地鐵線路擴能提升工程中的車輛關鍵技術研究

王 璐，施炳嫻，趙川宇

（1.北京城建設計發展集團股份有限公司，北京 100037；2.北京市軌道交通建設管理有限公司，北京 100068）

1 引言

截至2022 年底，北京市、上海市已形成超大地鐵線網規模，廣州市、深圳市等5 座城市的地鐵運營線路長度也已超過500 km[1]。隨著地鐵不斷發展與創新，已建成的線路在運營過程中逐漸暴露出一些問題。以北京市為例，自20 世紀60 年代建成第一條地鐵線路，已經超過50 多年發展，城市規劃不斷優化，各線路建設時期和建設標準不同，地鐵線路在線網中功能定位隨之進行調整，面對不斷增長的客流壓力和更高的服務水平要求，部分線路已難以適應現在地鐵發展態勢。地鐵客流量初、近期與遠期預測和實際客流相差較大，為解決暴露出的問題，并順應時代趨勢踐行地鐵線網互聯互通、跨線運行理念，北京市持續進行既有線的更新改造工程，并開展互聯互通專題研究。

2 擴能改造中車輛問題

北京地鐵在50 多年建設與運營中，逐漸暴露出車輛存在的問題，由于車輛生產年代較早，北京地鐵1號、13 號線車體結構強度與現行標準不一致，隨著列車運力提升、運營間隔縮短，列車運行工況也惡劣于早期。北京地鐵10 號線客流量大，早高峰部分車站需進行限流措施，車輛載客能力不滿足高峰期客流需求，因此采取拆除部分列車座椅的解決方案。

車輛擴能改造方案需結合線路實際需求、既有線條件、供電能力、信號系統等統籌分析。針對北京地鐵13 號線擴能改造工程采取對既有線進行拆分方式，形成13A、13B 2 條線，在新龍澤站設置跨線運行條件[2]。首先以提升運輸能力為核心，實現新購、既有列車混跑、跨線運行、互聯互通；其次是工程實施難度大，新建線路存在34‰大坡度，線路條件相對苛刻；最后既有線供電能力不足，限制了列車牽引能力。北京地鐵13 號線擴能改造涉及的車輛改造方案覆蓋全面，且結合當今地鐵互聯互通、跨線運營等發展趨勢，文章以北京地鐵13 號線車輛擴能改造為基點，并由點到面，輻射到車輛擴能改造中需要注意的問題，為其他線路車輛擴能改造方案提供解決措施。

3 車輛關鍵技術解決措施

3.1 列車連掛與救援能力

3.1.1 問題梳理

（1）牽引救援能力不足。北京地鐵13 號線13A 線正線最大坡度34‰，新購的8B 型、6B 型編組列車與既有6B 型列車混跑。如果發生車輛需要救援的情況，既有列車為3 動3 拖編組型式，列車牽引能力不足，不滿足救援要求，救援工況如表1 所示。

表1 北京地鐵13 號線救援工況

（2）車鉤強度不足。北京地鐵13 號線既有列車車鉤連掛采用為CG-5 連掛系統，列車車鉤壓縮最大阻抗力為250 kN，拉伸最大阻抗力為150 kN。現行規范中要求B型車壓縮屈服強度為800 kN，拉伸屈服強度640 kN。既有車輛強度遠低于現行規范中的要求，依據列車坡道救援不同工況的縱向動力學仿真結果，各種救援工況下，車鉤需要承受的斷面最大拉力均大于北京地鐵13 號線既有列車的能力，即既有列車參與救援時，均不滿足救援要求。

3.1.2 解決方案

結合北京地鐵13 號線運營方案列車無法實施救援的工況僅在在高平峰轉換段發生，發生概率極小，如既有6B 型列車救援8B 型列車概率極小，僅為0.028%。概率計算包括以下幾方面：①列車故障概率參考既有列車救援發生次數，約為1.8%；②牽引救援能力不足，根據牽引仿真計算在19‰以上坡道既有6B 型列車牽引救援8B 型能力不滿足，線路條件中超過19‰的坡長占全線長度比例為17.13%；③根據全日行車計劃，列出不同時段在線列車數量，計算8B 型列車對既有6B 型列車無法實施救援的概率為9.1%。因此在發生概率極小的前提下，應盡可能避免既有車輛參與救援，可以從運營組織調配與既有車鉤能力匹配2 個方向實施。

（1）運營組織調配措施。針對表1 中工況3、工況 6，可將線路對向8B 型或6B 型列車清客后，通過車站渡線轉線運行至故障點實施救援，列車組織救援示意如圖1 所示。對13A 線全線渡線的設置情況梳理，最長配線間距為大鐘寺渡線 — 上地區間約7 km，考慮清客、救援操作流程等，可將救援時間控制在30 min 內。

圖1 上行方向利用對向8B 列車組織救援示意圖

（2）既有車鉤能力匹配。無法實施救援的薄弱點為既有列車車鉤、車體強度，以此為輸入條件模擬列車救援工況可實施的救援動作。模擬計算對最不利的救援工況下車鉤力變化情況分析，結果顯示對于表1 中工況7、工況8、工況9，將救援列車啟動加速度限制為0.1 m/s2，推送救援新購6B 型編組的超員載荷故障列車，各斷面最大車鉤力均為拉鉤力，最大力小于車體的抗拉屈服極限，滿足救援要求。

3.1.3 連掛與救援思考

北京地鐵13 號線針對既有線擴能改造中連掛救援能力不足的問題提出解決方案，由此衍生出對列車救援方面的一些思考：①地鐵既有線擴能改造項目中，面臨線路條件變化、車輛性能不匹配等可能存在的問題，以及對地鐵列車在故障情況下的救援工況，亟需提出解決方案；②在新建地鐵線路中，互聯互通、大小編組混行的線路必然是發展趨勢，互聯互通線路間車輛救援、小編組救援大編組列車成為不可避免且需要面臨的問題，因此提出列車救援解決方案的幾個方向供借鑒。

（1）核實既有列車參與救援工況中，不同年代制造的列車車鉤、車體條件。車鉤安裝高度、車鉤型式應滿足連掛要求；車鉤、車體強度應滿足救援工況下的最大車鉤力，否則應盡量避免年代較早的列車作為救援車參與救援。

（2）利用對向滿足救援要求的列車、通過前方車站的渡線實現列車轉線，將故障列車牽拉出區間的救援方式，故在配線設計過程中應考慮列車轉線救援需求，減小配線間距，縮短救援時間。

（3）既有制造年代較早的列車不可避免發生故障后，應以既有列車的車鉤、車體強度能力為輸入，救援時司機限制起動加速度，通過緩慢操作、避免緊急制動等方式實施救援，使連掛救援后產生的斷面最大力在既有列車車鉤、車體的實際強度可承載范圍內。

3.2 列車供電需求與供電能力

3.2.1 問題梳理

北京地鐵13 號線采用DC750V 接觸軌上部接觸的供電制式，擴能改造工程采用新購的8B 型列車，因此具有牽引網電壓等級低、電流大、車輛牽引負荷大、行車間隔小的特點，DC750V 牽引制式的供電能力與8 輛編組車輛供電需求之間的矛盾突出。即使不考慮建設規模與投資，通過增加牽引所數量實現大雙邊情況下供電，線路短路、電流過大與沒有滿足要求的直流開關設備之間也存在矛盾。

3.2.2 解決方案

隨著地鐵車輛技術更新迭代，相關技術已實現質的飛躍，相應的設計標準也隨之更新，北京地鐵13 號線新購車輛采用了更高的動拖比提升運能，考慮供電設計能力不足，新購車輛設置了2 種牽引模式：①充分發揮車輛牽引能力，啟動加速度達1.0 m/s2；②限制車輛牽引啟動加速度至0.83 m/s2，實現列車啟動時降低網側電流的目的。供電系統也應提升供電能力，尋求供電能力與建設投資的平衡點，北京地鐵13 號線采用3 套機組的方案，在常規變電所主接線方案基礎上，增加第3 套整流機組[3]，并設置單獨的直流開關柜和10 kV 進線開關柜，該方案僅用在中間一座牽引所解列退出相鄰所大雙邊供電時不滿足2 min 發車間隔的運行。采用3 機組方案可將導致牽引變電所解列故障工況的概率降低為3%，而3%的極端故障工況在北京地鐵實際運營過程中從未發生過。

3.3 列車受流器集電靴與接觸軌材質

3.3.1 問題梳理

接觸軌材質包括鋼鋁復合軌和低碳鋼，現階段應用趨勢為鋼鋁復合軌，與之匹配的列車受流器集電靴材質為浸金屬碳，有少量線路或區段也存在受流器集電靴材質采用銅滑塊的方式。北京地鐵13 號線接觸軌材質采用低碳鋼，與之匹配的集電靴材質為銅滑塊。北京地鐵13 號線擴能提升工程中將正線接觸軌材質全部更換為鋼鋁復合軌，但基于投資等因素綜合考慮，既有回龍觀車輛段的接觸軌材質未更換。北京地鐵13 號線新購車輛集電靴材質為浸金屬碳可與正線鋼鋁復合軌材質匹配，并將既有列車集電靴材質改為浸金屬碳。則列車在回龍觀車輛段運行時存在低碳鋼的接觸軌材質與浸金屬碳的集電靴材質不匹配問題，其取流、磨耗相關的運營數據相對較少。

3.3.2 問題分析

經過調研北京地鐵2 號線，開展低碳鋼接觸軌與浸金屬碳集電靴相關試驗。結果表明列車取流情況正常，但浸金屬碳集電靴的磨耗量明顯偏高。在同等走行距離及運營條件下，低碳鋼接觸軌與浸金屬碳集電靴匹配，更換次數約為鋼鋁復合軌的2 倍，耗材費用約2 倍。

北京地鐵13 號線既有車輛段第三軌為低碳鋼材質，列車平均每日走行公里約378 km，列車出入段次數按4 次（一進一出算2 次）計算，在低碳鋼接觸軌走行距離每日約3.2 km，占全日走行里程的0.8%；且列車在車輛段內運行速度低，不會產生高速運行下集電靴與接觸軌沖擊導致的磨耗，可以判斷對集電靴整體磨耗量影響較小。

3.4 車輛與供電系統匹配

面對當前地鐵互聯互通、跨線運行發展趨勢以及線網網絡化配車理念的提出，車輛與供電系統的匹配為實現的基礎條件。以北京地鐵13 號線為例已從供電能力、材質匹配角度進行分析，除供電能力的核實、受電器型式及材質匹配外，還有供電制式的匹配。

接觸軌集電靴供電制式線路，供電電壓包括DC750V、DC1500V，2 種供電電壓接觸軌安裝位置不同；接觸軌與集電靴又包括上部接觸與下部接觸2 種方式，安裝方式也不同，故對接觸軌線路間的跨線運行，建議供電制式保持一致。

對于接觸軌與接觸網供電制式之間的跨線運行，可以購置接觸軌、接觸網多種受流方式的車輛，如廣州地鐵4 號線[4]車輛在車輛段內以柔性接觸網受電弓方式受電，在隧道內、高架線路區段采用接觸軌下部接觸受流方式。這種轉換方式可以推廣至互聯互通、跨線運行的線路中，實現軌網不同供電制式之間的跨線，需要對軌 -網轉換條件、時間、過渡方式進一步研究。此外，還可以在接觸網線路軌旁增設接觸軌，實現接觸軌車輛單方向跨線至接觸網線路。

最后一種被廣泛討論并在重慶市江跳線[5]已經實現的互聯互通方式，即接觸網供電滿足AC25kV 與DC1500V 2 種供電電壓的情況。列車設置2 種供電電壓的雙流供電制式以適應不同線路的供電條件，雙流供電制式列車應在保證舒適度的前提下盡可能壓縮車輛落弓高度，適應DC1500V 接觸網供電線路隧道斷面，減少工程投資。在設計過程中還要著重注意交-直流轉換段的設計，協調線路、供電、信號多個專業之間的協同，完成列車轉換過程。

3.5 其他

北京地鐵13 號線擴能改造工程車輛還涉及與既有線路信號系統匹配、站臺門系統對位、車輛乘客信息系統、廣播系統、電子動態地圖的改造等其他車輛關鍵問題，文章不再一一贅述。

4 總結

北京地鐵已發展50 余年，隨著北京地鐵網絡化規模不斷擴大，線網結構持續優化。由于設計經驗的豐富、技術的進步，暴露出既有線建設與運營中的許多問題，因此面臨既有線提升改造的迫切需要。既有地鐵線路通常為“單線”的建設和運營模式，采用互聯互通、跨線運行的方式，能減少軌網換乘次數、緩解換乘壓力，降低高峰期大客流的運營風險，更好地匹配地鐵系統供給與需求，優化資源配置。北京地鐵13 號線擴能提升改造工程很好的結合既有線改造與跨線運行的方案，而得以實現的前提即是提升改造后的車輛能夠滿足要求。文章以北京地鐵13 號線為案例，提出了存在的問題及解決方案，以車輛改造方案為出發點，由點及面提出了普適化的解決思路，為未來其他既有線的改造提供策略與方法。