Trong loạt bài viết vừa qua về chủ đề đường sắt, ban biên tập technologyMAG đã chia sẻ những bài viết về chủ đề hệ thống đường sắt, đường sắt tốc độ cao và các loại tàu tốc độ cao tại một số quốc gia phát triển, cung cấp thông tin về lĩnh vực đường sắt tại các quốc gia này. Trong loạt bài mới về chủ đề công nghệ đường sắt lần này, ban biên tập technologyMAG chia sẻ video của Railway Explained, nói về cơ sở hạ tầng và công nghệ hỗ trợ việc lưu giữ và phân phối hàng hóa trong vận chuyển đường sắt: Ga phân phối.

Marshalling yard (ga dồn hoặc ga phân phối) là khu vực trong hệ thống đường sắt nơi các toa xe (toa hàng) được phân loại, sắp xếp và ghép thành các đoàn tàu mới theo từng tuyến hoặc từng điểm đến khác nhau. Thuật ngữ “Marshalling Yard” có sự khác biệt về tên gọi theo từng khu vực. Ở Hoa Kỳ và Canada gọi là classification yard, còn ở Trung Âu gọi là shunting yard.

Vai trò của ga phân phối trong vận hành và dịch vụ vận tải đường sắt
Đường sắt là một hệ thống vận tải đem lại nhiều ưu thế so với các hình thức vận chuyển trên bộ khác, từ lợi ích môi trường rõ rệt, đến độ an toàn, độ tin cậy, khả năng tự động hóa cũng như hiệu quả cao trong việc chuyên chở hàng hóa và hành khách với số lượng lớn trên những khoảng cách xa.

Dịch vụ vận tải hàng hóa bằng đường sắt có thể được tổ chức theo dạng đoàn tàu “block” hoặc “unit train” (tàu đồng nhất), cũng như theo mô hình truyền thống là vận chuyển từng toa lẻ (single wagon load). Dịch vụ tàu block hay tàu nguyên đoàn đặc biệt hiệu quả và kinh tế cho hàng rời với số lượng lớn. Các toa trong tàu này thường chở cùng một loại hàng, xuất phát từ cùng một điểm đi và đến cùng một điểm đến, không chia tách hay lưu trữ toa dọc đường. Cách vận hành này giúp vận tải đường sắt cạnh tranh tốt hơn với đường bộ và các hệ thống đường thủy nội địa.

Trong khi tàu block di chuyển như một khối thống nhất, không bị xáo trộn và trực tiếp từ người gửi đến người nhận, mô hình vận chuyển từng toa lẻ lại phức tạp hơn. Ở phương thức này, các toa đơn lẻ hoặc nhóm nhỏ của nhiều khách hàng khác nhau sẽ được ghép lại thành một đoàn tàu. Những toa này được chất hàng tại ga xuất phát, vận chuyển tới ga phân phối để dồn toa, hình thành tàu hàng, sau đó được điều đến đích, nơi chúng sẽ được phân phối tiếp. Hình thức này gồm nhiều mắt xích, do đó quy trình cũng phức tạp hơn so với tàu block. Vai trò của vận chuyển từng toa lẻ sẽ rõ ràng hơn khi khách hàng không có đủ hàng hóa cho cả một đoàn tàu. Việc xếp dỡ và phân chia toa là điều kiện then chốt để hệ thống này thành công, và ga phân phối chính là yếu tố trọng yếu đảm bảo quy trình trôi chảy.

Hoạt động của ga phân phối
Mô hình vận chuyển từng toa lẻ chủ yếu hoạt động theo hệ thống các nút (node system). Có các ga đường sắt chuyên thực hiện việc bốc xếp hàng trực tiếp lên tàu, hỗ trợ bởi hệ thống đường ray phục vụ việc dồn toa, gom toa ở các nhánh đường sắt khác nhau và hình thành các đoàn tàu hàng địa phương. Các ga kiểu nút này chịu trách nhiệm gom toa từ tàu địa phương và sắp xếp lại thành tàu đường dài.

Ga phân phối chính (Main marshalling yard) tiếp nhận các chuyến tàu đường dài từ nhiều ga nút, mỗi chuyến lại gồm các toa có điểm đến khác nhau. Tại ga phân phối, các đoàn tàu bị tháo rời và các toa được tổ chức lại vào những đoàn tàu mới, mỗi đoàn chỉ chở những toa cùng điểm đến về cùng một ga nút. Cách làm này mang lại hiệu quả về quy mô và hạn chế nhược điểm của hệ thống, mặc dù hiệu quả vận hành cuối cùng vẫn bị giới hạn bởi công suất và cách khai thác ga.

Các loại ga phân phối
Có ba loại ga phân phối chính: ga phẳng (flat yard), ga trượt (gravity yard), và ga dốc (hump yard). Hai hoạt động cơ bản tại các ga này là tháo rời và lắp ráp lại các đoàn tàu. Để làm được điều này một cách hiệu quả, mỗi ga phân phối đều có ba khu chính: khu tiếp nhận các chuyến tàu hàng đến (arrival yard), khu phân loại (classification yard) nơi dỡ và sắp xếp các toa, và khu xuất phát (departure yard) để gửi đi các đoàn tàu mới được lắp ráp. Ngoài ra còn có các khu đường ray phục vụ bảo trì, lưu trữ toa và đầu máy. Hoạt động của ga còn dựa vào các nguồn lực đặc biệt như đầu máy dồn toa (1) và ban kiểm soát vận hành.
(1) Đầu máy dồn toa (shunting locomotive/ switcher locomotive) là loại đầu máy chuyên dụng trong ngành đường sắt, đảm nhận vai trò chính trong việc di chuyển, ghép nối hoặc tách rời các toa xe tại các ga dồn, bãi hàng hoặc khu vực xếp dỡ hàng hóa. Khác với đầu máy kéo tàu chính tuyến thường dùng để vận chuyển đoàn tàu trên các chặng đường dài, đầu máy dồn toa chủ yếu hoạt động trong phạm vi nội bộ của nhà ga, nơi yêu cầu sự linh hoạt, khả năng di chuyển tiến-lùi dễ dàng và xử lý nhiều thao tác với các toa xe trong không gian hạn chế.

Ga phẳng là loại đơn giản nhất, chủ yếu thực hiện tháo/ tách đoàn tàu bằng việc đẩy hoặc kéo toa bằng các đầu máy dồn toa. Các toa sẽ được xếp lên các đường ray thích hợp để tái hợp nhóm thành đoàn tàu mới cùng hướng.

Ga trượt ra đời cuối thế kỷ XIX, tiết kiệm được việc sử dụng đầu máy dồn toa khi tận dụng lực trọng trường, cho phép toa lăn xuống dốc. Song phương pháp này đòi hỏi nhiều động tác thủ công để hãm toa, thường phải xây dựng đường ray liên tục dốc đều và bố trí mặt bằng thích hợp, dẫn tới yêu cầu lớn về san lấp mặt bằng. Dù có quy mô lớn, các ga trượt gặp nhiều giới hạn về vận hành và an toàn nên hiện chỉ còn rất ít; chủ yếu tập trung ở Đức, Anh, cùng một số nước châu Âu như Ba Lan. Ở Mỹ chỉ có vài ga trượt còn hoạt động – một trong số đó là ga CSX Readville Yard gần Boston.

Tiên tiến nhất hiện nay là ga dốc, vừa có quy mô vừa sở hữu năng lực phân loại lớn, một số ga có thể xử lý được hàng ngàn toa mỗi ngày. Ga dốc vận hành tương tự ga trượt, nhưng đoạn dốc chỉ tập trung ở một khu vực nhỏ gọi là “đồi dồn”, đây được xem là trung tâm của toàn bộ ga. Các tuyến ray chính được thiết kế đi qua đỉnh đồi nhân tạo này, nơi các đầu máy dồn toa sẽ đẩy các toa xe lên tới đỉnh. Tại đây, các toa – có thể là từng toa lẻ hoặc từng block, sẽ được tháo rời và nhờ trọng lực, chúng tự trôi xuống khu vực phân loại (classification bowl), nơi mỗi đường ray sẽ được phân công cho một đoàn tàu xuất phát cụ thể. Ga dồn đồi đầu tiên trên thế giới được xây dựng tại Đức vào năm 1858.

Kiểm soát tốc độ trong ga dốc
Tốc độ của toa lăn từ dốc vào khu vực phân loại phải được kiểm soát theo nhiều tiêu chí: toa có hàng hay trống, khối lượng hàng, số trục, tình trạng các toa đã có sẵn trên đường ray phân loại, cũng như điều kiện thời tiết như nhiệt độ, tốc độ và hướng gió.

Có hai hình thức điều tiết tốc độ toa: có hoặc không có bộ hãm (retarder). Ga dốc cũ không có bộ hãm yêu cầu nhân công hãm toa thủ công (như tại châu Âu) bằng cách đặt phanh bánh xe hoặc chèn để tăng ma sát. Tại Mỹ, nhân viên đi kèm toa thường phụ trách kiềm chế tốc độ này. Ở các ga hiện đại, bộ hãm cơ khí (retarder) nằm dọc các ray, có thể chủ động bóp nhẹ bánh xe nhằm giảm tốc độ.

Sơ đồ điển hình của ga dốc gồm ba khu: khu tiếp nhận, khu phân loại, và khu xuất phát. Toa được luân chuyển theo quy trình: tàu vào khu tiếp nhận, tháo đầu máy và kiểm tra kỹ thuật; nếu đạt yêu cầu, các toa được chuyển lên dốc, phân chia vào khu phân loại. Đầu máy dồn kéo các toa đã phân loại về đường ray xuất phát để lắp thành đoàn tàu mới. Sau kiểm tra, tàu rời ga theo lịch. Trung bình, toa dành tới 2/3 thời gian chu trình tại ga phân phối, chủ yếu để chờ phân loại, khiến tổng thời gian vận chuyển kéo dài – đây là thách thức lớn đối với việc cải thiện hiệu suất vận tải đường sắt.

Những ga phân phối lớn trên thế giới
Xét về quy mô, ga phân phối lớn nhất thế giới là Bailey Yard tại North Platte, Nebraska, thuộc sở hữu và vận hành bởi Union Pacific. Ga này đặt theo tên chủ tịch Union Pacific Edd H. Bailey, được Guinness công nhận năm 1995 là ga tàu lớn nhất toàn cầu. Bailey Yard nằm giữa Denver và Omaha, diện tích 11,5 km² (4,45 dặm vuông), dài hơn 13 km (8 dặm) và nơi rộng nhất tới 3,2 km (2 dặm). Ga có tới 200 đường ray, tổng chiều dài 507 km (315 dặm), 985 điểm chuyển ray, 17 đường ray tiếp nhận và 16 đường xuất phát.

Union Pacific có hơn 2.600 nhân viên tại North Platte, phần lớn phục vụ vận hành Bailey Yard. Trung bình mỗi ngày 140 đoàn tàu và hơn 14.000 toa xe qua lại tại đây, ga phân loại khoảng 3.000 toa mỗi ngày bằng hai dốc: dốc hướng đông cao 10 mét (34 feet), dốc tây 6,1 mét (20 feet). Hai dốc này mỗi phút phân loại khoảng 4 toa vào 114 khu vực phân loại: 49 cho tàu đi hướng tây và 65 cho hướng đông, phục vụ các tuyến chạy tất cả các hướng, bao gồm bờ đông, tây, vịnh Mexico cũng như biên giới Canada, Mexico.

Ga phân phối lớn thứ hai thế giới là Maschen Marshalling Yard gần Maschen về phía nam thành phố Hamburg (Đức), nằm trên tuyến Hanover–Hamburg. Maschen có diện tích 2,8 km² (1 dặm vuông), chiều dài 7 km (4,34 dặm), rộng nhất 700 mét (0,43 dặm). Tổng chiều dài đường ray đạt 300 km (186 dặm), gồm 100 điểm chuyển ray, 115 tín hiệu từ xa và 688 tín hiệu chuyển hướng. Maschen chia thành hai khu chức năng: hệ thống bắc-nam với 48 đường xuất phát, 16 đường tiếp nhận, và hệ thống nam-bắc với 64 đường xuất phát, 17 đường tiếp nhận, cùng các khu lưu trữ, dồn toa. Công suất thiết kế đạt 11.000 toa/ngày, Maschen được trang bị công nghệ dồn toa hiện đại nhất thập niên 1970, nhưng thực tế chưa bao giờ đạt tới thông số này – kỷ lục ghi nhận cao nhất là 8.400 toa vào ngày 11 tháng 12 năm 1985.

Kết luận
Ga dồn giữ vị trí trung tâm trong vận hành và tổ chức vận tải hàng hóa đường sắt, là mắt xích không thể thiếu giúp kết nối và tối ưu hóa luồng vận chuyển giữa các địa phương, vùng miền và quốc gia. Sự phát triển của các mô hình ga dồn hiện đại, đặc biệt là ga dốc với công nghệ tự động hóa, đã góp phần nâng cao hiệu suất, giảm thời gian lưu bãi, đồng thời hỗ trợ tổ chức đoàn tàu theo nhiều phương thức linh hoạt từ vận chuyển nguyên đoàn (unit train) đến từng toa lẻ.

Để xem các tin bài khác về “Ga phân phối”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Railway Explained