铁路既有线发展重载运输的模式研究

杜旭升

（中国铁道科学研究院 运输及经济研究所，北京 100081）

1 概述

铁路开展重载运输是世界铁路发展趋势之一。铁路重载运输因具有运能大、效率高和成本低等优势而受到世界各国的广泛重视。根据北美铁道协会统计结果表明[1]，1994—2009年，美国铁路直线和曲线上钢轨的使用寿命分别延长了 12%、24%～69%，商业运营的每吨公里燃油消耗量降低了 25%，同时列车安全性也得到了大幅度提高。在相同运量条件下，重载运输主要通过减少司机数量、装卸费用、车辆采购费用、轮轨磨耗、燃油消耗等途径提高运输效益，有些费用降低十分显著。因此，铁路货运采用重载运输能够带来良好的预期效益。

国际重载运输协会 2005年对重载运输的定义进行了新的修订，在以下 3 个条件中至少满足 2 条才能称为重载铁路：重载列车牵引质量至少达到 8 000 t；轴重达到或超过 27 t；在长度至少为 150 km 的线路区段上运量至少达到 4 000 万 t。我国铁路目前只有大秦线、大包线等少数线路可以满足这一标准。

我国大秦线大量开行 2 万 t 列车、大包线大量开行 1 万 t 列车，在大幅提高运能的同时也创造了非常好的经济效益，为我国既有线发展重载运输起到示范作用，特别在重载运输线路改造与维护、集疏运一体化运输组织和运输效益拓展方面，积累了大量经验。但是，铁路既有线开行重载运输依然存在诸多问题，针对既有线轴重种类和牵引总重的合理匹配，符合运输需求需要选择组合列车、单元列车和普通整列式重载列车的类型，在确定列车总重后需要确定到发线有效长、牵引机车类型与功率、重载车站间距、技术作业站改造方案等方面，仍然需要进一步研究和探讨。

2 既有线基础设施的适应性分析

2.1 既有线桥涵结构及强度的适应性

据统计，既有线桥梁基本类型中钢筋混凝土梁比重最大，占全部孔数的 50.5%；预应力混凝土梁占全部孔数的 41.9%；钢梁占全部孔数的 5.1%；其他梁占全部孔数的 2.6%。既有桥涵中，7.7%、55.4% 和20.9%的钢筋混凝土梁分别采用中-活载图式、中-22活载图式和中-22 以上活载图式设计；53.3%和46.2%的预应力混凝土梁分别采用中-活载和中 -22活载设计；35.1% 的钢梁采用中 -22 活载图式设计，53.3% 的钢桥采用其他活载标准设计[1]。

为了确定既有线桥涵对重载车辆轴重的适应性，需要从列车运行时线路的竖向、纵向、横向 3 个方面进行试验分析。从大秦线的运营经验看，20 世纪90年代修建的预应力混凝土梁仅可以满足轴重 25 t 的C80列车的运行要求；如果进一步提高轴重，将出现预应力混凝土梁抗裂安全系数不足等问题，影响结构的正常、安全使用。因此，对于中等跨度预应力混凝土梁，在开行重载货物列车前，应确保活载作用下结构的抗裂安全系数满足要求。

根据我国既有线桥涵结构现状，通过强化小跨度钢筋混凝土桥涵结构和对部分特殊结构进行改造，既有线桥涵结构可以适应 25 t 轴重专用货车 ( 每延米8.33 t ) 和通用货车。在此基础上，通过开展系统的试验研究和长期监测工作，进一步完善轮轨管理和养护维修体制，降低轮轨动力作用，可以进一步将通用货车轴重提高到 27 t ( 每延米 7.94 t )。

2.2 既有线隧道结构及强度的适应性

铁路既有线隧道存在的问题主要是病害。病害类型包括：Ⅱ类、Ⅲ类围岩 ( 旧围岩分类 ) 情况，病害发生之处设计均采用直墙结构和较薄的基底，对于大跨度软岩隧道设计没有采用曲墙和仰拱。重载铁路实践表明，隧道基底设计过薄，基底病害往往发生于运营后的一段时期并不断恶化；运营通风效果差和运煤煤粉污染严重，双线隧道难以利用列车的“活塞作用”来发挥隧道的自然通风作用，双线隧道内列车相向而行，气流紊乱，大量粉尘滞留洞内；隧道防排水没有很好解决，因而带来隧道的一系列病害。既有线隧道基底经过一定时间运营后，在隧道底部出现基底开裂、破损、下陷，向两侧外挤及翻浆、冒泥等现象。

对于隧道结构来说，其安全性主要由仰拱与拱脚控制，表现为仰拱动压应力和拱脚动拉应力。在货车动荷载作用下，轴重、轴距、定距、车速及钢轨类型等因素对既有双线铁路隧道结构的受力具有一定的影响，但轴重的影响最大，定距、轴距及车速等因素的影响次之。对目前通用货车通过隧道结构的动力学计算表明[1]，既有线开行重载货物列车轴重从 23 t 提高到 27 t 后，既有隧道基底结构所受荷载值小于材料强度允许值，基本满足通用货物列车的安全运输要求。

2.3 既有线路基工程的适应性

既有线路基状况与道床厚度有很大关系。路基存在的问题是道床污染较重，含水率较高，路基填料大量采用性质较差的细粒土，压实标准偏低，有些线路存在冒泥、冻害、暗洞、边坡冲刷失稳等现象。

根据测试，路基动荷载的幅值受车速的影响相对较小，95% 范围内的速度影响系数在 0.004 以内。不同轴重列车的路基动荷载范围幅值受车辆轴重的影响十分显著，与轴重基本成正比。对于 27 t 和 30 t 轴重下的路基动应力最大值将分别达到 108 kPa 和 120 kPa，30 t 轴重相较于 25 t 轴重下的路基面动应力将增大 20%。

随着轴重的增加，稳定安全系数逐渐降低。列车轴重由 22 t 提高至 25 t，路基稳定安全系数降低至1.15 左右，基本满足原设计规范要求。而轴重提高至27 t 时，路基稳定安全系数降低至 1.13，低于原设计规范的要求，更低于新规范的要求。

综合分析既有路基填料动力性能和列车动荷载，既有线路基基本满足开行 25 t 轴重列车的条件，但需要对细粒土基床上部结构进行检测评估；开行 27 t 轴重列车需要对既有路基进行系统性检测和评估。

2.4 既有线轨道结构的适应性

经 6 次提速，我国铁路旅客列车速度达到120 km/h及以上的线路里程已达 2.2 万 km 以上；正线 60 kg/m及其以上钢轨占正线钢轨的 80% 以上；正线无缝线路营业里程 6 万 km 以上。既有线主要轨道结构如下。

（1）钢轨。60 kg/m 钢轨，既有线客货共线铁路钢轨主要采用 12.5 m、25 m 定尺钢轨，钢轨主要为U71Mn、U75V、U76NbRE 钢轨。在小半径曲线采用热处理钢轨。钢轨的强度等级不高，钢轨疲劳性能对重载铁路的适应性不强。

（2）轨枕。既有客货共线铁路主要采用 Ⅲ 型或Ⅱ 型轨枕。Ⅱ 型轨枕在大秦、大包线上使用时，出现了明显的伤损，不适应25 t 重载运输的要求。

（3）扣件。扣件主要为 Ⅱ 型或 Ⅲ 型扣件。Ⅰ 型弹条扣件已经逐步更换为 Ⅱ 型弹条扣件。

（4）道床。道床采用单层或双层结构。允许速度大于 120 km/h 的线路，无垫层时一般路基区段碎石道床厚度不小于 450 mm，碎石路基、桥上及隧道内道床厚度一般要求不小于 350 mm。

（5）道岔。既有线道岔为可动心轨道岔或固定式道岔，60 kg/m 固定型主要为 12 号道岔，辙叉有高锰钢铸造、奥贝体合金钢、贝氏体合金钢辙叉，速度超过 160 km/h 的区段采用可动心轨辙叉。在京沪、京广等主要干线，道岔采用无缝道岔结构，可动心轨道岔除绝缘接头采用胶接绝缘接头外，其余接头全部焊接；固定型道岔辙叉前后接头及曲股接头一般采用冻结接头，其余接头全部焊接。

通过既有线开行 25 t 轴重 ( C80型 ) 货物列车的动态试验，对于曲线半径为 600 m 的线路，脱轨系数、钢轨垂移、轨枕垂移、轨头横移、轨距扩大明显增加，外轨横向力显著增大。由于 C80型万吨大列对半径为 600 m 的曲线线路动力作用较大，对轨道的破坏较为严重，轨道部件伤损严重，轨道几何状态不易保持，造成轨距、水平等静态几何尺寸偏差易超限，加剧了轮轨动力作用，增大了轮轨动力冲击，对安全运营带来一定的隐患。

25 t 轴重货物列车侧向通过 12 号道岔时，脱轨系数、外轨横向力、轨头横移、轨距扩大明显增加，运营安全储备量已经很小，对运营安全造成较大的隐患。轴重增加使轨道结构的受力明显增加。货车轴重由 23 t 增加到 27 t 时，钢轨应力、枕上压力、道床应力、基床表层压应力均增大约 18%。在特殊区段 ( 如道床硬化、道床脏污严重等轨道刚度较大的区段 )，货车 27 t 轴重下，采用 Ⅱ 型混凝土轨枕时，轨枕弯矩、道床应力、基床表层压应力已经无法满足要求，Ⅱ 型混凝土轨枕无法适应 27 t 轴重货车的运营要求。

根据分析，既有线钢轨基本适应开行轴重不大于25 t 货物列车的要求，轨枕和扣件应采用 Ⅲ 型混凝土枕及配套扣件；道床应采用一级碎石道砟，双层道床结构，垫层厚度 20 cm，枕下道床厚度 30 cm；正线道岔应采用 18 号及以上固定辙叉或可动心轨道岔。

3 牵引机车的适应性分析

3.1 主型货运机车的起动牵引质量

机车的起动牵引力必须大于全列车各种阻力之和才能满足起动需要，并且能够在所有列车可能停车的坡道上均能起动。一般机车的起动牵引力远大于持续牵引力，起动时主要受车轮粘着牵引力限制，功率不可能得到全部利用。在实际起动操纵时，可以采用首先压缩车钩空隙，然后逐辆牵引起动的方式，起动阻力并不是特别大，但在较大的坡道上，逐辆起动受到一定限制。主型货运机车在不同坡度上的起动牵引质量如表 1 所示。

3.2 主型货运机车在限制坡度的牵引质量

列车运行时，机车牵引力应满足区段限制坡段上以不低于机车最低计算速度顺利运行，并考虑牵引力有一定富裕量。机车牵引力一般采用计算牵引力，功率利用系数取 0.9。主型货运机车在不同坡度上的牵引质量如表 2 所示。

将同一机车在相同坡度上的起动牵引列车质量与牵引列车质量相比，一般前者大于后者。但这一般坡度与限制坡度不是同一坡段，通常运营中尽可能要求列车在限制坡道上不停车。如果机车在一般坡度与限制坡度上牵引质量有较大差别时，应采用增加补机的方式提高区段列车牵引定数。

3.3 列车长大下坡道牵引质量与限速计算

3.3.1 列车在坡道上常用制动实现减速

重载列车在线路上运行，特别是在长大下坡道上运行需要满足列车制动 3 个方面的要求：一是在坡道上实行常用制动时，列车可以正常减速；二是在坡道上实行紧急制动时，列车可以在规定的距离内停车；三是长大下坡道列车可以实现连续制动而不失控。

货运机车的起动牵引力在 400～620 kN 之间，通常列车的制动力大约是机车起动牵引力的 3～5 倍。同样在 6‰ 的坡道上运行，机车制动产生的加速度比牵引力产生的加速度大 3～5 倍。因此，在列车正常制动时，实现减速是确定的。

大秦线 2 万 t 列车常用全制动试验时，3 台机车或 4 台机车牵引。在平道上，列车运行初速 78.9～80.5 km/h，实际全制动距离在 901～1 180 m；在12‰的长大下坡道上，列车运行初速 76.0～80.9 km/h，实际全制动距离在 1 286～1 697 m。

其他类型机车常用制动距离如表 3 所示。

根据计算，在常用制动情况下，2 台机车牵引8 000 t及以上列车，各种坡道情况下全制动距离在429.9～1 061 m 之间，能够满足制动距离不大于1 200 m 的要求。列车紧急制动力大约是起动牵引力的 10～16倍。万吨列车以 80 km/h 运行时，按 2 台HXD1机车牵引计算，具有动能为 2.57 × 106kN · m；制动到完全停车需要走行 559 m，另外，制动前空走距离约 60 m，合计制动走行 619 m。在长大下坡道上进行紧急制动时，制动距离会显著增加。

大秦线 2 万 t 列车紧急制动试验时，2 台机车或 4 台机车牵引。在平道上，列车运行初速 75.5～78.1 km/h，实际紧急制动距离在 537～671 m；在12‰的长大下坡道上，列车运行初速 74.9～81.1 km/h，实际紧急制动距离在 680～956 m。

3.3.2 列车在长大下坡道上重复制动

实际的运营线路经常会有长大下坡道，特别是山区，下坡超过 6‰，坡长有几公里甚至几十公里。列车在长大下坡道上运行时，为了不使运行速度超过规定速度，没有动力制动装置的老式机车 ( 如 DF 和 DF4型内燃机车 )，需要采用周期性的空气制动，反复进行制动、缓解操作，直至驶出长大坡道。当机车具有动力制动装置时 ( 如电阻制动 )，在长大下坡道上常用制动主要靠空气制动，在副风缸充风时，采用动力制动，充风完成再采用空气制动，因而不需要进行重复制动的检验。

4 铁路货运车辆的适应性分析

4.1 铁路货车类型与轴重

根据统计，铁路敞车占全部车辆比重的 67.3%，主要运输散堆装货物，是我国铁路货车的主体；棚车占全部车辆的 16.3%，主要运输高附加值货物，二者合计占铁路车辆总数的 84.6%。其次，铁路载重70 t 及以上的车辆仅占全部车辆的 26.1% ( 2010年统计数据)，C80型等重载车辆主要用于重载专线，C70型等通用重载车辆还没有成为既有线的核心车型。从2006年开始，国铁已经不再购置 21 t 轴重货车，现在平均每年新投入载重 70 t 及以上货车约 3.37 万辆，全部更换轴重 21 t 以下货车仍然需要 15年以上。

表 1 主型货运机车在不同坡度上的起动牵引质量 t

表 2 主型货运机车在不同坡度上的牵引质量 t

表 3 其他货运机车 ( 2 台 ) 牵引 8 000 t 以上列车的常用制动距离

我国铁路货车轴重与美国、加拿大、澳大利亚等国家相比，还存在较大差距。我国最大轴重的货车是C80型敞车，装运货物后车辆总重 100 t，美国及北美国家最大货车总重 142.4 t，相差 42.4 t。因此，我国铁路货车向大型化、重载化发展仍有很大空间。大轴重货车运用受铁路基础设施的限制，货车换型也需要较长的周期，采用轴重 21～23 t 货车开展重载运输，或者开行重载列车依然是铁路既有线的可靠选择。

4.2 货车车钩受力适应性分析

4.2.1 既有线车辆类型及车钩允许受力情况

列车运行过程中，车钩承担着列车纵向力的传递。为保证列车运行的安全，应使列车在各种工况下运行时，车钩及附件的受力低于其设计强度，并留有一定安全余量。主要运营车辆及车钩类型如表 4 所示。

根据铁路各类车钩制造标准及有关资料，车钩最小允许拉荷载情况如表 5 所示，车钩缓冲器的容量如表 6 所示。

由表可知，对于钩体来说纵向拉力不应大于2 800 kN，对于车钩缓冲器来说压缩力不应大于2 200 kN。超过这个范围，车辆运行将存在安全隐患。

4.2.2 重载列车牵引时车钩受力情况

重载列车牵引制动试验主要在大秦线进行。万吨列车组合试验分别采用了 8K、SS3、SS1等电力机车，8K 和 SS3采用单机牵引 123 辆 C63型货车 ( 平均每辆车总重 81.5 t )；SS1型机车采用 2 台机车牵引，其中 1 台机车位于中部，牵引 123 辆 C61型货车；分别进行了起动、紧急制动、调速运行等试验，积累了大量测试数据。这些试验与既有线开行万吨列车情况基本类似，测试数据可以为既有线开行重载列车参考。

列车起动时牵引力逐步上升，随着时间延续，机车车钩力越来越大，最后达到一个稳定值。这与列车起动司机操纵方式有关，司机在起动时，会逐步将牵引控制手柄提高到最大，然后稳定运行。8K 机车最大牵引力达到 800 kN，SS3机车达到 631 kN，SS1机车达到 338 kN。将机车最大起动牵引力与各种车钩允许受力比较，起动牵引力小于车钩允许拉力值。因此，可以认为起动阶段各类车钩在安全范围之内。

当运行列车紧急制动时，纵向力沿车长分布是中间较大、两端较小，制动压缩力与制动初速度、操纵方式及机车类型有关。对 8K 机车牵引万吨列车，紧急制动初速度 32.7 km/h，最大压缩力 1 360 kN，出现于第 93 位车辆；SS 机车牵引万吨列车，紧急制动初速度 63.7 km/h，最大压缩力1 050 kN，出现于第75 位车辆；SS1机车牵引万吨列车，紧急制动初速度67.4 km/h，最大压缩力1 848 kN，出现于第 60 位车辆。

表 4 主要运营车辆及车钩类型

表 5 车钩最小允许拉载荷 kN

表 6 车钩缓冲器容量

列车进行紧急制动时，车辆由前向后迅速制动，在列车中首先出现较大压缩力，该力由前向后传递，当列车全部处于压缩后迅速反弹，形成较大的拉伸力，由列车后部向前传递。8K 机车紧急制动的初速较低，制动后未出现拉伸即停车，因而没有拉伸力；SS3机车紧急制动时，最大拉伸力 690 kN，发生在第 30 辆车位置；SS1机车紧急制动时，最大拉伸力1 200 kN，发生在第 62 辆车位置。

拉伸力大小受车钩类型影响较大，专用 C63、C70、C76、C80型车等采用新型车钩，车钩间隙小，列车制动时冲动小，停车平稳。C61型货车是老型货车，车钩间隙大，制动时间隙效应明显，列车制动时冲动大。C61型货车装备 13 号车钩，破坏强度不大于2 820 kN，与其配套的 2 号缓冲器的容量为 18 kJ，试验中的最大压缩力 1 848 kN，最大拉伸力 1 200 kJ，在安全范围内，但安全余量偏小。

重载列车在运行过程中受坡度、环境因素等影响，经常需要进行调速制动。8K 机车牵引万吨列车进行调速制动时，试验的最大车钩压缩力为560 kN，缓解时最大车钩拉伸力为 380 kN，缓解拉伸后最大反弹压缩力为 618 kN；SS 牵引万吨列车进行调速制动时，试验的最大车钩压缩力为 916 kN，最大车钩拉伸力为 400 kN；SS1牵引万吨列车进行调速制动时，试验的最大车钩压缩力为 1 596 kN，压缩后反弹最大压缩力为 1 078 kN。列车运行调速制动中，车钩最大压缩力和拉伸力均小于紧急制动工况，因而钩车受力均处于安全范围。

5 既有线货物品类的适应性分析

从运输的货物看，我国主要货物品类除焦炭、集装箱等轻浮货物外，都适合采用重载车辆和重载运输方式，集装箱列车采用双层装载方式，也可以编组重载列车。各种主要货物品类所占比重如表 7所示。

6 闭塞区间距离的适应性分析

目前，我国铁路既有线主要采用的闭塞方式有4种：站间半自动闭塞、三显示自动闭塞、四显示自动闭塞、CTCS-2 列控方式。站间半自动闭塞主要用于单线铁路，开行重载列车在国内通霍线、南昆线，以及南非、巴西铁路等均有实例。三显示自动闭塞的分区距离一般为 800～1 200 m，适应列车运行速度小于 120 km/h、牵引列车质量小于 4 000 t、紧急制动距离不超过 800 m 等情况。开行 8 000 t 及以上重载列车后，列车速度一般在 80 km/h 以内，但在较大下坡道紧急制动距离可能超过 800 m，增加了列车冒进信号的危险，因此要求列车采用更低的运行速度。如果经试验或牵引计算证明闭塞分区距离不满足重载列车制动距离要求时，应对闭塞分区进行重新划分。四显示自动闭塞的分区距离一般为 800～1 200 m，适应既有线提速线路，列车运行速度小于 160 km/h、牵引列车质量小于 6 000 t、紧急制动距离不超过 1 200 m 等情况。开行 8 000 t 及以上重载列车后，列车速度一般在 80 km/h 以内，在较大下坡道紧急制动距离可能超过 1 200 m，增加了列车冒进信号的危险，因此要求列车采用更低的运行速度。如果经试验或牵引计算证明闭塞分区距离不满足重载列车制动距离要求时，应对闭塞分区进行重新划分。

表 7 铁路运输主要货物品类占比重 ( 2010年)

既有线提速 160～200 km/h 线路，客运列车控制采用 CTCS-2 列控系统，但货运列车仍采用四显示自动闭塞系统。因此，该系统下重载运输的适应性判定应按四显示自动闭塞方式进行。

7 既有线站场设施及相关设备的适应性分析

目前，既有线到发线有效长主要有 850 m和1 050 m 2 个系列。开行 8 000 t、10 000 t 重载列车时，到发线有效长如表 8 所示。

由表 8 数据可见，开行 8 000 t 重载列车，到发线有效长应为 1 126～1 542 m，与 1 050 m 有效长相差 76～492 m；开行 10 000 t 重载列车，到发线有效长应为 1 371～1 888 m，与 1 050 m 有效长相差321～838 m。在某些邻近矿山的线路上，如果货物发到地点集中，开行由 C80、C70型车辆组成的专列可行，到发线可以采用较短的有效长；在通常条件下，路网线路上运营的车辆主要是组合类型，为满足重载列车各种作业需要，延长到发线是必须的，延长的长度约为321～616 m。

8 研究结论与建议

（1）既有线重载列车的货车轴重应不超过 25 t。既有线基础设施基本满足开行 25 t 轴重重载列车的要求，部分不能满足重载列车运行要求的桥涵、隧道、路基等应进行强化改造；不满足开行重载列车运行要求的轨道、轨枕、扣件、道岔应根据需要进行更换。基础设施在大中修时，应按照远期货车轴重发展目标，提高设计活载。

（2）既有线重载列车的牵引质量宜为 8 000～10 000 t。既有线目前的牵引质量基本是 3 000～3 500 t 系列、4 000～4 500 t 系列、5 000～5 500 t 系列。在路网大通道上，可以选择开行 8 000～10 000 t列车，并按该列车牵引质量配置站场线路、牵引动力和技术设备，既可以在本线编发长大列车，又可以将次要干线到达的 4 000～5 000 t 列车组合为 8 000～10 000 t 列车，大幅提高路网主要干线的输送能力。

（3）开行重载列车应与站场线路及设施改造相结合。从运营安全及技术作业需求考虑，开行重载列车必须与站场线路及设施改造相结合，特别是编组站的线路应满足重载列车各项技术作业的需要，尽可能减少编组站作业过程和作业人员现场作业。

表 8 牵引 8 000 t / 10 000 t 重载列车的到发线有效长

（4）适应重载列车作业需求的编组站改造方案可以采用站内和站外多种形式。编组站技术作业包含列车改编、无改编列车通过、机车整备，司乘人员换班、车辆检修等内容，重载列车在编组站进行作业会有很多方便，因此，适应开行重载列车需求的改造工程应优先考虑在编组站进行。如果编组站不具备技术改造条件，可以在编组站附近或枢纽内增建重载列车辅助站，完成重载列车的组合、分解等，辅助站与编组站之间应有通畅的联络线，辅助站具备列车到发线路和技术作业设施，配备作业人员。

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