铁路扩能改造方案效果研究

帅娟马波涛

（1中铁工程设计咨询集团有限公司 工程师 ，北京 100055；2铁道部经济规划研究院 助理研究员，北京 100038）

随着经济社会不断发展，铁路运输需求不断增长，部分铁路运输能力已不能满足需要，应新建铁路项目或对既有线进行扩能改造。既有线进行扩能改造的方案很多，选取何种方式既能够满足运量增长的需求，又能节省工程投资和运营成本，是一个值得研究的问题。需要科学、合理地分析不同改扩建方案对运输能力的提升程度，并给出直观的评价指标，供铁路规划建设作参考。

1 铁路运输能力定义与扩能改造方案的分类

铁路运输能力是对铁路通过能力和铁路输送能力的统称。铁路通过能力是指一条铁路线，在采用一定类型的机车车辆和一定的行车组织方法条件下，根据铁路区段的各种固定设备，在单位时间内（通常指一昼夜）所能通过的最多列车对数或列车数[1]。

线路平行运行图区间通过能力的计算公式如下：

式中：N为平行运行图最大区间通过能力；n周为一个运行图周期中所包含的列车对数或列数；t固为运行图天窗维修时间和其他附加时间之和；d有效为区间可供有效利用的系数；T周为运行图周期时间。

影响铁路运输能力的因素很多，“硬件”因素包括区间的正线数目，区间长度，线路平纵断面，牵引机车类型，信号、联锁、闭塞设备，线路及供电设施日常保养维修的机械设备等；“软件”因素包括运输组织模式和运营管理水平等。提高铁路的通过能力和输送能力主要依靠改善这些软硬件因素，主要扩能改造方案包括优化运输组织、工程改造、设备改造和动力更新等几类，具体各类改造方案见图1。

2 各种扩能改造方案效果分析[2-3]

2.1 优化运输组织

优化运输组织方案主要是通过加强运营组织，挖掘既有设备的潜力，推迟工程和设备改造的时间，以节省工程投资，充分发挥既有设备的效用[4]。通常情况下，缩短运行图周期时间T周是增加通过列车对数的主要方法。在单线半自动闭塞区段，通常采用成对非追踪运行图，则

式中：Σt运为上下行列车的区间纯运行时分；Στ站为车站间隔时分；Σt起停为列车起停附加时分。

在采用一定类型的机车和一定的列车牵引质量的条件下，区间运行时分Σt运是固定不变的，因而想要缩小T周，只有设法缩小Σt起停+Στ站的数值。在行车组织方面，可采取改变列车会车方式、移动运行图周期、单线不成对运行等技术措施。例如改变会车方式可通过在限制区间合理地安排列车运行线的铺画方案来实现，如：上下行列车不停车通过车站而进入区间（见图2-a）或开出区间（图2-b），以及上行或下行列车不停车通过区间两端车站（图 2-c、图 2-d）等。

一般会车间隔（τ会）采用2～3 min小于不同时通过间隔（τ不）4～6 min，停车时间（t停）采用1～2 min小于起车时间（t起）2～3 min。若将限制区间的会车方式调整为上下行列车不停车通过车站而开出区间 （图2-b），Σt起停+Στ站时分将变成τa不+τb不+2t起，较之其余3种会车方式，运行图周期可缩短1～2 min，相应地可提高该区段的通过能力。若运行图周期缩短时间采用2 min，通过能力提高率可简化为

不同既有运行图周期情况下的能力提高见图3。

可以看出，通过能力提高的程度跟既有运行图周期有关，既有运行图周期越大，能力提高越小。单线区段通过调整会车方式，通过能力大约能提高5%～11%，能力提高有限。同时，在选择限制区间列车运行线的合理铺画方案时，还应当考虑到区间两端车站的具体条件，应尽量避免出站方向有较大上坡道，尽量按轻车停车、重车通过的原则铺画运行图，防止列车出发起动困难，影响能力的提高。

2.2 改换信号、联锁、闭塞设备

改换信号、联锁、闭塞设备措施的主要方式有调度集中和自动闭塞。以单线调度集中为例，列车成对不追踪运行时，其通过能力：

一般半自动闭塞的车站不同时到达间隔时分为 4～5 min，采用调度集中后可减为 3～4 min，而会车间隔时间可由2～3 min压缩到1 min[5]，因此列车运行图周期也可缩短2～3 min，与改变会车方式的扩能结果相近。若运行图周期缩短时间采用2 min，通过能力提高率可简化为

单线调度集中，列车成对追踪运行时，其通过能力：

式中：K为每一追踪运行列车组中的对数，一般采用2；γ追为追踪系数，即追踪列车数与列车总数之比；为上下行列车追踪间隔时分，一般 I1=I2，采用 7～10 min，用 I表示。

单线自动闭塞追踪运行能力影响的分析与调度集中追踪运行相类似，本文不再详细论述。

2.3 增设车站、线路所

2.3.1 单线增设车站

对于单线非自动闭塞铁路，区间距离长、且能力不均衡时，采取加站或移站的扩能改造方案，是消除控制区间、提高通过能力的有效措施。若按加站位置为理想状态，加站后两区间的走行时分相等，此时加站后的运行图周期：

因此通过能力提高率为：

可以看出，只有当加站前运行图周期T>Σt起停+Στ站时，通过能力才能提高。令Σt起停+Στ站采用10 min，由图5可以看出，限制区间既有运行图周期越大时，增站后该区间提高的通过能力就越多，通过能力大约能提高33%～60%。不过通常情况下，原限制区间增站后，该线通过能力可能会受其他区间限制，因此，全线的通过能力提高率并不同步增加，一般情况下，增站方案可提高全线通过能力20%～25%。

2.3.2 双线增设线路所

在地形条件允许的情况下，线路所应尽量设在控制区间的中部（即使能力提高得最大，此时通过能力提高率为：

由图6可以看出，双线半自动铁路单方向区间运行时分越长，增设线路所后提高的通过能力越多，通过能力大约能提高55%～80%。可以看出，双线区段设置线路所对能力的提高很可观，但对旅行速度的提高不显著。

2.3.3 单线区段增设线路所

当上下行列车成对运行时，设置线路所后，可组织连发运行；而在上下行列车数不相等的单线区段，设单方向线路所后，也可组织列车不成对连发运行。单线区段设线路所后能力的提高程度不仅与既有区间的平行图周期T有关，还受连发系数γ连影响。γ连越大，能力提高越多，不过连发车数越多，线路所两端的车站配线数将增多，工程投资亦增大；而若γ连过小，能力提高的程度又有限，如在上下行列车成对运行的线路上组织连发，当γ连<0.5时，通过能力提高率不超过10%。因此，本文不再详细论述。

2.4 双线或部分双线改造

未装设自动闭塞的双线区段，通常采用连发运行图，其通过能力其中t运为上行或下行列车单侧运行时分 （min），τ连为列车连发间隔时分，后进列车在车站起车的连发时间2～3 min、后进列车在车站通过的连发时间4～5 min。此时，半自动闭塞双线比单线通过能力提高率100%。 若 t上=t下=t运，（Στ站+Σt起停）=10 min、τ连=4 min，此时通过能力提高1倍以上。

双线铁路自动闭塞线路，通常采用追踪运行图，运行图周期时间等于追踪列车间隔时间I。双线自动闭塞的通过能力通常情况下I采用7～10 min；而双线半自动闭塞，其运行图周期T周=t运单+τ连， t运单为上行或下行列车单侧运行时分，τ连为列车连发间隔时分，后进列车在车站起车的连发时间为2～3 min、后进列车在车站通过的连发时间4～5 min。双线自动闭塞比双线半自动闭塞通过能力提高率为若 I采用 8 min、τ连采用4 min，此时通过能力提高率见图7。双线采用自动闭塞后，区间通过能力提高十分明显，且随着运行图周期越大而增大。

部分双线作为修建双线的过渡，同样可以较大幅度地提高平行运行图通过能力，一般为40%～50%，本文不再赘述。

2.5 更新牵引种类、机车类型

在地形平坦的铁路上，电力机车与内燃机车的运行时分基本差不多，而电气化线路由于受接触网维修的影响，综合维修天窗较内燃线路长（单线长30 min、双线长50 min），会占用部分区间通过能力，因此线路输送能力的提高有限。在山区或足坡地段多的线路上，由于内燃机车的计算速度普遍较低，此时采用电力牵引，货车旅行速度提高较为明显，可相应提高线路的通过能力。

3 铁路既有线扩能改造方案的选择

通过以上分析可以看出，不同扩能改造方案的实施效果有较大差异，每种扩能改造方案均能提高线路能力，但其适用条件各不相同，需根据具体情况进行比选。

优化运输组织方案因改造简单、投资省，是既有线扩能改造时最先考虑的措施，但其对通过能力提高的程度有限，仅为5%～11%，同时还要考虑改造区间的相邻车站是否具备优化条件。因此该类措施多用于既有线扩能的应急及临时方案，或是在各区间能力不均衡时，通过提高局部区间能力，消除或转移限制区间以提高全线的通过能力。当线路能力缺口较大，技术组织措施已不能满足需要时，则需采取技术改造措施。

改变信号、联锁、闭塞设备方案可以提高通过能力10%～25%。该类方案的应用也有其局限性，以单线自动闭塞为例，由于列车在区间任何地方都存在停车的可能性，为了避免列车坡停后起动困难，或难以不超过20 km/h最高速度继续运行，对于坡度大、隧道多、曲线半径小的线路，以及通过色灯信号及显示条件不良等情况，一般不宜采用自动闭塞。

单线非自动闭塞铁路，区间距离长、且能力不均衡时，采取加站或移站的扩能改造方案，是消除控制区间、提高通过能力的有效措施，可以提高通过能力33%～60%，因此被广泛使用在单线初次技术改造中。该类方案工程投资省、收效快，对提高通过能力有明显的效果；但由于开站数量多，增加了车站定员，运营期列车起停费与站线维修费亦相应较高；且由于列车会车停站次数增多，旅行速度有所降低，影响运输质量的提高。

增设线路所是既有线改造加强区间通过能力的一种有效方案，此种扩能方案设备简单，投资少，效率高，在单、双线区段，干、支线均可采用。当双线半自动闭塞区段能力饱和时，在每个区间或控制区间增设线路所可推迟自动闭塞的时间，节省工程投资，提高运输效率，通过能力可提高55%～80%；在单线半自动闭塞铁路控制区间设线路所时，可通过组织列车连发提高通过能力，尤其在列车不成对的区段组织列车单方向连发运行，不但能提高单线区间通过能力，还能提高旅行速度，但运营组织较为复杂。在设有避难线的区间不能设线路所，在长大下坡道的区间也要慎重选用。

双线改造是提高既有线通过能力最有效的方案。通常情况下，双线半自动闭塞比单线通过能力提高100%以上，双线自动闭塞比双线半自动闭塞提高75%～300%。由于双线改造投资大，可采用双插（部分双线）作为双线改造的过渡和应急工程，推迟双线或重点工程（如大桥、长隧道的双线工程），达到缓期投资的经济效果。

4 结论和建议

不同扩能改造方案对通过能力的提升效果不同，采用单一的措施进行扩能改造通常难以达到预期效果，需对扩能措施进行优化组合。在选取既有线扩能改造方案时，不仅要考虑提升能力是否满足本线的客货运输需求，还要从以下原则入手：第一，要根据全国铁路路网规划，确定线路在路网中的地位和作用，考虑与相邻线路技术标准相匹配，以路网系统优化为原则进行多方案的综合比选论证；第二，要做整体规划、分步实施，结合路网功能与定位，以最终发展规模为目标，合理确定研究年度的改扩建工程，在满足能力需求的基础上，采取分期扩能、逐步加强的改造措施；第三，要将各种方案的实施效果与运输需求、工程实施以及运营管理、投资效益结合起来统筹考虑，以提高资金的利用率，降低投资风险。

[1]孔庆钤，刘其斌.铁路运输能力计算与加强[M].北京：中国铁道出版社，2004

[2]中华人民共和国铁道部.铁路区间通过能力计算办法[M].北京：中国铁道出版社，1998

[3]胡思继.铁路行车组织[M].北京：中国铁道出版社，2001

[4]王文广.深化运输组织改革 推进铁路生产力发展[J].铁道经济研究，2005（5）：40-43，46

[5]铁道部第二勘测设计院.铁路工程设计技术手册：铁路运量与行车组织[M].北京：中国铁道出版社，1992

[6]闫海峰.单位追踪列车数与车站配线数的关系研究[J].铁道运输与经济.2006,28（10）：77-79