城軌工程曲線地段站前折返方案研究

李曉飛 張佩竹 王文波

(中鐵第六勘察設計院集團有限公司,天津 300308)

引言

軌道交通是一種緩解城市交通擁堵的有效手段,根據線網規劃、分期建設規劃及行車組織交路設計要求,需要在起、終點站設置列車折返線。為滿足故障運行工況,一般每隔5～6座車站(8～10 km)設置停車線,停車線之間每隔2～3座車站(3～5 km)加設渡線[1]。對于預留延伸條件的臨時端點車站,或折返能力要求不高的永久端點車站,經過技術經濟比較后,常采用站前渡線折返方案。已有許多學者開展相關研究,王京峰等對站前折返設計中站型選擇以及折返能力計算問題進行詳細分析[2];梁九彪以北京地鐵亦莊線宋家莊站為例,對站前折返能力進行計算[3];李瓊對站前交叉渡線折返的技術過程、影響因素進行分析,并對如何提升折返能力提出建議[4];張雨潔等調研國內外地鐵端點站折返方案,總結影響折返能力的因素,并提出提高系統能力的方案[5];陳駿等以南寧地鐵2號線二期工程壇澤站為例,對設置站前交叉渡線的近遠期折返能力適應性進行研究[6];徐大興等以廣州地鐵5號線滘口站為例,提出既有線站前折返能力優化措施[7]。

目前,已有研究多基于直線地段站前岔區正線與車站正線位于同一直線或平行直線,并對車站折返能力進行分析、計算,并未對站前直線段長度不足以布置折返線情況下的合理設置進行深入研究。在曲線地段,折返線遠離車站站臺不符合安全運行管理和行車組織的要求。因此,需根據車站周邊條件、站前線路條件及區間線間距,結合折返能力要求,尋求折返安全、快捷且經濟合理的站前折返方案。

1 站前單渡線

若車站采用島式站臺,區間采用大線間距,受道路線形、控制性管線、線網錨固點等因素控制,車站緊鄰曲線端部,此時車站站臺端部的直線長度不足以設置折返渡線。當需要在車站站臺臨近曲線側設置折返渡線時,可結合站前曲線設置站前單渡線[8],以避免折返渡線距離站臺較遠、折返能力較低的問題,站前單渡線平面布置見圖1。

圖1 站前單渡線平面示意Fig.1 Single crossing line plane in front of the station

1.1 線路設計

折返渡線為曲線時,渡線兩端分別連接線路左線、右線。折返渡線作為載客運行的線路,應按正線標準進行設計,折返渡線圓曲線半徑不小于兩端接軌道岔導曲線半徑,緩和曲線長度按不低于兩端接軌道岔側向列車自動防護(ATP)/列車自動運行(ATO)限制速度設置[9]。

折返渡線長度與接軌道岔轍叉角度、車站區段線間距、區間線間距有關[10]。

折返渡線的曲線總長度為

(1)

圓曲線長度為

(2)

式中,LZF為折返渡線的曲線總長度;LZF.Y為折返渡線的圓曲線長度;RZF為折返渡線的圓曲線半徑;αZF為折返渡線的偏角;lZF為折返渡線的緩和曲線長度。

在一定的速度下,圓曲線半徑越大,其相應的緩和曲線長度越短,當圓曲線半徑增大到一定程度時,緩和曲線長度不再變短。由式(1)、式(2)可知,在一定的線路偏角下,圓曲線半徑越大,折返渡線長度越長,列車折返走行路徑越長,折返能力越低。因此,選定折返渡線通過速度后,在滿足圓曲線半徑、最小長度等技術要求的前提下,應盡量縮短折返渡線的長度。

根據現行技術規范要求[11-14],對不同線路偏角、不同道岔型號及類型情況下的折返渡線總長度進行計算,主要計算參數如下。

①車站和區間線間距為15 m。

②9號、12號道岔中心至有效站臺端部的距離分別為22,26.7 m。

③接軌道岔采用9號道岔時,折返渡線通過速度按30 km/h考慮,采用12號道岔時,通過速度按45 km/h考慮。

④9號道岔后長按15.73 m考慮,12號道岔后長按26.6 m考慮[15]。

折返渡線總長度計算結果見表1。

表1 折返渡線總長度

1.1 折返能力分析

(1)技術作業流程

站前單渡線車站布置見圖2。

圖2 站前單渡線車站布置Fig.2 Station layout of single crossing line in front of station

圖2中,A點為列車進站點位置,B、C、F為軌道區段的分界點,D為故障列車停車位置,E為上、下行列車停車位置,S1、S2、S3、S4為信號機。

第1列車沿BC方向進入E側站臺停車并辦理上下客作業。辦理第1列車的出站進路,第1列車沿CF方向出站,列車出清F點后,開放進站信號,辦理第2列車的接車進路,第2列車沿BC方向進站并停靠E側站臺,由此形成往復循環。站前單渡線折返作業流程見圖3。

圖3 站前單渡線折返作業流程Fig.3 Operation flow of single return crossing line in front of station

(2)折返能力分析

根據站前單渡線折返作業流程,站前單渡線折返能力由進路辦理時間、進站作業時間、停站上下客時間、出站作業時間所決定。折返作業時間計算式為

T折返=T進路+T進站+T停站+T出站

(3)

為避免列車在站前區間非正常制動或停車,計算進站作業時間還應考慮追蹤列車距離進站道岔防護信號機的最小距離L進,最小距離計算式為

L進=L信號+L制動+L安全+L列車/2

(4)

式中,L信號為信號設備響應延遲的走行距離,設備相應延遲時間取2 s;L制動為列車制動距離,并附加制動空走距離,空走時間取1 s;L安全為安全防護距離,各信號設備廠家不盡相同,綜合考慮取50 m。

(3)折返能力計算

根據站前單渡線與站臺端部的最小距離,對不同道岔型號、不同車輛編組情況下的站前單渡線折返能力進行計算,主要計算參數如下。

①列車最高運行速度80 km/h,計算速度取75 km/h。

②9號道岔側向允許通過速度35 km/h,12號道岔側向允許通過速度50 km/h,時取45 km/h[16-17]。

③停站時間按40 s考慮。

④A型車6輛編組,站臺長度為140 m。

⑤B型車6輛編組,站臺長度為118 m。

⑥直線電機車輛6輛編組(6L),站臺長度為102 m。

考慮10%儲備量后,折返能力計算結果見表2。

表2 折返能力計算

由表2可知,當線路偏角較小,折返渡線長度較短,折返能力較高。采用圖1站前單渡線布置形式及12號道岔,可以實現約20對/h的折返能力。

2 站前交叉渡線

車站采用島式站臺,區間采用小線間距,受外部因素控制,車站緊鄰曲線端部,且曲線端部至車站站臺端部的直線長度不足以設置折返渡線。當需要在車站站臺臨近曲線側設置折返渡線,且曲線偏角與9號或12號道岔的轍叉角度基本相當時,可按照圖4設置站前交叉渡線。

圖4 站前交叉渡線平面示意Fig.4 Cross crossing plane in front of station

2.1 線路設計

根據線路轉向及偏角,左線連接交叉渡線的直股,右線連接交叉渡線的側股,左線曲線的偏角等于道岔角度。

左線曲線貼近站臺端部設置,曲線半徑及緩和曲線按照不低于道岔側向容許通過速度設置。

道岔至有效站臺端部的走行距離與道岔轍叉角度、車站區段線間距、交叉渡線線間距有關。當左線曲線端部貼近站臺端部時[18],有

(5)

(6)

(7)

式中,L左為左線站臺端部至交叉渡線的距離;L右為右線站臺端部至交叉渡線的距離;D1為車站地段線間距;D2為交叉渡線線間距;T為左線曲線的切線長度;R為左線曲線的圓曲線半徑;L為左線曲線的緩和曲線長度;α為左線曲線的偏角。

為滿足技術規范要求,左線曲線端部與交叉渡線道岔端部的直線距離不應小于5 m。當區間線間距為6 m,圓曲線長度不小于25 m時,交叉渡線與站臺端部的最小距離見表3。

表3 交叉渡線道岔距離站臺端部的最小距離 m

2.2 折返能力分析

根據技術作業特征,站前交叉渡線折返可分為單股道折返和雙股道交替折返,由于交叉渡線距離站臺較遠,折返能力較低[19-20]。因此,本次僅對雙股道交替折返進行分析。

(1)技術作業流程

圖5中,A點為列車進站點位置;B、C、F、G為軌道區段的分界點;D、E為站臺停車位置;S1、S2、S3、S4、S5為信號機。

圖5 站前交叉渡線車站布置Fig.5 Station layout of cross crossing line in front of station

第1列車沿BF方向進入E側站臺停車并辦理上下客作業;進站信號機開放,辦理第2列車的接車進路,第2列車沿BC方向進入D側站臺停車并辦理上下客作業;辦理第1列車的出站進路,第1列車沿FG方向出站,列車出清G點后,開放進站信號,辦理第3列車的進站進路,第3列車沿BF方向進站并停靠E側站臺;辦理第2列車的出站進路,第2列車沿CG方向出站,出清G點后開放進站信號,辦理第4列車的進站進路,第4列車沿BC方向進站停靠D側站臺,由此形成往復循環。站前交叉渡線雙股道折返作業流程見圖6。

圖6 站前交叉渡線雙股道交替折返作業流程Fig.6 Alternate reentry process of double crossing line in front of station

(2)折返能力分析

根據站前交叉渡線折返作業流程,站前交叉渡線折返能力由進路辦理時間、進站作業時間、出站作業時間所決定。折返作業時間的計算公式為

T折返=2×T進路+T進站+T出站

(8)

各參數計算要求與單渡線相同。

(3)折返能力計算

根據站前交叉渡線與站臺端部的最小距離,對不同道岔型號、不同車輛編組、不同車站區段線間距情況下的站前交叉渡線折返能力進行計算,主要計算參數如下。

①列車最高運行速度80 km/h,計算時取75 km/h。

②9號道岔側向允許通過速度35 km/h,12號道岔側向允許通過速度50 km/h,計算時取45 km/h。

③A型車6輛編組,站臺長度為140 m。

④B型車6輛編組,站臺長度為118 m。

⑤直線電機車輛6輛編組,站臺長度為102 m。

考慮10%儲備量后,折返能力計算結果見表4。

表4 折返能力計算結果

由表4可知,采用圖4所示站前交叉渡線布置形式及12號道岔,可以實現約22對/h的折返能力。

3 兩種站前折返方案的適用性

對于軌道交通常見的列車編組(6A、6B),根據線路偏角和道岔型號的不同,站前單渡線布置形式可以達到13～20對/h的折返能力,根據車站線間距和道岔型號的不同,站前交叉渡線布置形式可以達到19～25對/h的折返能力。對于直線電機地鐵系統及其采用短編組的中低運量系統,站前折返布置形式的折返能力將進一步提升。

單渡線布置形式僅適用于區間采用大線間距的地段,對于提高運營靈活性的單渡線亦可參照本研究成果進行設置。

交叉渡線折返能力較單渡線有較大程度地提高,但研究的交叉渡線布置方案僅適用于線路偏角與道岔型號相當,且區間采用小線間距的地段。

4 結論

在島式車站站前折返研究中,當站前曲線與站臺之間的直線長度無法滿足折返渡線布置時,可以根據區間線間距及線路偏角情況靈活布置單渡線或交叉渡線。若進一步釋放線路通過能力,站前折返能力基本能滿足大運量系統初、近期和中低運量系統遠期的折返要求,能直接有效地降低工程(初期)投資及運營成本。

曲線地段站前折返研究的站前單渡線、交叉渡線方案均為尋求工程經濟合理的優化需求,可在規劃、前期方案研究階段提供有益借鑒和理論支撐。當采用站前折返形式,但站前折返能力不滿足遠期行車組織要求時,應明確線路延伸的建設時機,在工程設計階段,還應根據實際線路情況、牽引速度曲線及信號設計進行詳細折返能力計算。