图1 川藏铁路沿线地势图
黄艳磊1邓军桥2张红伟3
(中铁二院工程集团有限责任公司， 成都60031)
摘 要：通过对川藏铁路不同限制坡度条件下重点工程情况、施工工期，工程实施的安全性、可靠性和经济性的研究，并综合运输组织、相关路网的限制坡度等因素，确定本铁路经济合理的限制坡度。本铁路重点对12‰，加力坡24‰坡度方案和16‰，加力坡30‰坡度方案进行比选。30‰方案地形适应性好、控制性工程工期短、工程投资省，且理论分析列车牵引和制动不存在问题，但通过对国内已开通运营的长大坡道铁路调研，结果表明:长大坡道运营安全风险较大;24‰方案基本能够适应地形，工期较30‰方案稍长，静态工程投资总额仅增加7.1%，运营上更能与区域路网匹配协调，实际运营经验成熟。从运营安全角度分析，建议本线采用12‰，加力坡24‰坡度方案。
关键词：川藏铁路;限制坡度;工程投资;风险;运营安全
1.1 线路走向
新建川藏铁路位于我国四川省和西藏自治区境内。线路起于四川省成都市，于既有成昆铁路引出，经蒲江、雅安、天全后翻二郎山进入甘孜藏族自治州，经康定、理塘、白玉后跨金沙江，进入西藏自治区昌都地区境内，经江达、昌都、邦达、八宿后进入林芝地区，经波密、林芝进入山南地区，经桑日、乃东、贡嘎后至终点拉萨市。全线运营长度约 1 932.9 km，建筑长度约1 819.981 km。
1.2 工程地质条件及区域环境特征
川藏铁路工程地质条件极为复杂，地应力活跃，不良地质极度发育，生态环境极为脆弱。
区域主要以板块缝合带、地壳拼接带等深大活动断裂为构造格架，与其他活动断裂一起，构成了与川藏铁路关系最为密切的地质构造。区域主要的板块缝合带断裂有澜沧江断裂、雅鲁藏布江断裂;地壳拼接带断裂有龙门山断裂、鲜水河断裂、理塘断裂、巴塘断裂、怒江断裂;此外还发育八宿断裂、嘉黎断裂等其他活动断裂。
沿线水文地质主要有孔隙水、基岩裂隙水、岩溶水及断层带水;不良地质主要有崩塌、滑坡、错落、泥石流、高地温和高温热水、高地应力、断层破碎带、冰害、溜砂坡、水毁、雪崩、冻土、高陡岩质岸坡、放射性、有害气体、蚀变岩、泥质岩、粘土岩、软土、岩溶、盐岩和石膏等。沿线还经过了大量的国家级或省级自然保护区、风景名胜区、森林公园、地质公园、水源保护区、文物古迹等。
1.3 研究范围
林芝至拉萨段铁路沿雅鲁藏布江河谷而行，地形相对平坦，其限制坡度的选择余地也较大。由于林芝至拉萨段铁路长达400 km，可以结合其相邻铁路的限制坡度，单独作为一个路段来研究限制坡度方案。考虑到在建拉日铁路限制坡度为12.5‰，结合拉日铁路的技术标准，12‰方案基本能够适应地形条件，且换算工程运营费用最省。因此，本文对林芝至拉萨段不做阐述。而雅安至林芝段地形困难，地势起伏较大，铁路需要大坡度才能较好地适应地形条件。结合不同限制坡度方案机车牵引质量分析，本文重点研究成都至林芝段12‰、加力坡24‰和限制坡度16‰、加力坡30‰2个限制坡度方案。
由于川藏铁路地形困难、地质复杂，采用不同的限制坡度对工程条件、工程风险、工程投资影响甚大。因此，有必要研究不同限制坡度方案条件下的重点工程情况，施工工期，实施的安全性、可靠性和经济性，并综合输送能力、运输组织等各种因素，确定本线经济合理的限制坡度。
2.1 沿线地形特点
铁路从四川盆地的成都市出发，西行穿越川西高山峡谷区、川西山地区(高山原区)、藏东南横断山脉、念青唐古拉山山脉的色季拉山高山峡谷区至林芝，总的地势北高南低，西高东低。铁路雅安至然乌段穿越了横断山脉(横断山脉是中国最长、最宽和最典型的南北向山系，由青藏高原东部一系列南北走向紧密排列的山脉组成)。各条山脉之间，镶嵌着大渡河、鲜水河、雅砻江、金沙江、澜沧江、怒江等河谷，组成了岭谷相间、山重水复的巨大山原。山原面的高程，从西北部的4 500～5 000 m下降到东南部的3 500～4 000 m。山原面以下，从北到南，河流逐渐深切形成连续不断的峡谷，岭谷之间的高差可达2 000～3 000 m。
成都(彭山)至雅安段铁路位于四川盆地，地形相对平坦;林芝至拉萨段铁路溯雅鲁藏布江而上，地形起伏相对较小。而雅安至林芝段铁路需要翻越二郎山、折多山、高尔寺山、沙鲁里山、芒康山、他念他翁山、伯舒拉岭和色季拉山等山脉，需要跨越大渡河、雅砻江、金沙江、澜沧江、怒江、迫龙藏布、尼洋河等，线路高程起伏在1 000 m以上高差的段落就有11段之多，地形地势起伏剧烈，如图1所示。
2.2 不同坡度方案机车牵引质量
2.2.1 相邻路网限制坡度、机车类型、牵引质量
川藏铁路成都至林芝段的相邻线路主要有成昆铁路、青藏铁路格拉段、拉日铁路、滇藏铁路丽香段、川藏铁路拉林段，各条铁路线的限制坡度、机车类型及牵引质量如表1所示。
图1 川藏铁路沿线地势图
表1 相邻铁路限制坡度、机车类型及牵引质量分析表
综上可知，成都地区已经形成4 000 t为主的牵引质量系列;拉萨地区形成了3 000 t为主的牵引质量系列。
2.2.2 不同坡度方案机车牵引质量分析
从川藏铁路运量特点来看，全线通过运量较大，宜尽量统一机型及牵引质量。由相邻路网的牵引质量可知，成都地区已经形成4 000 t为主的牵引质量系列;拉萨地区形成了3 000 t为主的牵引质量系列。由于川藏铁路全线限制坡度较大，采用4 000 t系列，机车功率较大，不符合节能环保要求，因此，考虑采用3 000 t系列方案，在拉萨地区也能与路网相关线路匹配。
目前我国新建铁路一般选用新型大功率货运机车，可供选择的机车主要有 HXD1、HXD2、HXD3、HXD1B、HXD2B、HXD3B、及青藏铁路目前正进行试验的HXD1C型机车。根据机车参数，HXD2机车功率最大，在24‰坡度下双机牵引质量为3 438 t，30‰坡度下双机牵引质量为2 713 t。因此，不论是24‰坡度方案还是30‰坡度方案，基本都符合牵引质量 3 000 t系列的需要。
从机车的牵引力来看，根据《列车牵引计算规程》，牵引质量主要与机车的牵引力有关。根据已运营线路实际情况来看，尤其是宜万铁路，使用和谐机车，机车的实际牵引质量与理论计算值存在较大差距。通过分析，若和谐机车采用粘着力计算牵引质量，更接近实际运营的牵引质量。若按此规律分析，本线采用最大功率的和谐机车HXD2双机牵引，在24‰限坡下牵引质量则需从3 400 t降至3 100 t，在30‰限坡下牵引质量需从2 700 t降至2 400 t。由此可看出，只有24‰限坡方案，即使采用粘着牵引力计算出的牵引质量仍满足3 000 t系列方案。
2.3 地形适应性分析
2.3.1 成都至新都桥段
成都至新都桥段铁路地处四川盆地向青藏高原过渡带，地势自东向西逐步升高，高程自430 m左右上升至4 000 m左右。线路需要翻二郎山和折多山、跨大渡河，其中天全县紫石关至折多山隧道出口段为紧坡地段。
本段24‰方案线路长度约298 km，紧坡地段长度约为158 km，占线路全长53.0%;30‰方案线路长度约277 km，紧坡地段长度约为132 km，占线路全长48%。本段两方案展线地段均较长，30‰方案更能适应地形。
2.3.2 新都桥至昌都段
新都桥至理塘段铁路翻高尔寺山、跨雅砻江后爬升至理塘高原面、江达至昌都段地形起伏较大，2段均需紧坡展线。
本段24‰方案线路长度约578 km，紧坡地段长度约为160 km，占线路全长27.7%;30‰方案线路长度约553 km，紧坡地段长度约为159 km，占线路全长28.7%。两方案展线长度相对较短，适应地形条件基本相当。
2.3.3 昌都至林芝段
昌都至怒江段铁路跨澜沧江后翻越他念他翁山后跨怒江，然乌至学格需翻越伯舒拉岭，迫隆至林芝需翻越四季拉山，此3段线路均为紧坡展线地段。
本段24‰方案线路长度约593 km，紧坡地段长度约为338 km，占线路全长57.0%;30‰方案线路长度约548 km，紧坡地段长度约为210 km，占线路全长38.3%。本段两方案展线地段较长，30‰方案能更好地适应地形。
2.3.4 成都至林芝段地形适应性综合分析
综合以上3段线路分析，24‰方案成都至林芝段线路长度约为1 467 km，紧坡地段约为657 km，约占线路全长44.8%;30‰方案成都至林芝段线路长度约为1 378 km，紧坡地段约为501 km，约占线路全长36.4%。30‰方案紧坡地段占线路比例更小，更能够适应地形。
2.4 工程技术经济分析
成都(彭山)至林芝段12‰，加力坡24‰方案线路建筑长度为1 468.631 km，桥隧总长1 126.093 km，桥隧比例76.68%;16‰，加力坡30‰方案线路建筑长度为1 378.476 km，桥隧总长 1 014.314 km，桥隧比例为73.58%。两方案具体工程数量及投资如表2所示。
由表2可知，成都(彭山)至林芝段采用限坡12‰，加力坡24‰方案，线路长度较限坡16‰，加力坡30‰方案增长90.155 km，桥梁长度增长4.521 km，隧道长度增加107.259 km，桥隧总长增加111.78 km，主要工程投资增加91.852亿元，换算工程运营费增加94.472亿元。
表2 限制坡度方案主要工程数量及投资比较表
注:比较范围彭山(不含)～林芝(不含)。
2.5 展线段工程地质条件分析
2.5.1 成都至新都桥段
紫石关至新都桥段展线地段均为花岗岩等火成岩地层，岩质较硬。除泸定至木角沟段展线区受大渡河断裂及支断裂构造影响，地质条件较差外，其他展线区地质条件较好。主要不良地质问题为高地应力下的岩爆问题，以及隧道进出口危岩落石。24‰方案与30‰方案相比，展线长度长，埋深大，地应力可能会增大;康定至折多塘段展线区地热风险可能略高于30‰方案，经分析比较没有本质区别。
2.5.2 新都桥至昌都段
高尔寺至霍曲段岩质为砂岩、板岩，局部为千枚岩、岩质软，展线区主要工程地质问题为软岩变形。边坝至白玉段展线地层岩岩性为三叠系板岩、砂岩，局部分布有火成岩，全新世活断裂理塘断裂穿越线路，该段隧道埋深大地应力高，受断裂影响岩体破碎，岩质软，可能存在围岩大变形。觉高至昌都段展线段多为砂岩、板岩地带，岩质较软，展线段隧道埋深不大，主要不良地质为隧道进出口重力不良地质。24‰与30‰方案相比，展线多在软质岩中，隧道变长，围岩级别较差，段落变长，其余工程地质条件无本质区别。
2.5.3 昌都至林芝段
昌都至邦达机场段，地层岩性复杂，以细砂岩、页岩、粘土岩、千枚岩、板岩、变质砂岩等软质岩为主，少量灰岩及花岗岩等;受构造影响岩体破碎，主要工程地质问题为岩堆、滑坡、溜砂坡及软岩大变形等，工程地质条件差;展线区主要工程地质问题为隧道进口重力不良地质。贾冲至八宿段沉积岩、变质岩及岩浆岩相间分布，以变质岩为主，岩质较软，主要工程地质问题为软岩大变形，断层破碎带等涌突水、有害气体及隧道进出口重力不良地质等。然乌至莫格段地层岩性以花岗岩、闪长岩、变质砂岩、板岩等为主，主要工程地质问题为崩塌、滑坡、溜砂坡、冰川泥石流等十分活跃，高地应力及高温水热、冰害、蚀变岩等不良地质发育。通灯至鲁朗段地层岩性复杂多变，以花岗岩、岩片、砂板岩等为主，构造发育，岩体破碎，崩塌、滑坡、溜砂坡、冰川泥石流十分活跃，活动断裂、高烈度地震、高地应力、高地温与高温热水及蚀变岩等不良地质发育，总体工程地质条件较差。因24‰方案和30‰方案展线地段平面位置在同一区域内，工程地质条件基本相同。
2.5.4 综合分析
加力坡24‰方案与加力坡30‰方案，大区域内地质背景，总的工程地质条件基本一致。加力坡24‰方案与加力坡30‰方案比较，主要区别在地形高差变化剧烈地段，展线距离加长导致的工程地质问题。主要集中在隧道埋深加大，增加高地应力围岩稳定性问题以及地热问题。
2.6 工期分析
成都至林芝段分3段建设，各段控制性工程及工期如表3所示。从两坡度方案控制性工程工期对比情况看，30‰方案工期较24‰坡度方案短9个月，相对合理。
表3 川藏铁路成都至林芝段控制性工程及工期统计表
2.7 隧道反坡排水及工程风险分析
由于地形地势起伏剧烈，6 km以上的长大隧道以单面坡居多。加力坡30‰方案与24‰方案相比，6 km以上隧道反坡施工排水的长度累计减少58.883 km，施工风险相对较小，如表4所示。
表4 成都至林芝段6 km以上隧道反坡施工排水长度统计表
2.8 对运营影响分析
2.8.1 运营安全性分析
从避难线设置情况分析，根据TG/01－2014《铁路技术管理规程(普速铁路部分)》第56条规定“为防止在长大下坡道上失去控制的列车发生冲突或颠覆，应根据线路情况，计算确定在区间或站内设置避难线”。通过对宝成铁路、内昆铁路现场调研，宝成铁路宝鸡至秦岭段线路运营长度44.9 km，限制坡度为33‰，其中杨家湾站、观音山站、青石崖站3个车站为防止长大下坡道上失去控制的列车发生冲突或颠覆，3个车站均设置了避难线;内昆铁路大关至昭通段线路全长85.6 km，限制坡度为23.5‰，内昆铁路全线均未设置避难线。通过对宝成铁路调研，由于沿线雨雪天气较多，轨道车采用单制动或者手制动方式，制动性能不好，曾出现工务车进入避难线的事故;而内昆铁路未出现下坡制动事故。由此可知，本线若采用30‰限坡方案，则设置避难线的可能性较大，若采用24‰限坡方案，从现场运营情况来看可不设置避难线。本线加力坡30‰方案长大紧坡地段多达654.74 km，占线路总长度43.5%，足坡段落线路多为桥隧相连，避难线设置条件非常困难。
从长大坡道列车限速要求分析，根据 TG/01－2014《铁路技术管理规程(普速铁路部分)》进行推算，并考虑一定余量，24‰下坡货车限速90 km/h，30‰下坡货车限速84 km/h。根据实际运营情况调研，宝成铁路30‰限坡，下坡限速为货车55 km/h;内昆铁路23.5‰限坡，下坡限速为货车60 km/h。由此可知，由于坡度较大，为保证列车运行安全，30‰限坡列车限速明显低于24‰限坡。通过实际运营和理论研究，30‰的大坡道上列车牵引和制动不存在问题，若采用24‰限坡，理论上分析其牵引制动性能理应更优于30‰限坡。虽然宝成铁路采用30‰方限制坡度，但是长大坡道线路长度较短。若采用30‰限坡方案，则需要在开通运营前，对大坡道上列车牵引和制动进行运营实验，以进一步验证列车运行的安全性。同时从宝成铁路运营部门了解到，长大坡道的运营管理安全压力较大。
2.8.2 运输能力分析
从线路通过能力来看，30‰方案受长大下坡紧急制动限速要求影响，下坡限速较24‰方案相对更低，参考TG/01－2014《铁路技术管理规程》(普速铁路部分)中的规定，同时结合本铁路的地形及气候等因素，在技术规范要求速度上考虑部分富余，30‰下坡限速采用84 km/h、24‰下坡限速采用90 km/h，则30‰方案区间运行时分均较24‰方案更长，相对要求车站分布站间距离更短。
根据本铁路线的通过能力计算，在采用技术规范规定的限速方案并考虑部分富余时，本铁路无论采用加力坡30‰方案还是加力坡24‰方案，线路设计能力均能满足初、近、远期的需求，还留有一定富余。但是采用24‰坡度方案，站间距可相对加大，减少全线会让站设置个数;并且长大下坡限速也较30‰坡度方案高，对提高全线能力有利。
2.8.3 运营维修成本分析
根据对内昆铁路和宝成铁路实际运营维修情况的调研可知，30‰限坡方案维修成本高于24‰限坡方案。
综上所述，若从适应地形条件、工程投资和工程风险角度分析，川藏铁路宜采用16‰加力坡30‰方案;若从运营安全性、运输成本、运营灵活性等方面分析，川藏线宜采用12‰加力坡24‰方案。而24‰方案较30‰方案增加的线路长度和增加的工程投资分别仅占全线的6.5%和7.1%，增加幅度不大。故建议本线采用限制坡度12‰、加力坡24‰方案。
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Schematic Study on Limiting Gradient of Chengdu-Lhasa Railway
HUANG Yanlei1DENG Junqiao2ZHANG Hongwei3
(China Railway Eryuan Enginerring Group Co.，Ltd.，Chengdu 610031，China)
Abstract：Based on study on safety，reliability and economic efficiency of key engineering situation，construction period and project implementation under different limiting gradients of Chengdu－Lhasa railway，combined with the factors such as transport organization，limiting gradient of relevant railway network，etc.economical and rational limiting gradient of the line is determined.Comparison and selection between two schemes are made，one with gradient of 12‰ ＆pusher gradient of 24‰and the other，16‰＆30‰.The latter with short controlling works period and less investment better adapts to the terrain，and theoretical analysis shows that no problems exist in the train traction and braking.But investigation on long steep grade railways which are put into operation in China indicates that this scheme has high operation safety risk.The former scheme basically can adapt to the terrain，with relatively long construction period and just 7.1%increased in total static engineering investment，it can better match and coordinate with the regional railway network，and the actual operation experience is relatively mature.From the point of operation safety，it is proposed to adopt the scheme with gradient of 12‰ and pusher gradient of 24‰.
Key words：Chengdu-Lhasa railway;limiting gradient;project investment;risk;operation safety
中图分类号：U212.32
文献标志码：A
文章编号：1674—8247(2015)03—0097—05
收稿日期：2015-01-08
作者简介：黄艳磊(1981-)，男，工程师。