套轨铁路新建中间站布置方法与通过能力计算方法研究

邢明照，李 剑，李永明，黄守刚

（1.中国港湾工程有限责任公司 轨道事业部，北京 100027；2.石家庄铁道大学 交通运输学院，河北 石家庄 050043）

1 概述

1.1 研究背景

套轨是将不同轨距的2条或多条铁路相互嵌套[1]共线设置，在断面内共用轨枕及路基形成的新型轨道结构，根据钢轨数量可以分为三线套轨和四线套轨[1]。套轨铁路实现了不同轨距列车共线运行的功能[2]，解决了不同轨距铁路无法互联互通的问题，满足了客货运输需求，但其在运输能力计算和不同轨距线路运能分配等问题上与单一轨距铁路有较大差别。套轨铁路同时适合原有轨距列车和标准轨距列车运行，即套轨铁路需要在满足原有轨距铁路实际运输需求的前提下，同时完成新增标准轨距铁路的运输任务。但是目前套轨铁路的研究主要集中在技术标准和关键技术等方面，有关运能计算与分配基本处于空白状态。因此，为检算原有轨距铁路进行套轨改造后，原路网运输能力的增加值以及增大的运输能力能否满足改建完成后的运输能力需求，应深入研究套轨铁路中间站布置方法和通过能力计算，为提高套轨铁路车站通过能力奠定良好基础。

1.2 国内外研究现状

国外关于铁路通过能力的研究主要集中在单一轨距铁路的通过能力影响因素和优化计算方法以及通过能力的提高上。Lindner[3]基于UIC406 的研究基础，提出了列车数量、列车平均速度等因素将影响铁路运输能力，并分析其相互关系及对运输能力的影响程度。Burdett等[4]将列车混合运行比例、运行方向等加入到影响因素范围之内。De Kort等[5]分别开发了基于优化指标分析和车站设计方案的优化算法。Zwaneveld 等[6]建立了基于图论思想的车站作业安排、进路选择和站台使用的模型，并在此基础上设计出求解算法。

国内关于套轨铁路的研究主要集中在套轨铁路相关概念、主要技术标准和关键技术实现等方面，关于铁路通过能力的研究主要分为车站和区间通过能力，研究其数据获取和分析计算过程，侧重于铁路通过能力查定和计算结果准确性等方面。套轨研究方面，周晓林[1]和董霄等[7]给出了套轨铁路的定义、分类和优缺点。周晓林[1]、王传春[8]和周赟等[9]针对套轨布置形式，分别从断面间距和道岔等角度展开论述。车站通过能力方面，咽喉区通过能力研究主要集中在道岔分组方法的改进[10]、咽喉进路的设置和优化[11]、咽喉区各项作业的合理安排[12]、计算方法的改进[13]和咽喉区通过能力计算系统的开发实现[14]等。到发线通过能力研究主要研究了数据查定的自动化和精确化[15]、空费系数的减少方法[16]、影响因素评估模型、修正参数的计算方法[17]。区间通过能力方面，重点分析了长大坡道[18]、车站间距[19]、列车追踪间隔时间[20]、列车运行速度等对区间通过能力的影响，并对车站间隔时间和列车追踪间隔时间[21]等进行图解和量化分析。

长期以来，套轨铁路技术研究主要集中于线路布置形式、设备方案选择、功能实现程度、主要技术标准和关键技术实现等方面，而针对套轨铁路车站设置方式以及通过能力计算的研究几近空白。因此，以套轨铁路为研究对象，提出套轨铁路车站布置方法和通过能力计算方法，以及提高通过能力的若干建议，以期为顺利实现不同轨距铁路互联互通和提高铁路运输效率提供参考。

2 套轨铁路车站设置原则与新建车站布置方法研究

2.1 套轨铁路车站设置原则

铁路运输能力包括通过能力和输送能力[22]。通过能力着重从现有固定设备方面指明该铁路可通过的列车数量；输送能力着重从现有活动设备和职工配备情况方面指明该铁路能够通过的列车数或货物吨数，铁路输送能力以通过能力为依托并受其限制，由铁路通过能力和牵引质量共同决定。本研究的基本思路是：首先分析在满足原有运输需求的前提下，车站输送能力的余量能否满足新增标准轨的运输需求；如果不能满足，则对原有铁路网进行改建，并计算改建套轨线路后车站运输能力的增大值是否满足需要。

2.1.1 套轨车站按照原站位布置

按照设想，套轨铁路是在原属地国路网基础上利用既有铁路线路用地和基础设施进行修建，因此，套轨铁路车站设置应该首先考虑原有车站能否完成列车作业和运输任务。如果既有车站运输能力能够同时满足原有轨距列车运输任务和新建标准轨距列车远期预测运量运输任务，则应该首选车站按照原车站布置。

2.1.2 套轨车站在原站位基础上改建、扩建

如果既有车站运输能力无法同时满足原有轨距列车运输任务和新增标准轨距列车远期预测运输任务，此时应该考虑在既有车站基础上进行改造或者扩建，以期改造后的车站能够满足当地既有轨距列车运输任务，同时满足新增标准轨距列车远期预测运量的要求。

2.1.3 新建套轨车站

如果在既有车站改造或适当扩建的情况下仍然无法满足各轨距铁路运输需求，就要考虑迁移或者新建套轨铁路车站，以满足运输需求。此时，应对新建或迁移等方法进行技术和经济等方面的综合比选，兼顾车站新建或迁移造成的区间通过能力均衡性问题和各项列车作业时间。同时，由于新建或迁移车站将涉及车站布置形式调整、该区间运行图重新铺画等，因此，主要针对这一情况下的车站布置方法、车站和区间通过能力等进行研究。

2.2 新建车站布置方法研究

铁路车站及枢纽是形成运输综合能力的关键环节，是满足铁路运输最基本的基础设施之一。套轨铁路因其不同轨距线路相互嵌套的设计方式，决定了其在线路形式、道岔平面结构和站场布置等方面较高的复杂性。综合考虑车站布置复杂性、列车运营安全性和通过能力有效性，提出正线顺里程使用单开套轨道岔依次分开(以1 435 mm准轨与1 000 mm米轨三轨套线为例)、各轨距线路分场布置和无套轨独立正线等站场布置优化方式，并最终确定了套轨铁路车站咽喉区以单开道岔将两轨距线路依次分场布置、套轨正线贯通的套轨铁路中间站布置形式。套轨正线顺里程使用单开道岔依次分开如图1所示，套轨铁路不同轨距线路分场、套轨正线贯穿式中间站如图2 所示。另外，方案中关于货场设置类型，主要根据该中间站具体位置和功能综合考虑，当准轨列车和非准轨列车比例相差较大时，基于经济等成本，货场可考虑套轨形式；当两者比例接近时，可以考虑在不同轨距各自到发场侧分别设置相应轨距的货场。该方案能够实现中间站所有功能且布置相对简单，作业间交叉干扰较小，解决了线路复杂程度高、交叉敌对进路多、车站作业难度高、行车安全系数低等问题，实用性较强。

图1 套轨正线顺里程使用单开道岔依次分开Fig.1 Dual-gauge track railway main line separated by single turnout along the mileage

图2 套轨铁路不同轨距线路分场、套轨正线贯穿式中间站Fig.2 Different gauge line fields of dual-gauge track railway and dual-gauge main line through intermediate station

3 套轨铁路新建车站通过能力计算方法研究

套轨铁路车站除了办理本地区列车相关作业外，还承担着大量国际班列的运输任务，这些国际班列因其载重质量大、运输距离远和运营时间长等特点，需要在中间站进行大量的通过、交会或避让作业。套轨铁路中间站在整个套轨线路上扮演着重要的角色，也是套轨线路新建车站首先应该考虑的站型。因此，主要针对套轨铁路中间站研究其通过能力。

套轨铁路中间站主要采用咽喉区以单开道岔将两轨距线路依次分场布置、套轨正线贯通的布置形式。结合该布置形式确定列车接车进路，套轨铁路中间站接发列车进路长度示意图如图3所示。

图3 套轨铁路中间站接发列车进路长度示意图Fig.3 Schematic diagram of train receiving and departing length from intermediate station of the dual-gauge track railway

3.1 标准轨距列车接车占用咽喉时间

如图3 所示，标准轨距列车办理接车作业，依次经过匀速行驶、第一次减速行驶、匀速行驶和第二次减速停止等过程，具体计算过程可表示为

式中：tJZ为标准轨距列车接车占用咽喉时间，min；tZB为套轨铁路中间站准备接车进路及开放信号的时间，min；tZJ为标准轨距列车完成进站作业的时间，min；LQ为司机确认信号时间内列车走行的距离，min；LLZ为列车长度，m；LZ为准轨列车减速到咽喉区侧向过岔允许速度过程经过的距离，m；LYZJ为准轨到发场最外侧警冲标到某一条准轨到发线之间的距离，m；△LJ1为进站信号机到非准轨到发场最外侧警冲标之间的距离，m；△LJ2为非准轨与准轨到发场最外侧警冲标之间的距离，m；VQZ为准轨列车在区间运行的平均速度，km/h；VCZ为准轨列车在咽喉区侧向过岔允许速度，km/h；az1为准轨列车进站后第一次减速过程中的加速度，m/s2；az2为准轨列车从过岔允许速度到制动停车过程的加速度，m/s2。

其余既有轨距列车接车占用咽喉时间、标准轨距列车发车占用咽喉时间、既有轨距列车发车占用咽喉时间均参照该方法计算得出。

3.2 车列牵出占用咽喉时间

车列牵出占用咽喉时间包括准备进路时间tZB、调车机车从牵出线指定地点出发到指定到发场空行的时间即空程时间tKC、调车机车连挂车列作业时间tZY和调车机车连挂车列至将车列牵出到车列尾部腾空该线所用的时间，即牵出时间tQC。准备进路时间按照车站具体作业规定得出，当车站事先准备好进路时，该值取0。空程过程一般采用加速—定速—制动型调车程，将整个空程时间分为加速阶段、匀速阶段和减速阶段，分别计算每一段的时间再加和，就构成了调车机车空程走行总时间。车列牵出过程一般采用加速—定速的模式，分别计算后加和即得。另外，如果涉及非占用正线进行调车等作业，则其对车站通过能力影响有限，此时不再单独考虑附加列车占用咽喉时间。综上所述，套轨铁路车列牵出时间计算方法和计算公式可表示为

式中：tCQ为车列牵出占用咽喉时间，min；tZB为准备进路时间，当车站事先准备好进路时该值取0，min；tKC为调车机车从牵出线指定地点出发到指定到发场空行的时间，min；tZY为调车机车连挂车辆的作业时间，min；tQC为车列牵出作业时间，调车机车完成连挂车辆作业至将车列牵出至车列尾部腾空该线时止的时间，min；LQD为调车机车由牵出线指定地点至到发场的空行距离，m；VQD为调车机车由牵出线指定地点至到发场匀速行驶时的速度，km/h；aKC1，aKC2分别为调车机车由牵出线指定地点至到发场的空行过程中加速阶段和减速阶段的加速度，m/s2；LQC为车列自到发场至牵出线牵出时行经的距离，m；VQD为调车机车由牵出线指定地点至到发场匀速行驶时的速度，km/h；aQC为车列自到发场至牵出线牵出过程的加速度，m/s2。

车列转线过程与此类似，其时间参照上述方法解决。

3.3 咽喉区各道岔组总占用时间

咽喉区各道岔组占用总时间表示为

式中：T为咽喉区各道岔组总占用时间，min；nZJ，nJF，nFZ，nFF分别为列入计算中一昼夜占用道岔组准轨列车到达、非准轨列车到达、准轨列车出发、非准轨列车出发的列车数，列；tZJ，tJF，tFZ，tFF分别为列入计算中一昼夜占用道岔组准轨列车到达、非准轨列车到达、准轨列车出发、非准轨列车出发占用时间，min；∑tD为一昼夜调车作业占用道岔组的总时分，min；∑tG为一昼夜固定作业占用道岔组的总时分，min；∑tF为由于列车、调车或机车作业占用该道岔组敌对进路上的其他道岔组，而须完全停止使用该道岔组的总时分，min；nCQ，nZX分别为列入计算中一昼夜占用道岔组车列牵出作业、车列转线作业列车数，列；tCQ，tZX分别为列入计算中一昼夜占用道岔组车列牵出作业、车列转线作业占用时间，min；tQ为一昼夜其他作业占用时间，min。

3.4 咽喉道岔(组)通过能力利用率

咽喉道岔(组)通过能力利用率的计算如下。

式中：K为咽喉道岔(组)通过能力利用率；∑t固为一昼夜调车作业占用道岔组的总时分，min；γ'空为考虑咽喉道岔(组)的空费时间和间接妨碍时间扣除的系数。

3.5 咽喉道岔(组)通过能力

咽喉道岔(组)通过能力计算如下。

式中：n为列入计算中接入或发出的列车数，列。

套轨铁路中间站到发线采用不同轨距线路分场布置的形式，彼此独立存在。套轨铁路车站到发线通过能力不同于咽喉区。套轨铁路实现了不同轨距列车共线运行的功能，但是对于咽喉区而言，由于其作为列车进出站作业的必经场所，所以无论是哪种轨距的列车，在咽喉区都存在时间和空间上的间隔。到发线区别于咽喉区，不同轨距列车经过咽喉区后进入各自轨距的到发场进行后续作业，各轨距到发场单独存在和控制，不受另外轨距列车和到发场的影响。因此，套轨铁路中间站到发线通过能力拟采用分别计算各到发场通过能力，最后进行汇总的方法。

4 基于套轨铁路新建车站的区间通过能力计算方法研究

根据前述分析，套轨铁路需要在满足既有铁路运行列车实际运输需求的前提下，保留原属地国列车数，以此为基础铺画线路嵌套后标准轨距列车，计算出套轨运输能力的增加值，并检验该增加值能否满足车站远期预测运量。因此，套轨铁路提高运输能力宜采取以下方法。

（1）如果在原属地国既有列车运行方式和运行图铺画不变的情况下，将增加的标准轨距线路运输任务铺画进既有运行图中，利用既有路网列车运行图的空闲时间完成标准轨距列车运输任务，此时能够满足标准轨距列车远期预测运量，则不改变既有线路相关设置。

（2）如果不改变原属地国既有线路相关设置，但由于改建线路等原因导致运输能力无法满足当地既有轨距线路列车运输任务和新增标准轨距线路列车远期预测运量，可以微调既有列车运行图，降低车站间隔时间和追踪列车间隔时间、“天窗”时间等，或者采用调整既有轨距与标准轨距追踪列车间隔时间的方法，在不影响既有轨距线路运输能力的情况下，提高标准轨距线路运输能力。

（3）如果上述微调既有线路列车运行图等方法仍然无法满足运输需求，可以考虑部分既有轨距线路运输任务转移到标准轨距线路列车完成的方法。具体来说就是针对既有线路列车的运输任务中数量较小、时限要求不高、运输路线与套轨一致但是运行过程中因第三方原因停站等作业较多、运输耗时而需要较长时间占用既有线路的部分货物，可以将其利用标准轨距列车运输。这样可以腾空该部分货物运输需要占用的运行图，且不影响其正常运输和到达。

5 结束语

随着“一带一路”国际通道的不断发展和铺开，亟需提出和完善套轨铁路相关配套设施、新建车站布置方法和运能分配计算方法等，为后续套轨建设的顺利实施和运用提供思路和参考。以丝绸之路经济带为研究背景，以套轨铁路形式为研究对象，根据套轨铁路的定义、分类和优缺点等基本情况，首先提出套轨铁路车站咽喉区以单开道岔将两轨距线路依次分场布置、套轨正线贯通的套轨铁路中间站布置形式，经比选和分析可知，该布置方法在实现中间站基本功能的基础上，降低了道岔平面和站场布置复杂程度、减少了车站作业交叉干扰、提高了列车运行安全性，具有较高的实用性。其次提出了以加速度为计算要素、基于不同列车种类和作业类型的车站技术标准占用时间查定方法来计算咽喉区通过能力的计算思路和方法，该方法相比于传统单一轨距车站咽喉区通过能力计算方法，将列车不同作业过程具体化、细致化，避免了传统查定方式使用平均速度的概略性和不准确性，在一定程度上提高查定数据的可靠度和实用性，同时也为套轨铁路车站通过能力计算提供思路和方向。第三，根据套轨车站各轨距线路分场布置这一基础条件，提出分别计算不同到发场通过能力，最后汇总得到车站到发线通过能力的计算思路。最后提出调整既有列车运行图降低各类间隔时间、采用标准轨距列车担负部分既有轨距运输任务等方法优化和提高套轨铁路通过能力。