上海地鐵11號線高速試車方案研究

滕一陛

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300142)

1 試車方案工程設計存在的主要問題

1.1 試車安全風險分析

根據上海申通地鐵公司關于試車安全的運營反饋意見,以及本地區多個車輛基地的工程設計體會和回訪成果,以及國內相關試車線典型項目的調研分析,對影響試車安全的風險因素進行了梳理,主要歸結為以下幾方面。

(1)試車線長度：試車線的理論計算長度和實際設計長度之間的差異,決定了安全裕度,是影響試車安全的關鍵因素。

(2)試車線曲線限速及超高。

(3)試車線防護措施。

(4)試車線軌道條件。

(5)輪軌黏著條件。

(6)試車試驗大綱編制。

(7)試車司機工作狀態。

(8)網壓穩定性。

(9)信號聯調。

1.2 設計規范試車相關條文規定

國家和上海地方標準地鐵設計規范中試車相關條文規定在具體工程設計中可操作性不強,設計人員往往無從確定試車線長度及其安全性。國家標準《地鐵運營安全評價標準》和《城市軌道交通安全預評價細則》、《城市軌道交通安全預驗收評價細則》中也無車輛基地試車和正線試車的相關條文規定。

2 調研分析

2.1 已建成試車線的調研

(1)上海城市軌道交通試車線匯總見表1。

(2)國內其他城市軌道交通的相關案例見表2。

表1 上海城市軌道交通試車線匯總

表2 國內其他城市軌道交通的相關案例

(3)上海軌道交通運營反饋意見

依據上海城市軌道交通已建成車輛基地后評估專項工作中運營部門反映的意見,“建議工程設計中在力所能及的情況下,減少正線試車的情況發生”。

2.2 國內城市軌道交通車輛主要動力學性能參數

通過調研上海、廣州、天津、北京、南京多個城市選用的地鐵車輛參數,主要動力學性能參數：平均加速度(0～80 km/h或0～100 km/h或0～120 km/h)：≥0.5～0.6 m/s2；常用制動平均減速度(120～0 km/h或100～0 km/h或80～0 km/h,包括響應時間)：≥0.8～1.0 m/s2；緊急制動平均減速度(120～0 km/h或100～0 km/h或80～0 km/h,包括響應時間)：≥1.2～1.3 m/s2。

2.3 車輛調試試驗大綱

通過分析上海地鐵車輛調試試驗大綱,其中：運行安全和運行平穩性試驗、運行試驗、牽引能力和電制動能力試驗、制動試驗、防滑試驗、停放制動試驗、運行阻力試驗均為跟速度和試車線長度有關的敏感試驗,也是在正線試車相關的主要試驗。

3 試車線長度計算分析

3.1 城市軌道交通輪軌制式車輛牽引制動特性的主要特點

(1)分析地鐵試車線需求長度最有價值的特性曲線是速度(v)—時間(t)和速度(V)—距離(s)。利用這兩個曲線的特點比較直觀的能分析出以下結論。

①從靜止加速至最高運行速度列車走行距離,特性曲線法的數值比平均加速度估算法的數值要大。

②從最高運行速度減速至停止列車走行距離,特性曲線法的數值比平均加速度估算法的數值相差不大,在未獲得車輛供貨商的制動特性曲線資料之前,直接套用平均減速度估算法誤差較小。

③在額定荷載工況下,達到最高運行速度的牽引距離或者始于最高運行速度的制動距離是研究試車線長度的關鍵參數。

(2)典型案例牽引距離和制動距離數據對比

根據廣州3號線和上海地鐵1號線等典型案例的車輛資料統計,一般情況下：牽引距離,特性曲線法的數值比平均加速度估算法的數值大160～210 m,直接套用平均加速度估算法將會有較大的誤差；用平均減速度算法計算出來的制動距離接近特性曲線的數據,誤差40～50 m。因此算法誤差主要在牽引距離上，為安全起見,牽引距離計算一般取大值。同時可考慮通過計算公式的其他部分進行補償。

3.2 試車線長度計算公式

基于前面的調研和分析,研究了4種測算方法：

(1)測算方法一

試車線長度=車擋工作距離+列車距離車擋安全距離+啟動段列車長度+靜止加速到最高速度走行距離(特性曲線法)+最高速度保持8 s走行距離+平均減速到靜止走行距離+列車距離車擋安全距離+車擋工作距離

注：平均減速度按照技術要求的參數,最高速度保持時間最小取值5 s,可適度延長至10 s,以提供安全裕度,建議取8 s。特性曲線法的牽引距離根據相似工程項目車輛的數據引用。

(2)測算方法二

試車線長度=車擋工作距離+列車距離車擋安全距離+啟動段列車長度+平均加速到最高速度走行距離+最高速度保持5 s走行距離+平均減速到靜止走行距離+進入速度為最高運行速度的緊急制動距離(安全防護)+列車距離車擋安全距離+車擋工作距離

(3)測算方法三

試車線長度=車擋工作距離+列車距離車擋安全距離+啟動段列車長度+平均加速到最高速度走行距離(考慮性能老化和防滑效率0.85,列車平均加速度折算)+最高速度保持5 s走行距離+平均減速到靜止走行距離(考慮性能老化和防滑效率0.85,列車平均減速度折算)+進入速度為最高運行速度的緊急制動距離(安全防護)+列車距離車擋安全距離+車擋工作距離

(4)測算方法四

試車線長度=車擋工作距離+列車距離車擋安全距離+啟動段列車長度+靜止加速到最高速度走行距離(特性曲線法)+最高速度保持10 s走行距離+平均減速到靜止走行距離+進入速度為最高運行速度的緊急制動距離(安全防護)+列車距離車擋安全距離+車擋工作距離

注：緊急制動距離僅作為安全防護距離,與最高速度保持時間共同保障安全裕度。

3.3 驗算

分別對上海地鐵1號線8輛編組A型車(最高運行速度80 km/h)和天津濱海9號線4輛編組B型車(最高運行速度100 km/h)試車線長度和工程設計結果進行了驗算。驗算顯示以上4種算法得出的數據能夠為確定試車線長度提供有價值的參考。經多年運營實踐檢驗,其試車線是相對安全的。

3.4 建議

根據工程設計條件靈活選擇試車線長度測算方法,一般情況下測算方法二有較高的安全裕度,建議首選。正線試車區段建議首選方法四。方法一測算數據僅供作為比選的基數。

測算數據僅供設計取值參考,應結合工程設計的邊界(限制)條件、工程投資等綜合考慮。

4 上海地鐵11號線正線試車區段工程設計研究

4.1 100 km/h車輛高速試車方案研究必要性

(1)根據工程慣例和車輛試驗大綱,進行最高運行速度100 km/h相關運行試驗是必須的。

(2)根據以上不同試車線長度測算方法的比較分析,出于安全考慮,測算出進行100 km/h運行試驗時,試車線長度約為2 010 m。

本工程賽車場車輛段目前設計的試車線：長1 400 m,只能滿足80 km/h及以下速度相關試驗的基本需求,不能滿足100 km/h的運行試驗需求。

因此,需要對高速試車線進行專題研究,主要研究思路如下：

①在1 400 m試車線基礎上加長；

②在車輛段附近重選試車線；

③在正線尋找試車區段。

經過諸多方案的詳細比選和技術經濟分析,前2條研究思路在賽車場車輛段附近不具備工程實施條件,基本不可行。

4.2 正線試車區段

研究思路：選取車輛段內中低速試車與正線高速試車補充驗證相結合的方案。

本次研究在正線線路上選取了2個試車區段,并經過比選選定靜寧路站—白銀路站區間下行線。

試車區段選取：從白銀路站出站下行線開始約750 m平坡道(有R=3 500 m、l=40 m、長約217 m的曲線,不限速)+5‰上坡道220 m+5.976‰下坡道251 m(有R=4 500 m、l=35 m、長約230 m的曲線,不限速)+約800 m平坡道(無曲線),長約2 021 m,如果再加3‰下坡道200 m+約350 m平坡道,總長可達2 571 m。

5 正線高速試車需解決的主要問題

根據國內的調研情況及上述11號線正線高速試車方案的分析,正線試車存在以下主要問題,需要采取措施解決。

(1)由于正線試車區間在平坡和上、下坡,為了保證數據的準確性,列車必須在平坡段進行性能試驗,人為因素對試驗的準確性影響很大,增加了司機對標操作的難度,稍有疏忽,必須退回,重新試驗,延長了試驗時間。

(2)由于正線試車區段的線路的運行條件低于試車線,因此單線往返運行試車測試的數據有所偏差,對測試分析人員技術要求提高。

(3)提高了各專業施工協調的難度,對運營方統籌協調的要求有所增加。

(4)由于正線試車區段承擔著試車及正線運營的雙重責任,因此對接觸網、信號、線路等的設備維護等級及維護周期的要求有所提高,需要維護的時間也較長,這與由于夜間試車而能提供保養的時間明顯減少發生了很大的矛盾。

(5)在試運營期間,列車調試時萬一發生列車異常情況,造成比較嚴重的故障(如擠岔、信號設備、線路損壞等),若不能及時修復,將對次日的正常運營帶來很大的影響。

(6)在正線試車期間萬一列車發生異常情況,需要賽車場車輛段派出救援機車或者救援列車牽引回基地,作業效率較低。

(7)正常運營后,試車時間均在夜間,試車時對區段的照明比較暗,建議提供一定的輔助照明,便于司機觀察試車區段的安全防護標志和標段標志,提高試車效率。

(8)由于正線試車只能在運營結束后進行,時間約在晚間11：00以后。這樣要保證參加試驗的司機必須休息好,避免司機疲勞駕駛、反應滯緩而發生事故。

(9)由于正線運營以后,正線試車只能選擇在凌晨到早上這段時間,且由于試車過程中頻繁的制動等操作,噪聲較大,干擾附近居民休息。

6 11號線正線高速試車相關技術對策研究

針對11號線正線高速試車的需求及存在的問題,研究了如下對策。

6.1 降低正線試車作業頻率

采用中低速試車在車輛段內試車線進行,高速試車在正線進行的組合方式,可以大大降低正線試車的作業頻率。

6.2 試驗項目的合理分工

在車輛段試車線完成80 km/h及以下的速度所有運行試驗(特別是制動試驗)及相關試驗,列車考核達標后方可進入正線進行100 km/h相關的運行試驗及相關試驗。這樣,在正線試車的工作量最多不會超過所有試驗項目的15%。

正線試車區段主要進行：最高運行速度100 km/h運行安全和運行平穩性試驗、運行試驗、牽引能力和電制動能力試驗、制動試驗。而對于與其他子系統的聯調試驗必須在整個正線上進行。

6.3 試驗數據數理統計分析

為使得試驗數據更為準確,提高試驗結果的可信度,一般采用往返多組試驗數據取平均值的方法,這樣可以減少曲線半徑、上下坡道對試驗結果的影響。另外,通過往返試驗獲得的試驗數據經數理統計得到接近真實情況的數據。

6.4 做好相關技術配套設施

為保障試車安全和正常使用，還應在軌道、供電、通信、信號、聲屏障等設計中采取技術措施。建立健全運營管理、安全防護等配套措施。

7 研究結論及建議

7.1 結論

(1)若有條件,在車輛段單獨設置長度滿足100 km/h試車需求的試車線仍為首選。在車輛段內設置符合長度要求的平直試車線是試車線的基本設計原則。

(2)經過大量的方案研究,根據11號線現實條件,在車輛段內及車輛段外鄰近位置設置試車線的難度較大。

(3)為滿足車輛驗收及運營檢修的試驗需求,創造一個相對理想、安全的試車環境,提出賽車場車輛段設置長度不小于1 400 m的試車線,滿足80 km/h及以下速度運行試驗及相關試驗需求,在靜寧路～白銀路站正線區間(約3 900 m站間距)選取2 010 m長區段兼做最高運行速度100 km/h的補充驗證試驗區段。

7.2 建議

(1)提高城市軌道交通車輛試車安全是個綜合性的課題,工程設計中各專業應充分考慮實際需求,提高設計安全性。

(2)不宜首選正線試車。網絡化運營后,各城市軌道交通網絡中宜在首個或至少一處大架修段設置較長的試車線,能夠最大限度地節約資源。

(3)試車線長度計算中建議按照選用車輛的技術參數和特性表現,優選安全裕度較大的計算方法,并結合工程條件權衡考慮設計長度。應重視不同地區氣候條件對輪軌黏著的影響。

(4)車輛調試前應請車輛供貨商或技術部門進行安全性驗證。并根據試車線的條件,有針對性地編制調試大綱。

(5)建設及運營管理應重視以下工作：車輛采購及信號招標落實相關要求；正線試車方案的工程籌劃和實施；車輛試驗計劃、正線試車安全保障措施及預案；正線維修工作的統籌安排等。

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