40_t轴重矿石运输专用铁路主要技术标准研究_韩皓.pdf

DOI:10 13719/j cnki 1009 6825 20231503640 t 轴重矿石运输专用铁路主要技术标准研究收稿日期:2023 02 10作者简介:韩皓(1982 )，男，高级工程师，从事铁路线路设计工作韩皓，杨丽娟(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055)摘要:对海外铁矿石重载运输需求进行了分析，结合国内铁路设计和建造技术，以及机车、车辆、轨道等设备制造水平，研究适用于 40 t 轴重重载铁路主要技术标准。从分析重载铁路发展趋势入手，以 30 t 轴重铁路为基础拓展，在拟定的运量水平下，分析不同轴重机车、车辆需求，不同轴重对轨道、路基、桥涵、隧道等构筑物的影响，得出大轴重和大编组，可实现单线替代双线、大幅节约投资的结论。从施工、运营效率和经济合理等角度考虑，解决了海外铁矿石重载运输主要技术标准确定的难题，提高了工程的技术经济效益。关键词:重载铁路;主要技术标准;40 t 轴重;铁路设计中图分类号:TU732文献标识码:A文章编号:1009 6825(2023)15 0138 05近10 年中国铁矿石进口量整体呈增长态势，2020 年进口量突破2017 年历史高位(1075 亿 t)达到11 7 亿 t，2021 年进口 11 24 亿 t。国外铁矿石由矿山通过铁路运输至海港，再转海运至国内。国内瓦日铁路、浩吉铁路等 30 t 轴重(ZH 荷载，Z=12)重载铁路建成运营，笔者参与上述两项煤运重载铁路的设计工作，结合海外铁矿石等大宗点对点货物运输需求，从降低工程投入、提高运输效率、减少运输成本出发，分析国内外成熟技术和标准，研究融合的 40 t 轴重矿石运输专用铁路主要技术标准，探讨重载铁路发展方向。1国内外重载铁路发展现状11国际概况美国重载货车为 30 t 35 t 轴重，70%以上铁路实现了重载运输1。典型重载单元煤炭列车一般由 120 辆 135 辆铝合金车辆和 4 台 5 台机车组成，采用动力集中牵引方式，列车总长约 1 900 m 2 200 m，牵引质量为15 500 t 17 500 t，也有 20 000 t 煤运专列，运行速度一般为80 km/h。美国1980 年2000 年发展重载运输20 a间，路网优化减少 40%，货车数量减少 50%，运营成本下降 65%，运价下降，事故率降低，但市场份额却增加了35%41%2。南非重载货车为26 t 30 t 轴重，昆巴铁矿至港口铁矿石运输专用铁路实现了 5 台 15Es 系列机车牵引342 辆货车，牵引质量 41 400 t。巴西卡拉加斯露天铁矿至马德里亚角港重载铁路，由 4 台机车牵引 330 辆 30 t 轴重货车，牵引质量近 4 万 t1。澳大利亚皮尔巴拉地区铁矿资源丰富，聚集了力拓(IO)、必和必拓(BHPB)、FMG 等巨头，Pilbara ail，BH-PB 铁路均为单线内燃牵引的准轨铁路，轴重为 32 5 t，370 t，FMG 铁路为单线内燃铁路，轴重为 40 t。形成了西澳大轴重与环形装卸车场重载铁路主要技术标准如下:40 轴重、单线、68 kg/m 有砟轨道、最小曲线半径800 m 1 000 m、行车速度 80 km/h 100 km/h、内燃牵引、牵引质量 35 000 t 39 000 t。12国内概况大秦铁路设计轴重 25 t、双线、75 kg/m 有砟轨道、最小曲线半径 800 m、到发线有效长 2 800 m、电力牵引、牵引质量 20 000 t 30 000 t。瓦日铁路是我国第一条按 30 t 轴重标准自主设计建设的重载铁路，全长 1 260 km，设计年货运量 2 亿 t，总投资 1 038 亿元，2014 年12 月建成通车。设计轴重30 t、双线、75 kg/m 有砟轨道、最小曲线半径 800 m、设计速度120 km/h，到发线有效长 1 050 m，部分 1 700 m、电力牵引、HXD 机车、牵引质量 5 000 t、部分 10 000 t2。浩吉铁路是世界上一次性建成并开通运营里程最长的重载铁路，全长 1 813 5 km，设计年货运量 2 亿 t，总投资 1 930 亿元，2019 年 9 月建成通车。设计轴重 30 t、双线、75 kg/m 有砟轨道、最小曲线半径 800 m、设计速度120 km/h，到发线有效长 1 050 m，部分 1 700 m、电力牵引、HXD 机车、牵引质量 5 000 t、部分 10 000 t。13国内外重载铁路对比分析从上述国内外重载铁路概况可以看出，国外重载发展方向，以西澳 FMG 铁路为例，利用大轴重、单线、超长编组牵引质量高达 30 000 t 40 000 t 的单元式重载列车，采用相对较低行车密度，完成点对点、单一品类大宗物资运输，未形成路网，不承担客运功能。土建重结构，轻附属，弱附属可以降低工程造价，缩短建设周期，一旦附属工程受损后，可利用较长的维修天窗及时抢修，运营过程中逐渐予以补强，因行车量少，运营阶段工程施工较为简便。所在区域地广人稀、电力资源缺乏，一般采用大马力内燃机车，节约了电气化投资;通过大马力内燃机车831第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月山西建筑SHANXIACHITECTUEVol 49 No 15Aug2023牵引，提升了限制坡度;公铁交叉基本采用平交，立交较少，因此路基高度一般较低;采用先进的通信、信号设备，提高自动化运维水平，减少运维人员。国内重载发展方向是采用相对较大轴重，利用双线、高密度行车量，完成大宗物资运输任务;同时还承担了一定路网功能，例如大秦、瓦日、浩吉铁路均规划有客运功能，大秦铁路 2 亿 t 扩能改造前还开行过旅客列车。国内重载铁路土建工程结构和附属均较为重视，洪水设防频率高，强化路基边坡、桥台锥坡、排水设施等设计;因人口密度大，公路路网密集，公铁交通量均较大，绝大部分设置立体交叉，因而路基高度一般较高。此外，为保障铁路全天候运行，减少铁路运营期间施工对行车和安全的干扰，以及因行车密度大，对可靠性、抗疲劳性、安全系数加强的投入远大于国外铁路。同样采用先进的通信、信号设备，提高自动化运维水平，逐步设置无人值守车站及牵引变电所，减少运维人员。2主要技术标准研究21轴距国际铁路协会在 1937 年制定 1 435 mm 为标准轨，世界上大部分国家普速铁路轨距均使用标准轨，集中于西欧、北美、北非和中国，世界上已有的高速铁路系统几乎全部采用标准轨。因此，从标准、规范、机车车辆、相关设备购置、经济性等方面综合考虑，应采用标准轨距。22轴重提高货车轴重是世界各国铁路货物运输发展的重要方向，其主要优势有:增加列车的有效牵引重量，缩短编组列车长度和车站有效长度，减少车辆总辆数和维修管理工作，提高车辆利用率;同时，由于轴重提高，在同样列车总重条件下减少列车编组辆数有利于减轻列车的纵向动力作用和司机操纵困难。但是，大轴重车辆在运行中对列车运行性能也有不利影响。由于轴重导致轮/轨动力作用的显著增加，主要是纵向和横向力作用，不利于钢轨和车轮的疲劳破坏、磨损等，必然增加相应的维修工作量和费用，并提高了对于线路、桥梁等固定设备的设计和使用要求，在一定程度上增加了工程投资。本文假设近期 5 300 万 t/a、远期 10 000 万 t/a 运量水平，对 25 t，30 t，40 t 轴重机车车辆、工程变化分析如下。221车辆生产和运用现状1)25 t 轴重车辆。25 t 轴重 C80 车辆国内已成熟运用，中车齐齐哈尔公司生产的，适应不摘钩连续翻卸作业的 C80B 不锈钢运煤敞车，已在大秦、浩吉铁路大规模运用。2)27 t 30 t 轴重车辆。中车二七公司生产的 27 t轴重 C80E 型敞车车体每侧共有 6 扇下侧门(小门)，可实现侧卸作业。2018 年6 月齐齐哈尔公司生产的30 t 轴重敞车，70 辆 C96 和 30 辆 C96(H)在瓦日铁路投入运营考验。齐齐哈尔公司生产的 360 辆 30 t 轴重 KM98 型铝合金煤炭漏斗车在朔黄铁路进行了 2 a 约 10 104km 运用考验3。中车长江公司还研制了 CS100 型侧开门煤炭漏斗车4。3)40 t 轴重及以上车辆。国内 40 t 轴重矿石敞车已有成型出口产品，FMG 铁路 40 t 轴重矿石敞车由长江公司设计、制造，首批 816 辆于 2008 年 4 月交付使用，2014 年研制不锈钢型号，并 多 批 次 出 口，运 用 成 熟 可靠5 6。齐齐哈尔公司生产的 40 t 轴重石砟漏斗车，出口澳大利亚 BHPB 公司，已于 2011 年 8 月投入运用7。齐齐哈尔公司生产的 45 t 轴重不锈钢矿石车，于2017 年初运抵澳大利亚，在 FMG 公司标准轨距重载铁路上运行，适用于不摘钩翻车机卸货，运行状态良好8。222机车车辆需求相同编组辆数条件下，对 25 t，30 t，40 t 三个轴重机车车辆购置需求比较分析如表 1，表 2 所示。表 1机车购置比较项目25 t 轴重30 t 轴重40 t 轴重年运量 1 亿 t 行车对数/对1614106 机牵引机车数量/台12010575机车单价/(万元台1)2 7502 7502 750机车购置费/万元330 000288 750206 250差额/万元123 75082 5000差额百分比/%60400表 2车辆购置比较项目25 t 轴重敞车30 t 轴重敞车40 t 轴重敞车载重/t80100138年运量 1 亿 t 车辆总数(考虑 10%的备用车)/辆7 5566 0454 380车辆单价/(万元辆1)506070车辆购置费/万元377 800362 700306 600差额/万元71 20056 1000差额百分比/%23180223土建工程分析不同轴重条件下结合路基、桥梁、隧道工程和车辆结构研究如下:1)轨 道。在 美 国、澳 大 利 亚、巴 西 等 轴 重 已 达37 5 t，40 t 的国家，主要采用 136E 型钢轨。我国目前已有成熟的 136E 型 PG4 钢轨生产加工工艺，该型钢轨出口巴西、澳大利亚等国，先后通过了澳大利亚 FMG 和BHPB、巴西 CVD 等公司的可靠性认证，具有成熟的应用经验9。铁科院已开展 35 t 40 t 轴重轨道结构、无缝线路、有砟道床结构及道床参数、扣件选型、预应力混凝土枕及重载道岔等方面研究，提出的 68 kg/m 钢轨是35 t 40 t 轴重重载铁路普遍使用的轨型，采用无螺栓弹条型或有螺栓弹条型扣件;b 型混凝土轨枕，每公里铺设 1 600 根，采用一级道砟，道床边坡坡率1 1 5，道床厚度 300 mm10。931第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月韩皓，等:40 t 轴重矿石运输专用铁路主要技术标准研究2)路基。设计轴重 25 t，30 t，40 t 对路基工程的影响，主要在于基床厚度不同。经计算 80 km/h、基床表层厚度0 6 m 条件下，基床底层顶面动应力30 t 轴重和25 t轴重分别较 40 t 轴重降低 25%和 36 8%。基床表层承载能力与表层厚度无关，表层厚度由基床底层承载能力决定。根据铁科院有关研究，基床厚度不足时，基床以下普通填料承受过大的动应力易产生较大的累计塑性应变，严重影响上部结构平顺性，因此根据不同轴重，需考虑一定的基床底层厚度。TB 106252017 重载铁路设计规范规定的 30 t 轴重基床表层厚度 0 7 m，底层厚度23 m11。西南交通大学张瑞国等轴重 40 t 重载铁路路基基床结构设计技术探讨 提出的基床总厚度为35 m，其中表层厚度为 0 7 m12。国外矿石运输专用铁路，多处于地广人稀地域，公路交通量小，公铁交叉多设置平交道口，因而路基高度较低，不适用较高的基床厚度，且行车密度小，疲劳强度要求低。阿曼、澳大利亚采用高强、阻水性能良好的 0 12 m厚沥青混凝土替代级配碎石作为基床表层强化的优化措施，基床底层采用 0 6 m 1 0 m 厚 A 组、B 组填料13。