蒙西至三北羊場鐵路限制坡度選擇研究

曾靈敏

（中交鐵道設計研究總院有限公司高級工程師，北京 101304）

0 引言

蒙西至三北羊場鐵路（以下簡稱蒙三鐵路）是鄂爾多斯西部縱向運輸通道的重要組成部分，主要承擔蒙西工業園及沿線化工園區貨物集疏運和煤礦運輸業務，是工業園區、礦區對外運輸大能力通道。項目為地方貨運專線鐵路，遠期預留客運條件。近期貨運17.6～22.95 Mt，遠期貨運21.8～28.75 Mt、客車1 對; 貨運以工業園區至三北羊場以遠地方大宗運量為主。蒙三鐵路設計行車速度為120 km/h。

1 鐵路項目限制坡度選擇控制因素分析

新建鐵路的最大坡度，在單機牽引路段稱限制坡度，在一臺以上機車牽引路段稱為加力坡[1]。限制坡度是單機牽引普通貨物列車，在持續上坡道上、最后以機車計算速度等速運行的坡度；它是限制坡度區段的最大坡度，貨物列車牽引質量需依據它來計算。限制坡度是鐵路主要技術標準組成要素之一，直接影響鐵路輸送能力。

鐵路限制坡度的選擇與鐵路等級、沿線地形條件、鐵路輸送能力要求、相鄰路網條件、牽引動力條件[2]、環境敏感點、工程分布等各方面因素密切相關。具體設計時需綜合考慮以上控制因素，根據項目實際酌情分析，并結合項目運輸組織設計，如最大坡度和牽引質量的協調匹配、運輸組織的順暢及路網直通、盡量減少增減軸技術作業、提高運輸組織效率及節省運營成本等，科學合理確定限制坡度。

1.1 鐵路等級

鐵路等級越高，則設計鐵路在路網中的意義、作用和客貨運量越大，更需要有良好的運營條件和較低的運輸成本，因此宜采用較小的限制坡度。

1.2 相鄰路網條件

如果設計鐵路與鄰接鐵路的直通貨流量很大，或者設計鐵路在路網中聯絡分流作用顯著，則在限制坡度選擇時，應考慮與相鄰鐵路牽引定數相協調，盡量使設計鐵路限制坡度與相鄰路網相統一。這樣，可避免直通貨物列車在接軌站的甩掛作業，加速貨物送達，降低運輸成本，提高運輸效率。

1.3 機車牽引動力與坡度體系的發展趨勢

機車牽引力是選擇限制坡度的決定性因素之一。我國鐵路裝備水平提高，正在加快更新貨運機車[3]，HXD 系列電力機車在9‰限制坡度條件下，牽引質量均可達到4 000 t以上，如表1所示。

表1 HXD系列貨機牽引質量表單位t：

近年來“和諧型”大功率電力機車已經覆蓋我國絕大部分地區，機車牽引動力的發展，使我國鐵路網限制坡度（單機牽引）具備了從6‰提高至9‰的條件，同時能夠提高運能、減少工程投資、降低工程風險。

1.4 地形條件

不同的地形條件，線路沿線的自然縱坡不一樣，如河谷地區、越嶺地區、平原和丘陵地區等。為了克服高程障礙，繞避不良地質，正確處理鐵路與行經地區的關系等，需要選用不同的限制坡度或加力坡來適應不同的地形條件。

1.5 環境敏感點保護要求

依據《鐵路工程環境保護設計規范》（TB 10501—2016）規定[5]：鐵路選線嚴禁穿越自然保護區的核心區和緩沖區、風景名勝區的核心景區、世界文化和自然遺產地、飲用水水源一級保護區；宜避開自然保護區的試驗區及其外圍保護地帶、風景名勝區核心景區外的其他外圍保護地帶、儲藏量大且有開采價值的礦區、飲用水水源一級保護區外的其他等級保護區以及森林公園、地質公園、重要濕地、天然林、珍稀瀕危野生動植物天然集中分布區、重要水生生物的自然產卵場、索餌場、越冬場和洄游通道、天然漁場等；宜使用劣地和荒地,不占或少占用耕地和基本農田。

鐵路選線設計時，要盡量繞避這些環境敏感點，不可避免地會對限制坡度選擇造成影響。

1.6 工程分布影響

為滿足鐵路沿線所經地區控制性工程凈空要求，如：大江大河的通航要求、高速公路或城市道路上跨要求、既有鐵路的上跨要求、國家重點項目的跨線要求等，不可避免地會在局部地段采用大坡度來滿足工程分布影響，對限制坡度選擇造成影響。

2 蒙三鐵路限制坡度選擇

2.1 鐵路等級

《鐵路線路設計規范》（TB 10098—2017）（以下簡稱《線規》）規定[6]，鐵路等級對應的客貨共線鐵路限制坡度不得大于表2規定的數值。

表2 限制坡度最大值單位‰：

蒙三鐵路近期運量超過20 Mt，依據《線規》規定“鐵路網中起骨干作用的鐵路，或近期年客貨運量大于或等于20 Mt 者為Ⅰ級鐵路”，確定蒙三鐵路等級為Ⅰ級。又蒙三鐵路設計為電力牽引線路，從南向北依次經過平原、丘陵山區和平原等地形，由表2可知，鐵路等級對應的限制坡度最大值不應超過15‰。

2.2 相鄰路網條件

新建蒙三鐵路位于內蒙古自治區鄂爾多斯市西部，線路南端與東烏鐵路、三新線相連，線路北端遠期預留與包蘭鐵路相連條件，線路全長118 km，與既有東烏鐵路接軌于三北羊場站（圖1）。與蒙三鐵路相鄰的既有鐵路限制坡度情況見表3。相鄰路網除既有三新線、東烏線限制坡度為9‰外，其余干線鐵路限坡大多為6‰系列。

圖1 蒙三鐵路相鄰路網圖

從路網條件分析，蒙三鐵路限制坡度選擇應考慮與相鄰東烏線、三新線、包蘭線牽引定數相協調，盡量使設計鐵路限制坡度與相鄰路網相統一。這樣，可避免直通貨物列車在接軌站的甩掛作業，加速貨物送達，降低運輸成本，提高運輸效率。

綜上，從相鄰路網條件考慮，蒙三鐵路限坡應選擇6‰或9‰系列。

2.3 沿線地形地貌

蒙三鐵路總的地勢為中間高南北低，沿線地形地貌從南到北大致可分為波狀高原區、低中山區和沖洪積平原區。沿線自然縱坡大概在9‰～16‰之間。

2.4 貨物流向及運輸組織

從運輸組織特點分析，本線輕、重車方向貨流密度比為1∶1.2 左右，輕重車方向貨流較均衡，從運輸組織角度考慮，貨流輕重車方向較均衡，不考慮分方向選擇限制坡度。

本線到達的貨物主要為蒙西工業園區企業所需煤炭、鐵礦石、蘭炭等原材料，流量大，流向集中，主要來源方向為昌汗烏素、三北羊場以遠方向，主要利用東烏既有線運輸，限坡為9‰；本線發送的貨物主要為PVC、電石、焦炭、鋼材產品等，主要去向為三北羊場以遠，主要利用東烏新增二線運輸，限坡為6‰/13‰。本線車流以大宗跨線直達車流為主，應考慮路企直通運輸，相應本線限制坡度及牽引質量應與后方運輸通道東烏線協調一致，以便于運輸組織，提高運輸效率。

從貨物流向及運輸組織協調匹配考慮，本線限坡應選擇6‰或9‰系列。

2.5 限坡方案比選

從本線地形地貌、相鄰線鐵路主要技術標準、貨物特點及運輸路徑等方面綜合考慮，本次主要對6‰、9‰與13‰限坡方案進行了比選。

1）6‰限坡方案。線路全長194.500 km，其中橋梁總長76.383 km，隧道總長5.2 km，橋隧比41.9%，穿越西鄂爾多斯國家級自然保護區實驗區61.642 km，共設車站14個（含接軌站），其中預留車站2個，預留線路所1個。該方案穿越了西鄂爾多斯國家級自然保護區實驗區，但繞避了西鄂爾多斯國家自然保護區核心區和緩沖區。

2）9‰限坡方案。線路全長130.5 km，其中橋梁總長30.864 km，隧道總長18.7 km，橋隧比38.0%，穿越西鄂爾多斯國家級自然保護區實驗區43.53 km，核心區2.5 km，緩沖區10.87 km。全線共設車站11 個（含接軌站），其中預留車站2 個，預留線路所1個。該方案穿越了西鄂爾多斯國家級自然保護區核心區及緩沖區。

3）13‰限坡方案。線路全長118.471 km，其中橋梁總長25.689 km，隧道總長10.210 km，橋隧比30.3%，穿越西鄂爾多斯國家級自然保護區實驗區31.9 km。全線共設車站10個（含接軌站），其中預留車站2個，預留線路所1個。該方案穿越了西鄂爾多斯國家級自然保護區實驗區，但繞避了西鄂爾多斯國家自然保護區核心區和緩沖區。

2.6 方案優缺點分析

地形適應性：采用6‰坡度時，全線展線系數為2.15；采用9‰坡度時，全線展線系數為1.49；采用13‰坡度時，全線展線系數為1.29，較9‰坡度及6‰坡度小，13‰坡度更能適應地形。

機車、牽引質量與限制坡度匹配性：當前及未來主力電力貨運機車不同限制坡度牽引質量如表4。

表4 主力貨機在不同限制坡度的牽引質量表單位t：

從表4可知，當機車牽引力系數為1.0時，在9‰限坡上，HXD2 機車可單機牽引5 000 t。對HXD 系列機車來說，6‰和9‰為單機坡，13‰為雙機坡。

運輸組織分析：本線限坡采用6‰或9‰時，本線去往東烏線直達列車均不需要在三北羊場站進行補機摘掛作業；采用13‰時，需要在三北羊場進行補機摘掛作業。

環境敏感點保護要求：9‰方案穿越西鄂爾多斯國家級自然保護區核心區及緩沖區，環保要求不合格。6‰和13‰方案繞避西鄂爾多斯國家自然保護區核心區和緩沖區，滿足環境敏感點保護要求。

工程投資及換算運營工程費：經計算，工程投資6‰方案最高，9‰方案次之，13‰方案最小。換算運營工程費13‰方案最小，9‰方案次之，6‰方案最高（表5）。無論是工程投資還是換算運營工程費，都是6‰方案>9‰方案>13‰方案。

表5 主要工程數量及投資對比表

2.7 綜合比選結果

6‰、9‰限坡方案與相鄰線鐵路主要技術標準匹配好，運輸組織最順暢，13‰限坡方案需要在接軌站增設機待線進行補機摘掛作業，導致運輸組織效率降低，但13‰限坡方案線路長度最短，工程靜態投資最少，工程經濟性最好；6‰限坡方案展線系數大，線路長度最長，換算運營工程費最高；9‰限坡方案換算運營工程費雖然相對較小，但線路穿越西鄂爾多斯國家級自然保護區核心區及緩沖區，不符合環保要求，工程不可行。因此，本次研究限制坡度推薦采用13‰限坡方案。

3 結語

限制坡度是影響新建鐵路輸送能力、工程數量和運營費用的關鍵因素，有時甚至影響線路走向。筆者以蒙三鐵路為例，通過對蒙三鐵路等級、沿線地形條件、相鄰路網條件、運輸組織適應性、是否符合環保要求等進行分析，并對各方案進行換算運營工程費比較，最終推薦采用13‰限制坡度方案。本文詳細分析了新建鐵路限坡選擇需要考慮鐵路等級、相鄰路網條件、機車牽引動力及坡系發展趨勢、運輸組織、地形條件、環保要求、工程分布等控制因素影響以及設計時采取的具體應對措施，對新建鐵路科學選擇限制坡度具有參考意義。