侯小祥

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 概述

新建某高原鐵路位于青藏高原及其邊緣地帶，穿越橫斷山、念青唐古拉山等山脈。沿線山高谷深，氣候惡劣多變，社會配套資源薄弱，車站設置條件差，平均站間距約40 km，最高海拔在4 000 m以上，橋隧比為93.0%，最長隧道約42.5 km(易貢隧道)，線路最大坡度為30‰[1]。

近年來，我國在鐵路應急救援機制研究[2-3]、應急救援預案研究[4]等方面取得了一定成果，從應急救援頂層設計、快速應急救援響應流程、裝備利用等方面總結了國內外的相關經驗[5]。該鐵路擬運行動車組、普速客車和貨物列車，應急熱備內燃機車及應急熱備動車組作為國內目前高速鐵路常用的熱備救援方式，在該鐵路設置標準無相關規(guī)范及成熟經驗作為依據。為此，需根據該鐵路條件進行分析，提出適用于該鐵路條件的應急熱備機車及動車組設施設置標準。

2 應急熱備救援相關規(guī)定及現狀

2.1 救援基地及救援列車

《鐵路救援列車管理辦法》要求各鐵路局所在地的救援列車設為救援列車基地，形成以全路18個救援列車基地為中心，輻射各救援列車的全路救援網絡。救援列車主要用于處理行車事故，起復機車車輛，清除線路障礙，盡快開通線路以恢復行車。

2.2 高速鐵路應急熱備內燃機車

高速鐵路應急熱備內燃機車救援半徑為100 km[6]。原中國鐵路總公司為加強高速鐵路的應急能力基礎建設，保證動車組列車被迫停車后處置及時發(fā)布了高速鐵路應急熱備內燃機車管理辦法。辦法適用于200 km/h及以上鐵路和200 km/h以下僅運行動車組列車的線路。200 km/h以下同時運行動車組列車和普速列車的線路是否設置應急熱備內燃機車未做明確規(guī)定。

當高速鐵路動車組由于外部原因(如接觸網故障、區(qū)間供電故障)或動車組自身原因停車(如運行途中自動降弓、自身故障無法運行、落入無電區(qū))，無法繼續(xù)自走行時，出動應急熱備內燃機車，將列車牽引至有電區(qū)或牽引回段。高速鐵路應急熱備內燃機車管理辦法規(guī)定應急熱備內燃機車的救援半徑，原則上100 km左右，最長不超過150 km。應急熱備內燃機車接到出動命令后，須保證在15 min內從熱備地點駛出，執(zhí)行應急救援任務。應急熱備內燃機車出動流程如圖1所示。

圖1 應急熱備內燃機車出動流程

2.3 應急熱備動車組

應急熱備動車組是指高速鐵路上運營動車組發(fā)生故障無法繼續(xù)運行時，技術狀態(tài)良好，整備完成，具備隨時投入運營條件，機務、車輛、客運、保潔等乘務人員在指定地點待令的動車組[7]。根據《高速鐵路技術管理規(guī)程》，熱備動車組救援包括動車組互救方式，以及熱備動車組換乘故障動車組旅客作業(yè)方式[8]。

目前全路范圍內熱備動車組均由鐵路總公司統一調配和部署?，F狀全路在15個路局共23處地點部署了熱備動車組。熱備動車組均布置在樞紐型車站或有大量始發(fā)終到動車組的車站。

2.4 現狀高速鐵路應急熱備救援模式

西成高鐵秦嶺山區(qū)隧道群采用了25‰的大坡度，且大坡道持續(xù)段落長達46 km，在國內山區(qū)高標準現代化鐵路建設中尚屬首次。項目列車救援采用了綜合救援模式：利用西安機務段既有救援起重機救援，主要用于及時起復脫軌、傾覆的列車，并清除線路故障；在鄠邑、漢中站(站間距197 km)配置了應急救援熱備內燃機車(HXN5，各2臺)，用于在出現局部外部電源或接觸網故障等因素造成列車中途停車情況救援；在阿房宮站配置了應急熱備動車組1列，用于運行列車的操控系統、制動系統發(fā)生故障，電氣線路故障等無法自主行車時由熱備動車組將事故動車組牽引至鄰近車站或運用所，恢復線路行車。

3 應急救援熱備機車設施設置標準研究

該高原鐵路運營后需應急救援熱備機車救援出動的工況為：出現局部外部電源或接觸網故障等因素造成斷電列車中途停車、旅客列車空調失效的情況；自輪運轉設備出現故障的情況，如：制動失效、走行部故障、列車碰撞異物等事故列車無法繼續(xù)運行時將故障列車牽引至相鄰站段；還可對發(fā)生行車事故機車、車輛或動車組起復、清障提供牽引動力。

3.1 救援熱備機車臺數計算

適應該鐵路特點的移動裝備尚處于研究開發(fā)階段，暫基于現有的裝備制造水平條件下可選用交流傳動主流車型HXN3或HXN5型計算機車臺數。

(1)采用HXN3或HXN5型熱備內燃機車救援動車組

結合目前動車組參數，暫按復興號動車CR400AF考慮，編組為8M8T，計算質量940 t，總長418 m。

①上坡牽引工況，在30‰的上坡道，受內燃機車牽引力限制，不同熱備機車臺數滿足計算速度的最大牽引質量見表1。

表1 受機車牽引力限制的牽引質量

由表1可知，采用1臺HXN3或HXN5型熱備機車即可滿足動車組上坡牽引要求。

②下坡制動工況，受熱備機車電阻制動力限制，救援1列制動故障動車組時，不同熱備機車臺數滿足下坡制動要求的限制坡度見表2。

表2 滿足下坡制動要求的限制坡度

由表2可見，在30‰的下坡道，滿足下坡電阻制動要求，救援動車組至少需要雙機，速度可達到62 km/h，電制動力發(fā)揮系數在80%以內。

(2)采用HXN3或HXN5型熱備內燃機車救援客、貨列車

該鐵路普速客車采用HXD1D雙機牽引，車輛采用25型客車，編組18輛，牽引質量999 t，列車總質量1 251 t；普通貨物列車采用HXD2雙機牽引，牽引質量2 000 t。經牽引制動工況計算，采用HXN3或HXN5型內燃機車救援，救援普速客車至少需要雙機；救援貨物列車至少需要3臺機車。

鑒于應急救援工況主要針對旅客列車，救援熱備機車臺數按雙機考慮。需救援貨物列車時考慮兩端熱備機車同時出動，采用四機前拉后推的方式救援。

3.2 救援時效分析

針對困難條件下的時效分析：該鐵路全線最長區(qū)段(隧道)內發(fā)生需熱備機車出動救援的情況下熱備機車出動至抵達現場，連掛機車后回送至相鄰車站的理論時間。

該鐵路最大站間距57.6 km，該區(qū)間救援為全線最不利救援情況?？紤]不同種類列車的救援時間，基礎條件按最不利情況考慮：即故障列車在波密站出站端第一個供電單元發(fā)生故障，且后方追蹤一列正常運行列車至同一供電單元，按故障列車運行至通麥站考慮，救援內燃機車由通麥運行至故障點之前，需等待故障列車前方(至通麥方向)列車出清波密至通麥區(qū)間。

(1)救援動車組列車

按最不利情況考慮，事故點距離通麥車站約50 km，前方列車(動車)出清波密至通麥區(qū)間時間為11 min，熱備機車到達時間42 min，連掛時間30 min，連掛后運行至通麥車站的時間55 min，合計138 min，即2.3 h，考慮救援熱備機車出動準備時間(15 min)后為142 min。

(2)救援普速旅客列車

按最不利情況考慮，事故點距離通麥車站約50 km，前方列車(普速旅客列車)出清波密至通麥區(qū)間時間為20 min，熱備機車到達時間42 min，連掛時間30 min，連掛后運行至通麥車站的時間68 min，合計160 min，即2.7 h。

(3)救援貨物列車

按最不利情況考慮，事故點距離通麥車站約50 km，前方列車(貨車)出清波密至通麥區(qū)間時間為35 min，熱備機車到達時間42 min，連掛時間30 min，連掛后運行至通麥車站的時間86 min，合計193 min，即3.2 h。

3.3 急救援熱備機車救援場景

(1)接觸網故障救援場景

接觸網出現故障斷電時，由供電段組織就近接觸網工區(qū)進行搶修，故障停電區(qū)段內有重點列車運行時，首先使接觸網脫離接地，出動應急熱備救援機車牽引故障停電區(qū)段內列車至有電區(qū)，再對故障地點進行恢復，恢復送電。

(2)機車車輛、動車組等移動裝備運行故障救援場景

列車制動失效工況下，無法保證列車運行安全，需出動救援。根據區(qū)段內列車運行情況、距離機務段(折返段)遠近、應急熱備救援機車設施遠近確定使用熱備機車或區(qū)段內的電力機車擔當救援。在救援地點有分相區(qū)時，須應急熱備救援機車救援[9]。

列車軸溫報警(熱軸)或走行部故障無法繼續(xù)運行時，需出動救援。由最近的救援隊對故障車軸(轉向架)采用應急搶修懸輪裝置或救援抬輪器隔離，隔離后可繼續(xù)運行的列車降速運行至相鄰車站(運用所、機務段或車輛段)處理故障；隔離后無法自運行的列車由臨近區(qū)段的電力機車或應急熱備救援機車牽引回送。列車發(fā)生火災、爆炸，列車碰撞異物無法運行時，救援方式參照列車制動失效工況執(zhí)行。

3.4 熱備機車選型建議

該鐵路地理位置大部分地處高原山區(qū)，空氣稀薄，隧道約占線路總長度的83%，全線10 km以上的隧道約占隧道總長的86.67%。長大隧道內通風距離長、通風條件差，采用內燃機車進行救援，可能導致救援過程中有毒廢氣在隧道內堆積，容易引發(fā)旅客或救援人員中毒、窒息等次生事故[10]。故該鐵路不宜采用內燃機車作為主要牽引動力。

隨著技術發(fā)展進步，建議研制新型的適用于該鐵路的新型混合能源熱備機車[11-12]，采用電力、柴油機、動力電池三動力源[13]。接觸網有電區(qū)段采用電力牽引，無電區(qū)段以柴油機為動力從熱備點抵達救援點，救援點作業(yè)任務由動力電池供電完成，保障旅客及救援人員安全。

3.5 應急救援熱備機車存放設施設置

《高速鐵路應急熱備內燃機車管理辦法》規(guī)定，應急救援熱備機車的救援半徑，原則上100 km左右，最長不超過150 km。該鐵路為客貨共線鐵路，同時開行動車組、普速客車及貨物列車，運營模式比高速鐵路復雜，發(fā)生事故時存在需應急熱備機車救援的需求。該鐵路沿線隧道比極高，救援現場大多數情況也會發(fā)生在隧道內，長時間被困隧道內易造成乘客恐慌、情緒緊張，空調失效等故障更為廣大旅客所不能忍受[14]，故救援時間應越短越好。

中國標準動車組暫行技術條件動車組蓄電池技術參數和性能，緊急情況下向重要負載供電，應急通風至少應大于90 min，其余應急用電至少應維持2 h(蓄電池應急用電量含應急照明、列車無線裝置、廣播裝置、尾燈、應急通風/供氧用電量)[15]。因此，至少要保證90 min內應急救援熱備機車應完成出動準備、運行到達現場、連掛列車作業(yè)，考慮應急救援熱備機車出動準備時間15 min，連掛作業(yè)時間30 min，剩余機車運行到達現場的時間為45 min。據此計算向上坡方向，救援機車配置點距事故列車地點不超過70 km；下坡方向，救援機車配置點距事故列車地點不超過50 km。考慮到全線長大區(qū)間內有多列車同時運行的情況，實際救援過程中還需熱備機車出動方向區(qū)間列車出清區(qū)間。因此，需結合全線綜合工區(qū)及綜合車間的設置情況設置應急救援熱備機車布點，按半徑50～70 km考慮。

4 熱備動車組設施設置標準研究

4.1 熱備動車組救援方式及場景分析

4.1.1 熱備動車組救援方式

由于不同型號動車組的車鉤的結構及形式不同，因此不同車型動車組連接時需要加裝過渡車鉤。充分考慮救援時效，本次按現有成熟的同型動車組互救方式分析救援工況。

以CR400AF、CRH380A、CRH380B型為熱備動車組和故障動車組為例，不同列車技術參數見表3。

表3 熱備動車組與故障動車組連掛技術參數

(1)上坡牽引工況

在30‰的上坡道，受動車組牽引力限制，不同計算速度、不同車型在30‰坡度下滿足的牽引質量見表4。

表4 不同動車組受牽引力限制的牽引質量

由表4可見，采用以上各型熱備動車組，即使計算速度減少至20 km/h，在30‰上坡道牽引質量仍不能滿足要求。

(2)下坡制動工況

受熱備動車組電阻制動力限制，不同計算速度、不同車型在30‰坡度下滿足下坡制動要求的電阻制動力發(fā)揮系數見表5。

表5 滿足下坡制動要求的限制坡度

由表5可見，在30‰的下坡道，采用以上各型熱備動車組救援故障動車組，即使計算速度減少至20 km/h，CRH380B、CR400AF電阻制動力發(fā)揮系數均在90%以上，CRH380A電阻制動力發(fā)揮系數均在100%以上，不能滿足下坡制動要求。

故采用CR400AF、CRH380A、CRH380B型熱備動車組救援故障動車組，不能滿足上坡牽引和下坡制動要求，現有動車組在該鐵路線路條件下不具備互救條件。如需滿足動車組互救工況，需研發(fā)適應該鐵路特點的大功率動車組。

4.1.2 熱備動車組救援場景

該鐵路沿線隧道內救援站按照約20 km布局[16]，結沿線區(qū)間、車站具體情況，根據事故列車可能停放位置，熱備動車組救援場景的換乘方式包括車站及救援站換乘，隧道、非隧道區(qū)間換乘[17]。

(1)非隧道區(qū)間換乘

事故列車原地停留不在移動，出動熱備動車組經鄰線到達救援目的地，盡可能與事故列車采取對位方式換乘旅客，換乘示例見圖2。

圖2 區(qū)間對位方式換乘旅客

(2)車站(救援站)換乘

事故列車至車站(救援站)內停車等待救援，或者優(yōu)先由熱備機車牽引事故列車至車站(救援站)等待救援。出動的熱備動車組到達車站(救援站)換乘旅客[18]。

(3)隧道換乘

事故列車停留于隧道內，熱備動車組至隧道橫洞處或者隧道內救援站換乘旅客。

4.2 旅客列車救援時效分析

根據《鐵路技術管理規(guī)程》以及有關路局熱備動車組管理辦法，動車組發(fā)生故障(列車制動失效，軸溫報警、走行部故障、空調失效等)無法及時修復繼續(xù)運行時，或者供電系統發(fā)生故障以及火災、爆炸、列車碰撞異物、自然災害等導致動車組停車無法繼續(xù)運行時，為保障旅客生命安全，考慮出動熱備動車組換乘旅客。

根據該鐵路旅客列車開行方案，林芝、昌都、新都橋、雅安均有始發(fā)終到動車組列車，結合線路運行長度及動車組熱備模式測算在始發(fā)終到動車組列車車站設置熱備動車組的時效。昌都至林芝運營長度約375 km，昌都、林芝距該段事故列車地點最長救援距離約為187.5 km；昌都至新都橋運營長度約424 km，昌都、新都橋距該段事故列車地點最長救援距離約為212 km。經模擬牽引計算，采用CRH380B動車組救援時，林芝、昌都距事故列車地點最長救援時間約69 min，昌都、新都橋距事故列車救援時間最長救援時間約79 min。

因此，以現行動車組蓄電池應急通風至少大于90 min為基礎，為滿足昌都至林芝、昌都至新都橋之間事故列車應急救援的時效要求，在林芝、昌都、新都橋配置熱備動車組基本滿足需求。

4.3 熱備動車組布點

適應該鐵路線路特征，為提高事故列車救援效率，節(jié)省救援時間，旅客列車救援推薦采用熱備動車組救援方案，實現快速出動、及時抵達救援點換乘旅客至安全站點或行車目的地，達到保障旅客生命安全的目標。按照現行動車組蓄電池供電應急通風時間為基礎，雅安、昌都、林芝設置熱備動車組，與成都樞紐內的熱備動車組共同承擔該鐵路的救援任務，理論上救援時效可基本滿足需求。但該鐵路特殊的地理及氣候環(huán)境影響因素，以及長大坡道、高橋長隧等復雜工程條件，實施救援難度增加，引起救援附加時間相應增加，因此還需進一步研究提升動車組性能，加大蓄電池容量以提高應急通風及輔助供電時間。此外，建議該鐵路動車組選用混合動力型動車組[19]，具備應急自走行系統(我國首次在京張高鐵智能型動車組上使用了應急自走行技術)[20]，在接觸網無電情況下動車組可自上坡運行至坡底，為事故列車救援爭取更有利的條件。

5 結論

根據該鐵路特點及目前成熟裝備參數計算，該鐵路應急熱備機車布點按半徑50～70 km雙機考慮，熱備機車選型考慮研發(fā)新型混合能源機車保證長大隧道內救援安全性。在林芝、昌都、新都橋配置熱備動車組，與成都樞紐熱備動車組共同承擔該鐵路的熱備動車組救援任務。此外，建議研發(fā)適應該鐵路特點具備應急自走行系統的大功率動車組，實現動車組互救及提高應急通風時長。

研究結論可支撐該鐵路的建設實施，同時為其他類似高海拔地區(qū)長大坡道、長隧鐵路的應急熱備救援設施設計提供參考和借鑒。