帥娟馬波濤

（1中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司 工程師 ，北京 100055；2鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院 助理研究員，北京 100038）

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)不斷發(fā)展，鐵路運(yùn)輸需求不斷增長(zhǎng)，部分鐵路運(yùn)輸能力已不能滿(mǎn)足需要，應(yīng)新建鐵路項(xiàng)目或?qū)扔芯€進(jìn)行擴(kuò)能改造。既有線進(jìn)行擴(kuò)能改造的方案很多，選取何種方式既能夠滿(mǎn)足運(yùn)量增長(zhǎng)的需求，又能節(jié)省工程投資和運(yùn)營(yíng)成本，是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。需要科學(xué)、合理地分析不同改擴(kuò)建方案對(duì)運(yùn)輸能力的提升程度，并給出直觀的評(píng)價(jià)指標(biāo)，供鐵路規(guī)劃建設(shè)作參考。

1 鐵路運(yùn)輸能力定義與擴(kuò)能改造方案的分類(lèi)

鐵路運(yùn)輸能力是對(duì)鐵路通過(guò)能力和鐵路輸送能力的統(tǒng)稱(chēng)。鐵路通過(guò)能力是指一條鐵路線，在采用一定類(lèi)型的機(jī)車(chē)車(chē)輛和一定的行車(chē)組織方法條件下，根據(jù)鐵路區(qū)段的各種固定設(shè)備，在單位時(shí)間內(nèi)（通常指一晝夜）所能通過(guò)的最多列車(chē)對(duì)數(shù)或列車(chē)數(shù)[1]。

線路平行運(yùn)行圖區(qū)間通過(guò)能力的計(jì)算公式如下：

式中：N為平行運(yùn)行圖最大區(qū)間通過(guò)能力；n周為一個(gè)運(yùn)行圖周期中所包含的列車(chē)對(duì)數(shù)或列數(shù)；t固為運(yùn)行圖天窗維修時(shí)間和其他附加時(shí)間之和；d有效為區(qū)間可供有效利用的系數(shù)；T周為運(yùn)行圖周期時(shí)間。

影響鐵路運(yùn)輸能力的因素很多，“硬件”因素包括區(qū)間的正線數(shù)目，區(qū)間長(zhǎng)度，線路平縱斷面，牽引機(jī)車(chē)類(lèi)型，信號(hào)、聯(lián)鎖、閉塞設(shè)備，線路及供電設(shè)施日常保養(yǎng)維修的機(jī)械設(shè)備等；“軟件”因素包括運(yùn)輸組織模式和運(yùn)營(yíng)管理水平等。提高鐵路的通過(guò)能力和輸送能力主要依靠改善這些軟硬件因素，主要擴(kuò)能改造方案包括優(yōu)化運(yùn)輸組織、工程改造、設(shè)備改造和動(dòng)力更新等幾類(lèi)，具體各類(lèi)改造方案見(jiàn)圖1。

2 各種擴(kuò)能改造方案效果分析[2-3]

2.1 優(yōu)化運(yùn)輸組織

優(yōu)化運(yùn)輸組織方案主要是通過(guò)加強(qiáng)運(yùn)營(yíng)組織，挖掘既有設(shè)備的潛力，推遲工程和設(shè)備改造的時(shí)間，以節(jié)省工程投資，充分發(fā)揮既有設(shè)備的效用[4]。通常情況下，縮短運(yùn)行圖周期時(shí)間T周是增加通過(guò)列車(chē)對(duì)數(shù)的主要方法。在單線半自動(dòng)閉塞區(qū)段，通常采用成對(duì)非追蹤運(yùn)行圖，則

式中：Σt運(yùn)為上下行列車(chē)的區(qū)間純運(yùn)行時(shí)分；Στ站為車(chē)站間隔時(shí)分；Σt起停為列車(chē)起停附加時(shí)分。

在采用一定類(lèi)型的機(jī)車(chē)和一定的列車(chē)牽引質(zhì)量的條件下，區(qū)間運(yùn)行時(shí)分Σt運(yùn)是固定不變的，因而想要縮小T周，只有設(shè)法縮小Σt起停+Στ站的數(shù)值。在行車(chē)組織方面，可采取改變列車(chē)會(huì)車(chē)方式、移動(dòng)運(yùn)行圖周期、單線不成對(duì)運(yùn)行等技術(shù)措施。例如改變會(huì)車(chē)方式可通過(guò)在限制區(qū)間合理地安排列車(chē)運(yùn)行線的鋪畫(huà)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)，如：上下行列車(chē)不停車(chē)通過(guò)車(chē)站而進(jìn)入?yún)^(qū)間（見(jiàn)圖2-a）或開(kāi)出區(qū)間（圖2-b），以及上行或下行列車(chē)不停車(chē)通過(guò)區(qū)間兩端車(chē)站（圖 2-c、圖 2-d）等。

一般會(huì)車(chē)間隔（τ會(huì)）采用2～3 min小于不同時(shí)通過(guò)間隔（τ不）4～6 min，停車(chē)時(shí)間（t停）采用1～2 min小于起車(chē)時(shí)間（t起）2～3 min。若將限制區(qū)間的會(huì)車(chē)方式調(diào)整為上下行列車(chē)不停車(chē)通過(guò)車(chē)站而開(kāi)出區(qū)間 （圖2-b），Σt起停+Στ站時(shí)分將變成τa不+τb不+2t起，較之其余3種會(huì)車(chē)方式，運(yùn)行圖周期可縮短1～2 min，相應(yīng)地可提高該區(qū)段的通過(guò)能力。若運(yùn)行圖周期縮短時(shí)間采用2 min，通過(guò)能力提高率可簡(jiǎn)化為

不同既有運(yùn)行圖周期情況下的能力提高見(jiàn)圖3。

可以看出，通過(guò)能力提高的程度跟既有運(yùn)行圖周期有關(guān)，既有運(yùn)行圖周期越大，能力提高越小。單線區(qū)段通過(guò)調(diào)整會(huì)車(chē)方式，通過(guò)能力大約能提高5%～11%，能力提高有限。同時(shí)，在選擇限制區(qū)間列車(chē)運(yùn)行線的合理鋪畫(huà)方案時(shí)，還應(yīng)當(dāng)考慮到區(qū)間兩端車(chē)站的具體條件，應(yīng)盡量避免出站方向有較大上坡道，盡量按輕車(chē)停車(chē)、重車(chē)通過(guò)的原則鋪畫(huà)運(yùn)行圖，防止列車(chē)出發(fā)起動(dòng)困難，影響能力的提高。

2.2 改換信號(hào)、聯(lián)鎖、閉塞設(shè)備

改換信號(hào)、聯(lián)鎖、閉塞設(shè)備措施的主要方式有調(diào)度集中和自動(dòng)閉塞。以單線調(diào)度集中為例，列車(chē)成對(duì)不追蹤運(yùn)行時(shí)，其通過(guò)能力：

一般半自動(dòng)閉塞的車(chē)站不同時(shí)到達(dá)間隔時(shí)分為 4～5 min，采用調(diào)度集中后可減為 3～4 min，而會(huì)車(chē)間隔時(shí)間可由2～3 min壓縮到1 min[5]，因此列車(chē)運(yùn)行圖周期也可縮短2～3 min，與改變會(huì)車(chē)方式的擴(kuò)能結(jié)果相近。若運(yùn)行圖周期縮短時(shí)間采用2 min，通過(guò)能力提高率可簡(jiǎn)化為

單線調(diào)度集中，列車(chē)成對(duì)追蹤運(yùn)行時(shí)，其通過(guò)能力：

式中：K為每一追蹤運(yùn)行列車(chē)組中的對(duì)數(shù)，一般采用2；γ追為追蹤系數(shù)，即追蹤列車(chē)數(shù)與列車(chē)總數(shù)之比；為上下行列車(chē)追蹤間隔時(shí)分，一般 I1=I2，采用 7～10 min，用 I表示。

單線自動(dòng)閉塞追蹤運(yùn)行能力影響的分析與調(diào)度集中追蹤運(yùn)行相類(lèi)似，本文不再詳細(xì)論述。

2.3 增設(shè)車(chē)站、線路所

2.3.1 單線增設(shè)車(chē)站

對(duì)于單線非自動(dòng)閉塞鐵路，區(qū)間距離長(zhǎng)、且能力不均衡時(shí)，采取加站或移站的擴(kuò)能改造方案，是消除控制區(qū)間、提高通過(guò)能力的有效措施。若按加站位置為理想狀態(tài)，加站后兩區(qū)間的走行時(shí)分相等，此時(shí)加站后的運(yùn)行圖周期：

因此通過(guò)能力提高率為：

可以看出，只有當(dāng)加站前運(yùn)行圖周期T>Σt起停+Στ站時(shí)，通過(guò)能力才能提高。令Σt起停+Στ站采用10 min，由圖5可以看出，限制區(qū)間既有運(yùn)行圖周期越大時(shí)，增站后該區(qū)間提高的通過(guò)能力就越多，通過(guò)能力大約能提高33%～60%。不過(guò)通常情況下，原限制區(qū)間增站后，該線通過(guò)能力可能會(huì)受其他區(qū)間限制，因此，全線的通過(guò)能力提高率并不同步增加，一般情況下，增站方案可提高全線通過(guò)能力20%～25%。

2.3.2 雙線增設(shè)線路所

在地形條件允許的情況下，線路所應(yīng)盡量設(shè)在控制區(qū)間的中部（即使能力提高得最大，此時(shí)通過(guò)能力提高率為：

由圖6可以看出，雙線半自動(dòng)鐵路單方向區(qū)間運(yùn)行時(shí)分越長(zhǎng)，增設(shè)線路所后提高的通過(guò)能力越多，通過(guò)能力大約能提高55%～80%?？梢钥闯觯p線區(qū)段設(shè)置線路所對(duì)能力的提高很可觀，但對(duì)旅行速度的提高不顯著。

2.3.3 單線區(qū)段增設(shè)線路所

當(dāng)上下行列車(chē)成對(duì)運(yùn)行時(shí)，設(shè)置線路所后，可組織連發(fā)運(yùn)行；而在上下行列車(chē)數(shù)不相等的單線區(qū)段，設(shè)單方向線路所后，也可組織列車(chē)不成對(duì)連發(fā)運(yùn)行。單線區(qū)段設(shè)線路所后能力的提高程度不僅與既有區(qū)間的平行圖周期T有關(guān)，還受連發(fā)系數(shù)γ連影響。γ連越大，能力提高越多，不過(guò)連發(fā)車(chē)數(shù)越多，線路所兩端的車(chē)站配線數(shù)將增多，工程投資亦增大；而若γ連過(guò)小，能力提高的程度又有限，如在上下行列車(chē)成對(duì)運(yùn)行的線路上組織連發(fā)，當(dāng)γ連<0.5時(shí)，通過(guò)能力提高率不超過(guò)10%。因此，本文不再詳細(xì)論述。

2.4 雙線或部分雙線改造

未裝設(shè)自動(dòng)閉塞的雙線區(qū)段，通常采用連發(fā)運(yùn)行圖，其通過(guò)能力其中t運(yùn)為上行或下行列車(chē)單側(cè)運(yùn)行時(shí)分 （min），τ連為列車(chē)連發(fā)間隔時(shí)分，后進(jìn)列車(chē)在車(chē)站起車(chē)的連發(fā)時(shí)間2～3 min、后進(jìn)列車(chē)在車(chē)站通過(guò)的連發(fā)時(shí)間4～5 min。此時(shí)，半自動(dòng)閉塞雙線比單線通過(guò)能力提高率100%。 若 t上=t下=t運(yùn)，（Στ站+Σt起停）=10 min、τ連=4 min，此時(shí)通過(guò)能力提高1倍以上。

雙線鐵路自動(dòng)閉塞線路，通常采用追蹤運(yùn)行圖，運(yùn)行圖周期時(shí)間等于追蹤列車(chē)間隔時(shí)間I。雙線自動(dòng)閉塞的通過(guò)能力通常情況下I采用7～10 min；而雙線半自動(dòng)閉塞，其運(yùn)行圖周期T周=t運(yùn)單+τ連， t運(yùn)單為上行或下行列車(chē)單側(cè)運(yùn)行時(shí)分，τ連為列車(chē)連發(fā)間隔時(shí)分，后進(jìn)列車(chē)在車(chē)站起車(chē)的連發(fā)時(shí)間為2～3 min、后進(jìn)列車(chē)在車(chē)站通過(guò)的連發(fā)時(shí)間4～5 min。雙線自動(dòng)閉塞比雙線半自動(dòng)閉塞通過(guò)能力提高率為若 I采用 8 min、τ連采用4 min，此時(shí)通過(guò)能力提高率見(jiàn)圖7。雙線采用自動(dòng)閉塞后，區(qū)間通過(guò)能力提高十分明顯，且隨著運(yùn)行圖周期越大而增大。

部分雙線作為修建雙線的過(guò)渡，同樣可以較大幅度地提高平行運(yùn)行圖通過(guò)能力，一般為40%～50%，本文不再贅述。

2.5 更新?tīng)恳N類(lèi)、機(jī)車(chē)類(lèi)型

在地形平坦的鐵路上，電力機(jī)車(chē)與內(nèi)燃機(jī)車(chē)的運(yùn)行時(shí)分基本差不多，而電氣化線路由于受接觸網(wǎng)維修的影響，綜合維修天窗較內(nèi)燃線路長(zhǎng)（單線長(zhǎng)30 min、雙線長(zhǎng)50 min），會(huì)占用部分區(qū)間通過(guò)能力，因此線路輸送能力的提高有限。在山區(qū)或足坡地段多的線路上，由于內(nèi)燃機(jī)車(chē)的計(jì)算速度普遍較低，此時(shí)采用電力牽引，貨車(chē)旅行速度提高較為明顯，可相應(yīng)提高線路的通過(guò)能力。

3 鐵路既有線擴(kuò)能改造方案的選擇

通過(guò)以上分析可以看出，不同擴(kuò)能改造方案的實(shí)施效果有較大差異，每種擴(kuò)能改造方案均能提高線路能力，但其適用條件各不相同，需根據(jù)具體情況進(jìn)行比選。

優(yōu)化運(yùn)輸組織方案因改造簡(jiǎn)單、投資省，是既有線擴(kuò)能改造時(shí)最先考慮的措施，但其對(duì)通過(guò)能力提高的程度有限，僅為5%～11%，同時(shí)還要考慮改造區(qū)間的相鄰車(chē)站是否具備優(yōu)化條件。因此該類(lèi)措施多用于既有線擴(kuò)能的應(yīng)急及臨時(shí)方案，或是在各區(qū)間能力不均衡時(shí)，通過(guò)提高局部區(qū)間能力，消除或轉(zhuǎn)移限制區(qū)間以提高全線的通過(guò)能力。當(dāng)線路能力缺口較大，技術(shù)組織措施已不能滿(mǎn)足需要時(shí)，則需采取技術(shù)改造措施。

改變信號(hào)、聯(lián)鎖、閉塞設(shè)備方案可以提高通過(guò)能力10%～25%。該類(lèi)方案的應(yīng)用也有其局限性，以單線自動(dòng)閉塞為例，由于列車(chē)在區(qū)間任何地方都存在停車(chē)的可能性，為了避免列車(chē)坡停后起動(dòng)困難，或難以不超過(guò)20 km/h最高速度繼續(xù)運(yùn)行，對(duì)于坡度大、隧道多、曲線半徑小的線路，以及通過(guò)色燈信號(hào)及顯示條件不良等情況，一般不宜采用自動(dòng)閉塞。

單線非自動(dòng)閉塞鐵路，區(qū)間距離長(zhǎng)、且能力不均衡時(shí)，采取加站或移站的擴(kuò)能改造方案，是消除控制區(qū)間、提高通過(guò)能力的有效措施，可以提高通過(guò)能力33%～60%，因此被廣泛使用在單線初次技術(shù)改造中。該類(lèi)方案工程投資省、收效快，對(duì)提高通過(guò)能力有明顯的效果；但由于開(kāi)站數(shù)量多，增加了車(chē)站定員，運(yùn)營(yíng)期列車(chē)起停費(fèi)與站線維修費(fèi)亦相應(yīng)較高；且由于列車(chē)會(huì)車(chē)停站次數(shù)增多，旅行速度有所降低，影響運(yùn)輸質(zhì)量的提高。

增設(shè)線路所是既有線改造加強(qiáng)區(qū)間通過(guò)能力的一種有效方案，此種擴(kuò)能方案設(shè)備簡(jiǎn)單，投資少，效率高，在單、雙線區(qū)段，干、支線均可采用。當(dāng)雙線半自動(dòng)閉塞區(qū)段能力飽和時(shí)，在每個(gè)區(qū)間或控制區(qū)間增設(shè)線路所可推遲自動(dòng)閉塞的時(shí)間，節(jié)省工程投資，提高運(yùn)輸效率，通過(guò)能力可提高55%～80%；在單線半自動(dòng)閉塞鐵路控制區(qū)間設(shè)線路所時(shí)，可通過(guò)組織列車(chē)連發(fā)提高通過(guò)能力，尤其在列車(chē)不成對(duì)的區(qū)段組織列車(chē)單方向連發(fā)運(yùn)行，不但能提高單線區(qū)間通過(guò)能力，還能提高旅行速度，但運(yùn)營(yíng)組織較為復(fù)雜。在設(shè)有避難線的區(qū)間不能設(shè)線路所，在長(zhǎng)大下坡道的區(qū)間也要慎重選用。

雙線改造是提高既有線通過(guò)能力最有效的方案。通常情況下，雙線半自動(dòng)閉塞比單線通過(guò)能力提高100%以上，雙線自動(dòng)閉塞比雙線半自動(dòng)閉塞提高75%～300%。由于雙線改造投資大，可采用雙插（部分雙線）作為雙線改造的過(guò)渡和應(yīng)急工程，推遲雙線或重點(diǎn)工程（如大橋、長(zhǎng)隧道的雙線工程），達(dá)到緩期投資的經(jīng)濟(jì)效果。

4 結(jié)論和建議

不同擴(kuò)能改造方案對(duì)通過(guò)能力的提升效果不同，采用單一的措施進(jìn)行擴(kuò)能改造通常難以達(dá)到預(yù)期效果，需對(duì)擴(kuò)能措施進(jìn)行優(yōu)化組合。在選取既有線擴(kuò)能改造方案時(shí)，不僅要考慮提升能力是否滿(mǎn)足本線的客貨運(yùn)輸需求，還要從以下原則入手：第一，要根據(jù)全國(guó)鐵路路網(wǎng)規(guī)劃，確定線路在路網(wǎng)中的地位和作用，考慮與相鄰線路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相匹配，以路網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化為原則進(jìn)行多方案的綜合比選論證；第二，要做整體規(guī)劃、分步實(shí)施，結(jié)合路網(wǎng)功能與定位，以最終發(fā)展規(guī)模為目標(biāo)，合理確定研究年度的改擴(kuò)建工程，在滿(mǎn)足能力需求的基礎(chǔ)上，采取分期擴(kuò)能、逐步加強(qiáng)的改造措施；第三，要將各種方案的實(shí)施效果與運(yùn)輸需求、工程實(shí)施以及運(yùn)營(yíng)管理、投資效益結(jié)合起來(lái)統(tǒng)籌考慮，以提高資金的利用率，降低投資風(fēng)險(xiǎn)。

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[4]王文廣.深化運(yùn)輸組織改革 推進(jìn)鐵路生產(chǎn)力發(fā)展[J].鐵道經(jīng)濟(jì)研究，2005（5）：40-43，46

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[6]閆海峰.單位追蹤列車(chē)數(shù)與車(chē)站配線數(shù)的關(guān)系研究[J].鐵道運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì).2006,28（10）：77-79