套軌鐵路新建中間站布置方法與通過能力計算方法研究

邢明照，李 劍，李永明，黃守剛

（1.中國港灣工程有限責(zé)任公司 軌道事業(yè)部，北京 100027；2.石家莊鐵道大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，河北 石家莊 050043）

1 概述

1.1 研究背景

套軌是將不同軌距的2條或多條鐵路相互嵌套[1]共線設(shè)置，在斷面內(nèi)共用軌枕及路基形成的新型軌道結(jié)構(gòu)，根據(jù)鋼軌數(shù)量可以分為三線套軌和四線套軌[1]。套軌鐵路實現(xiàn)了不同軌距列車共線運(yùn)行的功能[2]，解決了不同軌距鐵路無法互聯(lián)互通的問題，滿足了客貨運(yùn)輸需求，但其在運(yùn)輸能力計算和不同軌距線路運(yùn)能分配等問題上與單一軌距鐵路有較大差別。套軌鐵路同時適合原有軌距列車和標(biāo)準(zhǔn)軌距列車運(yùn)行，即套軌鐵路需要在滿足原有軌距鐵路實際運(yùn)輸需求的前提下，同時完成新增標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路的運(yùn)輸任務(wù)。但是目前套軌鐵路的研究主要集中在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和關(guān)鍵技術(shù)等方面，有關(guān)運(yùn)能計算與分配基本處于空白狀態(tài)。因此，為檢算原有軌距鐵路進(jìn)行套軌改造后，原路網(wǎng)運(yùn)輸能力的增加值以及增大的運(yùn)輸能力能否滿足改建完成后的運(yùn)輸能力需求，應(yīng)深入研究套軌鐵路中間站布置方法和通過能力計算，為提高套軌鐵路車站通過能力奠定良好基礎(chǔ)。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外關(guān)于鐵路通過能力的研究主要集中在單一軌距鐵路的通過能力影響因素和優(yōu)化計算方法以及通過能力的提高上。Lindner[3]基于UIC406 的研究基礎(chǔ)，提出了列車數(shù)量、列車平均速度等因素將影響鐵路運(yùn)輸能力，并分析其相互關(guān)系及對運(yùn)輸能力的影響程度。Burdett等[4]將列車混合運(yùn)行比例、運(yùn)行方向等加入到影響因素范圍之內(nèi)。De Kort等[5]分別開發(fā)了基于優(yōu)化指標(biāo)分析和車站設(shè)計方案的優(yōu)化算法。Zwaneveld 等[6]建立了基于圖論思想的車站作業(yè)安排、進(jìn)路選擇和站臺使用的模型，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計出求解算法。

國內(nèi)關(guān)于套軌鐵路的研究主要集中在套軌鐵路相關(guān)概念、主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)等方面，關(guān)于鐵路通過能力的研究主要分為車站和區(qū)間通過能力，研究其數(shù)據(jù)獲取和分析計算過程，側(cè)重于鐵路通過能力查定和計算結(jié)果準(zhǔn)確性等方面。套軌研究方面，周曉林[1]和董霄等[7]給出了套軌鐵路的定義、分類和優(yōu)缺點。周曉林[1]、王傳春[8]和周赟等[9]針對套軌布置形式，分別從斷面間距和道岔等角度展開論述。車站通過能力方面，咽喉區(qū)通過能力研究主要集中在道岔分組方法的改進(jìn)[10]、咽喉進(jìn)路的設(shè)置和優(yōu)化[11]、咽喉區(qū)各項作業(yè)的合理安排[12]、計算方法的改進(jìn)[13]和咽喉區(qū)通過能力計算系統(tǒng)的開發(fā)實現(xiàn)[14]等。到發(fā)線通過能力研究主要研究了數(shù)據(jù)查定的自動化和精確化[15]、空費(fèi)系數(shù)的減少方法[16]、影響因素評估模型、修正參數(shù)的計算方法[17]。區(qū)間通過能力方面，重點分析了長大坡道[18]、車站間距[19]、列車追蹤間隔時間[20]、列車運(yùn)行速度等對區(qū)間通過能力的影響，并對車站間隔時間和列車追蹤間隔時間[21]等進(jìn)行圖解和量化分析。

長期以來，套軌鐵路技術(shù)研究主要集中于線路布置形式、設(shè)備方案選擇、功能實現(xiàn)程度、主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)等方面，而針對套軌鐵路車站設(shè)置方式以及通過能力計算的研究幾近空白。因此，以套軌鐵路為研究對象，提出套軌鐵路車站布置方法和通過能力計算方法，以及提高通過能力的若干建議，以期為順利實現(xiàn)不同軌距鐵路互聯(lián)互通和提高鐵路運(yùn)輸效率提供參考。

2 套軌鐵路車站設(shè)置原則與新建車站布置方法研究

2.1 套軌鐵路車站設(shè)置原則

鐵路運(yùn)輸能力包括通過能力和輸送能力[22]。通過能力著重從現(xiàn)有固定設(shè)備方面指明該鐵路可通過的列車數(shù)量；輸送能力著重從現(xiàn)有活動設(shè)備和職工配備情況方面指明該鐵路能夠通過的列車數(shù)或貨物噸數(shù)，鐵路輸送能力以通過能力為依托并受其限制，由鐵路通過能力和牽引質(zhì)量共同決定。本研究的基本思路是：首先分析在滿足原有運(yùn)輸需求的前提下，車站輸送能力的余量能否滿足新增標(biāo)準(zhǔn)軌的運(yùn)輸需求；如果不能滿足，則對原有鐵路網(wǎng)進(jìn)行改建，并計算改建套軌線路后車站運(yùn)輸能力的增大值是否滿足需要。

2.1.1 套軌車站按照原站位布置

按照設(shè)想，套軌鐵路是在原屬地國路網(wǎng)基礎(chǔ)上利用既有鐵路線路用地和基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行修建，因此，套軌鐵路車站設(shè)置應(yīng)該首先考慮原有車站能否完成列車作業(yè)和運(yùn)輸任務(wù)。如果既有車站運(yùn)輸能力能夠同時滿足原有軌距列車運(yùn)輸任務(wù)和新建標(biāo)準(zhǔn)軌距列車遠(yuǎn)期預(yù)測運(yùn)量運(yùn)輸任務(wù)，則應(yīng)該首選車站按照原車站布置。

2.1.2 套軌車站在原站位基礎(chǔ)上改建、擴(kuò)建

如果既有車站運(yùn)輸能力無法同時滿足原有軌距列車運(yùn)輸任務(wù)和新增標(biāo)準(zhǔn)軌距列車遠(yuǎn)期預(yù)測運(yùn)輸任務(wù)，此時應(yīng)該考慮在既有車站基礎(chǔ)上進(jìn)行改造或者擴(kuò)建，以期改造后的車站能夠滿足當(dāng)?shù)丶扔熊壘嗔熊囘\(yùn)輸任務(wù)，同時滿足新增標(biāo)準(zhǔn)軌距列車遠(yuǎn)期預(yù)測運(yùn)量的要求。

2.1.3 新建套軌車站

如果在既有車站改造或適當(dāng)擴(kuò)建的情況下仍然無法滿足各軌距鐵路運(yùn)輸需求，就要考慮遷移或者新建套軌鐵路車站，以滿足運(yùn)輸需求。此時，應(yīng)對新建或遷移等方法進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等方面的綜合比選，兼顧車站新建或遷移造成的區(qū)間通過能力均衡性問題和各項列車作業(yè)時間。同時，由于新建或遷移車站將涉及車站布置形式調(diào)整、該區(qū)間運(yùn)行圖重新鋪畫等，因此，主要針對這一情況下的車站布置方法、車站和區(qū)間通過能力等進(jìn)行研究。

2.2 新建車站布置方法研究

鐵路車站及樞紐是形成運(yùn)輸綜合能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是滿足鐵路運(yùn)輸最基本的基礎(chǔ)設(shè)施之一。套軌鐵路因其不同軌距線路相互嵌套的設(shè)計方式，決定了其在線路形式、道岔平面結(jié)構(gòu)和站場布置等方面較高的復(fù)雜性。綜合考慮車站布置復(fù)雜性、列車運(yùn)營安全性和通過能力有效性，提出正線順里程使用單開套軌道岔依次分開(以1 435 mm準(zhǔn)軌與1 000 mm米軌三軌套線為例)、各軌距線路分場布置和無套軌獨(dú)立正線等站場布置優(yōu)化方式，并最終確定了套軌鐵路車站咽喉區(qū)以單開道岔將兩軌距線路依次分場布置、套軌正線貫通的套軌鐵路中間站布置形式。套軌正線順里程使用單開道岔依次分開如圖1所示，套軌鐵路不同軌距線路分場、套軌正線貫穿式中間站如圖2 所示。另外，方案中關(guān)于貨場設(shè)置類型，主要根據(jù)該中間站具體位置和功能綜合考慮，當(dāng)準(zhǔn)軌列車和非準(zhǔn)軌列車比例相差較大時，基于經(jīng)濟(jì)等成本，貨場可考慮套軌形式；當(dāng)兩者比例接近時，可以考慮在不同軌距各自到發(fā)場側(cè)分別設(shè)置相應(yīng)軌距的貨場。該方案能夠?qū)崿F(xiàn)中間站所有功能且布置相對簡單，作業(yè)間交叉干擾較小，解決了線路復(fù)雜程度高、交叉敵對進(jìn)路多、車站作業(yè)難度高、行車安全系數(shù)低等問題，實用性較強(qiáng)。

圖1 套軌正線順里程使用單開道岔依次分開Fig.1 Dual-gauge track railway main line separated by single turnout along the mileage

圖2 套軌鐵路不同軌距線路分場、套軌正線貫穿式中間站Fig.2 Different gauge line fields of dual-gauge track railway and dual-gauge main line through intermediate station

3 套軌鐵路新建車站通過能力計算方法研究

套軌鐵路車站除了辦理本地區(qū)列車相關(guān)作業(yè)外，還承擔(dān)著大量國際班列的運(yùn)輸任務(wù)，這些國際班列因其載重質(zhì)量大、運(yùn)輸距離遠(yuǎn)和運(yùn)營時間長等特點，需要在中間站進(jìn)行大量的通過、交會或避讓作業(yè)。套軌鐵路中間站在整個套軌線路上扮演著重要的角色，也是套軌線路新建車站首先應(yīng)該考慮的站型。因此，主要針對套軌鐵路中間站研究其通過能力。

套軌鐵路中間站主要采用咽喉區(qū)以單開道岔將兩軌距線路依次分場布置、套軌正線貫通的布置形式。結(jié)合該布置形式確定列車接車進(jìn)路，套軌鐵路中間站接發(fā)列車進(jìn)路長度示意圖如圖3所示。

圖3 套軌鐵路中間站接發(fā)列車進(jìn)路長度示意圖Fig.3 Schematic diagram of train receiving and departing length from intermediate station of the dual-gauge track railway

3.1 標(biāo)準(zhǔn)軌距列車接車占用咽喉時間

如圖3 所示，標(biāo)準(zhǔn)軌距列車辦理接車作業(yè)，依次經(jīng)過勻速行駛、第一次減速行駛、勻速行駛和第二次減速停止等過程，具體計算過程可表示為

式中：tJZ為標(biāo)準(zhǔn)軌距列車接車占用咽喉時間，min；tZB為套軌鐵路中間站準(zhǔn)備接車進(jìn)路及開放信號的時間，min；tZJ為標(biāo)準(zhǔn)軌距列車完成進(jìn)站作業(yè)的時間，min；LQ為司機(jī)確認(rèn)信號時間內(nèi)列車走行的距離，min；LLZ為列車長度，m；LZ為準(zhǔn)軌列車減速到咽喉區(qū)側(cè)向過岔允許速度過程經(jīng)過的距離，m；LYZJ為準(zhǔn)軌到發(fā)場最外側(cè)警沖標(biāo)到某一條準(zhǔn)軌到發(fā)線之間的距離，m；△LJ1為進(jìn)站信號機(jī)到非準(zhǔn)軌到發(fā)場最外側(cè)警沖標(biāo)之間的距離，m；△LJ2為非準(zhǔn)軌與準(zhǔn)軌到發(fā)場最外側(cè)警沖標(biāo)之間的距離，m；VQZ為準(zhǔn)軌列車在區(qū)間運(yùn)行的平均速度，km/h；VCZ為準(zhǔn)軌列車在咽喉區(qū)側(cè)向過岔允許速度，km/h；az1為準(zhǔn)軌列車進(jìn)站后第一次減速過程中的加速度，m/s2；az2為準(zhǔn)軌列車從過岔允許速度到制動停車過程的加速度，m/s2。

其余既有軌距列車接車占用咽喉時間、標(biāo)準(zhǔn)軌距列車發(fā)車占用咽喉時間、既有軌距列車發(fā)車占用咽喉時間均參照該方法計算得出。

3.2 車列牽出占用咽喉時間

車列牽出占用咽喉時間包括準(zhǔn)備進(jìn)路時間tZB、調(diào)車機(jī)車從牽出線指定地點出發(fā)到指定到發(fā)場空行的時間即空程時間tKC、調(diào)車機(jī)車連掛車列作業(yè)時間tZY和調(diào)車機(jī)車連掛車列至將車列牽出到車列尾部騰空該線所用的時間，即牽出時間tQC。準(zhǔn)備進(jìn)路時間按照車站具體作業(yè)規(guī)定得出，當(dāng)車站事先準(zhǔn)備好進(jìn)路時，該值取0。空程過程一般采用加速—定速—制動型調(diào)車程，將整個空程時間分為加速階段、勻速階段和減速階段，分別計算每一段的時間再加和，就構(gòu)成了調(diào)車機(jī)車空程走行總時間。車列牽出過程一般采用加速—定速的模式，分別計算后加和即得。另外，如果涉及非占用正線進(jìn)行調(diào)車等作業(yè)，則其對車站通過能力影響有限，此時不再單獨(dú)考慮附加列車占用咽喉時間。綜上所述，套軌鐵路車列牽出時間計算方法和計算公式可表示為

式中：tCQ為車列牽出占用咽喉時間，min；tZB為準(zhǔn)備進(jìn)路時間，當(dāng)車站事先準(zhǔn)備好進(jìn)路時該值取0，min；tKC為調(diào)車機(jī)車從牽出線指定地點出發(fā)到指定到發(fā)場空行的時間，min；tZY為調(diào)車機(jī)車連掛車輛的作業(yè)時間，min；tQC為車列牽出作業(yè)時間，調(diào)車機(jī)車完成連掛車輛作業(yè)至將車列牽出至車列尾部騰空該線時止的時間，min；LQD為調(diào)車機(jī)車由牽出線指定地點至到發(fā)場的空行距離，m；VQD為調(diào)車機(jī)車由牽出線指定地點至到發(fā)場勻速行駛時的速度，km/h；aKC1，aKC2分別為調(diào)車機(jī)車由牽出線指定地點至到發(fā)場的空行過程中加速階段和減速階段的加速度，m/s2；LQC為車列自到發(fā)場至牽出線牽出時行經(jīng)的距離，m；VQD為調(diào)車機(jī)車由牽出線指定地點至到發(fā)場勻速行駛時的速度，km/h；aQC為車列自到發(fā)場至牽出線牽出過程的加速度，m/s2。

車列轉(zhuǎn)線過程與此類似，其時間參照上述方法解決。

3.3 咽喉區(qū)各道岔組總占用時間

咽喉區(qū)各道岔組占用總時間表示為

式中：T為咽喉區(qū)各道岔組總占用時間，min；nZJ，nJF，nFZ，nFF分別為列入計算中一晝夜占用道岔組準(zhǔn)軌列車到達(dá)、非準(zhǔn)軌列車到達(dá)、準(zhǔn)軌列車出發(fā)、非準(zhǔn)軌列車出發(fā)的列車數(shù)，列；tZJ，tJF，tFZ，tFF分別為列入計算中一晝夜占用道岔組準(zhǔn)軌列車到達(dá)、非準(zhǔn)軌列車到達(dá)、準(zhǔn)軌列車出發(fā)、非準(zhǔn)軌列車出發(fā)占用時間，min；∑tD為一晝夜調(diào)車作業(yè)占用道岔組的總時分，min；∑tG為一晝夜固定作業(yè)占用道岔組的總時分，min；∑tF為由于列車、調(diào)車或機(jī)車作業(yè)占用該道岔組敵對進(jìn)路上的其他道岔組，而須完全停止使用該道岔組的總時分，min；nCQ，nZX分別為列入計算中一晝夜占用道岔組車列牽出作業(yè)、車列轉(zhuǎn)線作業(yè)列車數(shù)，列；tCQ，tZX分別為列入計算中一晝夜占用道岔組車列牽出作業(yè)、車列轉(zhuǎn)線作業(yè)占用時間，min；tQ為一晝夜其他作業(yè)占用時間，min。

3.4 咽喉道岔(組)通過能力利用率

咽喉道岔(組)通過能力利用率的計算如下。

式中：K為咽喉道岔(組)通過能力利用率；∑t固為一晝夜調(diào)車作業(yè)占用道岔組的總時分，min；γ'空為考慮咽喉道岔(組)的空費(fèi)時間和間接妨礙時間扣除的系數(shù)。

3.5 咽喉道岔(組)通過能力

咽喉道岔(組)通過能力計算如下。

式中：n為列入計算中接入或發(fā)出的列車數(shù)，列。

套軌鐵路中間站到發(fā)線采用不同軌距線路分場布置的形式，彼此獨(dú)立存在。套軌鐵路車站到發(fā)線通過能力不同于咽喉區(qū)。套軌鐵路實現(xiàn)了不同軌距列車共線運(yùn)行的功能，但是對于咽喉區(qū)而言，由于其作為列車進(jìn)出站作業(yè)的必經(jīng)場所，所以無論是哪種軌距的列車，在咽喉區(qū)都存在時間和空間上的間隔。到發(fā)線區(qū)別于咽喉區(qū)，不同軌距列車經(jīng)過咽喉區(qū)后進(jìn)入各自軌距的到發(fā)場進(jìn)行后續(xù)作業(yè)，各軌距到發(fā)場單獨(dú)存在和控制，不受另外軌距列車和到發(fā)場的影響。因此，套軌鐵路中間站到發(fā)線通過能力擬采用分別計算各到發(fā)場通過能力，最后進(jìn)行匯總的方法。

4 基于套軌鐵路新建車站的區(qū)間通過能力計算方法研究

根據(jù)前述分析，套軌鐵路需要在滿足既有鐵路運(yùn)行列車實際運(yùn)輸需求的前提下，保留原屬地國列車數(shù)，以此為基礎(chǔ)鋪畫線路嵌套后標(biāo)準(zhǔn)軌距列車，計算出套軌運(yùn)輸能力的增加值，并檢驗該增加值能否滿足車站遠(yuǎn)期預(yù)測運(yùn)量。因此，套軌鐵路提高運(yùn)輸能力宜采取以下方法。

（1）如果在原屬地國既有列車運(yùn)行方式和運(yùn)行圖鋪畫不變的情況下，將增加的標(biāo)準(zhǔn)軌距線路運(yùn)輸任務(wù)鋪畫進(jìn)既有運(yùn)行圖中，利用既有路網(wǎng)列車運(yùn)行圖的空閑時間完成標(biāo)準(zhǔn)軌距列車運(yùn)輸任務(wù)，此時能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)軌距列車遠(yuǎn)期預(yù)測運(yùn)量，則不改變既有線路相關(guān)設(shè)置。

（2）如果不改變原屬地國既有線路相關(guān)設(shè)置，但由于改建線路等原因?qū)е逻\(yùn)輸能力無法滿足當(dāng)?shù)丶扔熊壘嗑€路列車運(yùn)輸任務(wù)和新增標(biāo)準(zhǔn)軌距線路列車遠(yuǎn)期預(yù)測運(yùn)量，可以微調(diào)既有列車運(yùn)行圖，降低車站間隔時間和追蹤列車間隔時間、“天窗”時間等，或者采用調(diào)整既有軌距與標(biāo)準(zhǔn)軌距追蹤列車間隔時間的方法，在不影響既有軌距線路運(yùn)輸能力的情況下，提高標(biāo)準(zhǔn)軌距線路運(yùn)輸能力。

（3）如果上述微調(diào)既有線路列車運(yùn)行圖等方法仍然無法滿足運(yùn)輸需求，可以考慮部分既有軌距線路運(yùn)輸任務(wù)轉(zhuǎn)移到標(biāo)準(zhǔn)軌距線路列車完成的方法。具體來說就是針對既有線路列車的運(yùn)輸任務(wù)中數(shù)量較小、時限要求不高、運(yùn)輸路線與套軌一致但是運(yùn)行過程中因第三方原因停站等作業(yè)較多、運(yùn)輸耗時而需要較長時間占用既有線路的部分貨物，可以將其利用標(biāo)準(zhǔn)軌距列車運(yùn)輸。這樣可以騰空該部分貨物運(yùn)輸需要占用的運(yùn)行圖，且不影響其正常運(yùn)輸和到達(dá)。

5 結(jié)束語

隨著“一帶一路”國際通道的不斷發(fā)展和鋪開，亟需提出和完善套軌鐵路相關(guān)配套設(shè)施、新建車站布置方法和運(yùn)能分配計算方法等，為后續(xù)套軌建設(shè)的順利實施和運(yùn)用提供思路和參考。以絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶為研究背景，以套軌鐵路形式為研究對象，根據(jù)套軌鐵路的定義、分類和優(yōu)缺點等基本情況，首先提出套軌鐵路車站咽喉區(qū)以單開道岔將兩軌距線路依次分場布置、套軌正線貫通的套軌鐵路中間站布置形式，經(jīng)比選和分析可知，該布置方法在實現(xiàn)中間站基本功能的基礎(chǔ)上，降低了道岔平面和站場布置復(fù)雜程度、減少了車站作業(yè)交叉干擾、提高了列車運(yùn)行安全性，具有較高的實用性。其次提出了以加速度為計算要素、基于不同列車種類和作業(yè)類型的車站技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)占用時間查定方法來計算咽喉區(qū)通過能力的計算思路和方法，該方法相比于傳統(tǒng)單一軌距車站咽喉區(qū)通過能力計算方法，將列車不同作業(yè)過程具體化、細(xì)致化，避免了傳統(tǒng)查定方式使用平均速度的概略性和不準(zhǔn)確性，在一定程度上提高查定數(shù)據(jù)的可靠度和實用性，同時也為套軌鐵路車站通過能力計算提供思路和方向。第三，根據(jù)套軌車站各軌距線路分場布置這一基礎(chǔ)條件，提出分別計算不同到發(fā)場通過能力，最后匯總得到車站到發(fā)線通過能力的計算思路。最后提出調(diào)整既有列車運(yùn)行圖降低各類間隔時間、采用標(biāo)準(zhǔn)軌距列車擔(dān)負(fù)部分既有軌距運(yùn)輸任務(wù)等方法優(yōu)化和提高套軌鐵路通過能力。