開行3萬噸重載列車運輸組織方案研究

鄧捷航，朱子童，李和壁，張 武

(1.中國鐵道科學研究院 研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道科學技術研究發展中心，北京 100081；3.大秦鐵路股份有限公司 大同工務段，山西 大同 037005)

0 引言

近年來，我國鐵路貨運量逐年增長，2019—2021年3年年均增長5.47%，2021年達到47.20億t，鐵路貨運品類主要是大宗重質貨物，其中煤炭運量占總運量的1/2 以上。隨著我國經濟的發展和對環境保護的重視，鐵路貨運量將會進一步提升，發展重載運輸是鐵路高效運輸重質貨物、提升運輸效率的有效途徑。

大秦鐵路(韓家嶺—柳村南)是我國重載鐵路運輸的代表[1]，從2010 年開始(2016 年除外)，每年運量都在4億t以上，2014年、2018年均達到4.5億t，2021年達到4.2億t，日均開行2萬噸重載列車57.8列，其中最高日開行71列。朔黃鐵路(朔州—黃驊港)是我國西煤東運的第二大通道[2]，2021 年完成運量3.64 億t。浩吉鐵路(浩勒報吉—吉安)[3]、瓦日鐵路(瓦塘—日照南)、呼唐鐵路(唐山—呼和浩特)也都是我國鐵路重載運輸通道，在煤炭運輸方面發揮著重要作用。

國外重載鐵路技術水平較高，貨車軸重和牽引質量較大[4-5]。南非有東西2條重載鐵路線，東線鐵路為煤炭運輸線，其中COALlink 重載線路列車采用軸重26 t的車輛，編組200輛(長度2.2 km)，牽引質量2.08萬t；西線鐵路為礦石運輸線，其中賽申—薩爾達尼亞港的Orex鐵礦石重載單線鐵路，列車采用軸重30 t的車輛，編組342輛(長度4 km)，牽引質量4.104 萬t。北美鐵路重載貨車軸重多為29.8～32.43 t，編組一般為135～150輛，牽引質量1.75萬～2萬t，由多臺內燃機車分布在列車不同位置牽引運行。澳大利亞東部重載鐵路以軸重30 t 貨車為主，主要用于煤炭運輸；西部重載鐵路以鐵礦石運輸為主，貨車軸重主要為37.5 t，部分為40 t，牽引質量2.4 萬～3.8 萬t。巴西卡拉齊斯鐵礦石重載鐵路貨車最大軸重32.5 t，列車編組330輛，采用3臺或4臺機車牽引，牽引質量4.3萬t；米納斯重載鐵路貨車最大軸重27.5 t，列車編組為2臺機車牽引168輛貨車，3臺機車牽引252輛貨車，最大牽引質量2.5萬t。

為進一步發展我國鐵路重載運輸，《交通強國建設綱要》提出要加強新型載運工具研發，實現3萬噸級重載列車的重大突破[6]；《新時代交通強國鐵路先行規劃綱要》(鐵發改〔2020〕129 號)提出要研發3 萬噸級重載列車，提高運輸能力[7]。開行3萬噸重載列車，不僅可以提高重載鐵路運輸效率，還可以緩解施工維修后運輸壓力緊張狀況和需求波動需要密集放行列車的實際需要[8-9]。2014 年，我國在大秦鐵路通道開展3 萬噸重載列車驗證試驗，從線路、列車、機車、司機操作等方面驗證了我國初步具備部分開行3萬噸重載列車的基本條件。

研究結合運輸作業過程和基礎設施設備條件，以大秦鐵路為例，在盡量不進行基礎設施改造的前提下，分析開行3 萬噸重載列車運輸組織方案，分析我國重載鐵路開行3 萬噸重載列車的可行性，為保障3萬噸重載列車的開行提供技術支撐。

1 3萬噸重載列車技術作業方案

借鑒大秦線2 萬噸重載列車的開行經驗[10]，3 萬噸重載列車應采用始發站(組合站)直達卸車站(分解站)、空車返回的循環運輸組織模式。

1.1 3萬噸重載列車編組形式

目前，大秦鐵路2 萬噸重載列車編組方式為單元萬噸+單元萬噸組合編組，尾部采用可控列尾裝置[9，11]。借鑒2 萬噸重載列車編組方式和3 萬噸重載列車試驗結果，3 萬噸重載列車采用3 列單元萬噸重載列車組合編組的方式，具體形式可以為HXD1/2 機 車+105 輛C80+HXD1 機 車+105 輛C80+HXD1 機車+105 輛C80+SS4機車，全長3.961 4 km。因此，作為3 萬噸重載列車的始發站，到發線有效長需要4 km以上。3萬噸重載列車尾部采用機車替代列尾裝置，可以同步增加牽引能力，加快減壓制動，減少列車緩解時間。

1.2 列車始發作業站

目前，2 萬噸重載列車主要在湖東站進行組合始發作業，但其到發線有效長不足4 km。3 萬噸重載列車長度超過3.9 km，其組合始發作業應該在具有相應有效長的到發線上進行。目前，大秦鐵路始發端車站到發線有效長滿足條件的只有北同蒲線(大同站—太原)的袁樹林車站。袁樹林車站示意圖如圖1 所示。該站除2 條正線外，正線兩側各有2 條到發線，正線及到發線有效長均超過6 km，適合3 萬噸重載列車的到發組合，滿足辦理始發作業條件。因此，在不進行站場更新改造的情況下，3 萬噸重載列車的始發作業站選擇在袁樹林站，并不停車通過湖東站。

圖1 袁樹林車站示意圖Fig.1 Diagram of Yuanshulin Station

1.3 列車組合作業

3 萬噸重載列車采用3 列萬噸重載列車組合完成，組合方法采用直接組合法或轉線組合法[12]。袁樹林站到發線被3 組腰岔和進路信號機分割成4 個軌道區段，每個軌道區段有效長均可停放1 列萬噸重載列車，這樣組合作業相對較為簡單。進行3 萬噸重載列車組合作業時，先將第一列萬噸重載列車接入到發線出站信號機前停車；接入第二列萬噸重載列車前，車站用列車無線調度通信設備通知司機，接入該線路最前方進路信號機前停車；依此相同方法，將第三列萬噸重載列車接入線路前方第二架進路信號機前停車。組合時，車站使用列車無線調度通信設備將有關作業事宜通知司機，開放第二架進路信號機的調車信號，在車站調車人員指揮下組織第三列萬噸重載列車與第二列萬噸重載列車連掛，并連結軟管；再開放第一架進路信號機的調車信號，組織連掛好的第三列、第二列列車與第一列萬噸重載列車連掛，再次連結軟管；最后在列車尾部加掛1臺尾部機車。

列車組合后，列車運行方向的頭部機車為主控機車，2 處中部機車和尾部機車均為從控機車。列車始發前，車站值班員、主控機車司機和從控機車司機互通機車號；主控機車與從控機車需要建立分布式制動控制(DP)關系后，進行試風(BP)測試及列車管漏泄測試，確認列車管貫通。這些作業過程及要求與開行2萬噸重載列車基本相同。

1.4 列檢作業

目前，大秦鐵路重車方向列車的列檢工作均在湖東站進行，但湖東站到發線有效長不足，不能停放3 萬噸重載列車，袁樹林站也不具備列檢條件。依據鐵路貨車運用維修規程[13]，列檢作業安全保證距離原則上應為1 000 km左右，為盡可能減少基礎設施的更新改造，3 萬噸重載列車的列檢工作安排在卸車端，即在3 萬噸重載列車卸空后，在柳村南進行列檢，之后空車返回始發端相關車站。

1.5 司機換班

正常情況下，大秦鐵路2 萬噸重載列車司機在湖東站、茶塢站換班，但這2 個車站均不具備3 萬噸重載列車停車條件。因此，司機可按雙班配備，備班司機在機車上休息。司機換班需要停車重新輸入列車運行監控裝置(LKJ)數據，停車換班地點應選擇途中具備3 萬噸重載列車停靠的到發線進行。目前大秦線北辛堡站、玉田北站均有到發線有效長滿足3 萬噸重載列車停靠要求，且所處位置合適，滿足司機有效駕駛時間要求，因此司機換班可選擇在北辛堡站或玉田北站進行。

1.6 終到站列車分解作業

在大秦鐵路疏運端，沒有車站到發線能滿足3 萬噸重載列車整列停放的長度要求，列車停放和分解必須占用區間。因此，選擇港前站作為3 萬噸重載列車的終到站(分界站)，分解方案如下。在分解站出站信號機后2.66 km(第一、第二列萬噸重載列車長度+30 m 安全距離)左右的位置設置“組合3萬噸重載列車分解標”，該標保證分解后的第3列萬噸重載列車停在到發線內，3 萬噸重載列車接近分解站時，車站值班員開放出站信號機，通知司機在本站辦理分解作業，列車憑出站信號機顯示的允許運行信號在“組合3 萬噸重載列車分解標”前停車。初期，3 萬噸重載列車終到站可選擇柳村南站Ⅰ場，列車停站后，由車站負責分解作業，前后2列車需要拉開不少于30 m距離，3組列車都分開且具備發車條件后，按規定發車，逐列牽引至翻車機卸車。3 萬噸重載列車柳村南站Ⅰ場停車分解標示意圖如圖2所示。

圖2 3萬噸重載列車柳村南站Ⅰ場停車分解標示意圖Fig.2 Signs of parking and disassembly of 30 000-ton heavy-haul train at Yard I of Liucunnan Station

1.7 列車回空運行

鑒于大秦鐵路車站到發線有效長實際情況，3 萬噸重載列車回空時，不必追求整列回空，可采取2 萬噸或萬噸空列車返回湖東站，再按車流需求分配到各裝車點[10]。返回前空列車在柳村南站Ⅱ場的空車場進行列檢作業。

2 3萬噸重載列車運輸能力提升

限制重載列車開行和制約重載鐵路運輸能力提升的因素很多，相較2 萬噸重載列車，限制3 萬噸重載列車的主要因素是始發站的到發線作業能力、重車方向運輸能力和牽引供電能力。

2.1 始發站編發能力

3萬噸重載列車始發站為袁樹林站。目前圖定通過旅客列車5對/d(該站不辦理客運業務)，大同方向通過小列23列/d、通過的單元萬噸重載列車44列/d、始發的2 萬噸重載列車12 列/d，合計大同方向開行列車數量84 列/d。由于通過列車都經由正線辦理，上行方向12 列2 萬噸重載列車技術作業均在4 道、6道辦理。

袁樹林站到發線均在6 km 以上，通過腰岔和軌道電路分成4 個軌道區段，并配備進路信號機，每個軌道區段都具備接納萬噸重載列車的條件，這樣每條到發線具備接納2 列2 萬噸重載列車條件，并具備直接辦理出發作業條件，這對開行2 萬噸重載列車是比較方便的，也就是說2 條到發線基本可以近似作為4條到發線使用。

袁樹林站以辦理2 萬噸重載列車為主，充分考慮各項作業時間冗余，在滿足12列2萬噸重載列車始發作業的前提下，粗略檢算2 條到發線還能辦理多少列3萬噸重載列車的始發作業。

根據列車運行圖技術資料和袁樹林站《車站行車工作細則》規定，2 萬噸重載列車由2 列萬噸重載列車組成，先后進入股道約需要45 min，辦理組合和出發作業約需要35 min，合計需要80 min[14]。天窗時間180 min，每股道利用系數取0.8。3 萬噸重載列車考慮由3 列萬噸重載列車組合而成，推算其先后進入股道時間、辦理組合和出發作業時間都相應延長，假設3 列萬噸重載列車先后進入股道時間70 min，辦理組合和出發作業時間40 min，合計需要110 min。

2萬噸重載列車需要占用1條到發線的2個軌道區段，3萬噸重載列車需要占用1條到發線的3個軌道區段，因此可以將2 萬噸重載列車安排在4 道作業，3萬噸重載列車安排在6道作業。

假設2 萬噸重載列車占用4 道的第一、二軌道區段，一晝夜的接發能力為[(1 440 -180) × 0.8]/80=12.6 ≈12列。同時，4道的第三、四軌道區段已不具備接發3 萬噸重載列車的條件，但可以辦理2 萬噸重載列車。第三、四軌道區段接發2 萬噸重載列車時，其作業的有效時間需要減去第一、二軌道區段每列車通過時占用的時間45 min，則4 道的第三、四軌道區段一晝夜的接發能力為[(1 440 -180) ×0.8 -12 × 45]/80=5.85 ≈5 列。因此，4 道接發2 萬噸重載列車的能力為12+5=17 列，完全滿足現有2萬噸重載列車的開行需求。

6 道接車與4 道接車在相同咽喉區存在相互干擾，假設4 道接入列車對6 道的影響時間按每列8 min，6 道一晝夜接發3 萬噸重載列車的能力為[(1 440 -180) × 0.8 -8 × 2 × 17]/110=6.7 ≈6列。

可見，袁樹林站到發線具備接發17列2萬噸重載列車和6列3萬噸重載列車的能力，滿足大同方向辦理6列3萬噸重載列車和12列2萬噸重載列車的需求。考慮通過的旅客列車、通過的貨物列車，袁樹林站大同方向行車量達到90列，對雙線自動閉塞區段，區間通過能力能夠滿足行車列數的要求。

2.2 牽引供電能力

根據牽引供電專業分析，受牽引供電能力限制，開行3 萬噸重載列車，1 個供電臂內只能放行1 列3 萬噸和1 列1.5 萬噸或萬噸重載列車，這將限制3 萬噸重載列車前后追蹤運行的列車，即3 萬噸重載列車的前后不應該開行2 萬噸重載列車，3 萬噸重載列車也不能緊密追蹤運行。

針對該問題，在牽引供電能力不改造加強的情況下，可在運輸組織上采取措施，即在編制列車運行圖和制定日(班)計劃時，3 萬噸重載列車的前后都只允許開行萬噸重載列車或1.5 萬噸重載列車。在3 萬噸重載列車數量開行較少的情況下，對區間通過能力幾乎沒有影響，只是增加運輸組織工作的難度。如果3 萬噸重載列車開行數量較多，或者區間通過能力緊張的情況下，需要3 萬噸重載列車與2 萬噸重載列車緊密追蹤運行時，就限制了列車編發組織的靈活性。特別是設施設備施工天窗結束后，需要組織3萬噸或2萬噸重載列車密集出發時，就會受到限制，影響線路的運輸能力。

2.3 重車方向運輸能力

在始發站具備編發3 萬噸重載列車后，需要檢算重車方向運輸能力。檢算的原則是滿足現有行車量條件下還能開行6列3萬噸重載列車的運輸能力，或者用3 萬噸重載列車替換2 萬噸重載列車后運輸能力能提升多少。

根據大秦線列車運行圖規定，2 萬噸重載列車追蹤間隔時間14 min，1.5 萬噸重載列車追蹤間隔時間13 min，萬噸重載列車追蹤間隔時間12 min。由于牽引供電的限制，3 萬噸重載列車追蹤間隔時間取決于3 萬噸與1.5 萬噸重載列車間的發通間隔時間I發通，列車發通間隔示意圖如圖3所示，I發通計算公式如公式⑴所示。

圖3 列車發通間隔示意圖Fig.3 Diagram of departure and passing interval of trains

式中：L標為1.5 萬噸重載列車停車點(標)至出站信號機的距離，m；L閉1，L閉2，L閉3，L閉4為閉塞分區長度，m；L列為1.5萬噸重載列車長度，m；L進站為車站進站信號機至1.5 萬噸重載列車停車點(標)間的距離，m；v出發為1.5萬噸重載列車從車站出發的運行速度，km/h；v通過為3 萬噸重載列車從車站通過的運行速度，km/h；t通過為辦理列車通過作業時間，min。

根據湖東站《車站行車工作細則》和3 萬噸與1.5萬噸重載列車間的I發通列車牽引計算結果[15]，結合其他列車的追蹤間隔時間，考慮一定的冗余時間，3萬噸重載列車追蹤間隔時間取14min。

大秦線1 年內計劃非施工期有285 d，120 min日常維修天窗期有30 d，180 min 集中修施工天窗期有50 d[7]。貨車載重系數取0.75。

圖定能力利用率計算如公式⑵所示，運輸能力計算如公式⑶所示。

式中：k為圖定利用率；N為不同類型列車列數，列；t追蹤為不同類型列車追蹤間隔時間，min。

式中：S為運輸能力，t；G為不同類型列車對應的列車牽引質量，t；γ為貨車載重系數，取0.75；T為運輸天數，d。

大秦鐵路運輸能力檢算結果如表1 所示。檢算結果表明，在現行列車運行圖基礎上，開行6列3萬噸重載列車，通過能力偏緊張，這主要是由于湖東站列車出發追蹤間隔時間較大造成的；同時輸送能力可提高0.49 億t；如果3 萬噸重載列車1∶1 替換2萬噸重載列車，輸送能力可提高0.17億t。

表1 大秦鐵路運輸能力檢算結果Tab.1 Datong-Qinhuangdao Railway transportation capacity

3 結束語

研究以大秦鐵路為例，通過適當調整行車組織方案，說明我國重載鐵路具備開行少量3萬噸重載列車的運輸條件。結合目前的設施設備條件，在大秦線集運端選擇到發線有效長大于4 km的車站作為始發站，將3 列萬噸重載列車組合成3 萬噸重載列車，配備雙班司機，直達港口分解卸車，卸空后回空列車始發前進行列檢，采取2萬噸或1萬噸的空列車返回。通過研究，建議重新檢算湖東站重車出發方向列車間隔時間，提出壓縮出發間隔時間的措施；采取措施以提高牽引供電能力，滿足重載列車前后任意組合追蹤運行需求；確保上線運營的移動裝備和系統運用狀態良好，做好故障后的應急預案，避免途中適于停靠的車站少而造成較大范圍的影響。