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本帖最后由 拍照片2024 于 2026-4-25 19:57 编辑
第十五章长江大桥能力极限的量化揭示:瓶颈是如何被“算”出来的
长江大桥的紧张并不是抽象的判断,而是可以被精确计算出来的现实。追踪间隔被迫拉长、区段速度长期偏低、扣除系数不断吞噬能力、维修天窗被压缩到危险边缘……所有数字都在指向同一个事实:这座承载全国南北大动脉的桥梁,已经被压到了极限。世纪之交的武汉铁路枢纽,就是在这样的基础上进入了“无余量时代”。
武汉长江大桥担负着京广线、汉丹线、麻武线、武九线5个方向的接发列车和地区小运转列车及部分单机的过桥运输任务。通过能力紧张主要体现在以下方面:
一、追踪间隔:从7分钟到8分钟的现实落差
江岸西——汉口间下行列车追踪时间达到不到设计要求。郑武电化技改时,铁四院设计江岸西——武昌南间列车追踪时间间隔为7分钟。但由于江岸西下行出发信号机至汉口站进站信号机的距离仅有520米到700米,按《技规》规定,汉口站进站信号机关闭状态下,江岸西出发信号机不能开放,只有在前行列车尾部越过汉口出站信号机,汉口站进站信号机开放后,江岸西站出发信号机才能开放。由于江岸西出发场与汉口站两端均为车站咽喉,列车侧向通过9号道岔限速每小时30公里,经计算和实测查标,该区间追踪间隔至少需7.6分钟。因此,列车追踪间隔只能以8分钟计算。
二、超图行车:能力被挤压到极限
铁路电气化后,相比蒸汽、内燃时代,在铁路运行图中需额外预留的列车停运后用于对接触网设备进行检修、维护和故障处理的专用时间窗口,即“接触网维修天窗时间”。由于接触网为25kV高压带电设备;,必须在无列车运行、接触网停电的状态下才能安全作业,因此“天窗”是保障供电安全和行车安全的关键制度安排。
2000年10月21日调图后,江岸西——汉阳间图定客车40对,行包专列3对;下行货车71列,下行通过能力为74.5列(其中接触网维修天窗时间为90分钟,列车追踪间隔按8分钟计算,客车扣除系数按铁运函(1990)286号文规定取2.1,北环线到京广上行线列车横切京广下行线每天4列的干扰时间为32分钟)
2000年实际运行货车66.6列,单机11列(汉口无电力机车整备设施),能力已经饱和,其中超出的列车为挤占接触网维修时间的能力,造成接触网维修困难。
2001年10月21日执行新列车运行图,图定客车44对,行包专列3对;下行火车70列。增加4对客车,减少1对货车,同时减少汉口站5对单机到武昌的整备。据此计算新图在满线行车的情况下,将超图9.9列车,完全挤占了接触网维修时间。
2000年10月21日调图后,江岸西——汉阳间图定客车40对,行包专列3对;下行货车71列,下行通过能力为74.5列,其中接触网维修天窗时间为90分钟,列车追踪间隔按8分钟计算。
2000年实际运行货车66.6列,单机11列(汉口无电力机车整备设施),能力已经饱和,其中超出的列车为挤占接触网维修时间的能力,造成接触网维修困难。
2001年10月21日执行新列车运行图,图定客车44对,行包专列3对;下行火车70列。增加4对客车,减少1对货车,同时减少汉口站5对单机到武昌的整备。据此计算新图在满线行车的情况下,将超图9.9列车,完全挤占了接触网维修时间。
三、货流增长:第二通道建成前运量的不可承受之重
根据高速铁路引入需要,武汉铁路枢纽第二过江通道计划最迟不晚于2010年建成投入使用,虽然按铁道部“京广以客运为主兼顾货运,京九以货运为主兼顾客运”的部署,采取措施尽量提高武汉长江大桥通过能力,即使如此,在既有设备条件下武汉铁路枢纽在2010年过江能力仍将不能满足需要。从实际情况看,运量增长将大于设计预测的增长量。
(1)区段内汉阳站2000年实际运量为道道502.5万吨,发送54.9万吨;而设计预测的2008年到达520万吨、发送60万吨的运量明显偏小。其中长荆线2003年通车后,预测增加到达运量30万吨。武汉经济技术开发区发展前景良好,运量将有较大增长。根据测算汉阳站近期运量为631万吨,远期运量为781万吨。
(2)实际增长的列车对数大于设计预测数。2000年的设计预测为39对客车,71对货车,而实际高于设计列流量。2001年新图增加客车4对,仅减少1对货车,按客车扣除系数2.1计算,相当于增加7.4对列车,年增长率达4.5%。
(3)随着西部大开发战略的实施,沿江铁路建设速度加快,而长荆、枝万铁路以及汉丹、武九线则是沿江铁路的主要组成部分,西线货流将由1200万吨增加到3200万吨,客车由12对增加到17对;同时武九线、汉丹线扩能改造工程将年增加5~8对国家客车,货运量也将大幅增加,过桥能力紧张状况更加突出。
因此,铁道部认为在武汉铁路枢纽第二过江通道建成前,必须修建江岸西——汉阳第三线。
四、枢纽组织难度:大桥两端的结构性矛盾
由于长江大桥两端为汉口、武昌2个大型客运站,在实际运输组织中,提高通过能力利用率难度大。
第十六章 为什么必须建设第二条铁路过江通道
当长江大桥的能力被压缩到极限时,武汉铁路枢纽的所有矛盾都开始向同一个点汇聚。京广提速带来的速度压力、京九贯通带来的货流压力、武钢与沿江工业带带来的方向性压力、城市建设带来的空间压力……每一股力量都在推动枢纽向前,而唯一的过江通道却再也无法承受更多。第二条铁路过江通道由此从“规划”变成“必须”。
一、单桥结构的根本性缺陷:枢纽被“一点锁死”的系统性风险
武汉铁路枢纽位于我国铁路网的中部,京广铁路的中段,西接汉丹线,北东方向通过麻武联络线连接京九铁路,东有武九铁路与华东地区相连,在铁路网中担负着南来北往、承东启西的重要作用。
由于武汉市处于长江和汉江的交汇处,进入2000年时仍只有一条铁路过江通道,因此严重制约枢纽内设备能力的发挥和运输组织工作,使整个铁路枢纽结构复杂,点多线长,由3个编组站、2大客运站共23个编组、客运、货运站及线路所组成,是全路最复杂的铁路枢纽之一。由于单一过江通道存在的系统性风险,武汉枢纽为战备之需长期维持特殊单位——武汉轮渡段,承担武汉长江大桥受损无法通行火车时的火车过江重任。
武汉铁路战备码头,最初设立在武昌徐家棚铁机码头,位于长江二桥下游1公里左右。该码头建于1937年,在粤汉铁路通车后投入使用,是中国历史上第二个铁路轮渡码头。火车轮渡过江,是个系统过程。如果是一辆从北京南下汉口的客车,需要先到汉口大智路火车站下客,然后再开到江岸车站进行解体,解体后火车头留下,余下的车厢再经过编组,由专用火车头推到铁路码头。此时,火车轮渡船已在码头被固定,并和栈桥连接。车头将车厢推行滑向渡船。固定之后,逆水向徐家棚码头航行。到达后,渡船抛出缆绳,并固定在腰牌架和八字架上,专用火车头开来,将船上的车厢缓缓拉走。车厢上岸后,在徐家棚火车站编组,配上火车头后驶向车站。这时,从大智路火车站下车的旅客,已从汉口粤汉码头搭乘专线轮渡过江到站,等待上车。火车要顺利过江,前后需两小时。轮渡过江旅客很不方便,逢恶劣天气,轮渡要停航,而徐家棚站又容不下那么多旅客,只好转移到其他火车站。
所以当时有句顺口溜:“武汉一大怪,火车需要轮渡载。”在1957年长江大桥通车前,徐家棚火车轮渡码头,将因长江天险阻隔的粤汉铁路、京汉铁路通过轮渡连接一体,并成为“九省通衢”一道人文景观。全盛时码头拥有“北京号”、“上海号”、“汉口号”、“南昌号”四条火车轮渡船,其中“北京号”最大,能一次装载12节车厢。码头24小时不停作业,每天可以最多摆渡运输2000节车厢。铁路码头的兴旺,直接带动了徐家棚地区的繁华。轮渡船一到徐家棚,就有搬运工人、民工涌上来,前呼后拥,场面宏大。码头上边的武昌北火车站,旅客熙熙攘攘,川流不息,如今徐东一带的商家多仰赖其带来的商机。
1957年,长江大桥通车,天堑变通途,武汉告别火车轮渡时代。码头所属“北京号”、“汉口号”、“上海号”等渡船被调往芜湖。直至1966年,中苏关系恶化、世界形势紧张,武汉铁路战备码头设立,就是假想长江大桥在战争中被袭击破坏,京广铁路这条南北铁路大动脉仍能通过火车轮渡保持畅通。
战备码头设立时,徐家棚铁路码头还有“浦口号”等火车轮渡船。1969年从上海接收一条新的火车轮渡船,也就是后来的“武汉号”,该船长108米,宽10.08米,马力1300匹,拥有3台柴油发动机,铺有两条铁轨,可以一次性装载13节车厢。在上世纪60年代,武汉的轮船大都是用煤炭作燃料,通过柴油发电传动的轮船还很少见。该船投用后,“浦口号”被调往芜湖。火车轮渡上18名工作人员分三班,实行全年365天的24小时值班制,一直持续到21世纪。
武汉铁路枢纽经过郑武、武广电化等数次改造后,虽然投入大量的资金改善了设备,完善了枢纽内的局部布局,但由于长江大桥和武昌车站能力已非常紧张,战备轮渡仅能承担战时紧急运输,枢纽内货运系统随着城市的快速发展和产业布局调整又面临着发展困局,枢纽运行系统性风险始终无法彻底消除。
二、京广铁路提速后的瓶颈:江岸西至武昌南区段成为全国最慢节点之一
作为我国铁路最繁忙的三个干线之一,京广铁路在国民经济发展中起着举足轻重的作用。在经过1997年4月1日,1998年10月1日,2000年10月21日铁路三次提速后,我国铁路现有提速线路总里程近一万公里,至此初步构成了京哈、京广、京沪、京九纵向提速通道、陇海(兰新)、浙赣横向提速通道的“四纵两横”提速网络雏形。
对京广铁路现有状况进行分析,主要时在现行的列车运行图中,对各县各区间分别比较特别旅客快车的图定运行速度(区间里程/区间纯运行时分)与线路允许速度大小,用达速比率这一指标来表示。达速比率=特别旅客快车图定运行速度/线路允许速度,其中线路的区间允许速度并不考虑区间的曲线限速。为了直观起见,对京广线上行(下行与上行类似)绘制了达速比较图。
京广线上行达速比较图
京广铁路全线达速比率达到90%及其以上的区间数站全线区间总数(261个)的将近50%;里程数站全线总里程的超过50%。目前全线达到最高允许速度为140km/h的线路里程站总里程的25%,允许速度在120km/h及其以上的线路里程占总里程的75%。特快旅客列车实际速度达到120km/h及其以上的线路仅占总里程的17.8%,达到100km/h及其以上的占73.9%。
从总的情况看,北京局管内的线路条件较好,因而线路允许速度较高,图定运行速度也较高,线路总体达速情况较好。对于郑州局而言,管内信阳—武昌区段线路条件较差,除了由于鸡公山地区地势影响,主要就是受武汉枢纽限制。线路南段、广州局管辖境内,由于其属于丘陵地带,线路原设计标准低,线路条件较差,小半径曲线较多,缓和曲线短,限制了列车速度的提高。
武汉枢纽从江岸西至武昌南的区段,线路允许速度仅为90km/h,列车实际平均运行速度为71km/h,除了既有客车停站需要减速,包括武汉长江大桥在内的线路和道岔技术条件较低也是非常重要原因。这也成为制约京广铁路全线进一步提速的主要因素。
三、武汉城市发展需求与铁道部规划冲突:桥位被挤占倒逼决策
武汉市坚持按照苏联专家巴拉金指导编制形成的1953年《武汉市城市规划草图》,将天兴洲桥位作为武汉铁路枢纽第二过江通道,预留半个世纪,多年来一直加以控制。而1997 年武汉枢纽总图中的三处桥位中已有两处被占用,如待武汉市先行完成天兴洲公路长江大桥修建,则铁道部势必只能在既有公路桥旁修建铁路长江大桥,将不仅增大两岸征地拆迁投入,而且肯定造成桥梁建设重复投资和上亿资金的浪费。对航道来说,两座桥梁在较近的距离内布置,不利于来往船只的安全航行。经过对技术标准、建设规模等多方面论证,综合水文、地质、河道、航道等条件,为充分经济的利用桥位资源,必须配合武汉市的市政建设需要尽快合建公铁过江通道。
四、枢纽内部的“折返式”运行:无效走行的巨大浪费
由于北东向车流增长较快,武钢到发车流较大,受武汉长江大桥桥位限制,目前日均20多列到武昌东站的列车需经过2个编组站、2个客运站,在城区内绕行将近68公里才能达到武昌东站,形成无效走行,对既有线路和场站形成干扰,效率极其低下。
五、提速时代的需求:客货分线势在必行
沿江铁路建设和京广高速铁路的规划和建设,使得高速旅客列车引入武汉枢纽运行成为必然。国际普遍认为既有线运行高速旅客列车存在曲线地段外轨设置超高、制动、铁路轨道及其基础建筑的承载能力和容许误差等问题,为保证旅客列车运行速度最好建设专线进行分流,为此规划和建设好武汉铁路枢纽第二过江通道已成为当前迫在眉睫的任务。
第十七章 天兴洲因何成为唯一可行桥位:技术、地形与城市规划三重筛选
第二过江通道必须建设,但真正的难题在于:它究竟能建在哪里。铁道部在武汉境内原本规划的多个桥位,在城市化浪潮中被逐一占用,铁路可用的空间被压缩到前所未有的狭窄。最终留下的天兴洲,看似偶然,实则是技术、河势、地形、航道与城市规划多重约束下的唯一结果。世纪之交的武汉铁路枢纽,已经没有第二个选择。
一、铁路建设落后于地方建设:桥位被逐一占用
虽然铁道部早在武汉长江二桥建成通车的1995年,就审定了武汉枢纽铁路过江的白沙洲、天兴洲、和阳逻三处桥位,但武汉市力推巴拉金版第二过江通道方案,只预留天兴洲桥位。距铁道部确定备选桥位仅隔6年,白沙洲长江大桥就已完工通车1年多,阳逻长江大桥也开工建设,铁路线在武汉市境内已没有其他过江通道,倒逼铁道部尽速决断,同意加大投资力度和建设速度,以与地方规划发展相适应。
二、天兴洲的地理优势:稳定河势与风险可控
天兴洲桥位位于微弯分汊型河段,河势演变较复杂,河道中发育一江心洲,将长江分为南北两个河道,南侧主河道宽约1.4公里,北侧副河道宽约1公里。长江两岸设有防洪大堤,堤内地形平坦,其地貌单元为长江一级阶地,南岸(武昌岸)建筑物稠密,北岸(汉口岸)主要为耕种区,分布较多鱼塘。
长江在武汉境内全长约61公里,河段河势见下图。龟、蛇两山处为本河段最狭窄的断面,河宽仅1.1公里,故建有万里长江第一桥——武汉长江大桥。其下河段逐渐开阔,龟山北麓有汉江汇入,流经汉口后,由于青山、阳逻两节点呈上、下不对称分布,对河道控制作用较弱,主流稳定性较差,摆动幅度较大,成为微弯分叉型河道。沿江分布有武昌深槽、汉口边滩和青山边滩。武汉长江大桥下游约12.5公里处有长7公里,面积约17.5平方公里的天兴洲,将长江分为南北两汊。长江两岸大堤间距4公里。主流沿右岸武昌深槽下行至徐家棚附近平顺进入天兴洲有汊,在水口附近左右汊汇流。
长江武汉段河势图
武汉河段由于沿江两岸受节点控制及护岸工程的兴建,自20世纪30年代至今河道外型基本稳定,岸线变化相对较小,河床演变主要表现在河床冲淤、洲滩消长和汊道的兴衰变化。
1.桥位河段两岸稳定。
自20世纪70年代完成主支汊转化后,目前已形成南汊正面入流,北汊侧面进流的河势格局。主流南移目前收到限制,汉口边滩处于相对稳定状态,天兴洲北汊在短时期内不可能淤死。桥址河段在今后较长时期内仍将维持枯水单一,中、高水位双汊过流,主流在南汊的河势,但洲滩河汊道的局部冲淤变化仍将发生,桥址河段具备建桥条件。
只是随着来水来沙条件不同,加之其他因素的影响,桥址河段仍将发生一定的冲淤变化,尤其是汉口边滩和天兴洲洲头的变化直接影响左右汊的分流分沙,仍需采取适当措施稳定汉口边滩和天兴洲洲头,维持目前主流走天兴洲南汊的格局。
2.三峡工程对桥位河段河势无重大影响。
三峡水利枢纽运用后,对桥址河段河势的主要影响表现为河床有所冲刷下切,深槽也将有所冲刷扩大,但桥址河段河势不会发生大的调整。
3.桥位不存在区域性大断裂
武汉市在大地构造上,属于扬子准台地之杨子台坪的一部分,即介于江汉断馅河梁子凹陷之间一个先对隆起的构造单元——武汉台褶束中。燕山期由于南北向挤压应力作用,使志留系至三叠系整套地层呈一系列从南往北排列、轴线近东西向的紧密线状褶曲。在形成褶曲的同时,亦形成了北西~北西西、北北东~北东东的断裂带,有些地方在北西向的断陷带向沉积了新生代底层,桥址区即处于北西西向的断陷带内。
武汉台褶束西临新生的江汉盆地,北隔襄樊——广济段断裂带(F1),东以郯庐断裂系的麻团断裂(F2)相隔。距桥址百公里范围内的大断裂带尚有北东向的洪湖断裂(F4)、沔阳断裂(F5)、潜江断裂(F6)、滠水断裂(F7)、咸宁——灵乡断裂(F8),北西向的荣店——英山断裂(F3)及东西向的阳新断裂(F9)、崇阳——通山断裂(F10),这些断裂多为活动性断裂。从这些断裂的活动历史来看,最近一次活动多集中在晚地三纪至晚更新世之间,全新世表现为振荡式升降且活动微弱。
综合勘探资料表明, 在勘探深度范围内,没有发现区域性大断裂从桥址区通过。只是受区域构造影响,在桥址天兴洲段的基岩中发育有断层破碎带。
第十八章 武汉市与铁道部多回合博弈:技术、能力与未来的争夺
桥位确定之后,真正的博弈才刚刚开始。过江规模、线路走向、客货分线、南北岸接入方式、未来高速铁路场站预留……每一个问题都牵动着武汉枢纽的长期格局,也牵动着铁道部与武汉市的不同诉求。世纪之交的第二过江通道,不只是工程,更是一场围绕能力、技术与未来的多回合较量。
一、武汉枢纽21世纪初建设的重点项目(第二过江通道部分)
1.为解决武汉长江大桥通过能力严重不足问题,铁道部拟在江岸西——汉阳区间修建第三线,完成可行性研究,处于审批流程。
2.铁道部初步进行第二过江通道方案设计。武汉市经过比选推荐以过江隧道形式新建武汉枢纽第二过江通道对铁路运输最为有利。但铁道部认为,该河段河床不够稳定,主航道水深流急,加上三峡大坝建成后江水因泥沙量减少对河床的冲、淤情况难以预料,不确定因素较多,且越江隧道造价过于高昂,不是最佳选择,否决该方案。铁道部综合评估,拟建公铁两用大桥。该项目可行性报告于2001年7月通过审查。由于该项目涉及长江南北岸的疏解和枢纽运输设施的布局,以及与规划方案结合比较复杂,铁道部委托设计单位正进行可行性方案的研究和编制。
(枢纽客站部分敬请期待本系列下一篇科普贴)
二、铁道部规划建设意见(第二过江通道部分)
1.由于天兴洲公铁两用大桥及相关工程建设,涉及枢纽的铁路建设规划和运输设施的合理布局,加上该桥是铁路在武汉市境内唯一的第二过江通道桥位,它的建设可确定枢纽的铁路规划和高速铁路的引入方案,为改进运输组织创造条件,所以该工程应先期实施。
2.过江通道应急工程应尽快组织实施。江岸西——汉阳修建三线工程建设投资约3亿元,建设工期需要2年,它的建成将提高长江大桥通过能力1000万吨,大大缓解通过能力和维修时间不足影响铁路运输安全的矛盾。因此应结尽快实施江岸西——汉阳修建三线工程。
三、重点项目存在的争议(第二过江通道部分)
除桥位之争通过多年谋划倒逼铁道部同意天兴洲方案外,武汉市对其余重点项目尚有如下异议:
1.运能需求迫切,实施方案滞后。
武汉长江大桥通过能力和武昌车站客运设施能力非常紧张,工程建设刻不容缓,而天兴洲公铁两用大桥及相关工程计划从20世纪90年代谋划到21世纪初,武汉市和铁道部仍就铁路通过能力,南岸接线方案、枢纽运输设施布局等问题各持己见相持不下,如局面继续僵持,预估最快2010年方能形成能力。在此期间长江大桥过桥能力和武昌车站客运设施能力将严重制约铁路运输的发展。
2.应急能力与发展规划不相一致。
江岸西——汉阳间修建第三线,是在既有枢纽运输设施布局下的扩能改造,只解决现有枢纽能力不足问题;而天兴洲大桥及相关工程则可以优化和完善枢纽内运输设施的布局,一旦枢纽内运输设施布局的发展规划改变之后,其规模和能力就达不到应有的意义。
四、武汉市调整意见(第二过江通道部分)
1.天兴洲公铁两用大桥及相关工程建成后,武汉枢纽内新老桥的分工为:老桥主要走货车和东西方向的过境客车,以及部分京广线的始发终到列车;新桥主要走京广高速客车、普速客车、北东方向客车和北东方向及武钢到发货车。
2.由于市政建设已先期占用铁道部审定总图中的两个过江桥位,使得天兴洲成为铁路在武汉市境内唯一的第二过江通道桥位,因此对该桥位应进行综合利用,铁路的长期和远期规划提前实施,考虑到远期的客货运量,应将天兴洲公铁两用大桥的客运专线大桥方案改为一个客货分线大桥的方案。这是因为:
A,客货列车运行速度不同(客车为每小时160-250公里,货车为每小时80-100公里),对线路的坡度、曲线半径、曲线地段外轨超高等技术要求有很大的的不同。
B,客货车运行图周期差距大,客货混跑对过桥能力和客车运行干扰大。
C,考虑天兴洲长江大桥作为高速铁路越江通道,应该客货分线,最好提高到四线标准建设。
3.武钢到发车流大,且北东向车流增长快,如果通过天兴洲大桥与武昌东站的联络线,其走行距离可缩短近47公里。因此,在建设天兴洲大桥时应同时建成武东联络线,缩短车辆的无效运行,减少货车对城区和枢纽内繁忙干线及车站的干扰。
(枢纽客站部分敬请期待本系列下一篇科普贴)
2000年武汉市行政区划图
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