杜旭升
(中國鐵道科學研究院 運輸及經濟研究所,北京 100081)
鐵路開展重載運輸是世界鐵路發(fā)展趨勢之一。鐵路重載運輸因具有運能大、效率高和成本低等優(yōu)勢而受到世界各國的廣泛重視。根據北美鐵道協(xié)會統(tǒng)計結果表明[1],1994—2009年,美國鐵路直線和曲線上鋼軌的使用壽命分別延長了 12%、24%~69%,商業(yè)運營的每噸公里燃油消耗量降低了 25%,同時列車安全性也得到了大幅度提高。在相同運量條件下,重載運輸主要通過減少司機數量、裝卸費用、車輛采購費用、輪軌磨耗、燃油消耗等途徑提高運輸效益,有些費用降低十分顯著。因此,鐵路貨運采用重載運輸能夠帶來良好的預期效益。
國際重載運輸協(xié)會 2005年對重載運輸的定義進行了新的修訂,在以下 3 個條件中至少滿足 2 條才能稱為重載鐵路:重載列車牽引質量至少達到 8 000 t;軸重達到或超過 27 t;在長度至少為 150 km 的線路區(qū)段上運量至少達到 4 000 萬 t。我國鐵路目前只有大秦線、大包線等少數線路可以滿足這一標準。
我國大秦線大量開行 2 萬 t 列車、大包線大量開行 1 萬 t 列車,在大幅提高運能的同時也創(chuàng)造了非常好的經濟效益,為我國既有線發(fā)展重載運輸起到示范作用,特別在重載運輸線路改造與維護、集疏運一體化運輸組織和運輸效益拓展方面,積累了大量經驗。但是,鐵路既有線開行重載運輸依然存在諸多問題,針對既有線軸重種類和牽引總重的合理匹配,符合運輸需求需要選擇組合列車、單元列車和普通整列式重載列車的類型,在確定列車總重后需要確定到發(fā)線有效長、牽引機車類型與功率、重載車站間距、技術作業(yè)站改造方案等方面,仍然需要進一步研究和探討。
據統(tǒng)計,既有線橋梁基本類型中鋼筋混凝土梁比重最大,占全部孔數的 50.5%;預應力混凝土梁占全部孔數的 41.9%;鋼梁占全部孔數的 5.1%;其他梁占全部孔數的 2.6%。既有橋涵中,7.7%、55.4% 和20.9%的鋼筋混凝土梁分別采用中-活載圖式、中-22活載圖式和中-22 以上活載圖式設計;53.3%和46.2%的預應力混凝土梁分別采用中-活載和中 -22活載設計;35.1% 的鋼梁采用中 -22 活載圖式設計,53.3% 的鋼橋采用其他活載標準設計[1]。
為了確定既有線橋涵對重載車輛軸重的適應性,需要從列車運行時線路的豎向、縱向、橫向 3 個方面進行試驗分析。從大秦線的運營經驗看,20 世紀90年代修建的預應力混凝土梁僅可以滿足軸重 25 t 的C80列車的運行要求;如果進一步提高軸重,將出現預應力混凝土梁抗裂安全系數不足等問題,影響結構的正常、安全使用。因此,對于中等跨度預應力混凝土梁,在開行重載貨物列車前,應確保活載作用下結構的抗裂安全系數滿足要求。
根據我國既有線橋涵結構現狀,通過強化小跨度鋼筋混凝土橋涵結構和對部分特殊結構進行改造,既有線橋涵結構可以適應 25 t 軸重專用貨車 ( 每延米8.33 t ) 和通用貨車。在此基礎上,通過開展系統(tǒng)的試驗研究和長期監(jiān)測工作,進一步完善輪軌管理和養(yǎng)護維修體制,降低輪軌動力作用,可以進一步將通用貨車軸重提高到 27 t ( 每延米 7.94 t )。
鐵路既有線隧道存在的問題主要是病害。病害類型包括:Ⅱ類、Ⅲ類圍巖 ( 舊圍巖分類 ) 情況,病害發(fā)生之處設計均采用直墻結構和較薄的基底,對于大跨度軟巖隧道設計沒有采用曲墻和仰拱。重載鐵路實踐表明,隧道基底設計過薄,基底病害往往發(fā)生于運營后的一段時期并不斷惡化;運營通風效果差和運煤煤粉污染嚴重,雙線隧道難以利用列車的“活塞作用”來發(fā)揮隧道的自然通風作用,雙線隧道內列車相向而行,氣流紊亂,大量粉塵滯留洞內;隧道防排水沒有很好解決,因而帶來隧道的一系列病害。既有線隧道基底經過一定時間運營后,在隧道底部出現基底開裂、破損、下陷,向兩側外擠及翻漿、冒泥等現象。
對于隧道結構來說,其安全性主要由仰拱與拱腳控制,表現為仰拱動壓應力和拱腳動拉應力。在貨車動荷載作用下,軸重、軸距、定距、車速及鋼軌類型等因素對既有雙線鐵路隧道結構的受力具有一定的影響,但軸重的影響最大,定距、軸距及車速等因素的影響次之。對目前通用貨車通過隧道結構的動力學計算表明[1],既有線開行重載貨物列車軸重從 23 t 提高到 27 t 后,既有隧道基底結構所受荷載值小于材料強度允許值,基本滿足通用貨物列車的安全運輸要求。
既有線路基狀況與道床厚度有很大關系。路基存在的問題是道床污染較重,含水率較高,路基填料大量采用性質較差的細粒土,壓實標準偏低,有些線路存在冒泥、凍害、暗洞、邊坡沖刷失穩(wěn)等現象。
根據測試,路基動荷載的幅值受車速的影響相對較小,95% 范圍內的速度影響系數在 0.004 以內。不同軸重列車的路基動荷載范圍幅值受車輛軸重的影響十分顯著,與軸重基本成正比。對于 27 t 和 30 t 軸重下的路基動應力最大值將分別達到 108 kPa 和 120 kPa,30 t 軸重相較于 25 t 軸重下的路基面動應力將增大 20%。
隨著軸重的增加,穩(wěn)定安全系數逐漸降低。列車軸重由 22 t 提高至 25 t,路基穩(wěn)定安全系數降低至1.15 左右,基本滿足原設計規(guī)范要求。而軸重提高至27 t 時,路基穩(wěn)定安全系數降低至 1.13,低于原設計規(guī)范的要求,更低于新規(guī)范的要求。
綜合分析既有路基填料動力性能和列車動荷載,既有線路基基本滿足開行 25 t 軸重列車的條件,但需要對細粒土基床上部結構進行檢測評估;開行 27 t 軸重列車需要對既有路基進行系統(tǒng)性檢測和評估。
經 6 次提速,我國鐵路旅客列車速度達到120 km/h及以上的線路里程已達 2.2 萬 km 以上;正線 60 kg/m及其以上鋼軌占正線鋼軌的 80% 以上;正線無縫線路營業(yè)里程 6 萬 km 以上。既有線主要軌道結構如下。
(1)鋼軌。60 kg/m 鋼軌,既有線客貨共線鐵路鋼軌主要采用 12.5 m、25 m 定尺鋼軌,鋼軌主要為U71Mn、U75V、U76NbRE 鋼軌。在小半徑曲線采用熱處理鋼軌。鋼軌的強度等級不高,鋼軌疲勞性能對重載鐵路的適應性不強。
(2)軌枕。既有客貨共線鐵路主要采用 Ⅲ 型或Ⅱ 型軌枕。Ⅱ 型軌枕在大秦、大包線上使用時,出現了明顯的傷損,不適應25 t 重載運輸的要求。
(3)扣件。扣件主要為 Ⅱ 型或 Ⅲ 型扣件。Ⅰ 型彈條扣件已經逐步更換為 Ⅱ 型彈條扣件。
(4)道床。道床采用單層或雙層結構。允許速度大于 120 km/h 的線路,無墊層時一般路基區(qū)段碎石道床厚度不小于 450 mm,碎石路基、橋上及隧道內道床厚度一般要求不小于 350 mm。
(5)道岔。既有線道岔為可動心軌道岔或固定式道岔,60 kg/m 固定型主要為 12 號道岔,轍叉有高錳鋼鑄造、奧貝體合金鋼、貝氏體合金鋼轍叉,速度超過 160 km/h 的區(qū)段采用可動心軌轍叉。在京滬、京廣等主要干線,道岔采用無縫道岔結構,可動心軌道岔除絕緣接頭采用膠接絕緣接頭外,其余接頭全部焊接;固定型道岔轍叉前后接頭及曲股接頭一般采用凍結接頭,其余接頭全部焊接。
通過既有線開行 25 t 軸重 ( C80型 ) 貨物列車的動態(tài)試驗,對于曲線半徑為 600 m 的線路,脫軌系數、鋼軌垂移、軌枕垂移、軌頭橫移、軌距擴大明顯增加,外軌橫向力顯著增大。由于 C80型萬噸大列對半徑為 600 m 的曲線線路動力作用較大,對軌道的破壞較為嚴重,軌道部件傷損嚴重,軌道幾何狀態(tài)不易保持,造成軌距、水平等靜態(tài)幾何尺寸偏差易超限,加劇了輪軌動力作用,增大了輪軌動力沖擊,對安全運營帶來一定的隱患。
25 t 軸重貨物列車側向通過 12 號道岔時,脫軌系數、外軌橫向力、軌頭橫移、軌距擴大明顯增加,運營安全儲備量已經很小,對運營安全造成較大的隱患。軸重增加使軌道結構的受力明顯增加。貨車軸重由 23 t 增加到 27 t 時,鋼軌應力、枕上壓力、道床應力、基床表層壓應力均增大約 18%。在特殊區(qū)段 ( 如道床硬化、道床臟污嚴重等軌道剛度較大的區(qū)段 ),貨車 27 t 軸重下,采用 Ⅱ 型混凝土軌枕時,軌枕彎矩、道床應力、基床表層壓應力已經無法滿足要求,Ⅱ 型混凝土軌枕無法適應 27 t 軸重貨車的運營要求。
根據分析,既有線鋼軌基本適應開行軸重不大于25 t 貨物列車的要求,軌枕和扣件應采用 Ⅲ 型混凝土枕及配套扣件;道床應采用一級碎石道砟,雙層道床結構,墊層厚度 20 cm,枕下道床厚度 30 cm;正線道岔應采用 18 號及以上固定轍叉或可動心軌道岔。
機車的起動牽引力必須大于全列車各種阻力之和才能滿足起動需要,并且能夠在所有列車可能停車的坡道上均能起動。一般機車的起動牽引力遠大于持續(xù)牽引力,起動時主要受車輪粘著牽引力限制,功率不可能得到全部利用。在實際起動操縱時,可以采用首先壓縮車鉤空隙,然后逐輛牽引起動的方式,起動阻力并不是特別大,但在較大的坡道上,逐輛起動受到一定限制。主型貨運機車在不同坡度上的起動牽引質量如表 1 所示。
列車運行時,機車牽引力應滿足區(qū)段限制坡段上以不低于機車最低計算速度順利運行,并考慮牽引力有一定富裕量。機車牽引力一般采用計算牽引力,功率利用系數取 0.9。主型貨運機車在不同坡度上的牽引質量如表 2 所示。
將同一機車在相同坡度上的起動牽引列車質量與牽引列車質量相比,一般前者大于后者。但這一般坡度與限制坡度不是同一坡段,通常運營中盡可能要求列車在限制坡道上不停車。如果機車在一般坡度與限制坡度上牽引質量有較大差別時,應采用增加補機的方式提高區(qū)段列車牽引定數。
3.3.1 列車在坡道上常用制動實現減速
重載列車在線路上運行,特別是在長大下坡道上運行需要滿足列車制動 3 個方面的要求:一是在坡道上實行常用制動時,列車可以正常減速;二是在坡道上實行緊急制動時,列車可以在規(guī)定的距離內停車;三是長大下坡道列車可以實現連續(xù)制動而不失控。
貨運機車的起動牽引力在 400~620 kN 之間,通常列車的制動力大約是機車起動牽引力的 3~5 倍。同樣在 6‰ 的坡道上運行,機車制動產生的加速度比牽引力產生的加速度大 3~5 倍。因此,在列車正常制動時,實現減速是確定的。
大秦線 2 萬 t 列車常用全制動試驗時,3 臺機車或 4 臺機車牽引。在平道上,列車運行初速 78.9~80.5 km/h,實際全制動距離在 901~1 180 m;在12‰的長大下坡道上,列車運行初速 76.0~80.9 km/h,實際全制動距離在 1 286~1 697 m。
其他類型機車常用制動距離如表 3 所示。
根據計算,在常用制動情況下,2 臺機車牽引8 000 t及以上列車,各種坡道情況下全制動距離在429.9~1 061 m 之間,能夠滿足制動距離不大于1 200 m 的要求。列車緊急制動力大約是起動牽引力的 10~16倍。萬噸列車以 80 km/h 運行時,按 2 臺HXD1機車牽引計算,具有動能為 2.57 × 106kN · m;制動到完全停車需要走行 559 m,另外,制動前空走距離約 60 m,合計制動走行 619 m。在長大下坡道上進行緊急制動時,制動距離會顯著增加。
大秦線 2 萬 t 列車緊急制動試驗時,2 臺機車或 4 臺機車牽引。在平道上,列車運行初速 75.5~78.1 km/h,實際緊急制動距離在 537~671 m;在12‰的長大下坡道上,列車運行初速 74.9~81.1 km/h,實際緊急制動距離在 680~956 m。
3.3.2 列車在長大下坡道上重復制動
實際的運營線路經常會有長大下坡道,特別是山區(qū),下坡超過 6‰,坡長有幾公里甚至幾十公里。列車在長大下坡道上運行時,為了不使運行速度超過規(guī)定速度,沒有動力制動裝置的老式機車 ( 如 DF 和 DF4型內燃機車 ),需要采用周期性的空氣制動,反復進行制動、緩解操作,直至駛出長大坡道。當機車具有動力制動裝置時 ( 如電阻制動 ),在長大下坡道上常用制動主要靠空氣制動,在副風缸充風時,采用動力制動,充風完成再采用空氣制動,因而不需要進行重復制動的檢驗。
根據統(tǒng)計,鐵路敞車占全部車輛比重的 67.3%,主要運輸散堆裝貨物,是我國鐵路貨車的主體;棚車占全部車輛的 16.3%,主要運輸高附加值貨物,二者合計占鐵路車輛總數的 84.6%。其次,鐵路載重70 t 及以上的車輛僅占全部車輛的 26.1% ( 2010年統(tǒng)計數據),C80型等重載車輛主要用于重載專線,C70型等通用重載車輛還沒有成為既有線的核心車型。從2006年開始,國鐵已經不再購置 21 t 軸重貨車,現在平均每年新投入載重 70 t 及以上貨車約 3.37 萬輛,全部更換軸重 21 t 以下貨車仍然需要 15年以上。
表 1 主型貨運機車在不同坡度上的起動牽引質量 t
表 2 主型貨運機車在不同坡度上的牽引質量 t
表 3 其他貨運機車 ( 2 臺 ) 牽引 8 000 t 以上列車的常用制動距離
我國鐵路貨車軸重與美國、加拿大、澳大利亞等國家相比,還存在較大差距。我國最大軸重的貨車是C80型敞車,裝運貨物后車輛總重 100 t,美國及北美國家最大貨車總重 142.4 t,相差 42.4 t。因此,我國鐵路貨車向大型化、重載化發(fā)展仍有很大空間。大軸重貨車運用受鐵路基礎設施的限制,貨車換型也需要較長的周期,采用軸重 21~23 t 貨車開展重載運輸,或者開行重載列車依然是鐵路既有線的可靠選擇。
4.2.1 既有線車輛類型及車鉤允許受力情況
列車運行過程中,車鉤承擔著列車縱向力的傳遞。為保證列車運行的安全,應使列車在各種工況下運行時,車鉤及附件的受力低于其設計強度,并留有一定安全余量。主要運營車輛及車鉤類型如表 4 所示。
根據鐵路各類車鉤制造標準及有關資料,車鉤最小允許拉荷載情況如表 5 所示,車鉤緩沖器的容量如表 6 所示。
由表可知,對于鉤體來說縱向拉力不應大于2 800 kN,對于車鉤緩沖器來說壓縮力不應大于2 200 kN。超過這個范圍,車輛運行將存在安全隱患。
4.2.2 重載列車牽引時車鉤受力情況
重載列車牽引制動試驗主要在大秦線進行。萬噸列車組合試驗分別采用了 8K、SS3、SS1等電力機車,8K 和 SS3采用單機牽引 123 輛 C63型貨車 ( 平均每輛車總重 81.5 t );SS1型機車采用 2 臺機車牽引,其中 1 臺機車位于中部,牽引 123 輛 C61型貨車;分別進行了起動、緊急制動、調速運行等試驗,積累了大量測試數據。這些試驗與既有線開行萬噸列車情況基本類似,測試數據可以為既有線開行重載列車參考。
列車起動時牽引力逐步上升,隨著時間延續(xù),機車車鉤力越來越大,最后達到一個穩(wěn)定值。這與列車起動司機操縱方式有關,司機在起動時,會逐步將牽引控制手柄提高到最大,然后穩(wěn)定運行。8K 機車最大牽引力達到 800 kN,SS3機車達到 631 kN,SS1機車達到 338 kN。將機車最大起動牽引力與各種車鉤允許受力比較,起動牽引力小于車鉤允許拉力值。因此,可以認為起動階段各類車鉤在安全范圍之內。
當運行列車緊急制動時,縱向力沿車長分布是中間較大、兩端較小,制動壓縮力與制動初速度、操縱方式及機車類型有關。對 8K 機車牽引萬噸列車,緊急制動初速度 32.7 km/h,最大壓縮力 1 360 kN,出現于第 93 位車輛;SS 機車牽引萬噸列車,緊急制動初速度 63.7 km/h,最大壓縮力1 050 kN,出現于第75 位車輛;SS1機車牽引萬噸列車,緊急制動初速度67.4 km/h,最大壓縮力1 848 kN,出現于第 60 位車輛。
表 4 主要運營車輛及車鉤類型
表 5 車鉤最小允許拉載荷 kN
表 6 車鉤緩沖器容量
列車進行緊急制動時,車輛由前向后迅速制動,在列車中首先出現較大壓縮力,該力由前向后傳遞,當列車全部處于壓縮后迅速反彈,形成較大的拉伸力,由列車后部向前傳遞。8K 機車緊急制動的初速較低,制動后未出現拉伸即停車,因而沒有拉伸力;SS3機車緊急制動時,最大拉伸力 690 kN,發(fā)生在第 30 輛車位置;SS1機車緊急制動時,最大拉伸力1 200 kN,發(fā)生在第 62 輛車位置。
拉伸力大小受車鉤類型影響較大,專用 C63、C70、C76、C80型車等采用新型車鉤,車鉤間隙小,列車制動時沖動小,停車平穩(wěn)。C61型貨車是老型貨車,車鉤間隙大,制動時間隙效應明顯,列車制動時沖動大。C61型貨車裝備 13 號車鉤,破壞強度不大于2 820 kN,與其配套的 2 號緩沖器的容量為 18 kJ,試驗中的最大壓縮力 1 848 kN,最大拉伸力 1 200 kJ,在安全范圍內,但安全余量偏小。
重載列車在運行過程中受坡度、環(huán)境因素等影響,經常需要進行調速制動。8K 機車牽引萬噸列車進行調速制動時,試驗的最大車鉤壓縮力為560 kN,緩解時最大車鉤拉伸力為 380 kN,緩解拉伸后最大反彈壓縮力為 618 kN;SS 牽引萬噸列車進行調速制動時,試驗的最大車鉤壓縮力為 916 kN,最大車鉤拉伸力為 400 kN;SS1牽引萬噸列車進行調速制動時,試驗的最大車鉤壓縮力為 1 596 kN,壓縮后反彈最大壓縮力為 1 078 kN。列車運行調速制動中,車鉤最大壓縮力和拉伸力均小于緊急制動工況,因而鉤車受力均處于安全范圍。
從運輸的貨物看,我國主要貨物品類除焦炭、集裝箱等輕浮貨物外,都適合采用重載車輛和重載運輸方式,集裝箱列車采用雙層裝載方式,也可以編組重載列車。各種主要貨物品類所占比重如表 7所示。
目前,我國鐵路既有線主要采用的閉塞方式有4種:站間半自動閉塞、三顯示自動閉塞、四顯示自動閉塞、CTCS-2 列控方式。站間半自動閉塞主要用于單線鐵路,開行重載列車在國內通霍線、南昆線,以及南非、巴西鐵路等均有實例。三顯示自動閉塞的分區(qū)距離一般為 800~1 200 m,適應列車運行速度小于 120 km/h、牽引列車質量小于 4 000 t、緊急制動距離不超過 800 m 等情況。開行 8 000 t 及以上重載列車后,列車速度一般在 80 km/h 以內,但在較大下坡道緊急制動距離可能超過 800 m,增加了列車冒進信號的危險,因此要求列車采用更低的運行速度。如果經試驗或牽引計算證明閉塞分區(qū)距離不滿足重載列車制動距離要求時,應對閉塞分區(qū)進行重新劃分。四顯示自動閉塞的分區(qū)距離一般為 800~1 200 m,適應既有線提速線路,列車運行速度小于 160 km/h、牽引列車質量小于 6 000 t、緊急制動距離不超過 1 200 m 等情況。開行 8 000 t 及以上重載列車后,列車速度一般在 80 km/h 以內,在較大下坡道緊急制動距離可能超過 1 200 m,增加了列車冒進信號的危險,因此要求列車采用更低的運行速度。如果經試驗或牽引計算證明閉塞分區(qū)距離不滿足重載列車制動距離要求時,應對閉塞分區(qū)進行重新劃分。
表 7 鐵路運輸主要貨物品類占比重 ( 2010年)
既有線提速 160~200 km/h 線路,客運列車控制采用 CTCS-2 列控系統(tǒng),但貨運列車仍采用四顯示自動閉塞系統(tǒng)。因此,該系統(tǒng)下重載運輸的適應性判定應按四顯示自動閉塞方式進行。
目前,既有線到發(fā)線有效長主要有 850 m和1 050 m 2 個系列。開行 8 000 t、10 000 t 重載列車時,到發(fā)線有效長如表 8 所示。
由表 8 數據可見,開行 8 000 t 重載列車,到發(fā)線有效長應為 1 126~1 542 m,與 1 050 m 有效長相差 76~492 m;開行 10 000 t 重載列車,到發(fā)線有效長應為 1 371~1 888 m,與 1 050 m 有效長相差321~838 m。在某些鄰近礦山的線路上,如果貨物發(fā)到地點集中,開行由 C80、C70型車輛組成的專列可行,到發(fā)線可以采用較短的有效長;在通常條件下,路網線路上運營的車輛主要是組合類型,為滿足重載列車各種作業(yè)需要,延長到發(fā)線是必須的,延長的長度約為321~616 m。
(1)既有線重載列車的貨車軸重應不超過 25 t。既有線基礎設施基本滿足開行 25 t 軸重重載列車的要求,部分不能滿足重載列車運行要求的橋涵、隧道、路基等應進行強化改造;不滿足開行重載列車運行要求的軌道、軌枕、扣件、道岔應根據需要進行更換?;A設施在大中修時,應按照遠期貨車軸重發(fā)展目標,提高設計活載。
(2)既有線重載列車的牽引質量宜為 8 000~10 000 t。既有線目前的牽引質量基本是 3 000~3 500 t 系列、4 000~4 500 t 系列、5 000~5 500 t 系列。在路網大通道上,可以選擇開行 8 000~10 000 t列車,并按該列車牽引質量配置站場線路、牽引動力和技術設備,既可以在本線編發(fā)長大列車,又可以將次要干線到達的 4 000~5 000 t 列車組合為 8 000~10 000 t 列車,大幅提高路網主要干線的輸送能力。
(3)開行重載列車應與站場線路及設施改造相結合。從運營安全及技術作業(yè)需求考慮,開行重載列車必須與站場線路及設施改造相結合,特別是編組站的線路應滿足重載列車各項技術作業(yè)的需要,盡可能減少編組站作業(yè)過程和作業(yè)人員現場作業(yè)。
表 8 牽引 8 000 t / 10 000 t 重載列車的到發(fā)線有效長
(4)適應重載列車作業(yè)需求的編組站改造方案可以采用站內和站外多種形式。編組站技術作業(yè)包含列車改編、無改編列車通過、機車整備,司乘人員換班、車輛檢修等內容,重載列車在編組站進行作業(yè)會有很多方便,因此,適應開行重載列車需求的改造工程應優(yōu)先考慮在編組站進行。如果編組站不具備技術改造條件,可以在編組站附近或樞紐內增建重載列車輔助站,完成重載列車的組合、分解等,輔助站與編組站之間應有通暢的聯絡線,輔助站具備列車到發(fā)線路和技術作業(yè)設施,配備作業(yè)人員。
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