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複線鐵路，或雙線鐵路，是指在同一時間，兩個相對的通行方向的列車互不干擾的鐵路。有別於單線鐵路，單線鐵路通常每隔一段距離就設置一個會車時使用的車站，稱為「交會站」，用於相對行駛的列車停車避讓。
複線鐵路有點類似於「分道行駛」的公路，通過合理的設置，沒有正面相撞的危險，可以大大提高運輸的效率。但是複線鐵路顯然需要更寬的路基，在山區等地形困難的地段，有時不得不仍然只建設單線鐵路，甚至部分僅供會車使用的車站不得不建在隧道中和橋樑上。
複線鐵路解決了單線鐵路的會車的問題，但並未解決同方向不同速度的列車的追越問題。快速列車要超越慢速列車有兩個方式：
平行複線是指兩條鐵路線路相距很近（中國鐵路規定普速複線相距不小於4米，高速複線相距不小於4.4米），走向大致平行，沿途接軌的各車站相同。一般在地勢簡單或者一次新建成複線的情況下採用這種情況，具有佔地節省、投資節省、共用車站的技術設備與行車設施等優點。所經過的橋樑、隧道往往都是複線橋、複線隧道。
非平行複線是指兩條路線路線雖然也是分為上下行固定行車方向，但是相距可能較遠，路線走向可能不一致，沿途接軌的車站也可能不一致的情況。這是因為沿線地勢複雜困難，難以佈置雙線；或者是既有單線運量飽和而新增建第二線改為複線行車，既有老線與第二線由於建設年代不同導致設計、施工技術差別巨大，往往是既有老線沿山麓河谷曲折展線，而新建第二線大量採用橋樑、隧道的捷徑線。西康鐵路的秦嶺特長隧道就是因地勢與施工限制，採取兩條單線隧道。而豐沙鐵路、隴海鐵路的寶雞——天水段，都是在既有單線技術條件下非常落後的情況下，新增二線採取了非常高的路線標準，橋隧比很大。上越線原設計為單線鐵路，進行複線化改造後，另一單線行車方向在深山隧道中，造就部分車站——如土合站——的另一行車方向月台也藏在深山隧道內。
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雙線鐵路有複線與單線並列兩種形式，差別在於列車行駛的安排，複線的情況列車在各別行車線只會向固定方向行駛，而單線並列則是各別行車線都可以雙向運行。
單線並列在台鐵稱為「雙單線」，而台灣高鐵稱為「雙線」。
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