长大下坡道制动安全性优于方案Ⅳ;但同时双机牵引存在部分区段机车能力虚靡问题,机车运用效率较低。

(3)从运输能力角度分析

4个方案中,能力最大为方案Ⅲ、Ⅳ,其次为方案Ⅱ,最小为方案Ⅰ。根据计算,方案Ⅰ无法满足近、远期预测运量需求;方案近期能力可以满足要求,但远期需占用储备能力;方案Ⅲ、Ⅳ近、远期能力均可满足预测运量需求。

5 结论

结合叶赤线在区域路网中的作用,该线主要承担沿线元宝山、平庄南、汐子、天义等站运至锦承线朝阳方向的大宗货物;通过运量可能的来源为赤大白线大板方向,但考虑到在建的锦赤线与赤大白线为同一通道,赤大白线运量主要经锦赤线运输,故由叶赤线承担的赤大白线通过运量存在不确定性。

综合4个扩能改造方案比选,方案Ⅱ延长部分到发运量较大车站的到发线有效长,满足开行5000t列车的要求,改善既有叶赤线运输条件,并适当提高运输能力,能够满足近期预测运量需求,虽然远期需占用储备能力,但考虑到叶赤线预测运量的不确定性,为节省工程投资,减少投资风险,建议先期采用方案Ⅱ,即现状电化、部分车站延长到发线有效长度至1080m方案,适当提高线路运输能力及运输条件,未来运量增长后,再结合运量发展情况考虑进行扩能改造。