軌道交通換乘站方案設計與仿真分析

楊莉莉

(中鐵第一勘察設計研究院集團有限公司，陜西 西安 710045)

城市軌道交通換乘站是作為線網(wǎng)交叉樞紐點存在的，實現(xiàn)了聯(lián)通地鐵網(wǎng)的需求，乘客通過換乘站也能夠進行轉線、換乘，因此地鐵線路的運營質量與換乘站設計的合理性直接相關。對于每條地鐵線路來說，換乘站都是重點和難點工程，也是線路規(guī)劃的錨固點，對于線路起到控制走向的作用，線網(wǎng)的運量、運能與換乘點、換乘方式都息息相關，深入研究換乘站的設計，能夠大大提高線網(wǎng)規(guī)劃的科學性。在新建地鐵線路的換乘功能中，還存在很多難點，比如可能無法滿足未來的客流需求，要對顧客的行走路線非常清晰，提高對乘客的服務水平等。使用交通仿真技術研究復雜性較高的交通問題，可在不參與真實系統(tǒng)的基礎上對不同規(guī)劃方案進行對比，所以能夠基于交通仿真技術對城市交通換乘站進行模擬，發(fā)現(xiàn)問題并及時優(yōu)化改善。

現(xiàn)階段我國正處于軌道交通事業(yè)的快速發(fā)展階段，城市軌道交通需求也在不斷提高。在此背景下亟需設計出合理高效的線網(wǎng)規(guī)劃，一些大型城市發(fā)展節(jié)奏顯著提升，而軌道線網(wǎng)規(guī)劃卻不能滿足其客運需求，因此會出現(xiàn)部分標準車站被動的改造成為換乘站等問題。由此可見，編制合理而有遠見的線網(wǎng)規(guī)劃是非常關鍵的。萬壽路站為線網(wǎng)規(guī)劃修編及第3期建設規(guī)劃落實以后，規(guī)劃新增了地鐵8號線換乘站，上版線網(wǎng)實際上不包含該換乘站，因此在設計實施過程中，其站臺寬度為12.0 m，沒有換乘需要的接口與條件。考慮到車站周邊換乘的復雜性及既有站改造的復雜性，為提高換乘站方案的可實施性與合理性，并優(yōu)化其功能。本文選取西安地鐵8號線的第16座車站作為研究對象，對城市地下軌道交通換成站客流分配方案進行分析，并對方案進行了仿真優(yōu)化設計。

1 城市軌道交通網(wǎng)絡客流特性分析

在軌道交通線路交織成網(wǎng)運輸體系下，客流分布與變化特征比單一線路更復雜，一是線網(wǎng)客流密度不是單一變化趨勢；二是屬于一種多維多層次變化。軌道線網(wǎng)中換乘站能實現(xiàn)線網(wǎng)體系內各條線路間客流交換，使各條線路客流、客運量分布不同于單一線路。分析網(wǎng)絡客流特性是合理、科學編制列車運輸計劃的基礎。在網(wǎng)絡化條件下，列車運行組織方案在保證有序、安全輸送客流基礎上，使換乘站銜接更有效。

1.1 客流時間分布不均衡

城市軌道交通具備運行準點率高、網(wǎng)絡可達性高、快速、安全等優(yōu)勢。其主要吸引群體為通勤、通學城市居民，通勤客流出行時間多在早、晚高峰集中，以娛樂、休閑等目的出行居民根據(jù)個體出行費用、時間價值、舒適度等在非高峰時段會選擇軌道交通以外方式出行，因而軌道交通網(wǎng)絡客流時間分布不均衡。城市軌道交通線網(wǎng)客流時間分布不均衡主要體現(xiàn)在網(wǎng)絡進出站客流量、換乘客流量較大的時間段集中在早晚高峰，造成站臺乘客擁擠、車廂滿載率高、換乘時間長。

1.2 客流空間分布不均衡

在城市交通早高峰期間，大量上學、通勤客流出行使學習辦公區(qū)出站客流、居住區(qū)進站客流量明顯比其他覆蓋區(qū)域車站要高，晚高峰因返程客流量大，除辦公區(qū)、居住區(qū)周邊車站客流集中，城市商業(yè)購物區(qū)周邊車站有客流擁擠現(xiàn)象存在。在城市各功能區(qū)日趨完善、成熟情況下，城市各類用地功能區(qū)根據(jù)總體規(guī)劃在不同片區(qū)布局，因乘客出行個體情況差異，造成城市軌道網(wǎng)絡客流空間具有不均衡性分布?？土骺臻g分布不均衡性表現(xiàn)在各軌道站點客流乘降量分布不均衡、線網(wǎng)各斷面客流分布不均衡。

1.3 斷面客流不均衡

網(wǎng)絡客流斷面分布不均衡性包括不同線路區(qū)段斷面客流差異、線路上下行方向的斷面客流差異。因軌道線網(wǎng)中各條地鐵線路運營管理相對獨立，線路差異所導致的客流空間分布特征也有顯著不同。城市中心區(qū)域被直徑線穿越，能快速輸送市郊客流至城市中央?yún)^(qū)域，發(fā)揮城市中心區(qū)集聚作用且能滿足換乘需求。線路全日客流斷面呈中間高、兩端低分布，根據(jù)換乘站所處區(qū)位不同，在換乘站相交線路方向不同，不同線路運行方向客流交換量不同。優(yōu)化各線路方向到站列車、車站客流銜接、匹配，確定高效合理行車計劃，對既有換乘站客流流量流向分析可用于優(yōu)化各向客流換乘流線，提高組織效率，減少沖突。

2 案例分析

2.1 工程概況

西安市地鐵8號線第16座車站為地下軌道萬壽路站，換乘軌道為既有地鐵1號線。地鐵8號線從南到北沿林帶靠西敷設，與林帶同期建設，西側為綜合管廊和萬壽路，東側為規(guī)劃林帶商業(yè)，地鐵與商業(yè)緊密銜接，使此區(qū)域公共建設更為完善，同時提升地鐵和商業(yè)價值。同時8號線在此區(qū)域與其他線路形成換乘，地鐵7號線為規(guī)劃線路，在華清路至長纓路段從場地斜穿越，與本線在王家墳站形成換乘；地鐵1號線為運營線路從長樂路地下穿越，與本線在萬壽路站形成換乘，地鐵6號線處于開工階段從咸寧路地下穿越，與本線在萬壽南路站形成換乘。萬壽路規(guī)劃道路30 m，長樂中路規(guī)劃道路60 m，路口西側已實現(xiàn)規(guī)劃，東側待改建中。萬壽路靠近林帶紅線處規(guī)劃有14.5 m寬下沉隧道，路面最低點為7.5 m左右，結構底埋深為9.5 m。本站站位西北象限為左右里購物中心、西光花卉市場；西南象限為黃河14街坊小區(qū)；東南、東北象限為幸福林帶工程待建用地。圖1為車站周邊現(xiàn)狀衛(wèi)星圖。

圖1 車站周邊現(xiàn)狀衛(wèi)星圖

在西安市地鐵8號線西影路至華清東路段萬壽路車站，主要是以第4系黃土類土和人工填土作為淺部土層，有很深的地下水位，穩(wěn)定埋深為24.6～28.1 m，高程為394.60～399.90 m。氣候、季節(jié)、補給、地下水賦存等都會對地下水位產(chǎn)生直接影響，在高水位時期，將會提高地下水位；在旱季期間，將會降低地下水位，年變化幅度約為2.0～3.0 m。本站與地鐵1號線換乘，地鐵1號線屬既有線，于2013年9月通車運營，萬壽路站為地鐵1號線1期工程的中間站，西安地鐵初期、近期線網(wǎng)規(guī)劃中無地鐵8號線，故1號線萬壽路站建設時未預留換乘條件，車站規(guī)模按照一般站設計，為地下4層12.0 m單柱島式站臺車站。西安地鐵第3期規(guī)劃中，地鐵8號線為環(huán)線，與地鐵1號線東邊的換乘站為萬壽路站，因此，8號線的設計需要考慮換乘及1號線的改造設計。

2.2 設計客流

..地鐵號線萬壽路站預測客流

根據(jù)表1所示的西安地鐵8號線早中晚期客流數(shù)據(jù)對比，計算對比初、近、遠期早晚高峰客流數(shù)據(jù)，明確控制期客流。

表1 萬壽路站初期、近期及遠期預測早高峰客流及超高峰系數(shù)表

車站設計客流：

(3 605+3 922+3 533+10 815)×1.41/28=1 102人/h。

通過計算對比初、近、遠期早高峰客流數(shù)據(jù)，明確遠期客流為控制期客流。8號線換乘客流示意圖，如圖2所示。

圖2 換乘客流示意圖

總設計客流：

(3 605+3 922+3 533+10 815)×1.41=30 844人/h；

8號線換1號線：

(2 325+845+1 162+904)×1.41=7 383人/h；

1號線換8號線：

(1 893+844+1 170+1 164)×1.41=7 151人/h；

總換乘客流：7 383+7 151=14 534 人/h；

分析客流資料，總設計客流30 844人/h，總換乘客流14 534人/h，本站總體換乘客流偏大，換乘比例47%。

..地鐵1號線萬壽路站預測客流

西安地鐵1號線全線沒有小交路，根據(jù)客流數(shù)據(jù)對比，初、近、遠期早高峰客流均分別大于其相應的晚高峰客流，計算對比初、近、遠期早高峰客流數(shù)據(jù)，明確控制期客流，結果如表2所示。

表2 遠期預測早高峰客流及超高峰系數(shù)表

車站設計客流：(391+3 480+5 409+536)×1.24/30=18 051×1.41/30=461人；

通過計算對比初、近、遠期早高峰客流數(shù)據(jù)，明確遠期早高峰客流為控制期客流。其中，

上車設計客流量：(391+5 409)×1.41=8 178 人/h；

下車設計客流量：(3 480+536)×1.41=5 663 人/h。

2.3 應急處置方案

..換乘設計思路

設計思路1：換乘通道的布置應結合既有1號線站廳層流線統(tǒng)籌考慮，避免換乘客流與進出站客流相互交叉。

設計思路2：換乘通道的布置應考慮便捷，通道宜短，盡量避免引起多余的拆遷量。

..換乘形式分析

萬壽路站與既有地鐵1號線進行換乘，地鐵1號線屬既有線，已運營多年，地鐵1號線萬壽路站建設時未預留換乘條件，為地下4層12.0 m雙柱島式站臺車站，綜合考慮現(xiàn)狀條件，因此，地鐵1號線萬壽路站未跨路口，設置在交叉路口西側道路下方，車站和公共區(qū)域路口距離較遠，垂直電梯和公共區(qū)2組樓扶梯布局緊湊，車站規(guī)模較小，節(jié)點換乘難度顯著提高。在設計8號線車站時，要與周邊的車站站位與條件充分結合，通過換乘通道連接兩線車站，實現(xiàn)付費區(qū)的換乘；地鐵1號線萬壽路站西端區(qū)間與8號線線路交叉，為減小對地鐵1號線西端盾構區(qū)間的影響，使用車站跨路口的設計模式。

3 方案比選

1號線是從長樂路東西敷設，且為2013年9月開通運營的已建成車站，8號線是從萬壽北路南北敷設。1號線上版線網(wǎng)規(guī)劃中沒有考慮該點換乘，其站臺寬度為12 m，且沒有換乘接口。本次研究考慮采用通道換乘的形式，以減少對1號線車站的影響。以減小對1號線車站的影響。通過換乘通道連接1號線，通過雙向向循環(huán)客流的方式提高換乘安全性水平。通過改造1號線站廳公共區(qū)，在1號線站廳層側墻上開洞，增設換乘大廳，在8號線站廳層使用樓扶梯引入換乘通道，實現(xiàn)雙向客流換乘。使用同期明挖的方式進行施工，在原1號線Ⅰ號口南側位置設計8號線Ⅳ號出入口，在1號線Ⅲ號出入口北側設置8號線的換乘通道。通過樓扶梯在1號線站廳層與8號線站臺層進行換乘通道的接入，并實現(xiàn)換乘。圖3為換乘通道縱剖面圖。

圖3 換乘通道縱剖面圖

3.1 車站方案研究

原南側的換乘通道調整到北側及對1號線萬壽路站及左右里綜合出入口的改造。南側換乘通道移至北側的優(yōu)點是縮短換乘通道長度，減少拆遷；與銀泰中心、幸福林帶商業(yè)的互聯(lián)互通。

..方案1：換乘通道北側設置方案

萬壽路站換乘通道北側布置圖，如圖4所示。

圖4 萬壽路站換乘通道北側布置圖

由圖4可知，將換乘通道設置于長樂中路北側，利用銀泰中心改造后的左右里商業(yè)地下既有結構，與既有1號線銜接，形成付費區(qū)換乘通道，同時在換乘通道設置出站閘機，可直接進入銀泰中心，與銀泰中心互聯(lián)互通。該方案優(yōu)點：利用改造的左右里既有結構部分作換乘通道，節(jié)約工程投資，拆遷量較少；利用換乘通道與銀泰中心銜接，加強幸福林帶與銀泰中心間的互聯(lián)互通；換乘距離相對南側方案短，相對便捷。該方案缺點：受1號線站廳層布置影響，對既有1號線改造量較大，改造期間1號線萬壽路站需停運。

..方案2：換乘通道南側設置方案

萬壽路站換乘通道南側布置圖，如圖5所示。

圖5 萬壽路站換乘通道南側布置圖

由圖5可知，將換乘通道設置于長樂中路南側，在1號線站廳付費區(qū)側墻開洞，增設換乘大廳連接換乘通道，構建完善的付費區(qū)換乘通道。其具有以下優(yōu)點：對既有1號線影響較少，改造期間不影響1號線萬壽路站正常開通運營。該方案缺點：換乘通道長度較長，不便捷；引起的拆遷量較大，需拆除黃河小區(qū)2棟6層住宅樓及地鐵出入口部分商業(yè)建筑。

結合幸福林帶實際，將換乘通道設置在長樂中路北側作為推薦方案，雖然1號線存在大量改造工程，但從長遠考慮，可實現(xiàn)幸福林帶、銀泰中心與地鐵三者間的互聯(lián)互通，帶動區(qū)域經(jīng)濟增長；1號線與8號線換乘流線與進出站流線清晰，相互干擾較少，受拆遷因素影響較少，具有一定的可實施性。

4 客流流線設計及仿真優(yōu)化

4.1 換乘通行能力計算

本站換乘通道寬度按10.0 m凈寬設置。高峰時間段的換乘客流量為13 322 人/h；通道為1 m時，其雙向通過能力為4 000 人/h，即=10.0×4 000=40 000人≥ 13 322 人，經(jīng)過計算，車站換乘通道寬度滿足換乘乘客通過要求。

4.2 客流動態(tài)仿真

本次仿真范圍包括8號線站廳及站臺、1號線站廳及站臺、換乘通道，行人設施包括自動售票機、安檢設備、進出站閘機、樓扶梯等。行人仿真圖面、行人可通行空間示意圖分別如圖6、圖7所示。

圖6 Legion模型行人仿真圖面示意圖

圖7 Legion模型可通行空間示意圖

4.3 客流動態(tài)仿真優(yōu)化

車站設施適應短時大客流沖擊的情況可以表現(xiàn)為最大客流密度圖，具體如圖8所示。

圖8 最大客流密度圖

由圖8可知，超高峰時段，8號線站廳基本處于A～E級；進站閘機及樓扶梯組入口出現(xiàn)擁堵排隊(F級)。1號線進站廳基本處于較為舒適等級(A～C級)，少數(shù)區(qū)域處于D級，在售票機、安檢、進站閘機、進站樓扶梯組入口處服務等級為E～F級，使用率高，客流密度大；出站廳樓扶梯組及其入口前部出現(xiàn)大面積擁堵排隊(F級)。2線2個方向換乘通道基本處于E級，客流密度較大。

8號線站臺候車區(qū)域處于擁擠(E級)水平，上行扶梯及北部、中部兩部樓梯入口出現(xiàn)擁堵排隊(F級)。1號線站臺候車區(qū)域及各樓扶梯組入口出現(xiàn)大面積擁堵排隊(F級)。從萬壽路站平均客流密度圖可以看出，在超高峰時段，8號線站廳基本處于較為舒適等級(A～C級)；進站閘機出現(xiàn)擁堵排隊(F級)。1號線進站廳基本處于較為舒適等級(A～C級)；在售票機、進站閘機處出現(xiàn)E級，使用率高，客流密度較大；出站廳樓扶梯組及其入口前部出現(xiàn)大面積擁堵排隊(F級)。2線2個方向換乘通道基本處于較為舒適等級(A～C級)。8號線站臺內環(huán)方向候車區(qū)域及樓扶梯組處于D級，外環(huán)方向候車區(qū)域基本處于舒適等級(C級)。1號線站臺下行候車區(qū)域基本處于C～D級，上行候車區(qū)域及各樓扶梯組入口出現(xiàn)大面積擁堵排隊(F級)。車站最大客流密度、平均客流密度分別處于D～E級、B～C級，這表明車站可以對短時大客流沖擊有一定的抵抗性，未表現(xiàn)出大面積擁堵，且空間利用率較高；同時，在非高峰時間段，車站內部舒適級別較高。本站本次方案8號線與該要求相符合，但根據(jù)平均客流密度與最大客流密度來看，1號線站廳及站臺樓扶梯組入口和出口出現(xiàn)大面積F等級，擁堵嚴重。

..8號線換乘至1號線

8號線站臺的客流密度及服務水平占比，結果如圖9所示。

圖9 8號線站臺服務水平占比圖

由圖9可知，從8號線站臺的客流密度及服務水平占比可以看出，8號線站臺有10%的行人處于擁堵水平，比較擁擠占44%，舒適級別(A～C級)占46%?？土鞣植记闆r隨著列車進站離站呈現(xiàn)較規(guī)則波動，客流密度主要集中在0.5～1.4 人/m。

..1號線換乘至8號線

1號線換乘至8號線換乘通道服務水平占比圖，具體如圖10所示。

圖10 1號線換乘至8號線換乘通道服務水平占比圖

由圖10可知，從1號線換乘8號線換乘通道的客流密度及服務水平占比可以看出，通道內服務水平主要處于A～C級別，占比共78%，擁擠占22%。通道內雖然換乘客流較大，但行人密度較小且穩(wěn)定，在0.4～0.6人/m。

從萬壽路站最大客流密度圖和平均客流密度圖可以看出，1號線地下2層站廳樓扶梯組及其入口、站臺候車區(qū)域及樓扶梯組入口出現(xiàn)大面積擁堵排隊(F級)。從萬壽路站1號線站臺服務水平占比可以看出，站臺擁堵水平占比39%。隨著仿真時長的增加，站臺行人密度持續(xù)增大，行人平均走行時間逐漸增大，疏散緩慢，從仿真初始階段至仿真結束階段，客流密度由1人/m增加至3人/m；行人平均走行時間由50 s增加至120 s；行人平均走行速度由1.3 m/s降低至0.1 m/s。綜合仿真結果，建議1號線萬壽路站適時啟動改造工程，改造站廳與站臺之間樓扶梯組，增大樓扶梯組能力。根據(jù)客流仿真模擬成果，8號線車站樓扶梯及設備設置布置合理，1號線樓扶梯及設備設施布置較為合理，能基本滿足客流的需求，車站站臺局部存在擁堵，但樓扶梯組數(shù)、站臺寬度已經(jīng)成為目前設計方案能考慮的最大規(guī)模；根據(jù)客流仿真模擬成果，換乘通道寬度滿足通行要求，舒適度較好，換乘通道內的樓扶梯數(shù)量滿足要求。

5 結語

本文以西安地鐵8號線的第16座車站為研究對象，對城市地下軌道交通換成站客流分配方案進行了分析，并對方案進行了仿真優(yōu)化設計。

(1)基于用戶均衡理論分配地鐵車站內客流，并結合排隊論，構建車站動態(tài)瓶頸分析模型，對站內服務臺平均排隊長度和等待時間進行計算，通過定量分析的方式獲取車站動態(tài)瓶頸點；

(2)結合幸福林帶管委會意見，將換乘通道設置在長樂中路北側作為推薦方案，從長遠考慮，1號線改造可實現(xiàn)幸福林帶、銀泰中心與地鐵三者間的互聯(lián)互通，帶動區(qū)域經(jīng)濟增長，1號線與8號線換乘流線與進出站流線清晰，相互干擾較少；

(3)客流仿真模擬表明，從萬壽路站1號線站臺服務水平占比表明，站臺擁堵水平占比39%。從仿真初始階段至仿真結束階段，客流密度由1人/m增加至3 人/m；行人平均走行時間由50 s增加至120 s；行人平均走行速度由1.3 m/s降低至0.1 m/s。建議1號線萬壽路站適時啟動改造工程，改造站廳與站臺之間樓扶梯組，增大樓扶梯組能力；8號線車站樓扶梯及設備設置布置合理，無存在問題，無需優(yōu)化設計方案。