市域鐵路地下車站到發(fā)線有效長(zhǎng)度研究

劉 洋

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,200070,上海 ∥ 高級(jí)工程師)

市域鐵路為實(shí)現(xiàn)中心城區(qū)與市郊區(qū)域客流快速輸送的軌道交通線路，在中心城區(qū)運(yùn)行時(shí)具有行車密度大、站間距離短等城市軌道交通的特點(diǎn)，在市郊運(yùn)行時(shí)具有行車速度高、站間距較長(zhǎng)等一般鐵路(以下稱為“國(guó)鐵”)的特點(diǎn)。市域鐵路能夠?qū)崿F(xiàn)與國(guó)鐵的互聯(lián)互通，其運(yùn)行方式與國(guó)鐵基本類似，須考慮快慢車交替運(yùn)行以及越站運(yùn)行等行車組織的需要。因此，具有越行功能的市域鐵路中間車站需設(shè)置到發(fā)線，以滿足快慢車交替運(yùn)行和越站運(yùn)行的要求。

市域鐵路在中心城區(qū)受空間限制，往往和地鐵一樣采用地下運(yùn)行方式。具有越行功能的地下車站，地下空間跨度大，土建結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般采用明挖法施工，故其車站到發(fā)線的有效長(zhǎng)度會(huì)直接影響車站選址和拆遷范圍，對(duì)工程投資的影響亦較為明顯。車站到發(fā)線有效長(zhǎng)度除需滿足列車長(zhǎng)度要求外，還需考慮信號(hào)系統(tǒng)的安全防護(hù)距離和由應(yīng)答器等設(shè)備產(chǎn)生的附加余量，以確保列車的安全運(yùn)行。

本文以上海市域鐵路為研究對(duì)象。上海市域鐵路列車為CRH6型列車，列車運(yùn)行控制(以下簡(jiǎn)為“列控”)系統(tǒng)采用CTCS-2+ATO系統(tǒng)(2級(jí)中國(guó)鐵路列車控制系統(tǒng)+列車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng))，列車設(shè)計(jì)運(yùn)行速度為160 km/h，并采用綜合調(diào)度集中的行車調(diào)度方式，其與國(guó)鐵互聯(lián)互通運(yùn)營(yíng)方式。這些特點(diǎn)均決定了市域鐵路建設(shè)需遵循城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范體系。因此，市域鐵路到發(fā)線有效長(zhǎng)度除受車輛長(zhǎng)度直接影響外，還主要受安全防護(hù)距離及安全防護(hù)處理方式的影響。

本文基于對(duì)安全防護(hù)距離的深入研究，結(jié)合市域鐵路的特點(diǎn)，在保證行車安全和兼顧行車效率的前提下，提出了一套行之有效的安全防護(hù)方案。該方案能盡量縮短地下車站到發(fā)線有效長(zhǎng)度，對(duì)減小市域鐵路地下車站土建規(guī)模、提高車站結(jié)構(gòu)安全性、節(jié)省工程投資具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

1 常規(guī)的到發(fā)線有效長(zhǎng)度計(jì)算

1. 1 安全防護(hù)距離

安全防護(hù)距離包含列車測(cè)速測(cè)距誤差、司機(jī)確認(rèn)停車點(diǎn)距離及動(dòng)車組過走防護(hù)距離。列車在走行過程中，通過應(yīng)答器信息不斷地更新和矯正線路里程數(shù)據(jù)，故測(cè)速、測(cè)距誤差相對(duì)于安全防護(hù)距離較小。司機(jī)確認(rèn)停車點(diǎn)距離為站臺(tái)端部至應(yīng)答器組之間預(yù)留的余量，一般為10 m；此余量也可避免列車運(yùn)行控制監(jiān)控曲線接近零速時(shí)影響司機(jī)駕駛，從而提高行車效率。動(dòng)車組過走防護(hù)距離是一個(gè)相對(duì)比較復(fù)雜的距離值，要綜合考慮車站線路的曲線及坡度等特征、列車運(yùn)行速度(道岔號(hào))、控車方式及列車的制動(dòng)性能等因素，且通過牽引計(jì)算后才能得出。此外，過走防護(hù)距離還指當(dāng)列車失去ATP(列車自動(dòng)防護(hù))系統(tǒng)的防護(hù)時(shí)，收到出站信號(hào)機(jī)處應(yīng)答器緊急停車報(bào)文后，列車由目視行車模式或調(diào)車模式的最高限速(40 km/h)緊急制動(dòng)至停車的距離。

TB 10623—2014《城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：①出站應(yīng)答器組有源應(yīng)答器至警沖標(biāo)距離應(yīng)符合列控車載設(shè)備在目視行車、調(diào)車模式下收到出站應(yīng)答器組緊急停車報(bào)文實(shí)施緊急制動(dòng)的需要，且不得小于65 m；②受土建工程限制，不滿足上述規(guī)定時(shí)，應(yīng)答器組布置應(yīng)采取特殊安全控制措施。

通過牽引計(jì)算，CRH6型動(dòng)車組在不同坡度下從40 km/h降速至停車(以下稱為“40 km/h→0”)的緊急制動(dòng)距離見表1 。表1為列車經(jīng)過有源應(yīng)答器到觸發(fā)緊急制動(dòng)的時(shí)間(含空走時(shí)間1.5 s)。

可見，《城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》要求應(yīng)答器距警沖標(biāo)的距離不得小于65 m是合適的，考慮到測(cè)速或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量等誤差，一般要求應(yīng)答器組距離信號(hào)機(jī)不得小于65 m，且信號(hào)機(jī)距警沖標(biāo)為5 m。對(duì)于存在下坡道的到發(fā)線，需通過牽引計(jì)算來(lái)重新確定應(yīng)答器組距信號(hào)機(jī)的距離，從而影響車站到發(fā)線的有效長(zhǎng)度。

表1 CRH6型動(dòng)車組在不同坡度下40 km/h→0的緊急制動(dòng)距離表

市域鐵路與城際鐵路采用同樣的CRH6型動(dòng)車組和CTCS2+ATO列控系統(tǒng)，故均按上述規(guī)定要求執(zhí)行。對(duì)于市域鐵路地下車站，由于其受土建工程限制，須研究可縮短安全防護(hù)距離(應(yīng)答器組距信號(hào)機(jī)距離)的方案或控制措施，以滿足工程需要。

1.2 到發(fā)線有效長(zhǎng)度的計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)警沖標(biāo)距信號(hào)機(jī)、應(yīng)答器組距信號(hào)機(jī)、組間應(yīng)答器間距、站臺(tái)端頭距應(yīng)答器組及站臺(tái)長(zhǎng)度等距離的規(guī)定，市域鐵路常規(guī)車站到發(fā)線有效長(zhǎng)度示意圖如圖1所示。

圖1 市域鐵路到發(fā)線有效長(zhǎng)度示意圖

市域鐵路常用的8節(jié)編組動(dòng)車組全長(zhǎng)199.5 m。考慮到與國(guó)家鐵路線路互聯(lián)互通的要求，應(yīng)參照最長(zhǎng)動(dòng)車組(CRH1型214 m)長(zhǎng)度，故站臺(tái)長(zhǎng)度一般按220 m設(shè)計(jì)。計(jì)算可得，在常規(guī)站場(chǎng)布置條件下，市域鐵路的到發(fā)線有效長(zhǎng)度為390 m，取整為400 m。

2 縮短到發(fā)線有效長(zhǎng)度的方案

由上述分析，影響到發(fā)線有效長(zhǎng)度計(jì)算的最大可變因素就是安全防護(hù)距離。在保證行車安全和兼顧行車效率的前提下，經(jīng)過分析、研究、篩選后，本文提出兩個(gè)通過縮短安全防護(hù)距離來(lái)縮短車站到發(fā)線有效長(zhǎng)度的方案。

2.1 增設(shè)限速應(yīng)答器組方案

除按設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定在出站信號(hào)機(jī)處設(shè)置應(yīng)答器組外，在到發(fā)線中間適當(dāng)位置增設(shè)應(yīng)答器組。由于對(duì)于無(wú)辦理側(cè)向通過進(jìn)路需要的到發(fā)線，可默認(rèn)列車進(jìn)側(cè)線停車，因此可僅設(shè)置無(wú)源限速應(yīng)答器組。此時(shí)，鑒于CTCS2+ATO系統(tǒng)在股道中間已設(shè)置了用于精確停車的應(yīng)答器組，可考慮將應(yīng)答器組的限速信息與精確停車應(yīng)答器組合并使用。到發(fā)線增設(shè)限速應(yīng)答器組示意圖如圖2所示。

圖2 到發(fā)線增設(shè)應(yīng)答器組示意圖

到發(fā)線增設(shè)限速應(yīng)答器組的工作原理為：在不影響列車進(jìn)入站內(nèi)到發(fā)線入口速度的情況下，在到發(fā)線適當(dāng)位置增設(shè)限速應(yīng)答器組，可將列車的速度進(jìn)一步降低；如將速度限制在20 km/h，則列車運(yùn)行至出站應(yīng)答器組時(shí)的速度已降至20 km/h，安全防護(hù)距離則可按由20 km/h降速至停車的緊急制動(dòng)距離設(shè)置。限速應(yīng)答器組內(nèi)限速值的設(shè)置要結(jié)合應(yīng)答器組距離出站信號(hào)機(jī)的距離和動(dòng)車組最大常用制動(dòng)的速度值來(lái)共同確定。當(dāng)二者接近或相等時(shí)，行車效率最高。因此，可考慮將限速值設(shè)置為制動(dòng)曲線中的20→15 km/h區(qū)間，使安全防護(hù)距離縮短30～40 m，進(jìn)而使到發(fā)線有效長(zhǎng)度縮短60～80 m。

增設(shè)限速應(yīng)答器組方案的優(yōu)點(diǎn)是：在不影響列車進(jìn)出車站側(cè)線到發(fā)線入口速度的前提下，能大幅縮短到發(fā)線有效長(zhǎng)度。缺點(diǎn)是：該方案目前僅限于理論研究，尚未在任何工程中應(yīng)用，需與列控系統(tǒng)的廠商進(jìn)一步研究，進(jìn)而判斷對(duì)列控系統(tǒng)的影響，深入評(píng)估方案的安全性和可實(shí)施性。對(duì)于存在通過作業(yè)需求的到發(fā)線，可在到發(fā)線中間增設(shè)有源限速應(yīng)答器。其目的是為實(shí)時(shí)采集出站信號(hào)的狀態(tài)，并結(jié)合出站信號(hào)的狀態(tài)通過有源應(yīng)答器向列車提供相應(yīng)的速度可變信息。

2.2 防護(hù)進(jìn)路方案

設(shè)置列車過走防護(hù)距離的目的是為防止列車因冒進(jìn)而與前方列車追尾或與正線列車發(fā)生側(cè)沖。因此，可以在列車運(yùn)行方向的進(jìn)路外方設(shè)置保護(hù)區(qū)段，即防護(hù)進(jìn)路方案。當(dāng)辦理到發(fā)線的接車(調(diào)車)進(jìn)路時(shí)，自動(dòng)鎖閉對(duì)面咽喉區(qū)的發(fā)車進(jìn)路區(qū)段，并將發(fā)車進(jìn)路區(qū)段用作過走防護(hù)的保護(hù)區(qū)段。待車站聯(lián)鎖系統(tǒng)收到列車停穩(wěn)信號(hào)后，自動(dòng)解鎖對(duì)面咽喉區(qū)的保護(hù)區(qū)段，使車站對(duì)方咽喉區(qū)恢復(fù)正常的運(yùn)輸作業(yè)。當(dāng)?shù)桨l(fā)線末端存在機(jī)待線或牽出線時(shí)，將防護(hù)進(jìn)路設(shè)置到機(jī)待線或牽出線，從而不影響對(duì)方咽喉區(qū)的正常運(yùn)輸作業(yè)。接車進(jìn)路設(shè)置防護(hù)進(jìn)路方案示意圖如圖3及圖4所示。

圖3 接車進(jìn)路設(shè)置防護(hù)進(jìn)路方案示意圖(對(duì)方咽喉)

在防護(hù)進(jìn)路方案中，過走防護(hù)距離充分利用了咽喉區(qū)道岔區(qū)段和正線區(qū)段，故可最大限度地縮短到發(fā)線有效長(zhǎng)度。該方案中，信號(hào)機(jī)距警沖標(biāo)5 m，有源應(yīng)答器距信號(hào)機(jī)5 m，應(yīng)答器組間距為5 m，站臺(tái)有效長(zhǎng)度為220 m。計(jì)算可得，到發(fā)線有效長(zhǎng)度為250 m，較原400 m的到發(fā)線有效長(zhǎng)度縮短了150 m?？梢?，防護(hù)進(jìn)路方案最大限度地縮短了到發(fā)線長(zhǎng)度，進(jìn)而減小整個(gè)地下車站的土建規(guī)模，減少了工程投資。經(jīng)初步估算，采用防護(hù)進(jìn)路方案后，1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)3層車站的直接工程投資可節(jié)約2～3億元，工程拆遷量亦大幅減少。

圖4 接車進(jìn)路設(shè)置防護(hù)進(jìn)路方案示意圖(牽出線)

在地鐵CBTC信號(hào)系統(tǒng)中，采用防護(hù)進(jìn)路保護(hù)區(qū)段的方式已有成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。國(guó)鐵雖未采用過防護(hù)進(jìn)路方式，但國(guó)鐵信號(hào)系統(tǒng)在進(jìn)站外方制動(dòng)距離內(nèi)有坡度大于6‰下坡道時(shí)，采用的延續(xù)進(jìn)路處理方式與該方案基本相似。延續(xù)進(jìn)路需在辦理接車進(jìn)路時(shí)同時(shí)辦理。此外，延續(xù)進(jìn)路采用列車輪對(duì)壓入到發(fā)線180 s后方能自動(dòng)解鎖的方式。如加上列車在進(jìn)路所在的咽喉區(qū)運(yùn)行時(shí)間，則延續(xù)進(jìn)路鎖閉時(shí)間大于200 s。究其原因，國(guó)鐵車站聯(lián)鎖系統(tǒng)無(wú)法獲取到列車進(jìn)站停穩(wěn)的時(shí)間，只能簡(jiǎn)單采用最大時(shí)間包容方式處理，以時(shí)間換空間，犧牲行車效率換行車安全。由于國(guó)鐵車站進(jìn)站外方制動(dòng)距離內(nèi)有大于6‰下坡道的車站相對(duì)較少，故該延續(xù)進(jìn)路處理方式對(duì)整個(gè)鐵路線路運(yùn)輸效率影響相對(duì)較小。從理論上分析，延續(xù)進(jìn)路采用延時(shí)解鎖方式仍不符合列控系統(tǒng)安全控制要求的閉環(huán)理論，存在安全隱患，既不符合市域鐵路的高密度公交化運(yùn)營(yíng)，也不符合列控系統(tǒng)安全控制原則。因此，市域鐵路的防護(hù)進(jìn)路不能采取延時(shí)解鎖方式。

為避免延續(xù)進(jìn)路辦理程序繁瑣及解鎖延時(shí)過大，防護(hù)進(jìn)路方案在進(jìn)路辦理時(shí)要簡(jiǎn)化操作。信號(hào)系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)路排列情況，自動(dòng)將進(jìn)路外方的保護(hù)區(qū)段進(jìn)行鎖閉。為保證市域鐵路的行車效率，防護(hù)進(jìn)路的解鎖時(shí)間需盡量縮短。由于市域鐵路采用CTCS2+ATO系統(tǒng)，其車站站臺(tái)設(shè)置有站臺(tái)門，且站臺(tái)門的開啟時(shí)機(jī)須接收到列車停穩(wěn)信號(hào)，因此當(dāng)車站聯(lián)鎖系統(tǒng)采集到了列車停穩(wěn)信號(hào)后，即可將進(jìn)路外方咽喉區(qū)的保護(hù)區(qū)段解鎖。這樣不僅縮短了鎖閉對(duì)方咽喉區(qū)的時(shí)間，而且由于車站到發(fā)線有效長(zhǎng)度的縮短，列車在接車過程中走行距離和時(shí)間均明顯減少。經(jīng)測(cè)算，整個(gè)接車進(jìn)路列車由進(jìn)站至停穩(wěn)的時(shí)間由原來(lái)的約70 s縮短至約50 s，而且鎖閉進(jìn)路外方咽喉區(qū)段亦僅影響后續(xù)越行列車的進(jìn)路排列時(shí)間，對(duì)于后續(xù)站站停列車的追蹤并未產(chǎn)生任何影響，既能確保行車安全，又能最大限度地保證行車效率。

利用防護(hù)進(jìn)路保護(hù)區(qū)段作為安全防護(hù)距離的方案，在接車的同時(shí)，將車站另外一端的咽喉區(qū)段進(jìn)行防護(hù)鎖閉，會(huì)對(duì)車站的發(fā)車造成一定的影響。但市域鐵路采用公交化運(yùn)營(yíng)模式，其中間車站(特別是地下站)設(shè)置的到發(fā)線主要為了滿足快慢車間的越行要求，基本不存在側(cè)線股道接車和其他股道同時(shí)發(fā)車的情況。而且由于防護(hù)進(jìn)路區(qū)段采取列車停穩(wěn)即防護(hù)進(jìn)路解鎖的方式，咽喉區(qū)段的鎖閉時(shí)間較短，故即使偶爾存在側(cè)線股道接車和其他股道同時(shí)發(fā)車的情況，對(duì)行車效率影響也極為有限。除此之外，該方案大幅度縮短了地下車站的到發(fā)線，在土建施工難度、工程投資、運(yùn)營(yíng)維護(hù)以及節(jié)能環(huán)保方面的優(yōu)勢(shì)非常明顯。

3 結(jié)語(yǔ)

市域鐵路既要求實(shí)現(xiàn)不同制式線路之間的互聯(lián)互通跨線運(yùn)行，又要求滿足城市軌道交通特征的公交化運(yùn)行需求，是工況復(fù)雜、投資巨大的系統(tǒng)工程。

在工程設(shè)計(jì)階段應(yīng)加強(qiáng)綜合設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理念，深入分析影響車站到發(fā)線有效長(zhǎng)度的因素。本文在遵循故障-安全原則的前提下，綜合考慮行車安全、運(yùn)輸效率和工程投資，提出市域鐵路車站到發(fā)線有效長(zhǎng)度優(yōu)化方案，以期提升市域鐵路建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展能力。