張?zhí)t
(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710043)
速度目標(biāo)值是鐵路項(xiàng)目的最重要技術(shù)指標(biāo)之一[1],是確定項(xiàng)目規(guī)模、設(shè)備配置、工程投資的重要基礎(chǔ)。速度目標(biāo)值選擇既需要著眼于長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展,又需要經(jīng)濟(jì)合理[2];既需要考慮充分發(fā)揮新建鐵路的骨干作用,又需要使其能與相鄰路網(wǎng)相匹配以及與其他交通方式充分合作,形成相互匹配的綜合交通運(yùn)輸體系[3]。研究根據(jù)相應(yīng)設(shè)計(jì)規(guī)范,結(jié)合功能定位、路網(wǎng)意義、客流特點(diǎn)、工程投資等,對(duì)新建濟(jì)濱鐵路(濟(jì)南東—濱州)速度目標(biāo)值選擇進(jìn)行綜合研究,論證技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)選擇的合理性、適用性[4]。
濟(jì)濱鐵路位于山東半島城市群北部,為山東半島城市群城際鐵路網(wǎng)的重要組成部分,線路西自濟(jì)南樞紐濟(jì)南東站引出,向北經(jīng)過(guò)濟(jì)南市歷城區(qū)、遙墻機(jī)場(chǎng)、章丘區(qū),上跨黃河經(jīng)過(guò)濟(jì)南市濟(jì)陽(yáng)區(qū)、商河縣,向東經(jīng)過(guò)濱州市惠民縣、濱城區(qū),接入濱州地區(qū)濱州站,線路全長(zhǎng)150.7 km,共設(shè)濟(jì)南東、遙墻機(jī)場(chǎng)、濟(jì)陽(yáng)、商河、惠民、濱州6 個(gè)車(chē)站。濟(jì)濱鐵路南端通過(guò)濟(jì)南樞紐連接京滬高速鐵路(北京南—上海虹橋)、石濟(jì)客運(yùn)專(zhuān)線(石家莊—濟(jì)南)、濟(jì)鄭客運(yùn)專(zhuān)線(濟(jì)南—鄭州)、濟(jì)萊高速鐵路(濟(jì)南—萊蕪),北端通過(guò)濱州地區(qū)濱州站連接京滬高速鐵路輔助通道(北京—上海),濟(jì)濱鐵路有助于加強(qiáng)與京津冀、長(zhǎng)三角等發(fā)達(dá)地區(qū)的緊密聯(lián)系,便利群眾出行,促進(jìn)沿線經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展[5-6]。濟(jì)濱鐵路計(jì)劃于2022 年10 月開(kāi)工建設(shè),建設(shè)工期為4 年。
濟(jì)濱鐵路作為山東省快速鐵路網(wǎng)魯北通道的主要組成部分,以區(qū)域城際客流為主,同時(shí)承擔(dān)遙墻機(jī)場(chǎng)集疏運(yùn)任務(wù),兼顧路網(wǎng)干線功能,是一條高標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域城際鐵路,有利于改善區(qū)域交通條件的交通基礎(chǔ)設(shè)施,促進(jìn)新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換國(guó)家試驗(yàn)區(qū)建設(shè),實(shí)施山東省“加密、提速、擴(kuò)通道”交通發(fā)展戰(zhàn)略,推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程。從客流特征分析,該線主要承擔(dān)省內(nèi)外跨線區(qū)際交流、沿線與區(qū)域內(nèi)城市間的省際交流及沿線城際客流[7]。濟(jì)濱鐵路客流特征分析如表1 所示。
表1 濟(jì)濱鐵路客流特征分析Tab.1 Passenger flow characteristic analysis table
從客流特征分析表可以看出,該線承擔(dān)的省內(nèi)外跨線區(qū)際間的客流、以及沿線與區(qū)域內(nèi)其他城市間的省際客流占比較高,近、遠(yuǎn)期分別占比72.5%和71.7%,該部分客流運(yùn)距較大,對(duì)運(yùn)輸質(zhì)量要求相對(duì)較高,而本線沿線客流運(yùn)距較短,占比較小。
(1)速度目標(biāo)值選擇原則。一是滿(mǎn)足并適度超前山東半島城市群規(guī)劃發(fā)展、人民群眾出行服務(wù)對(duì)交通時(shí)間目標(biāo)值的要求。既要經(jīng)濟(jì)合理,還應(yīng)充分考慮未來(lái)發(fā)展趨勢(shì),速度目標(biāo)值應(yīng)符合規(guī)劃及政策相關(guān)要求。二是發(fā)揮項(xiàng)目在綜合交通系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)。體現(xiàn)方便、快捷、安全的運(yùn)輸特點(diǎn),滿(mǎn)足不同層次客流的需求,實(shí)現(xiàn)工程投資最小化和經(jīng)濟(jì)效益最大化的和諧統(tǒng)一。
(2)相關(guān)路網(wǎng)規(guī)劃分析。根據(jù)《山東省綜合交通網(wǎng)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃(2018—2035 年)》發(fā)展目標(biāo),通過(guò)高速鐵路實(shí)現(xiàn)覆蓋全省、通達(dá)省周邊主要城市的1 小時(shí)、2 小時(shí)、3 小時(shí)陸上交通圈,其中,濟(jì)南至相鄰六市0.5 h 通達(dá),濟(jì)南至青島、青島至周邊市、全省相鄰各市1 h 通達(dá),濟(jì)南與省內(nèi)各市2 h 通達(dá),濟(jì)南與北京、上海等14 個(gè)國(guó)內(nèi)主要城市3 h 左右通達(dá)。濟(jì)濱鐵路同時(shí)作為京滬高速鐵路至京滬高速鐵路輔助通道的聯(lián)絡(luò)線,具有國(guó)家干線鐵路功能,應(yīng)與相鄰鐵路速度目標(biāo)值相適應(yīng)[8]。
(3)市場(chǎng)與競(jìng)爭(zhēng)力分析。濟(jì)濱鐵路承擔(dān)濟(jì)南市至濱州市及沿線機(jī)場(chǎng)、縣城、城鎮(zhèn)間客流,目前沿線客運(yùn)交流主要通過(guò)既有鐵路和公路運(yùn)輸。既有鐵路運(yùn)輸方面,膠濟(jì)線(青島—濟(jì)南)速度目標(biāo)值為160 km/h,淄東線(淄博—東營(yíng))允許速度為50~80 km/h。濟(jì)南市至濱州市之間選擇既有鐵路出行所需費(fèi)用32.5 元,耗時(shí)4 h 19 min。隨著旅客對(duì)出行方式的時(shí)效性、舒適性、安全性要求越來(lái)越高,既有鐵路運(yùn)輸質(zhì)量與公路相比競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)不強(qiáng)。既有公路運(yùn)輸方面,通道內(nèi)與該項(xiàng)目平行的公路主要有濟(jì)東高速,目前濟(jì)南市與濱州市間快速客運(yùn)交流主要通過(guò)濟(jì)東高速、G20 (青銀高速)、S29(濱博高速)實(shí)現(xiàn)。旅客選擇公路出行所需費(fèi)用在43~49 元之間,耗時(shí)2 h 左右,競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)高于既有鐵路運(yùn)輸。但是,隨著客貨運(yùn)輸需求的日益增長(zhǎng),公路很難適應(yīng)未來(lái)運(yùn)輸需求。如果對(duì)既有公路通道進(jìn)行擴(kuò)建,不僅占用大量寶貴土地資源,而且加劇石油資源消耗,并造成大量的廢氣污染,公路運(yùn)輸所帶來(lái)的“高污染、高能耗、高占地”對(duì)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境保護(hù)、資源節(jié)約帶來(lái)負(fù)面影響。運(yùn)輸方式競(jìng)爭(zhēng)能力比較如表2 所示。
表2 運(yùn)輸方式競(jìng)爭(zhēng)能力比較Tab.2 Competitiveness comparison table of various modes of transportation
(4)旅行時(shí)間目標(biāo)值的確定。濟(jì)濱鐵路建成后,濟(jì)南市至濱州市間將形成高速鐵路、普速鐵路、高速公路、省道等多種交通運(yùn)輸方式并存的綜合交通運(yùn)輸體系。濟(jì)南市至濱州市間高速公路最快旅行時(shí)間約2 h,票價(jià)在43~49 元之間。為保證該線具備與公路競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì),從滿(mǎn)足時(shí)間目標(biāo)值要求和區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展分析,濟(jì)南東—濱州間列車(chē)旅行時(shí)間宜控制在0.5~1 h,根據(jù)測(cè)算,高速鐵路二等座出行的旅客票價(jià)在45~60 元之間。
與濟(jì)濱鐵路相關(guān)聯(lián)的高速鐵路及城際鐵路速度目標(biāo)值范圍為250~350 km/h,因而,濟(jì)濱鐵路速度目標(biāo)值研究250 km/h、300 km/h、250 km/h 預(yù)留350 km/h、350 km/h 共4 個(gè)方案。由于濟(jì)南東—濟(jì)陽(yáng)段受地形、工程等因素控制,需要采用局部限速,故首先對(duì)濟(jì)南東—濟(jì)陽(yáng)段速度目標(biāo)值進(jìn)行研究,在此研究的基礎(chǔ)上,對(duì)全線的速度目標(biāo)值進(jìn)行比選研究[9]。
濟(jì)南東—濟(jì)陽(yáng)段位于濟(jì)南市市區(qū)附近,沿線主要受濟(jì)南東片區(qū)規(guī)劃、臨空經(jīng)濟(jì)區(qū)、機(jī)場(chǎng)規(guī)劃、黃河橋位、濟(jì)陽(yáng)區(qū)規(guī)劃、既有交通設(shè)施、大型企業(yè)遷改等因素控制及鐵路大跨度跨越高速公路技術(shù)條件的限制,如果采用較高標(biāo)準(zhǔn)的速度目標(biāo)值,平面需要采用較大的曲線半徑,對(duì)城市干擾極大,工程實(shí)施難度極高,會(huì)大大增加工程投資和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)。由于濟(jì)南東為始發(fā)站,且至濟(jì)陽(yáng)站距離僅34 km,根據(jù)受控因素和相關(guān)意見(jiàn),對(duì)該段方案限速的可行性方案進(jìn)行具體研究。
2.2.1 方案概述
(1)線路平面適應(yīng)性分析。①濟(jì)南東—遙墻機(jī)場(chǎng)段。線路自濟(jì)南東站東端與在建濟(jì)萊高速鐵路分線路別引出,與既有濟(jì)青高速鐵路(濟(jì)南東—青島北)、在建濟(jì)萊高速鐵路等處于同一通道。線路采用一個(gè)R-600 m 小半徑曲線下穿濟(jì)萊高速鐵路,之后為滿(mǎn)足大跨度連續(xù)梁特殊設(shè)置條件,線路連續(xù)采用R-800 m、R-1 300 m、R-1 400 m 的較小曲線半徑上跨濟(jì)青高速公路和機(jī)場(chǎng)高速公路,而后并行機(jī)場(chǎng)高速公路西側(cè)北行,采用R-4 000m 曲線半徑跨越機(jī)場(chǎng)高速立交匝道,為避免緩和曲線伸入車(chē)站,遙墻機(jī)場(chǎng)進(jìn)站前采用較短緩和曲線的R-7 000 m 曲線半徑。從平面條件分析,CK2+055至CK4+191 段平面條件限速100 km/h,CK4+191至CK5+951 段限速120 km/h,CK5+951 至CK7+876 段限速160 km/h,CK7+876 至CK19+654段限速為250 km/h。②遙墻機(jī)場(chǎng)—濟(jì)陽(yáng)段。線路自遙墻機(jī)場(chǎng)站引出,采用R-2 200 m 曲線半徑,之后為繞避濟(jì)南市綜合保稅區(qū)、利用G308 黃河橋位公鐵合建跨越黃河、繞避濟(jì)陽(yáng)區(qū)漢方制藥建成區(qū),線路分別依次采用R-2 500 m、R-1 300 m、R-2 000 m曲線半徑,線路整體上基本適應(yīng)200 km/h 設(shè)計(jì)速度。其中,CK19+654 至CK20+784 段平面條件限速250 km/h,CK20+784 至CK22+460 段限速160 km/h,CK22+460 至CK28+901 段限速250 km/h,CK28+901至CK32+536 段限速200 km/h,CK32+536 至濟(jì)陽(yáng)段限速250 km/h。
(2)列車(chē)最高運(yùn)行速度分析。根據(jù)線路平面條件適應(yīng)性研究結(jié)論,濟(jì)南東—濟(jì)陽(yáng)段受平面曲線半徑控制,列車(chē)最高允許速度為100~250 km/h??紤]平面曲線限速后,對(duì)濟(jì)南東—濟(jì)陽(yáng)段行車(chē)速度曲線模擬。濟(jì)南東—濟(jì)陽(yáng)段(下行線)V-S曲線示意圖如圖1 所示(V表示速度,S表示里程,V-S曲線表示速度與里程的關(guān)系),濟(jì)南東—濟(jì)陽(yáng)段(上行線)V-S曲線示意圖如圖2 所示。由V-S曲線示意圖可以看出,考慮平面曲線限速后,濟(jì)南東—濟(jì)陽(yáng)段列車(chē)最高運(yùn)行速度可達(dá)250 km/h。
圖1 濟(jì)南東—濟(jì)陽(yáng)段(下行線) V-S 曲線示意圖Fig.1 Schematic diagram of V-S curve of Jinandong to Jiyang section (railway down line)
圖2 濟(jì)南東—濟(jì)陽(yáng)段(上行線) V-S 曲線示意圖Fig.2 Schematic diagram of V-S curve of Jinandong to Jiyang section (railway up line)
(3)曲線超高檢算。上述V-S曲線只考慮平面曲線半徑控制,未考慮曲線范圍列車(chē)速度差引起的曲線超高設(shè)置控制因素,根據(jù)《鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10082-2017),采用城際鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)濟(jì)南東站及濟(jì)陽(yáng)站范圍曲線地段允許最高通過(guò)速度進(jìn)行檢算,本次最低速度按不利條件考慮。結(jié)合濟(jì)南東—濟(jì)陽(yáng)段V-S曲線示意圖,經(jīng)檢算,不存在速度差控制列車(chē)通過(guò)速度問(wèn)題。
(4)速度目標(biāo)值方案。如上所述,濟(jì)南東—濟(jì)陽(yáng)段受地形及構(gòu)筑物限制,平面曲線半徑滿(mǎn)足的速度目標(biāo)值為100~250 km/h;通過(guò)V-S曲線分析,該段線路列車(chē)最高運(yùn)行速度可以達(dá)到250 km/h;曲線超高檢算表明,通過(guò)合理的超高設(shè)置,不存在超高限速情況。結(jié)合本段存在局部160 km/h 限速情況,本次速度目標(biāo)值研究160 km/h、200 km/h 和250 km/h 共3 個(gè)方案。
2.2.2 方案比選
(1)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)分析。通過(guò)研究分析3 個(gè)不同限速方案,得出不同方案的特征。濟(jì)南東—濟(jì)陽(yáng)段不同方案工程經(jīng)濟(jì)比較如表3 所示。由表3 可以看出,200 km/h 方案較160 km/h 方案增加投資約2.21 億元,增加2.37%;200 km/h 方案較250 km/h方案節(jié)省投資約3.55 億元,節(jié)省3.59%。
表3 濟(jì)南東—濟(jì)陽(yáng)段不同方案工程經(jīng)濟(jì)比較Tab.3 Project economic comparison table of different schemes
(2)運(yùn)營(yíng)效果。濟(jì)南東—濟(jì)陽(yáng)段不同運(yùn)輸方案比較如表4 所示。從表4 中看出,160 km/h、250 km/h方案分別較200 km/h 方案運(yùn)行時(shí)間多1.8 min 和減少0.5 min,從運(yùn)營(yíng)效果分析,200 km/h 方案效果相對(duì)較好。
表4 濟(jì)南東—濟(jì)陽(yáng)段不同運(yùn)輸方案比較Tab.4 Comparison of transportation quality of different schemes
2.2.3 研究結(jié)論
200 km/h 方案較160 km/h 方案增加投資約2.21 億元,旅行時(shí)間節(jié)省1.8 min,投資節(jié)時(shí)比1.23 億元/min;250 km/h 較200 km/h 方案投資增加約3.55 億元,旅行時(shí)間節(jié)省0.5 min,投資節(jié)時(shí)比7.10 億元/min,投資節(jié)時(shí)效果差。綜合考慮運(yùn)營(yíng)效果和工程投資,濟(jì)南東—濟(jì)陽(yáng)段速度目標(biāo)值推薦采用200 km/h。
根據(jù)濟(jì)南東—濟(jì)陽(yáng)段速度目標(biāo)值研究結(jié)論,該段速度目標(biāo)值采用200 km/h。在此基礎(chǔ)上,對(duì)全線速度目標(biāo)值進(jìn)行分析。
(1)地形設(shè)置及工程投資分析。重點(diǎn)對(duì)濟(jì)陽(yáng)—濱州段采用250 km/h、250 km/h預(yù)留350 km/h、300 km/h、350 km/h 的工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)及工程投資進(jìn)行分析。濟(jì)陽(yáng)—濱州段地形平坦,控制性地物較少,不同速度目標(biāo)值方案走向基本一致,線路長(zhǎng)度也相差不大。不同速度目標(biāo)值方案比選示意圖如圖3 所示,濟(jì)陽(yáng)—濱州段不同速度方案工程經(jīng)濟(jì)比較如表5 所示。
表5 濟(jì)陽(yáng)—濱州段不同速度方案工程經(jīng)濟(jì)比較Tab.5 Economic comparison of projects with different speed schemes in the section from Jiyang to Binzhou
圖3 不同速度目標(biāo)值方案比選示意圖Fig.3 Schematic diagram of comparison and selection of different speed target value schemes
(2)站間距離適應(yīng)性分析。濟(jì)南東—濟(jì)陽(yáng)段速度目標(biāo)值為200 km/h,不同速度目標(biāo)值方案達(dá)速性能一致,因此,站間距離適應(yīng)性對(duì)濟(jì)陽(yáng)—濱州段進(jìn)行分析。濟(jì)陽(yáng)—濱州段運(yùn)營(yíng)長(zhǎng)度114.7 km,共分布車(chē)站4 處(含濟(jì)陽(yáng)、濱州站),平均站間距離38.2 km。本段擬組織一站直達(dá)、大站直達(dá)、交錯(cuò)停站列車(chē)。通過(guò)模擬牽引計(jì)算,不同速度目標(biāo)值方案列車(chē)達(dá)速效果如表6 所示。
表6 不同速度目標(biāo)值方案列車(chē)達(dá)速效果 %Tab.6 Train speed effect table
(3)運(yùn)輸質(zhì)量。通過(guò)列車(chē)仿真牽引計(jì)算分析,在濟(jì)南東—濟(jì)陽(yáng)段速度目標(biāo)值為200 km/h 的前提下,全線范圍動(dòng)車(chē)組列車(chē)不同速度目標(biāo)值運(yùn)輸方案比較如表7 所示。由表7 可見(jiàn),各速度目標(biāo)值方案均可滿(mǎn)足本線時(shí)間目標(biāo)值的要求。
表7 全線范圍動(dòng)車(chē)組列車(chē)不同速度目標(biāo)值運(yùn)輸方案比較Tab.7 Transport quality comparison table of different speed target value schemes
(4)經(jīng)濟(jì)效益分析。影響不同速度目標(biāo)值方案財(cái)務(wù)效益的主要因素有建設(shè)投資、客流規(guī)模、運(yùn)營(yíng)成本、運(yùn)輸收入等因素[10]。對(duì)項(xiàng)目不同速度方案的財(cái)務(wù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)算,不同速度方案投資及效益比較如表8 所示。財(cái)務(wù)效益分析表明,采用350 km/h的速度目標(biāo)值方案經(jīng)濟(jì)性最優(yōu),其次為300 km/h、250 km/h 預(yù)留350 km/h 方案,250 km/h 方案最差。因此,從經(jīng)濟(jì)效益分析,宜采用350 km/h 的速度目標(biāo)值方案。
表8 不同速度方案投資及效益比較Tab.8 Comparison of investment and benefits of different speed schemes
從通道功能定位考慮[11],濟(jì)濱鐵路為山東省綜合交通網(wǎng)橫向魯北通道的主要組成部分,亦是連接京津冀與長(zhǎng)三角地區(qū)的重要通道,速度目標(biāo)值宜采用350 km/h。與濟(jì)濱鐵路銜接的線路,除石濟(jì)客運(yùn)專(zhuān)線速度目標(biāo)值為250 km/h 外,其余均為350 km/h,因而,濟(jì)濱鐵路速度目標(biāo)值宜采用350 km/h。濟(jì)南東—濟(jì)陽(yáng)段200 km/h 方案較160 km/h 方案增加投資約2.21 億元,旅行時(shí)間節(jié)省1.8 min,投資節(jié)時(shí)比1.23 億元/min;250 km/h較200 km/h 方案投資增加約3.55 億元,旅行時(shí)間節(jié)省0.5 min,投資節(jié)時(shí)比7.10 億元/min,投資節(jié)時(shí)效果差。綜合考慮運(yùn)營(yíng)效果和工程投資[12],濟(jì)南東—濟(jì)陽(yáng)段速度目標(biāo)值采用200 km/h。在濟(jì)南東—濟(jì)陽(yáng)段200 km/h 速度目標(biāo)值的基礎(chǔ)上,采用350 km/h 方案較250 km/h 方案全線運(yùn)行時(shí)間節(jié)省7 min,節(jié)時(shí)16%,投資增加7.4%,增加有限,且350 km/h 方案較250 km/h 方案經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)。綜上,考慮功能定位和客流特點(diǎn),從滿(mǎn)足沿線快速出行的需求和相鄰路網(wǎng)的銜接角度考慮,按照綜合效益最大化的原則[13],濟(jì)濱鐵路速度目標(biāo)值推薦濟(jì)南東—濟(jì)陽(yáng)段200 km/h,濟(jì)陽(yáng)—濱州段350 km/h。
速度目標(biāo)值選擇是確定鐵路項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模和工程投資的重要前提,是鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的最重要指標(biāo),速度目標(biāo)值的選擇是一個(gè)復(fù)雜、科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪^(guò)程,需要綜合考慮各項(xiàng)因素,從路網(wǎng)構(gòu)成、功能定位、客流特點(diǎn)、效益分析、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)、工程投資、鐵路高質(zhì)量發(fā)展等方面進(jìn)行綜合研究分析,既要立足實(shí)際,又要適度超前,從而確立科學(xué)合理的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn),為項(xiàng)目建設(shè)提供決策依據(jù)。下一步將針對(duì)確定的速度目標(biāo)值進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化各段線路技術(shù)方案,科學(xué)合理選用各項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),最大限度節(jié)約建設(shè)資金,同時(shí)實(shí)現(xiàn)鐵路運(yùn)輸綜合效益最優(yōu)化。