既有鐵路專用線改造技術研究(下)
——改造工程重難點分析

李巖輝,楊學金,沈增濤,鄒 毓

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043； 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

1 研究概述

上篇文章對既有線改造為城市軌道交通的功能定位、需求進行了系統分析，并以西戶鐵路為例，分析后改造為有軌電車制式。西戶鐵路為既有鐵路，與有軌電車為兩種截然不同的軌道交通制式。鑒于此，對改造過程中關鍵問題進行研究匯總[1-3]，主要內容見表1。

表1 既有線改造關鍵問題匯總

本文將結合既有鐵路改造與新建線路若干差異，對改造過程的重難點問題進行分析并給出解決方案。

2 需求分析

2.1 鐵路專用線改造客流預測特征

上篇對西戶鐵路改造為城市軌道交通的客流進行預測，一般客流預測主要針對新建軌道交通，相比于既有線改造有以下差異。

(1)客流培育

專用鐵路服務于原有工礦企業(yè)，沿線人口密度較低。因此專用線改造時優(yōu)先選擇城市連片發(fā)展區(qū)域，才能具備客流條件[4]。即便如此，部分專用線位于城市外圍，不屬于主要客流走廊，其客流培育需要一定時間。隨著西安市社會經濟發(fā)展，西戶鐵路沿線用地逐漸發(fā)展，形成了部分用地集中區(qū)及客流集散點，主要包括西郊工業(yè)區(qū)、灃東吾悅廣場、昆明池景區(qū)、居住區(qū)、學校、購物中心等(圖1)。

圖1 西戶線改造沿線主要客流集散點

城市軌道交通規(guī)劃首先選擇重要公交走廊、沿線公交出行方式較為成熟、客流轉移條件良好的區(qū)域。西戶線在改造以前，部分區(qū)域具備上述特征，在西安西郊、鄠邑區(qū)人口分布密集，但目前該線路尚未承擔城市軌道交通功能，因此未形成公交走廊?？紤]出行方式轉移，線路開通后沿線居民將逐漸使用該線路，采用其他交通方式以及區(qū)域內部出行的模式將隨著新線開通而變化。

(2)出行特征

軌道交通沿線出行特征(出行總量、出行方式、出行距離、出行分布等)要素決定了軌道客流效益，在進行線站位布局時已對客流走廊進行了充分研究。而既有線改造是針對已有線路，由于現狀居民無法使用該線路作為出行方式，其出行特征固化，進行客流分析時應針對車站周邊及沿線區(qū)域進行具體分析，明確其出行特征，為優(yōu)化增設車站布局、綜合交通銜接工作提供依據。

2.2 客流敏感性分析

根據圖1對西戶線改造后各個車站周邊用地特征進行梳理，其特征如下。

皂河—昆明池部分，位于西安西郊工業(yè)區(qū)、灃東新城區(qū)域，該區(qū)域以連片用地為主，有部分工業(yè)、商業(yè)用地，根據客流測試結果，主要客流源于該區(qū)域；昆明池—蒼游鎮(zhèn)部分，該區(qū)域受到灃京、鎬京遺址影響，無法進行高強度開發(fā)，人口分布少、客流密度較低；周店—汽車南站部分為鄠邑中心區(qū)，有一定客流量。隨著國家推進都市圈建設進程逐漸加快，鄠邑區(qū)在都市區(qū)的定位將逐漸提高，與中心城區(qū)的聯系也將進一步加強，沿線出行量、長距離出行會有一定增長[5]。

而根據國土空間對基本農田、水域、文物等用地的規(guī)劃要求，本線沿線很難形成連片區(qū)域且開發(fā)強度受到一定限制。因此，該線路整體客流強度為中-低運量級別，符合有軌電車運能特點。

2.3 綜合交通與城市發(fā)展

由于該線路車站周邊直接吸引客流規(guī)模受到用地開發(fā)限制，因此亟需通過多種交通方式接駁以增加客流吸引范圍[6]。根據國土空間規(guī)劃，本線客流培育主要來源為：①沿線老舊小區(qū)較多，部分地塊的更新、TOD開發(fā)；②以西郊工業(yè)區(qū)、大唐電廠、惠安公司現狀為基礎，進行產業(yè)、職住的合理布局；③旅游景區(qū)的賦能與提升；④以大西安軌道交通線網規(guī)劃為基礎，優(yōu)化局部公交線網，做好銜接換乘，盡可能保證軌道與常規(guī)公交系統形成合作關系，以增強客流效益。

3 工程方案重點

3.1 行車組織與運營管理

3.1.1 車輛選型

通過交通需求分析，改造方案客流預測結果如表2所示。

表2 西戶鐵路改造方案客流預測主要指標

以該結果為基礎，本次車輛選型擬從國鐵、城市軌道制式中進行選擇。

(1)國鐵。既有西戶線為內燃機車牽引，在改造過程中進行電氣化改造，工程投資較大，綜合效益不明顯，本次改造暫不考慮。因此本項目適用DF4或HXN內燃機車牽引25型客車模式。

(2)城市軌道。由于本次主要是考慮利用既有西戶線進行公交化運營，跨座式單軌、云巴等制式不適于本線。而有軌電車為鋼輪鋼軌制式，可以利用既有線路，與本線客流適應性更好，具有投資省、建設周期短、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，車輛技術成熟、國內運營經驗豐富[7]。本次研究主要比選有軌電車及內燃機+客車兩種模式。采用6人/m2站立標準，有軌電車6模塊、內燃機+客車列車編組及與運能如表3所示。

表3 不同制式列車編組及運輸能力

由于兩種制式定員基本相同，初、近、遠期采用有軌電車6模塊、內燃機+客車2輛編組均可滿足客流需求。但內燃機+客車車長為71.6 m，6模塊有軌電車長為54 m。采用傳統鐵路車型，新建站臺長度較有軌電車長近20 m，且傳統鐵路列車存在折返問題。因此，推薦西戶線升級改造采用有軌電車制式。

3.1.2 運營組織

(1)客貨運營協調問題

由于客、貨車車長不同，貨車不能利用新建有軌電車站進行會讓作業(yè)，僅可利用既有的3個貨站進行會讓作業(yè)，本線的平圖能力為25.5對/d，不能滿足客流需求，需考慮客貨分時段運營。根據客貨運需求特征，本線客車運營時間為06:00—21:00，全天共計運營時間15 h。貨車在客車結束運營后通行[8]。通過運行圖鋪畫，開行2對/d貨車需要占用2 h 2 min的運營時間，貨車于夜間21:00—23:30間運營。

(2)單線運營問題

由于西戶線為單線，考慮客流量以及近期改造可行性，本線初、近期為單線，如采用對向發(fā)車，通過能力為3對/h，輸送能力僅為1 230人/h，不能滿足本線近期客流需求。可根據高峰時間客流不均衡系數，采用高峰小時單向連發(fā)，能夠提高通過能力和旅行時間，平峰時段采用雙向對發(fā)。遠期根據客流增長情況對線路進行雙線改造[9]。

3.2 線路方案

為擴大本線服務范圍、發(fā)揮有軌電車“網運分離”的優(yōu)勢，未來可根據城市發(fā)展、客流需求對線路進行延長并增設支線，在西安西郊、鄠邑區(qū)形成局部小運量線網。其考慮因素包括[10]：①根據西安市軌道交通線網規(guī)劃，中心城區(qū)線網密度較高，可對外圍區(qū)域進行加密；②對主要樞紐，包括鄠邑高鐵站、阿房宮高鐵站進行銜接；③在鄠邑區(qū)內部增加東西向線路，形成內部骨架網絡。西戶鐵路遠期延伸方案如圖2所示。

遠期方案以鄠邑區(qū)道路結構、軌道交通線網15/18號線線站位、重要客流集散點為依據，將主線進一步延伸至惠安公司，并在東西向增加支線，連接渼陂湖、鄠邑高鐵站，構建鄠邑區(qū)范圍的高鐵樞紐—大運量—低運量多層級的網絡體系。

3.3 交通管理

既有西戶線以路基段為主，線路與市政道路多為平交；由于城市發(fā)展，部分建設用地已覆蓋至鐵路區(qū)域，建筑本體緊鄰鐵路，對建筑環(huán)境、居民出行造成一定影響[11]。因此有必要對沿線平交口、周邊居民出行環(huán)境進行管理、優(yōu)化，保障軌道交通安全、高效運營。

3.3.1 平交口交通組織

首期工程平交道口39處。根據分類研究、精細化管理的原則，將上述平交道口按照現狀調研情況、道路等級、管理模式、交叉口所在區(qū)位進行劃分，主要交叉口分布如圖3所示。

圖3 西戶線沿線平交道口分布

根據不同類型平交道口分布可以看出，有人值守主要為鐵路與主干道交叉口，無人值守主要為鐵路與縣道、鄉(xiāng)道、村道等道路交叉口。隨著城市發(fā)展、出行總量增加、機動車保有量的增加，西戶線改造后交通量將進一步增長，對沿線交叉口進行信號控制，是保證有軌電車運營的重要保障[12-13]。本案例選取昆明路—天臺路交叉口進行交通仿真。首先對道路交通量進行現場調查，并對十字路口東西進口、南北進口、有軌電車平交道口3個相位(圖4)的信號進行優(yōu)化，仿真結果表明，通過信號優(yōu)先設置(圖5)，能夠滿足遠期高峰15對運營對道路交通管控的要求(圖6)。

圖4 昆明路—天臺路三角交叉口相位示意

圖5 昆明路—天臺路三角交叉口相位配時

圖6 昆明路—天臺路三角交叉口仿真結果(Vissim)

3.3.2 沿線居民出行管理與環(huán)境提升

隨著城市發(fā)展，線路周邊逐漸發(fā)展為高密度的住宅、商住混合、工業(yè)區(qū)等用地，在西三環(huán)內形成用地發(fā)展集中區(qū)。由于該片區(qū)用地紅線緊鄰西戶線，鐵路以及有軌電車的運營會對沿線居民生產生活造成一定影響，因此需對沿線的交通環(huán)境進行管理與優(yōu)化[14]。研究選取西戶鐵路棗園西路至大慶路區(qū)間進行分析，該段為西戶線用地集中、人口密度較高的區(qū)域，沿線用地性質包括工業(yè)用地、商住混合用地、住宅、物流倉儲等，除棗園西路、大慶路外，有多處無人值守的平交道口，鐵路與現狀周邊用地關系如圖7所示，該片區(qū)交通特征具有以下特點。

圖7 西戶線阿房路沿線用地特征

(1)沿線環(huán)境有待提升。既有鐵路空間存在堆放雜物、排放垃圾廢水情況，給生活與出行帶來不便。(2)交通秩序混亂。沿線有較多居住區(qū)、工業(yè)廠區(qū)出入的支路，其中豐盛路連接多個大型居住區(qū)，交通量較大，但仍為無人值守路口，帶來一定安全隱患。(3)沿線業(yè)態(tài)低端。沿線何苑新村、南何新村、西紡六村小區(qū)在鐵路一側有部分沿街商鋪，但多為便利店、小飯館等類型。

因此，改善沿線環(huán)境、增強客流吸引、重塑城市空間，對沿線居民出行秩序提升具有重要意義。其改造方向包括以下3個方面。

(1)道路改造。根據運營管理安排，初期、近期保持原有單線運營(圖8)，遠期根據客流情況增設雙線(圖9)。考慮限界要求，原有線路按照鐵路運營的包容性設計，保持原有5 m的限界，增設線路按照4 m寬度預留，對線路兩側綠化帶、人行道寬度進行優(yōu)化，在降低拆遷量的同時，滿足軌道交通運營要求。

圖8 阿房路改造前道路斷面(單線)

圖9 阿房路改造后道路斷面(雙線)

(2)城市空間改造。通過商業(yè)業(yè)態(tài)提升、設立信號交叉口、交通渠化等方式，以車站、社區(qū)為中心，構建片區(qū)級交通樞紐。區(qū)域內以連續(xù)的慢行交通走廊為主，盡可能延續(xù)當地的城市功能與文化，提升出行者的公共空間感受[15](圖10)。

圖10 有軌電車沿線城市空間改造示例

(3)環(huán)境改造。改造后的線路不僅承擔交通功能，也承擔部分生活、游憩功能。在軌道限界外，通過綠化、地面鋪裝，打造適宜的步行空間，形成生態(tài)長廊(圖11)。

圖11 有軌電車沿線區(qū)間改造示例

3.4 車輛及限界

(1)車輛形式

有軌電車車輛以70%和100%低地板為主，考慮乘客舒適性、技術成熟性、無障礙等要求，本次改造擬采用6模塊編組的100%低地板有軌電車車輛，采用超級電容供電。考慮既有鐵路的標準、本線功能定位與速度目標值，推薦本線最高運行速度為70 km/h。

(2)限界方案

未來一定時期西戶線仍承擔貨運功能，因此本工程限界按有軌電車和內燃機車混跑考慮，共線區(qū)間、車站限界均按《鐵路技術管理規(guī)程》(普速鐵路部分)進行包容性設計，如圖12、圖13所示。在車站部分，考慮有軌電車停站上、下客安全，為縮短站臺邊緣至有軌電車車門間隙，在滿足《鐵路技術管理規(guī)程》(普速鐵路部分)的前提下，站臺高度距軌頂面高度由300 mm降低到200 mm，站臺邊緣距線路中心線由1 725 mm縮短到1 500 mm。

圖12 正線區(qū)間建筑限界(單位：mm)

圖13 正線車站建筑限界(單位：mm)

3.5 軌道

既有西戶線為Ⅲ級鐵路，運營年份較長，鐵路配套設施陳舊，各設施情況如表4所示。

表4 西戶線軌道現狀指標

目前有軌電車采用的道床形式主要有整體道床和碎石道床兩種。本線正線采用碎石道床能夠滿足線路的運營需求，可充分利用既有碎石道床，改造投資較低；改造后的西戶線將同時運行有軌電車、貨運列車，貨運列車軸重大，現有的有軌電車所采用的整體道床難以滿足長期運行貨運列車的需求，因此推薦本工程正線采用碎石道床。在與市政道路相交的平交道口，為了滿足城市車輛平穩(wěn)通行的需求，推薦采用整體道床。

鋼軌采用CHN系列可以同時滿足有軌電車以及貨運列車的運行需求，且經濟性較好，因此本線推薦采用CHN系列60 kg/m鋼軌。

3.6 供電

既有線改造為有軌電車后，需增設一套供電系統[16]。根據有軌電車系統要求，本線環(huán)網電壓等級采用10 kV。

本線北起西安地鐵1號線皂河站附近，沿線分布有統源、土門、灃西等14座110 kV變電站，上述變電站均具備向本線提供10 kV電源的能力。全線設4座開閉所，分別位于皂河站、昆明池站、蒼游鎮(zhèn)站和汽車南站，外電源就近由城市電力變電所直接接入。

3.7 信號系統

(1)既有鐵路系統概述

①行車調度指揮設備。三民村、新西北、馬王村、戶縣4站均納入鐵路西安局行調臺控制。新西北、馬王村、戶縣3站均設有列車調度指揮系統(TDCS 2.0)，于2005年啟用。

②區(qū)間閉塞設備。隴海線三民村站隴海線區(qū)間采用ZPW-2000A型四顯示自動閉塞，采用繼電編碼方式；西戶線采用64D繼電半自動閉塞。

(2)改造后系統方案

為解決有軌電車客運作業(yè)與既有國鐵貨運線路的兼容問題，提出維持既有西戶線并疊加有軌電車系統設備的方案，工程難點包括3方面。

①兩套系統間調度管理的權限交接、運輸組織模式融合，滿足客貨混跑的需求。

②兩套系統室外設備控制方案。

③沿線道口控制需與信號系統進行信息交互，應采取先進的技術手段進行安全監(jiān)控。

經研究，該方案信號系統方案構成如下。

①為實現對運營車輛的調度指揮，以及對運行車輛的位置、軌旁設備狀態(tài)的實時監(jiān)控，在控制中心配置調度管理子系統，可有效提高運營管理水平。

②為便于轉線或折返作業(yè)，保證列車通過道岔區(qū)的安全，在正線道岔區(qū)配置能夠實現自動排列進路并可人工操作的正線道岔控制子系統。

③本線以專用軌道作為導向軌，為保證運行效率，在道路平交口配置路口信號控制子系統，保證車輛在道路交叉口可順利通行。

④考慮本線車輛由人工駕駛運行，車載信號設備需提供必要的駕駛輔助信息和預警信息。

⑤為保證車輛段內調車作業(yè)及車輛出入段作業(yè)的安全，車輛段配置計算機聯鎖、監(jiān)測子系統，以提高運營效率和維護管理水平。

4 沿線多元化開發(fā)

本線改造為有軌電車以承擔交通功能的同時，可考慮多元化經營模式，以增加線路客流效益、提升沿線土地價值。

(1)打造特色旅游交通產品

上述客流集散點中旅游景點包括漢長安城遺址、阿房宮遺址、灃京遺址、鎬京遺址、灃河景觀帶、昆明池、渼陂湖等，旅游資源豐富?？山Y合旅游資源對部分車廂內部進行改造，增加全景天窗、餐飲設施，注重娛樂性。在有條件情況下也可進行租賃、包車服務[17]。

(2)“旅游+”的一體化開發(fā)模式

以旅游交通產品為基礎，發(fā)揮名片和品牌效應，提高景區(qū)吸引力[18]。通過西戶線的公交化運營，將沿線旅游資源整合起來，提高景區(qū)的附加值，帶動相關產業(yè)融合發(fā)展、促進包含“吃住行游購娛”產業(yè)復合鏈全域旅游模式的形成。

(3)沿線城市更新改造

西戶線連接了西安西郊工業(yè)區(qū)、西咸新區(qū)、鄠邑區(qū)，該線路起到老城區(qū)交通疏解、促進老城區(qū)與新城區(qū)聯系的作用[19]。通過對沿線老舊小區(qū)改造、人居環(huán)境的提升、城市設計的更新，使傳統鐵路沿線的“消極空間”向“愉悅空間”“生活空間”“樂活空間”轉變。

5 結論與建議

(1)本研究通過功能與需求分析、改造工程重難點分析，對西戶鐵路的現狀、城市發(fā)展、客流需求、綜合交通、工程方案等問題進行分析，線路首期工程北起皂河站，南至鄠邑區(qū)汽車南站，全長33 km，設站13座，總投資16.5億元。本文在目前對既有線改造研究理論基礎上，通過上、下兩個篇章，對沿線現狀、城市空間變化、客流特征、城市用地、交叉口信號管控、工程問題納入考慮因素并進行研究，更為全面地評估既有線改造城市軌道的可行性與技術難點。

(2)既有線改造涉及國土規(guī)劃、鐵路、市政、公交等多部門對接，本研究探討了技術問題，但后期仍需多方協調才能確保項目落地。

(3)隨著國家供給側改革、產業(yè)結構調整、去庫存去產能、交通強國等政策的推行，并結合328號文、532號文、116號文[20-22]的相關要求，對既有鐵路改造符合國家發(fā)展方向，給都市區(qū)空間重構、城市發(fā)展、產業(yè)提升、全域旅游、TOD開發(fā)、綜合交通、環(huán)境優(yōu)化帶來機遇。同時，該線路可應用智慧地鐵、低影響開發(fā)等技術，引領城軌交通邁入自動化、智能化發(fā)展新時代。

(4)有軌電車為低運量級軌道交通，但仍應以“多層次多制式”的理念將其納入城市軌道交通線網中，充分考慮都市圈發(fā)展、工業(yè)區(qū)改造、站城一體化等因素，審視其線站位與整個軌網的關系與功能定位。