邓捷航，朱子童，李和壁，张 武
(1.中国铁道科学研究院 研究生部，北京 100081；
2.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道科学技术研究发展中心，北京 100081；
3.大秦铁路股份有限公司 大同工务段，山西 大同 037005)
近年来，我国铁路货运量逐年增长，2019—2021年3年年均增长5.47%，2021年达到47.20亿t，铁路货运品类主要是大宗重质货物，其中煤炭运量占总运量的1/2 以上。随着我国经济的发展和对环境保护的重视，铁路货运量将会进一步提升，发展重载运输是铁路高效运输重质货物、提升运输效率的有效途径。
大秦铁路(韩家岭—柳村南)是我国重载铁路运输的代表[1]，从2010 年开始(2016 年除外)，每年运量都在4亿t以上，2014年、2018年均达到4.5亿t，2021年达到4.2亿t，日均开行2万吨重载列车57.8列，其中最高日开行71列。朔黄铁路(朔州—黄骅港)是我国西煤东运的第二大通道[2]，2021 年完成运量3.64 亿t。浩吉铁路(浩勒报吉—吉安)[3]、瓦日铁路(瓦塘—日照南)、呼唐铁路(唐山—呼和浩特)也都是我国铁路重载运输通道，在煤炭运输方面发挥着重要作用。
国外重载铁路技术水平较高，货车轴重和牵引质量较大[4-5]。南非有东西2条重载铁路线，东线铁路为煤炭运输线，其中COALlink 重载线路列车采用轴重26 t的车辆，编组200辆(长度2.2 km)，牵引质量2.08万t；
西线铁路为矿石运输线，其中赛申—萨尔达尼亚港的Orex铁矿石重载单线铁路，列车采用轴重30 t的车辆，编组342辆(长度4 km)，牵引质量4.104 万t。北美铁路重载货车轴重多为29.8～32.43 t，编组一般为135～150辆，牵引质量1.75万～2万t，由多台内燃机车分布在列车不同位置牵引运行。澳大利亚东部重载铁路以轴重30 t 货车为主，主要用于煤炭运输；
西部重载铁路以铁矿石运输为主，货车轴重主要为37.5 t，部分为40 t，牵引质量2.4 万～3.8 万t。巴西卡拉齐斯铁矿石重载铁路货车最大轴重32.5 t，列车编组330辆，采用3台或4台机车牵引，牵引质量4.3万t；
米纳斯重载铁路货车最大轴重27.5 t，列车编组为2台机车牵引168辆货车，3台机车牵引252辆货车，最大牵引质量2.5万t。
为进一步发展我国铁路重载运输，《交通强国建设纲要》提出要加强新型载运工具研发，实现3万吨级重载列车的重大突破[6]；
《新时代交通强国铁路先行规划纲要》(铁发改〔2020〕129 号)提出要研发3 万吨级重载列车，提高运输能力[7]。开行3万吨重载列车，不仅可以提高重载铁路运输效率，还可以缓解施工维修后运输压力紧张状况和需求波动需要密集放行列车的实际需要[8-9]。2014 年，我国在大秦铁路通道开展3 万吨重载列车验证试验，从线路、列车、机车、司机操作等方面验证了我国初步具备部分开行3万吨重载列车的基本条件。
研究结合运输作业过程和基础设施设备条件，以大秦铁路为例，在尽量不进行基础设施改造的前提下，分析开行3 万吨重载列车运输组织方案，分析我国重载铁路开行3 万吨重载列车的可行性，为保障3万吨重载列车的开行提供技术支撑。
借鉴大秦线2 万吨重载列车的开行经验[10]，3 万吨重载列车应采用始发站(组合站)直达卸车站(分解站)、空车返回的循环运输组织模式。
1.1 3万吨重载列车编组形式
目前，大秦铁路2 万吨重载列车编组方式为单元万吨+单元万吨组合编组，尾部采用可控列尾装置[9，11]。借鉴2 万吨重载列车编组方式和3 万吨重载列车试验结果，3 万吨重载列车采用3 列单元万吨重载列车组合编组的方式，具体形式可以为HXD1/2 机 车+105 辆C80+HXD1 机 车+105 辆C80+HXD1 机车+105 辆C80+SS4机车，全长3.961 4 km。因此，作为3 万吨重载列车的始发站，到发线有效长需要4 km以上。3万吨重载列车尾部采用机车替代列尾装置，可以同步增加牵引能力，加快减压制动，减少列车缓解时间。
1.2 列车始发作业站
目前，2 万吨重载列车主要在湖东站进行组合始发作业，但其到发线有效长不足4 km。3 万吨重载列车长度超过3.9 km，其组合始发作业应该在具有相应有效长的到发线上进行。目前，大秦铁路始发端车站到发线有效长满足条件的只有北同蒲线(大同站—太原)的袁树林车站。袁树林车站示意图如图1 所示。该站除2 条正线外，正线两侧各有2 条到发线，正线及到发线有效长均超过6 km，适合3 万吨重载列车的到发组合，满足办理始发作业条件。因此，在不进行站场更新改造的情况下，3 万吨重载列车的始发作业站选择在袁树林站，并不停车通过湖东站。
图1 袁树林车站示意图Fig.1 Diagram of Yuanshulin Station
1.3 列车组合作业
3 万吨重载列车采用3 列万吨重载列车组合完成，组合方法采用直接组合法或转线组合法[12]。袁树林站到发线被3 组腰岔和进路信号机分割成4 个轨道区段，每个轨道区段有效长均可停放1 列万吨重载列车，这样组合作业相对较为简单。进行3 万吨重载列车组合作业时，先将第一列万吨重载列车接入到发线出站信号机前停车；
接入第二列万吨重载列车前，车站用列车无线调度通信设备通知司机，接入该线路最前方进路信号机前停车；
依此相同方法，将第三列万吨重载列车接入线路前方第二架进路信号机前停车。组合时，车站使用列车无线调度通信设备将有关作业事宜通知司机，开放第二架进路信号机的调车信号，在车站调车人员指挥下组织第三列万吨重载列车与第二列万吨重载列车连挂，并连结软管；
再开放第一架进路信号机的调车信号，组织连挂好的第三列、第二列列车与第一列万吨重载列车连挂，再次连结软管；
最后在列车尾部加挂1台尾部机车。
列车组合后，列车运行方向的头部机车为主控机车，2 处中部机车和尾部机车均为从控机车。列车始发前，车站值班员、主控机车司机和从控机车司机互通机车号；
主控机车与从控机车需要建立分布式制动控制(DP)关系后，进行试风(BP)测试及列车管漏泄测试，确认列车管贯通。这些作业过程及要求与开行2万吨重载列车基本相同。
1.4 列检作业
目前，大秦铁路重车方向列车的列检工作均在湖东站进行，但湖东站到发线有效长不足，不能停放3 万吨重载列车，袁树林站也不具备列检条件。依据铁路货车运用维修规程[13]，列检作业安全保证距离原则上应为1 000 km左右，为尽可能减少基础设施的更新改造，3 万吨重载列车的列检工作安排在卸车端，即在3 万吨重载列车卸空后，在柳村南进行列检，之后空车返回始发端相关车站。
1.5 司机换班
正常情况下，大秦铁路2 万吨重载列车司机在湖东站、茶坞站换班，但这2 个车站均不具备3 万吨重载列车停车条件。因此，司机可按双班配备，备班司机在机车上休息。司机换班需要停车重新输入列车运行监控装置(LKJ)数据，停车换班地点应选择途中具备3 万吨重载列车停靠的到发线进行。目前大秦线北辛堡站、玉田北站均有到发线有效长满足3 万吨重载列车停靠要求，且所处位置合适，满足司机有效驾驶时间要求，因此司机换班可选择在北辛堡站或玉田北站进行。
1.6 终到站列车分解作业
在大秦铁路疏运端，没有车站到发线能满足3 万吨重载列车整列停放的长度要求，列车停放和分解必须占用区间。因此，选择港前站作为3 万吨重载列车的终到站(分界站)，分解方案如下。在分解站出站信号机后2.66 km(第一、第二列万吨重载列车长度+30 m 安全距离)左右的位置设置“组合3万吨重载列车分解标”，该标保证分解后的第3列万吨重载列车停在到发线内，3 万吨重载列车接近分解站时，车站值班员开放出站信号机，通知司机在本站办理分解作业，列车凭出站信号机显示的允许运行信号在“组合3 万吨重载列车分解标”前停车。初期，3 万吨重载列车终到站可选择柳村南站Ⅰ场，列车停站后，由车站负责分解作业，前后2列车需要拉开不少于30 m距离，3组列车都分开且具备发车条件后，按规定发车，逐列牵引至翻车机卸车。3 万吨重载列车柳村南站Ⅰ场停车分解标示意图如图2所示。
图2 3万吨重载列车柳村南站Ⅰ场停车分解标示意图Fig.2 Signs of parking and disassembly of 30 000-ton heavy-haul train at Yard I of Liucunnan Station
1.7 列车回空运行
鉴于大秦铁路车站到发线有效长实际情况，3 万吨重载列车回空时，不必追求整列回空，可采取2 万吨或万吨空列车返回湖东站，再按车流需求分配到各装车点[10]。返回前空列车在柳村南站Ⅱ场的空车场进行列检作业。
限制重载列车开行和制约重载铁路运输能力提升的因素很多，相较2 万吨重载列车，限制3 万吨重载列车的主要因素是始发站的到发线作业能力、重车方向运输能力和牵引供电能力。
2.1 始发站编发能力
3万吨重载列车始发站为袁树林站。目前图定通过旅客列车5对/d(该站不办理客运业务)，大同方向通过小列23列/d、通过的单元万吨重载列车44列/d、始发的2 万吨重载列车12 列/d，合计大同方向开行列车数量84 列/d。由于通过列车都经由正线办理，上行方向12 列2 万吨重载列车技术作业均在4 道、6道办理。
袁树林站到发线均在6 km 以上，通过腰岔和轨道电路分成4 个轨道区段，并配备进路信号机，每个轨道区段都具备接纳万吨重载列车的条件，这样每条到发线具备接纳2 列2 万吨重载列车条件，并具备直接办理出发作业条件，这对开行2 万吨重载列车是比较方便的，也就是说2 条到发线基本可以近似作为4条到发线使用。
袁树林站以办理2 万吨重载列车为主，充分考虑各项作业时间冗余，在满足12列2万吨重载列车始发作业的前提下，粗略检算2 条到发线还能办理多少列3万吨重载列车的始发作业。
根据列车运行图技术资料和袁树林站《车站行车工作细则》规定，2 万吨重载列车由2 列万吨重载列车组成，先后进入股道约需要45 min，办理组合和出发作业约需要35 min，合计需要80 min[14]。天窗时间180 min，每股道利用系数取0.8。3 万吨重载列车考虑由3 列万吨重载列车组合而成，推算其先后进入股道时间、办理组合和出发作业时间都相应延长，假设3 列万吨重载列车先后进入股道时间70 min，办理组合和出发作业时间40 min，合计需要110 min。
2万吨重载列车需要占用1条到发线的2个轨道区段，3万吨重载列车需要占用1条到发线的3个轨道区段，因此可以将2 万吨重载列车安排在4 道作业，3万吨重载列车安排在6道作业。
假设2 万吨重载列车占用4 道的第一、二轨道区段，一昼夜的接发能力为[(1 440 -180) × 0.8]/80=12.6 ≈12列。同时，4道的第三、四轨道区段已不具备接发3 万吨重载列车的条件，但可以办理2 万吨重载列车。第三、四轨道区段接发2 万吨重载列车时，其作业的有效时间需要减去第一、二轨道区段每列车通过时占用的时间45 min，则4 道的第三、四轨道区段一昼夜的接发能力为[(1 440 -180) ×0.8 -12 × 45]/80=5.85 ≈5 列。因此，4 道接发2 万吨重载列车的能力为12+5=17 列，完全满足现有2万吨重载列车的开行需求。
6 道接车与4 道接车在相同咽喉区存在相互干扰，假设4 道接入列车对6 道的影响时间按每列8 min，6 道一昼夜接发3 万吨重载列车的能力为[(1 440 -180) × 0.8 -8 × 2 × 17]/110=6.7 ≈6列。
可见，袁树林站到发线具备接发17列2万吨重载列车和6列3万吨重载列车的能力，满足大同方向办理6列3万吨重载列车和12列2万吨重载列车的需求。考虑通过的旅客列车、通过的货物列车，袁树林站大同方向行车量达到90列，对双线自动闭塞区段，区间通过能力能够满足行车列数的要求。
2.2 牵引供电能力
根据牵引供电专业分析，受牵引供电能力限制，开行3 万吨重载列车，1 个供电臂内只能放行1 列3 万吨和1 列1.5 万吨或万吨重载列车，这将限制3 万吨重载列车前后追踪运行的列车，即3 万吨重载列车的前后不应该开行2 万吨重载列车，3 万吨重载列车也不能紧密追踪运行。
针对该问题，在牵引供电能力不改造加强的情况下，可在运输组织上采取措施，即在编制列车运行图和制定日(班)计划时，3 万吨重载列车的前后都只允许开行万吨重载列车或1.5 万吨重载列车。在3 万吨重载列车数量开行较少的情况下，对区间通过能力几乎没有影响，只是增加运输组织工作的难度。如果3 万吨重载列车开行数量较多，或者区间通过能力紧张的情况下，需要3 万吨重载列车与2 万吨重载列车紧密追踪运行时，就限制了列车编发组织的灵活性。特别是设施设备施工天窗结束后，需要组织3万吨或2万吨重载列车密集出发时，就会受到限制，影响线路的运输能力。
2.3 重车方向运输能力
在始发站具备编发3 万吨重载列车后，需要检算重车方向运输能力。检算的原则是满足现有行车量条件下还能开行6列3万吨重载列车的运输能力，或者用3 万吨重载列车替换2 万吨重载列车后运输能力能提升多少。
根据大秦线列车运行图规定，2 万吨重载列车追踪间隔时间14 min，1.5 万吨重载列车追踪间隔时间13 min，万吨重载列车追踪间隔时间12 min。由于牵引供电的限制，3 万吨重载列车追踪间隔时间取决于3 万吨与1.5 万吨重载列车间的发通间隔时间I发通，列车发通间隔示意图如图3所示，I发通计算公式如公式⑴所示。
图3 列车发通间隔示意图Fig.3 Diagram of departure and passing interval of trains
式中：L标为1.5 万吨重载列车停车点(标)至出站信号机的距离，m；
L闭1，L闭2，L闭3，L闭4为闭塞分区长度，m；
L列为1.5万吨重载列车长度，m；
L进站为车站进站信号机至1.5 万吨重载列车停车点(标)间的距离，m；
v出发为1.5万吨重载列车从车站出发的运行速度，km/h；
v通过为3 万吨重载列车从车站通过的运行速度，km/h；
t通过为办理列车通过作业时间，min。
根据湖东站《车站行车工作细则》和3 万吨与1.5万吨重载列车间的I发通列车牵引计算结果[15]，结合其他列车的追踪间隔时间，考虑一定的冗余时间，3万吨重载列车追踪间隔时间取14min。
大秦线1 年内计划非施工期有285 d，120 min日常维修天窗期有30 d，180 min 集中修施工天窗期有50 d[7]。货车载重系数取0.75。
图定能力利用率计算如公式⑵所示，运输能力计算如公式⑶所示。
式中：k为图定利用率；
N为不同类型列车列数，列；
t追踪为不同类型列车追踪间隔时间，min。
式中：S为运输能力，t；
G为不同类型列车对应的列车牵引质量，t；
γ为货车载重系数，取0.75；
T为运输天数，d。
大秦铁路运输能力检算结果如表1 所示。检算结果表明，在现行列车运行图基础上，开行6列3万吨重载列车，通过能力偏紧张，这主要是由于湖东站列车出发追踪间隔时间较大造成的；
同时输送能力可提高0.49 亿t；
如果3 万吨重载列车1∶1 替换2万吨重载列车，输送能力可提高0.17亿t。
表1 大秦铁路运输能力检算结果Tab.1 Datong-Qinhuangdao Railway transportation capacity
研究以大秦铁路为例，通过适当调整行车组织方案，说明我国重载铁路具备开行少量3万吨重载列车的运输条件。结合目前的设施设备条件，在大秦线集运端选择到发线有效长大于4 km的车站作为始发站，将3 列万吨重载列车组合成3 万吨重载列车，配备双班司机，直达港口分解卸车，卸空后回空列车始发前进行列检，采取2万吨或1万吨的空列车返回。通过研究，建议重新检算湖东站重车出发方向列车间隔时间，提出压缩出发间隔时间的措施；
采取措施以提高牵引供电能力，满足重载列车前后任意组合追踪运行需求；
确保上线运营的移动装备和系统运用状态良好，做好故障后的应急预案，避免途中适于停靠的车站少而造成较大范围的影响。