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至事故发生时，杭州电务段瓯海工区电务人员未对温州南站至瓯海站上行线和永嘉站至温州南站下行线故障处理情况进行销记。
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20时03分，温州南站线路工区工长袁建军在接到关于下行三接近“红光带”的通知后，带领6名职工打开杭深线下行584公里300米处的护网通道门并上道检查。20时30分，经工务检查人员检查确认工务设备正常后，温州南站工务工区驻站联络员孔繁荣在《行车设备检查登记簿》（运统-46）上进行了销记：“温州南至瓯海间上行线，永嘉至温州南下行线经工务人员徒步检查，工务设备良好，交付使用。”
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（二）动车运行及发生事故的情况
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19时51分，D3115次列车进永嘉站3道停车（正点应当为19时47分到，晚点4分钟），正常办理客运业务。
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19时54分，张华发现调度所调度集中终端（CTC）显示与现场实际状态不一致（温州南站下行三接近在温州南站计算机联锁终端显示“红光带”，但调度所CTC没有显示“红光带”），即按规定布置永嘉站、温州南站、瓯海站将分散自律控制模式转为非常站控模式。
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20时09分，上海铁路局调度所助理调度员杨向明通知D3115次列车司机何枥：“温州南站下行三接近有‘红光带’，通过信号没办法开放，有可能机车信号接收白灯，停车后转目视行车模式继续行车。”司机又向张华进行了确认。
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20时12分，D301次列车永嘉站1道停车等信号（正点应当为19时36分通过，晚点36分钟）。
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永嘉站至温州南站共15.563公里，其中永嘉站至5829AG长11.9公里，5829AG长750米，5829AG至温州南站长2.913公里。
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20时14分58秒，D3115次列车从永嘉站开车。
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20时17分01秒，张华通知D3115次列车司机：“在区间遇红灯即转为目视行车模式后以低于20公里/时速度前进。”
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20时21分22秒，D3115次列车运行到583公里834米处（车头所在位置，下同）。因5829AG轨道电路故障，触发列车超速防护系统自动制动功能，列车制动滑行，于20时21分46秒停于584公里115米处。
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20时21分46秒至20时28分49秒，因轨道电路发码异常，D3115次列车司机三次转目视行车模式起车没有成功。
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20时22分22秒至20时27分57秒，D3115次列车司机6次呼叫列车调度员、温州南站值班员3次呼叫D3115次列车司机，均未成功（经调查，20时17分至20时24分，张华在D3115次列车发出之后至D301次列车发出之前，确认了沿线其他车站设备情况，再次确认了温州南站设备情况，了解了上行D3212次列车运行情况，接发了8趟列车）。
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20时24分25秒，在永嘉站到温州南站间自动闭塞行车方式未改变、永嘉站信号正常、符合自动闭塞区间列车追踪放行条件的情况下，张华按规定命令D301次列车从永嘉站出发，驶向温州南站。
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20时26分12秒，张华问臧凯D3115次列车运行情况，臧凯回答说：“D3115次列车走到三接近区段了，但联系不上D3115次列车司机，再继续联系。”
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20时27分57秒，臧凯呼叫D3115次列车司机并通话，司机报告：“已行至距温州南站两个闭塞分区前面的区段，因机车综合无线通信设备没有信号，跟列车调度员一直联系不上，加之轨道电路信号异常跳变，转目视行车模式不成功，将再次向列车调度员联系报告。”臧凯回答：“知道了。”20时28分42秒通话结束。
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20时28分43秒至28分51秒、28分54秒至29分02秒，D3115次列车司机两次呼叫列车调度员不成功。
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20时29分26秒，在停留7分40秒后，D3115次列车成功转为目视行车模式启动运行。
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20时29分32秒，D301次列车运行到582公里497米处，温州南站技教员幺晓强呼叫D301次列车司机并通话：“动车301你注意运行，区间有车啊，区间有3115啊，你现在注意运行啊，好不好啊？现在设备（通话未完即中断）。”
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此时，D301次列车进入轨道电路发生故障的5829AG轨道区段（经调查确认，司机采取了紧急制动措施）。20时30分05秒，D301次列车在583公里831米处以99公里/时的速度与以16公里/时速度前行的D3115次列车发生追尾。
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事故造成D3115次列车第15、16位车辆脱轨，D301次列车第1至5位车辆脱轨（其中第2、3位车辆坠落瓯江特大桥下，第4位车辆悬空，第1位车辆除走行部之外车头及车体散落桥下；第1位车辆走行部压在D3115次列车第16位车辆前半部，第5位车辆部分压在D3115次列车第16位车辆后半部），动车组车辆报废7辆、大破2辆、中破5辆、轻微小破15辆，事故路段接触网塌网损坏、中断上下行线行车32小时35分，造成40人死亡、172人受伤。
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