國內(nèi)外城市軌道交通折返站站線布置形式案例分析?

江志彬 韋 實(同濟大學交通運輸工程學院,上海,201804//第一作者,副教授)

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國內(nèi)外城市軌道交通折返站站線布置形式案例分析?

江志彬 韋 實
(同濟大學交通運輸工程學院,上海,201804//第一作者,副教授)

摘 要在我國,折返能力已經(jīng)成為限制城市軌道交通線路通過能力的主要瓶頸,其原因是在車站設(shè)計時,對折返站在運營過程的運輸調(diào)整的靈活性和遠期能力的適應(yīng)性考慮不足。以柏林、巴黎、倫敦、莫斯科和上海等5個城市、共62條線路、100多個終端折返站為研究對象,在分析終端折返站的常見折返站型和特點的基礎(chǔ)上,總結(jié)歸納出不同城市折返站的選型規(guī)律和特點;然后從建設(shè)成本、能力適應(yīng)性、運營靈活性和發(fā)展適應(yīng)性方面對不同折返模式的站線布置形式進行對比分析,并選取了兩個在能力適應(yīng)性和發(fā)展適應(yīng)性上具有參考意義的混合折返站型;最后提出了我國城市軌道交通折返站型選擇和配線設(shè)計的優(yōu)化建議。

關(guān)鍵詞城市軌道交通;折返站;站型選擇;配線設(shè)計;折返形式

?國家自然科學基金項目(61473210);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目(1600219246)

Author′s address College of Transportaion Engineering, Tongji University,201804,Shanghi,China

城市軌道交通線路的通過能力主要由區(qū)間追蹤能力、車站通過能力以及折返能力等因素決定。在我國,折返能力已經(jīng)成為限制線路通過能力的主要瓶頸[1-2]。以上海為例,在目前已經(jīng)開通運營的14條線路中,共有4條線、6座車站的折返能力已經(jīng)達到飽和。折返能力可以通過改造信號、優(yōu)化作業(yè)流程、壓縮作業(yè)時間等方式來提高[3-5],但由于受道岔、折返線的數(shù)量及布局的影響,其能力提升的幅度非常有限,因此,上海的部分折返車站已經(jīng)或正在計劃進行升級改造,以提升折返能力和運營的靈活性[6]。車站的改造不僅需要投入巨大的成本,還會對線路的日常運營產(chǎn)生嚴重影響。

雖然車站配線設(shè)計優(yōu)化已經(jīng)在我國的地鐵設(shè)計規(guī)范中加以規(guī)范[7],但目前我國大多數(shù)折返站還是主要從如何減少建設(shè)成本的角度來設(shè)計,對折返線在運營過程中的運輸調(diào)整的靈活性和遠期能力的適應(yīng)性考慮不足。城市軌道交通折返站配線設(shè)計與線路客流特征和線路的開行方案密切相關(guān),在線路設(shè)計和運營初期階段是很難預估未來客流變化的。車站作為城市軌道交通系統(tǒng)的一項關(guān)鍵固定設(shè)備,是一項百年大計的工程,其規(guī)模與配線方式的選擇需要在設(shè)計時充分認證評估,需要充分預留發(fā)展的空間。

國外一些國家(如德國、英國、法國、俄羅斯等)的城市軌道交通系統(tǒng)發(fā)展歷史非常長,受客流與運輸組織條件的影響,一些線路的車站在發(fā)展過程也經(jīng)歷了信號升級和線路改造的過程,但大部分線路的車站仍然保留著100多年前的設(shè)計方案。我國城市軌道交通發(fā)展歷程不長,雖然也積累了不少的運營經(jīng)驗,但很遺憾的是,已經(jīng)建成車站的配線方案并沒有充分吸取發(fā)達國家的成功經(jīng)驗,還存在許多有待改進的地方。

本文以柏林、巴黎、倫敦、莫斯科和上海5個城市、共62條線路、100多個終端折返站為研究對象,在分析終端折返站的常見折返站型和特點的基礎(chǔ)上,總結(jié)歸納出不同城市折返站的選型規(guī)律和特點;然后從建設(shè)成本、能力適應(yīng)性、運營靈活性和發(fā)展適應(yīng)性方面對不同折返模式的站型進行對比分析,并選取了兩個在能力適應(yīng)性和發(fā)展適應(yīng)性上具有參考意義的混合折返站型;最后提出了我國城市軌道交通折返站型選擇和配線設(shè)計的優(yōu)化建議。

1　城市軌道交通站線布置常用形式

配線的合理設(shè)置是保證折返站列車安全運行,提高折返效率和運營組織靈活性的重要保證。折返線的主要功能是組織列車折返,實現(xiàn)列車的循環(huán)周轉(zhuǎn)運行。折返線應(yīng)根據(jù)行車組織交路設(shè)計確定,起、終點站和中間折返站應(yīng)設(shè)置列車折返線,折返線布置應(yīng)結(jié)合車站站臺形式,綜合考慮車站地形、工程造價等因素,并應(yīng)滿足列車折返能力要求[7]。

按折返形式不同,可將城市軌道交通線路中折返站的基本站型分為站前、站后、環(huán)形和混合折返4種。圖1為柏林、巴黎、倫敦、莫斯科和上海這5個城市最為常用的幾種折返站布局形式。

圖1　折返站站線布置常用形式圖示

在圖1的折返站布局形式中,主要有站后折返站(圖1中的a)、b)、c)、d)、e)、f))、站前折返站(圖1中的g)、h)、i))和環(huán)形折返站(圖1j))3種類型。從圖1中可以發(fā)現(xiàn),站后折返與站前折返的形式最為多樣,其中最主要的區(qū)別在于站臺數(shù)量和折返線的數(shù)量。這幾類站型的主要特點為:

(1)站后折返。列車利用站后設(shè)置的折返線進行折返,優(yōu)點是可以將上客、下客以及列車折返作業(yè)過程進行分離,客流組織順暢、作業(yè)安全性好。但這類車站需要在車站后另設(shè)輔助線,因此通常占地面積大且造價較高。另外列車的折返過程包含一段列車進出折返線的空駛距離。

(2)站前折返。列車經(jīng)由站前渡線折返,優(yōu)點是列車折返作業(yè)時間比較短且無空駛、車站占地面積小且工程造價低。缺點是列車作業(yè)過程中進路交叉干擾大,上下客過程存在客流對沖。因此在客流量大、行車間隔短的條件下,會對行車安全、站臺客流組織帶來不利影響,并對延誤條件下運營調(diào)整恢復也不利。

(3)環(huán)形折返。在車站后設(shè)置類似燈泡狀的環(huán)形線,列車通過環(huán)形線,不用換端作業(yè)就可完成折返作業(yè)(類似于環(huán)線運行模式)。這種折返形式消除了進路交叉,列車折返過程只受前后行列車的追蹤影響,折返能力最大。但這種折返方式缺點也比較明顯,一是列車經(jīng)過“燈泡線”折返,對車輪和輪軌一側(cè)的磨損很大,二是線路長度需要大幅度增加,并且需要占用很大的空間。因此,一些線路為了充分利用占地空間,在“燈泡線”上也設(shè)置站臺,并可進行上下客作業(yè)。

(4)混合折返。指同時具備2種或多種折返方式的站型。混合折返可以綜合多種折返方式的優(yōu)點,如站前+站后混合折返、站后+環(huán)線混合折返、環(huán)線+站前混合折返等。通過增設(shè)環(huán)線、站前或站后配線,能有效增加平行作業(yè)的進路數(shù)量、疏解進路沖突,從而能大幅度提高折返能力。但是混合折返一般車站配線設(shè)計復雜、車站規(guī)模與占地面積大、造價高。

2　各城市采用的折返站站線布置主要形式分析

根據(jù)運營需求和建設(shè)用地的要求不同,城市軌道交通的折返站布置形式多樣,且在不同國家的不同城市常用的形式差異也較大。下面以柏林、巴黎、倫敦、莫斯科和上海為例,對折返站布置的幾種主要形式進行了分析,表1為這幾個城市的折返站站線布置形式信息匯總。

表1　各城市折返站站線布置形式信息匯總

通過進一步研究發(fā)現(xiàn),各城市采用的的折返站基本站型的比例都有較大的差異,圖2為各種站型在各城市中所占的比例。

圖2　各城市的各類折返站型所占比例

2.1柏林折返站站線形式分析

柏林首條地鐵線于1902年通車。柏林地鐵線路設(shè)計的最大特點是線路的輔助線非常多。折返站多采用站后設(shè)計(占72%左右)。其中站后雙折返線、三折返線或四折返線的站線形式分別占22%、39%和11%,如圖3所示。部分站后折返站采用混合折返形式,在站后折返的基礎(chǔ)上增設(shè)站前渡線,大大提高了折返能力與運營調(diào)整的靈活性。

圖3　柏林站后折返站的比例分布

2.2莫斯科折返站站線形式分析

莫斯科地鐵線網(wǎng)為典型的環(huán)狀加放射線類型。由于歷史政治原因,莫斯科地鐵的修建考慮了戰(zhàn)時的防護要求,大部分線路都建在地下50 m以下。莫斯科城市軌道交通與上海有著不少相似之處,它的站型設(shè)計和配線設(shè)置比較簡單,折返站以站前雙到發(fā)線和站后雙折返線(四存車線)的站線形式為主(分別占23%和59%,如圖4所示)。

2.3倫敦折返站站線形式分析

倫敦地鐵是世界上最古老的地下鐵路。終端折返站大多采用多模式的站前折返方式,比例高達78%。站前折返方式中,站前雙到發(fā)線、三到發(fā)和四到發(fā)線的比例分別占39%,22%和17%,如圖5所示。由于車站內(nèi)設(shè)置的折返線與道岔較多,一般采用側(cè)式站臺或島式(多站臺)設(shè)計,列車平行作業(yè)進路較多,折返能力也較大。

圖4　莫斯科折返站的比例分布

圖5　倫敦站前折返站的比例分布

2.4巴黎折返站站線形式分析

巴黎地鐵折返站站型最為復雜。與其他城市相比,其主要特點是大量采用環(huán)形折返方式,占到47.9%左右,站前折返站的比例非常小,僅占9.5%。同時也比較多地采用站后折返的方式。在一些采用站后折返形式的折返站設(shè)計中,會將折返線額外延伸一段作為存車線使用。

2.5上海折返站站線形式分析

與上述幾個國外城市相比,上海的軌道交通起步晚。雖然在近年來新建的線路中開始嘗試采用多折返線或混合站線形式,但總體上仍采用最簡單的站前、站后雙折返線(部分車站帶四存車線)設(shè)計。與其他幾個城市相比較,無論從車站規(guī)模還是配線數(shù)量都存在較大的差距。這些站線形式的折返能力都十分有限,且存車線數(shù)量有限,已經(jīng)成為各條線路能力提升的瓶頸。

3　幾種典型折返站站型特點及評價

能力適應(yīng)性、工程實現(xiàn)難易度、經(jīng)濟性、運營靈活性、發(fā)展適應(yīng)性是評估折返站設(shè)計方案的5個關(guān)鍵指標。能力適應(yīng)性指折返能力在滿足基本折返作業(yè)的基礎(chǔ)上,應(yīng)對突發(fā)客流或故障的適應(yīng)能力。工程實現(xiàn)難易度指配線設(shè)計方案建設(shè)的難易程度,比如對地形條件的要求、線路的復雜程度等。經(jīng)濟性指車站的占地、建設(shè)和維護成本。運營組織靈活性指配線設(shè)計適應(yīng)不同運營組織方案和運營調(diào)整的能力。路網(wǎng)發(fā)展適應(yīng)性指折返站配線滿足目前其在線路中的定位和未來線路發(fā)展需要的能力。

由上面的分析可以看出,不同城市的站后折返站型選擇各有偏重,如柏林的站后四折返線(d),莫斯科和上海的站后雙折返線(四存車線)(c),倫敦的站前三到發(fā)線(i),巴黎的環(huán)形折返線(j),上海最多采用的站前雙折返線(h)和站后雙折返線(a)。上述的5種站型布置在能力適應(yīng)性、工程實現(xiàn)難易度、經(jīng)濟性、運營靈活性、發(fā)展適應(yīng)性等方面都有其各自的特點。按優(yōu)良程度由低到高為差、一般、較優(yōu)、優(yōu)對各項指標進行評價,得出上述的幾種典型站型的的評價,如表2所示。

表2　幾種主要折返站的評價表

由表2可以看出,站后雙折返線站的a型雖然在工程難易與經(jīng)濟上達到優(yōu)以外,在能力適應(yīng)性、運營靈活性和發(fā)展適應(yīng)性上不佳。站后雙折返線(四存車線)的c型較a型多設(shè)置了2條存車線,有利于存放備車,在遠期發(fā)展中也可以延伸作為正線使用,使其運營靈活性和發(fā)展適應(yīng)性都提高了很多,因此在運營靈活性和發(fā)展適應(yīng)性上有很大提升。四折返線站后折返d型相比較c型,增設(shè)了兩組渡線,雖然車站規(guī)模有所增加,但四條折返線均可以用來折返或存車,大大提升了折返的能力和運營的靈活性。站前三到發(fā)線折返i型較站前雙到發(fā)線h型增加了一站臺和一到發(fā)線,因此平行進路的組合數(shù)大幅增加,車站大部分接發(fā)列車作業(yè)的交叉干擾可以疏解,但仍然存在某些列車接發(fā)作業(yè)車的沖突,因此在運營靈活性和發(fā)展適應(yīng)性上都不佳。環(huán)形折返站型(j)的最突出優(yōu)點是將列車的接車與發(fā)車作業(yè)轉(zhuǎn)化為列車追蹤過程,因此在能力適應(yīng)性和運營靈活等方面是最優(yōu)的,但在經(jīng)濟上沒有優(yōu)勢。

4　滿足高密度行車要求的混合折返站站線形式分析

為了使各種折返站站線形式的優(yōu)點能得到充分發(fā)揮,很多車站被設(shè)計成混合型折返站,如站后+站前、環(huán)形+站前、環(huán)形+站后等,這些車站除了車站規(guī)模與占地面積較大外,在能力適應(yīng)性、運營靈活性和發(fā)展適應(yīng)性方面具有突出優(yōu)勢。隨著我國城市軌道交通客流量的猛增,部分線路行車密度越來越高,混合折返站站線形式在這些線路上使用最為合適。下面選取柏林的Alt-Tegel站(見圖6)和巴黎的Porte des Lilas站(見圖7)兩個典型的混合型車站進行詳細分析。

柏林地鐵Alt-Tegel站為四到發(fā)線+四站后折返線+站前雙渡線的混合站型(I+b)。在該站線形式條件下,車站設(shè)計了2座站臺、4條到發(fā)線和4條折返線(帶存車功能)。在行車密度不高時,列車可以選擇任一到發(fā)線進行站前折返(也可交替使用);在行車密度高時,可以選擇4條站后折返線進行折返作業(yè);在運營發(fā)生紊亂時,可以同時采用站前與站后進行混合折返作業(yè)。該站線形式條件下,車站可以存放多列備用車底,且備用車底的取送過程非常方便,對正常運營的列車影響非常小。同時,該站線形式具有很好的路網(wǎng)發(fā)展適應(yīng)性,在接入新線或線路延伸時僅需要將Ⅲ、Ⅳ到發(fā)線和1、4折返線作為延伸的正線使用,2、3折返線仍然可以作為折返線使用,延伸后該站可以作為中間折返站使用。

圖6　柏林地鐵Alt-Tegel站(站后+站前混合站型)的配線圖

圖7　巴黎地鐵的Porte des Lilas站(環(huán)形+站后+站前)的配線圖

巴黎地鐵的Porte des Lilas站為雙環(huán)形線+站前渡線+站后渡線的混合站型(i+l)。在該站線形式條件下,列車具備站前、站后和環(huán)形折返3種折返方式。在行車密度不高時,列車可以利用到發(fā)線2進行站前折返作業(yè);較高密度行車條件下,列車可以利用環(huán)線1進行站后折返;高密度行車條件下,列車可以利用環(huán)線1或2折返;在運營發(fā)生紊亂時,可以站前、站后與環(huán)形折返混合使用。另外在環(huán)線2上,可以根據(jù)環(huán)線長度設(shè)置若干條存車線,可以供多列車同時存放。這類站線形式兼顧各種折返方式在能力適應(yīng)性和運用靈活性的優(yōu)點,對于我國的城市軌道交通車站設(shè)計具有很高的參考價值。

5　結(jié)語

城市軌道交通折返站配線的設(shè)計需要綜合考慮建設(shè)成本、能力適應(yīng)性、運營靈活性和發(fā)展適應(yīng)性等因素。國外的站后多折返線設(shè)計、環(huán)形折返線設(shè)計以及混合折返站型設(shè)計等都值得借鑒學習。我國的城市軌道交通車站設(shè)計過多注重建設(shè)成本,車站規(guī)模與配線方案都過于簡單,以至很多線路在較短的運營時間內(nèi)就面臨著折返的能力瓶頸。車站作為一項百年大計的工程,在設(shè)計時就需要調(diào)整思維模式,應(yīng)根據(jù)線路的地形條件、未來的客流規(guī)模、運輸組織方案要求以及運營調(diào)整要求等因素來綜合考慮,尤為重要的是,需要將能力適應(yīng)性和運營靈活性作為考量的主要因素。

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Case Study on Rail Transit Turn-back Station Layout in the World

Jiang Zhibin,Wei Shi

AbstractIn China,the turn-back capacity has became the main bottleneck that confines the line capacity in urban rail transit,today.One of the main reasons is the insufficient consideration of the flexibile operation rescheduling and the adaptability to long-term capacity on the design stage. Based on more than 100 terminal turn-back stations of 62 urban rail transit lines in Berlin,Paris,London,Moscow and Shanghai,the common station layout modes and their characteristics are introduced,the selection rules and characters of different cities are summarized.The turn-back station layout modes are compared from the aspects of construction cost,capacity adaptability,operation flexibility as well as development adaptability,two mixed turn-back station layout cases are selected as examples,their capacity adaptability and development adaptability are analyzed in detail.Finally,an improved recommendation of station layout selection and siding design suitable for urban rail transit in China is put forward.

Key wordsurban rail transit;turn-back station;station type selection;track design;turn-back form

(收稿日期:2015-03-26)

DOI:10.16037/j.1007-869x.2016.02.008

中圖分類號U 231.4