道岔限速對站后折返站型折返能力影響分析*

王瀟驍 虞 翊 劉 循

(1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室，201804，上海；2.同濟(jì)大學(xué)國家磁浮交通工程技術(shù)研究中心，201804，上海；3.上海申通地鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，201103，上海//第一作者，工程師)

1 軌道交通常見道岔

1.1 常見道岔型號與使用環(huán)境

道岔是軌道連接的重要設(shè)備，在引導(dǎo)車輛由一條軌道順利進(jìn)入另一條軌道的同時，還承受并傳遞車輛運行中產(chǎn)生的各種荷載[1]。國家鐵路的正線道岔以12號道岔為主，車場線以9號、7號道岔為主。城市軌道交通的正線道岔基本以9號道岔為主，車場線以7號道岔為主，也有較少正線使用了12號道岔。因用地面積受限等因素，對于是否在車場線使用6號道岔，由設(shè)計單位按照具體情況而定。由于城市軌道交通站間距離小、運行時間短，提速的可能性不大，因此仍以9號道岔為主。即使郊區(qū)鐵路，提速的幅度也不可能太大，最大一般應(yīng)用至12號道岔已足以滿足列車側(cè)向運行需求[2]。例如上海軌道交通2號線廣蘭路站安裝有一組12號道岔。不同轍叉號道岔其側(cè)向允許通過速度不同，采用大號道岔可以提高列車過岔速度。但與此同時也帶來了更大的占地空間、更高的造價等問題。因此，道岔號數(shù)的選用要因地制宜，要因線而異，不可一概而論。

1.2 常見道岔限速設(shè)置

對一組單開道岔來說，側(cè)向過岔速度包括轉(zhuǎn)轍部分、導(dǎo)曲線、轍叉部分和連接曲線的通過速度。從轍叉的強(qiáng)度條件分析，道岔的允許速度大于導(dǎo)曲線的允許速度；岔后的連接曲線半徑一般大于道岔導(dǎo)曲線半徑，所以道岔的允許速度也大于導(dǎo)曲線允許速度。故控制道岔側(cè)向通過速度的部位主要是轉(zhuǎn)轍器和導(dǎo)曲線[2]。從限速計算方法上說，道岔側(cè)向限速應(yīng)根據(jù)導(dǎo)曲線半徑、未被平衡橫向加速度進(jìn)行控制計算[3]，主要的計算結(jié)論如表1所示。

表1 道岔側(cè)向限速表

2 站后雙折返線站型能力分析

2.1 計算前提

本文以常用站后雙折返線站型為例，分析不同道岔限速對站后折返能力的影響，采用的主要計算參數(shù)和條件如下[4]：

1) 信號系統(tǒng)制式為移動閉塞系統(tǒng)；

2) 道岔為城市軌道交通正線常用的9號道岔, 道岔的臨界限速分別為35 km/h、38 km/h、40 km/h；

3) 全線為平直股道, 土建限速為85 km/h, 站臺限速為60 km/h；

4) 含道岔轉(zhuǎn)換的進(jìn)路辦理時間為13 s, 無道岔轉(zhuǎn)換的進(jìn)路辦理時間為2 s；

5) 列車編組為6節(jié)A型車, 列車長度為140 m；

6) 基于舒適度控制的列車加速度和常用制動減速度為0.8 m/s2, 保障緊急制動率為0.85 m/s2。

7) 列車運行曲線為等級一，即最高運行效率曲線。

2.2 計算方法

2.2.1 追蹤方式

在道岔區(qū)域，CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)采用計軸設(shè)備替代傳統(tǒng)的軌道電路。后車移動授權(quán)最遠(yuǎn)可延伸至前車尾部安全防護(hù)包絡(luò)末端，前后兩列列車距離間隔根據(jù)后車運行速度動態(tài)變化[5]。

2.2.2 接車干擾點

接車干擾點是指在前、后列車無擾運行條件下，前車逐步出清站臺安全防護(hù)區(qū)段、后車準(zhǔn)備進(jìn)站作業(yè)過程中，后車可以接近站臺的極限位置。

2.2.3 站臺安全防護(hù)區(qū)段

站臺安全防護(hù)區(qū)段是指為保證列車安全接車進(jìn)站，在列車運行方向站臺外側(cè)預(yù)留的安全區(qū)段。只有當(dāng)站臺安全防護(hù)區(qū)段空閑時，列車具備無擾進(jìn)站條件。對于站后折返路徑，可選的站臺接車安全防護(hù)區(qū)段有直向防護(hù)及側(cè)向防護(hù)。為簡化描述，本文所討論的站臺安全防護(hù)區(qū)段均為直向防護(hù)。

2.2.4 折返瓶頸點分析方法

第一步：確定折返路徑及分段走行時間。該步驟將列車整個折返路徑以關(guān)鍵設(shè)備或者關(guān)鍵位置(干擾點、安全防護(hù)區(qū)段末端等)為分割點，根據(jù)牽引計算結(jié)果，得出每段列車的走行時間及走行距離。

第二步：確定折返瓶頸點。通?？蓪⒄鄯颠^程分為站臺接車作業(yè)、折返軌作業(yè)及站臺發(fā)車作業(yè)3個階段。列出3個階段進(jìn)路開放條件并統(tǒng)計列車間隔時間。

第三步：根據(jù)最大瓶頸點確定列車折返對數(shù)。比較折返過程3個階段前后車由于進(jìn)路開放條件限制形成的時間間隔，確定最大瓶頸時間I(s)，計算出每小時列車折返對數(shù)N(對/h)，N為正整數(shù)。計算公式為：N折返=3 600 s/I。

2.3 折返軌3的折返能力分析

2.3.1 折返路徑概述

使用折返軌3進(jìn)行折返能力分析，道岔的臨界限速為35 km/h，折返路徑如圖1中帶箭頭粗線所示。為方便后文描述，將列車由下行站臺發(fā)車至折返軌3進(jìn)行換端的折返路徑簡稱為“短進(jìn)長出”折返路徑。具體折返過程為：列車由示例站下行站臺接車干擾點運行至示例站下行站臺停穩(wěn)，走行距離為134.40 m，走行時間為20.09 s；示例站臺下行停站時間為30.00 s；列車經(jīng)10號道岔反位至尾部出清AC02計軸，走行距離為264.66 m，走行時間為48.34 s；列車由尾部出清AC02計軸至折返軌3停車點SSPO1停車，走行距離為5.00 m，走行時間為4.24 s；列車換端時間為20.00 s；列車由折返軌3停車點SSP02經(jīng)2/4號道岔反位，至尾部出清AC08計軸，走行距離為216.59 m，走行時間為40.19 s；列車由尾部出清AC08計軸，經(jīng)12號道岔反位，至示例站上行站臺，走行距離為53.32 m，走行時間為13.53 s；列車在示例站臺上行側(cè)停站時間為30.00 s；列車由上行站臺發(fā)車至出清站臺安全防護(hù)區(qū)段，走行距離為191.13 m，走行時間為22.78 s。

圖1 “短進(jìn)長出”折返路徑

2.3.2 折返瓶頸點分析

1) 下行站臺接車作業(yè)條件：前車出清AC02計軸，13.00 s(道岔動作)后，10號道岔轉(zhuǎn)至定位。此時后車由示例站下行站臺接車干擾點運行至站臺停車，停站30.00 s后，列車由站臺發(fā)車至出清AC02計軸。因此下行站臺接車作業(yè)時間T下行站臺=20.09 s+30.00 s+48.34 s+13.00 s=111.43 s。

2) 折返軌作業(yè)條件：前車出清AC08計軸,后車辦理由示例站下行站臺至折返軌3的進(jìn)路。13.00 s后，10號道岔轉(zhuǎn)至反位，2/4號道岔轉(zhuǎn)至定位。此時后車由示例站下行站臺至SSP01停車。停站20.00 s后，列車由SSP02發(fā)車至出清AC08計軸。因此折返軌作業(yè)時間T折返軌=48.34 s+4.24 s+20.00 s+40.19 s+13.00 s=125.77 s。

3) 上行站臺發(fā)車作業(yè)條件：前車出清示例站上行站臺安全防護(hù)區(qū)段，后車進(jìn)路辦理至示例站上行站臺。13.00 s后，2/4號道岔轉(zhuǎn)至反位。后車由SSP02經(jīng)2/4號道岔反位、12號道岔反位運行至示例站上行站臺停車。停站30 s停站后，列車由示例站上行側(cè)站臺發(fā)車至出清站臺安全防護(hù)區(qū)段。因此上行站臺發(fā)車作業(yè)時間T上行站臺=40.19 s+13.53 s+30.00 s+22.78 s+13.00 s=119.5 s。

由上述分析可知：在整個列車折返過程中，折返瓶頸點發(fā)生在折返軌作業(yè)，最大瓶頸時間I=125.77 s，與此相應(yīng)的每小時列車折返對數(shù)N折返=3 600 s/125.77 s=28對。圖2為“短進(jìn)長出”折返路徑折返時序折線圖。

圖2 “短進(jìn)長出”折返路徑折返時序折線圖

2.4 折返軌4的折返能力分析

2.4.1 折返路徑概述

使用折返軌4進(jìn)行折返能力分析，道岔的臨界限速為35 km/h，折返路徑如圖3中帶箭頭粗線所示。為方便后文描述，將列車由下行站臺發(fā)車至折返軌4進(jìn)行換端的折返路徑簡稱為“長進(jìn)短出”折返路徑。具體折返過程為列車由示例站下行站臺接車干擾點運行至下行站臺停穩(wěn)，走行距離為134.40 m，走行時間為20.09 s；示例站臺下行停站時間為30.00 s；列車由示例站下行站臺經(jīng)10號道岔反位至出清AC04計軸，走行距離為264.92 m，走行時間為48.97 s；列車由出清AC04計軸至折返軌4停車點SSPO3停車，走行距離為5.00 m，走行時間為4.24 s；列車換端時間為20.00 s，期間6/8號道岔轉(zhuǎn)至定位，12號道岔轉(zhuǎn)至反位；列車由折返軌4停車點SSP04經(jīng)6/8號道岔定位，行駛至出清AC08計軸，走行距離為216.34 m，走行時間為40.11 s；列車由出清AC08計軸，經(jīng)12號道岔反位運行至示例站上行站臺停穩(wěn)，走行距離為53.32 m，走行時間為13.53 s；列車在示例站臺上行側(cè)停站時間為30.00 s；列車由示例站上行站臺起動至出清站臺安全防護(hù)區(qū)段，走行距離為191.65 m，走行時間為22.78 s。

圖3 “長進(jìn)短出”折返路徑

2.4.2 折返瓶頸點分析

1) 下行站臺接車作業(yè)條件：前車出清AC04計軸,13.00 s(道岔動作)后，10號道岔轉(zhuǎn)至定位。此時后車由示例站下行站臺接車干擾點運行至站臺停車。停站30.00 s后，列車由站臺發(fā)車至出清AC04計軸。因此下行站臺接車作業(yè)時間T下行站臺=20.09 s+30.00 s+48.97 s+13.00 s=112.06 s。

2) 折返軌作業(yè)條件：前車出清AC04計軸,后車辦理由示例站下行站臺至折返軌4的進(jìn)路。13.00 s后10號道岔轉(zhuǎn)至反位，6/8號道岔轉(zhuǎn)至反位。此時后車由示例站下行站臺行駛至SSP03停車。20.00 s(列車換端)后，列車由SSP04發(fā)車至出清AC08計軸。因此折返軌作業(yè)時間T折返軌=48.97 s+4.24 s+20.00 s+40.11 s+13.00 s=126.32 s。

3) 上行站臺發(fā)車作業(yè)：前車出清示例站上行站臺安全防護(hù)區(qū)段，后車進(jìn)路辦理至示例站上行站臺的。13.00 s后，6/8號道岔轉(zhuǎn)至定位。列車由SSP04經(jīng)6/8號道岔定位、2/4號道岔定位、12號道岔反位運行至示例站上行站臺停車。停站30 s后，列車由站臺發(fā)車至出清站臺安全防護(hù)區(qū)段。因此上行站臺發(fā)車作業(yè)時間T上行站臺=40.11 s+13.53 s+30.00 s+22.78 s+13.00 s=119.42 s。

由上述分析可知：在整個折返過程中折返瓶頸點發(fā)生在折返軌作業(yè)，最大瓶頸時間I=126.32 s，與此相應(yīng)的每小時列車折返對數(shù)N折返=3 600 s/126.32 s=28對。圖4為“長進(jìn)短出”折返路徑折返時序折線圖。

圖4 “長進(jìn)短出”折返路徑折返時序折線圖

3 道岔提速后能力對比分析

在現(xiàn)有軌道交通線路設(shè)計中，9號道岔的臨界限速大多都統(tǒng)一設(shè)置為35 km/h。根據(jù)表1，當(dāng)滿足曲線半徑200 m，且道岔采用彈性可彎尖軌的情況下，對現(xiàn)有9號道岔進(jìn)行提速，則可縮短列車的過岔時間，進(jìn)而提升折返能力。表2以站后短進(jìn)長出折返為例，給出了不同道岔限速條件下站臺接車作業(yè)、折返軌作業(yè)和站臺發(fā)車作業(yè)的間隔時間，以及折返作業(yè)瓶頸點和折返能力的比較結(jié)果。從比較結(jié)果看，在滿足相應(yīng)規(guī)范[4]條件下，如果將站后折返的道岔臨界速度由35 km/h提升到40 km/h，則可在不增加任何工程改造的情況下，將對應(yīng)于本文示例的站后折返能力提高7.1%以上，即每小時增加2對列車。

4 結(jié)論

1) 對于常用站后折返方式，無論是采用長進(jìn)短出還是短進(jìn)長出的折返路徑，折返能力是基本相同的，ATS(列車自動監(jiān)控)系統(tǒng)可以根據(jù)折返軌的空閑狀態(tài)智能選擇合適的折返軌進(jìn)行折返作業(yè)。

2) 對于9號道岔，在土建、限界專業(yè)許可的情況下，提升其側(cè)向通過速度可帶來較好的折返能力提升。當(dāng)?shù)啦砼R界限速由35 km/h提高至38 km/h時，連續(xù)折返能力可提高約1對/h；當(dāng)?shù)啦韨?cè)向通過臨界限速提升至40 km/h時，連續(xù)折返能力可提高約2對/h。

3) 不是所有類型9號道岔均有提速空間，曲線半徑200 m且采用彈性可彎尖軌的9號道岔，其臨界速度可提升至40 km/h。在此條件下，將有助于提升列車折返能力。

表2 不同道岔臨界限速下折返能力對比

4) 本文開展的道岔提速研究，對于既有線折返站折返能力提升而言，相比傳統(tǒng)的土建、線路等改造方式，具有不停運、投資小、周期短等優(yōu)勢，并可有效提高線路高峰時段的客流運輸能力。

5) 在保障安全的前提下，建議信號供貨商、車輛供貨商進(jìn)一步協(xié)作研究ATP(列車自動保護(hù))頂篷速度與ATO(列車自動運行)目標(biāo)速度間速度差關(guān)系。通過縮小兩者間的速度差，可在不提升道岔臨界速度的基礎(chǔ)上提高列車實際過岔速度，從而提升折返能力。