高速鐵路盡端式車站接發(fā)車能力影響因素研究

魏 然

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 運輸及經濟研究所，北京 100081）

盡端式車站一般位于特大型樞紐或大城市地區(qū)，單咽喉布置型式可以顯著縮短站坪長度，減少設備數(shù)量，降低對城市環(huán)境的影響，適合作為高速鐵路線路的始發(fā)(終到)站，如北京北站、原北京站均設置為這種站型。盡端式車站作為高速鐵路線路的主要起訖點，其接發(fā)列車能力直接影響全線的通過能力和列車組織效率。在圖解的基礎上，設置仿真關鍵參數(shù)構建仿真模型[1]，研究列車到發(fā)需求、到發(fā)線數(shù)量和平行進路設置、可實現(xiàn)的接發(fā)車能力及設計經濟性，提出盡端式車站平面布局型式的優(yōu)化思路，有利于優(yōu)化車站站型結構的設置及到發(fā)線數(shù)量和咽喉道岔布置，提高設計效率，同時降低車站建設成本。

1 盡端式高速鐵路車站功能分區(qū)與總平面布置

盡端式車站的線路設計區(qū)域由區(qū)間進出站線至到發(fā)線盡頭，部分盡端式車站會在本站范圍內或附近設置動車段(所)。按照列車在站內的技術作業(yè)過程，可將車站拆分為到發(fā)線區(qū)域、咽喉道岔區(qū)、進出站線和出入段系統(tǒng)。到發(fā)線區(qū)域用于列車?？空九_，其線路數(shù)量不同，單位時間能夠實現(xiàn)的接發(fā)列車數(shù)也不同；咽喉道岔區(qū)由不同道岔組合而成，連接到發(fā)線區(qū)域、進出站線與出入段系統(tǒng)，可以實現(xiàn)多條列車運行徑路；進出站線連接車站與區(qū)間，代表著列車進出車站的不同方向；出入段系統(tǒng)包括動車走行線及動車段(所)，負責動車組存車、整備及檢修作業(yè)。

根據(jù)車站到發(fā)線區(qū)域(以下稱為到發(fā)場)與連接的動車段(所)的相對位置及動車走行線的設置，車站系統(tǒng)可分為通過式、單側接單正線、單側接雙正線、單側接咽喉4種總平面布置情況，車站系統(tǒng)總平面布置情況示意圖如圖1所示。

方案一的優(yōu)點是完全避免了動車組出入段與列車到發(fā)的進路交叉，咽喉作業(yè)簡單，可以顯著提高區(qū)間正線端咽喉接發(fā)車能力，但這種布置采用雙咽喉型式，站坪長度和站場設備數(shù)量與單咽喉相比顯著增加，對城市環(huán)境帶來較大影響，實現(xiàn)難度較大。方案二動車段(所)設置位置距離車站較遠，到發(fā)場部分線路的動車組出入段可能需要橫切咽喉。特殊困難條件下，可將動車段(所)接入前方車站，車底通過區(qū)間正線按行車組織輸送。這種情況下，列車出入段作業(yè)均占用區(qū)間正線，影響區(qū)間接發(fā)列車能力。方案三[2]與方案二相似，列車出入段作業(yè)均影響區(qū)間接發(fā)列車，一般不選擇此種布置型式。方案四可以保證動車組出入段與列車到發(fā)作業(yè)有平行進路，但咽喉交叉干擾大。盡端式車站一般選擇方案四的布置型式。

2 盡端式車站接發(fā)車能力影響因素

盡端式車站主要辦理動車組列車的始發(fā)和終到作業(yè)(折返列車為始發(fā)終到的一種特殊形式)，以及動車底出入段作業(yè)，列流結構簡單。影響其接發(fā)車能力的因素主要有到發(fā)線數(shù)量、列車追蹤間隔時間、咽喉結構和接發(fā)列車的到發(fā)線占用時間等。

2.1 到發(fā)線數(shù)量

高速鐵路車站到發(fā)線數(shù)量應滿足高峰時段列車密集到發(fā)的需要，按照規(guī)范要求的時間標準[3]，確定高峰小時每條到發(fā)線辦理的列車數(shù)為2.5列。在站場設計中，一般先按照簡單的計算公式，給定到發(fā)線數(shù)量初設值，然后考慮其他因素綜合比對，從而確定到發(fā)線數(shù)量。到發(fā)線數(shù)量的計算公式為

式中：N立折為始發(fā)終到立即折返列車數(shù)；N始終為始發(fā)終到列車(出入段)列車數(shù)。

圖1 車站系統(tǒng)總平面布置情況示意圖Fig.1 Schematic diagram of the general layout of the station system

影響到發(fā)線數(shù)量的因素還有列車追蹤間隔，為滿足3 min的追蹤間隔時間，到發(fā)線數(shù)量至少要達到6條以上，一個方向6 ～ 8條到發(fā)線的咽喉區(qū)設計將成為常態(tài)[4]。

2.2 列車追蹤間隔時間

運行圖規(guī)定的列車追蹤間隔時間為列車最小追蹤間隔時間與緩沖時間之和[5]。列車最小追蹤間隔時間是指同方向相鄰列車在同一區(qū)間內運行，且運行過程中互相不受干擾的最小間隔時間。在車站接發(fā)車作業(yè)時，列車追蹤間隔時間應不小于運行圖規(guī)定的列車追蹤間隔時間。站場的設計質量及設備性能對列車追蹤間隔時間有直接、甚至是決定性的影響。同時，如果從運營需要角度對列車追蹤間隔時間提出要求，又將會對站場設備的設計和配置產生相應的制約和限制。此外，在站場站型的仿真模擬中，列車追蹤間隔時間也是一個重要的時間參數(shù)[6-8]。

當前高速鐵路車站設計時，一般是按3 ～ 5 min的間隔時間設計，部分車站困難方向可取6 min。在不考慮交叉干擾(出發(fā)列車不受到達列車的干擾，可以實現(xiàn)到點直接發(fā)車)的情況下，參考日本新干線的時間參數(shù)[9]，按照4列車(或3列車)為1群組，每2個群組間預留緩沖時間的接發(fā)列車規(guī)律進行相應圖解，可得到單方向不同列車間隔時間對應的高峰小時檢算列車情況如表1所示。

2.3 咽喉結構

咽喉布置要滿足到發(fā)列車的平行作業(yè)及動車組出入段與到發(fā)作業(yè)的平行作業(yè)2點要求，因而需要設置一定的平行進路，目前較多使用的是單渡線、八字渡線或交叉渡線。以一個簡單的車站模型為例，計算不同渡線布置型式下動車組列車的走行時間差，通過查閱規(guī)范及繪制比例尺圖，確定各項距離參數(shù)，不同渡線布置型式的車站模型如圖2所示。18號道岔側向限速為80 km/h，12號道岔考慮到轍叉有害空間存在，側向限速取45 km/h。

假設動車組列車減速度為0.6 m/s2，在進站信號機處降至第一目標速度(80 km/h或45 km/h)，其后勻速運行，再以0.6 m/s2減速度運行至站臺停車標處(距離站臺盡端20 m)停車，2種布置型式下動車組列車進站停車距離、時間檢算結果如表2所示。

表1 單方向不同列車間隔時間對應的高峰小時檢算列車情況Tab.1 Peak hour train in a single direction with different time intervals

圖2 不同渡線布置型式的車站模型Fig.2 Station model with different crossing layout types

表2 2種布置型式下動車組列車進站停車距離、時間檢算結果Tab.2 Calculation results of train parking distance and time under two types of layout

以最高初速度300 km/h為例，動車組列車(初速度300 km/h)速度距離曲線計算如圖3所示。

圖3 動車組列車(初速度300 km/h)速度距離曲線計算Fig.3 Calculation of speed distance curve of EMU train (initial speed 300 km/h)

由圖3可知，交叉渡線有利于縮短站坪長度，但列車進站停車時間長短取決于列車進站停車全程運行的距離及速度，車站按照八字渡線型式布置比全部選用12號道岔的交叉渡線型式時，動車組列車進站停車所需運行時間短。交叉渡線型式的缺點在于轍叉中心有菱形位置，存在有害空間，危害較多且有些危害不易被發(fā)現(xiàn)，如線間距不合、菱形延長邊的直線段內方向偏向不良、交叉渡線道岔不在同一平面上、輪緣撞擊鈍角轍叉尖等危害[10]，動車組列車經過時可能會出現(xiàn)踏面損傷，并且其養(yǎng)護維修標準也較高。

綜上，優(yōu)先推薦使用18號道岔的八字渡線，同時交叉渡線的使用需綜合考慮站坪長度、進站速度、維修保養(yǎng)成本等因素。

2.4 接發(fā)列車的到發(fā)線占用時間

除了到發(fā)線數(shù)量、列車追蹤間隔時間和咽喉結構等因素外，還有其他一些因素會影響車站接發(fā)列車能力，如接發(fā)列車的到發(fā)線占用時間等。根據(jù)現(xiàn)有經驗，單條到發(fā)線立折列車主要作業(yè)占用時間如圖4所示，動車組列車在到發(fā)線上停留時間應不少于12 min，仿真時立折列車到發(fā)線停留時間取值一般為18 min。

到發(fā)線占用時間對車站能力的影響主要體現(xiàn)在單位時間內每條到發(fā)線可以接發(fā)的列車數(shù)量上，列車到發(fā)線占用時間壓縮后，每條到發(fā)線單位小時可以接入的列車數(shù)有所增加，單條到發(fā)線不同列車占用時間可以接發(fā)的列車數(shù)量如圖5所示。

圖4 單條到發(fā)線立折列車主要作業(yè)占用時間Fig.4 Main operation occupancy time of a quick turnaround train on the single receiving-departure track

圖5 單條到發(fā)線不同列車占用時間可以接發(fā)的列車數(shù)量Fig.5 Number of trains that can be delivered at different train occupancy times on a single receiving-departure track

3 各影響因素仿真分析

3.1 仿真模型設置遵循的基本原則

（1）進出站線路按照接入方向以及進站、出站分別設置，如**方向進站、**方向出站。

（2）咽喉道岔進行編號及分組，不同的進路由不同道岔的各種組合表示。接車進路由列車進站方向經過的第一組道岔至停穩(wěn)前經過的最后一組道岔的組合來表示，發(fā)車進路由列車出站經過的第一組道岔至駛離車站經過的最后一組道岔的組合來表示。

（3）出入段線參考進出站線路設置。

（4）到發(fā)線設一個集合，按照順序進行編號，可以按照使用頻率進行權重設置。

（5）預設各項作業(yè)時間標準，可根據(jù)需要更改參數(shù)。

3.2 仿真車站建模

按照6條、7條、8條到發(fā)線的數(shù)量要求，逐步增加咽喉區(qū)的道岔和渡線設置，對不同的車站設計類型進行仿真分析，車站仿真模型不同設計方案如圖6所示。由于研究重點是高峰時段高鐵車站接發(fā)車作業(yè)能力，而動車組出入段一般在早晨和晚上集中辦理，因而日間高峰時期作業(yè)仿真不考慮動車組出入段作業(yè)。

3.3 基本參數(shù)設置

參考相關實測運行試驗數(shù)據(jù)及大中型客運站列車作業(yè)過程仿真參數(shù)，仿真參數(shù)設置如表3所示。根據(jù)表3中各項參數(shù)，對6條到發(fā)線、7條到發(fā)線及8條到發(fā)線各車站設計方案進行仿真計算。

3.4 仿真結果對比

以2 h為可循環(huán)鋪圖周期，仿真計算車站不同到發(fā)線數(shù)量按照3 min、4 min、5 min間隔時間在高峰小時可以接發(fā)的最大列車對數(shù)，不同間隔時分車站高峰小時接發(fā)車仿真對比如圖7所示。

通過仿真，可以得到以下結論：①當列車到發(fā)間隔為3 min時，合理的到發(fā)線數(shù)量為6～7條，應通過設置咽喉平行進路提高車站接發(fā)車能力；②當列車到發(fā)間隔為4 min時，合理的到發(fā)線數(shù)量為6～7條，咽喉平行進路為3條；③當列車到發(fā)間隔為5 min時，影響車站接發(fā)車能力的瓶頸是咽喉平行進路；④列車到發(fā)間隔時間是影響車站接發(fā)車能力的主要因素。

圖6 車站仿真模型不同設計方案Fig.6 Different design scheme for station simulation model

表3 仿真參數(shù)設置 minTab.3 Simulation parameter settings

圖7 不同間隔時分車站高峰小時接發(fā)車仿真對比圖Fig.7 Simulation comparison of number of train receiving and departure each hour with different intervals during peak hours

綜上所述，列車到發(fā)間隔作為影響車站接發(fā)車能力的主要因素，與車站咽喉平行進路數(shù)量之間具有一定的關聯(lián)性，其與到發(fā)線數(shù)量之間應有合理的配比關系。

3.5 仿真結論對車站設計的建議

根據(jù)仿真結果對比，合理的到發(fā)線及咽喉平行進路的數(shù)量與高峰期列車間隔、列車對數(shù)的匹配關系如下。

（1）3 min的列車追蹤間隔，單位小時最多能接入15對列車，需要到發(fā)線數(shù)量不少于7條，需設置平行進路4條。從經濟角度考慮，設置2條平行進路的6條到發(fā)線方案(6線方案3)依然可以實現(xiàn)高峰小時接發(fā)13.5對列車。

（2）4 min的列車追蹤間隔，單位小時最多能接入11.5對列車，需要到發(fā)線數(shù)量為8條，平行進路設置4條。從經濟角度考慮，設置3條平行進路的6條到發(fā)線方案(6線方案4)依然可以實現(xiàn)高峰小時接發(fā)11對列車。

（3）5 min的列車追蹤間隔，單位小時最多接發(fā)10對列車，4條平行進路的6條到發(fā)線方案(6線方案5)即可實現(xiàn)高峰小時接發(fā)10對列車。

（4）如果沒有特殊需求，4條平行進路的6條到發(fā)線方案(6線方案5)即可實現(xiàn)3～5 min列車追蹤間隔條件下，接發(fā)的列車對數(shù)均較優(yōu)。

4 結束語

針對盡端式車站接發(fā)車能力影響因素，結合仿真建模，計算不同車站方案高峰期最大接發(fā)列車對數(shù)，提出盡端式車站設計的首選方案，可以為設計院車站設計提供參考，提高設計效率。通過優(yōu)化到發(fā)線數(shù)量和咽喉道岔布置，還可以降低車站建設成本。目前車站全天接發(fā)車作業(yè)關鍵時段有3個，除高峰期外，還包括早上的動車組車底出段高峰期與晚上的動車組車底入段高峰期。在一早一晚的2個出入段高峰期時，動車組車底出入段對咽喉能力、到發(fā)線接發(fā)車能力的影響，還需做進一步深入研究。