北京軌道交通13號線擴(kuò)能提升工程跨線運(yùn)營設(shè)計(jì)與思考

邱麗麗 王少楠 鞠 昕 張春來

(1.北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司， 100037， 北京； 2.北京市基礎(chǔ)設(shè)施投資有限公司， 100101， 北京∥第一作者， 高級工程師)

近幾年，隨著北京軌道交通三期建設(shè)規(guī)劃編制、城市副中心及雄安新區(qū)的建設(shè)，北京市領(lǐng)導(dǎo)、各委辦局代表多次赴日本等城市考察軌道交通建設(shè)。參照日本東京JR(日本鐵路)線、私營鐵路線與城區(qū)地鐵線路之間跨線運(yùn)營組織模式[1]，對北京軌道交通不同線路之間也逐步開展了跨線運(yùn)營的研究和嘗試，如北京軌道交通1號線與八通線、昌平線與8號線、房山線與9號線、亦莊線與5號線等。本文以北京軌道交通13號線擴(kuò)能提升工程為例，分析了該線拆分成兩條線路(13A、13B)并在兩線間實(shí)現(xiàn)跨線運(yùn)營的必要性、制約因素和組織復(fù)雜程度，提出了各專業(yè)為實(shí)現(xiàn)跨線運(yùn)營需設(shè)置的必要技術(shù)條件。

1 北京軌道交通13號線跨線運(yùn)營的提出

1.1 擴(kuò)能提升工程概況

北京軌道交通13號線(以下簡為“13號線”)列車采用6節(jié)編組B型車(以下簡稱“6B”)，該線采用750 V第三軌供電方式，固定閉塞信號系統(tǒng)。

在《北京市城市軌道交通第二期建設(shè)規(guī)劃調(diào)整(2019—2022)》中，將13號線從西二旗站—回龍觀站區(qū)段一分為二，形成兩條線路：13A線和13B線，如圖1所示。拆分后，13A線從車公莊站至天通苑東站，采用8節(jié)編組B型車列車(以下簡稱“8B”)及少量的6節(jié)編組B型車列車(以下簡稱“6B”)，能滿足遠(yuǎn)期4.8萬人次/h的預(yù)測客流需求；13B線從馬連洼站至東直門站，采用6B列車，能滿足遠(yuǎn)期3.3萬人次/h的預(yù)測客流需求；兩條線路的最高運(yùn)行速度均為80 km/h。目前，本工程可行性研究報(bào)告已經(jīng)獲得北京市發(fā)改委的批復(fù)，工程正在建設(shè)中。

圖1 13號線擴(kuò)能提升改造前后線路走向圖[2]Fig.1 Diagram of line direction before and after capacity expanding of Line 13[2]

1.2 跨線運(yùn)營的必要性分析

1.2.1 客流需求分析

13A線可實(shí)現(xiàn)回龍觀、天通苑兩大居住組團(tuán)與中關(guān)村就業(yè)崗位的交通聯(lián)系，13B線可實(shí)現(xiàn)回龍觀、天通苑與上地就業(yè)崗位的交通聯(lián)系。兩線在新龍澤站具備跨線運(yùn)營條件。

選取兩線新龍澤站東側(cè)區(qū)間東向西方向遠(yuǎn)期高峰小時客流預(yù)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。如圖2 a)所示，遠(yuǎn)期13A線回龍觀西站至新龍澤站區(qū)間高峰小時斷面客流量為26 057人次/h。其中：約有75.5%的客流乘坐13A線前往車公莊站方向；約有13.6%的客流換乘至13B線的馬連洼方向。如圖2 b)所示，遠(yuǎn)期13B線還建龍澤站至新龍澤站區(qū)間高峰小時斷面客流量為25 625人次/h。其中：約有64.1%的客流乘坐13B線前往馬連洼方向；約有15.3%客流換乘至13A線的車公莊站方向。

a) 13A線

從圖2可看出，13A線、13B線兩條線路之間有跨線運(yùn)營的客流需求。

本文分別對13A、13B線兩條線路遠(yuǎn)期的小時進(jìn)出站量進(jìn)行分析。

如圖3所示，在07：00—08:00內(nèi)，13A線的小時進(jìn)出站量占全日進(jìn)出站量的17.34%，13B線的小時進(jìn)出站量占全日進(jìn)出站量的17.95%。進(jìn)一步對于客流的早高峰時段(7:30—9:30)和晚高峰時段(17:30—19:30)4個小時的合計(jì)進(jìn)出站量進(jìn)行分析，13A線早晚高峰時段的合計(jì)進(jìn)出站量占全日進(jìn)出站量的47%，13B線早晚高峰時段的合計(jì)進(jìn)出站量占全日進(jìn)出站量的49%。

a) 13A線

由圖3還可看出，13A線高峰時段與非高峰時段的小時斷面客流差異非常大，高峰時段的客流量為非高峰時段的4倍以上。13B線也是如此。由此可以認(rèn)為，兩線均為典型的通勤線路，早晚高峰時段以服務(wù)通勤客流為主，在非高峰時段有必要減少上線列車的編組數(shù)。

1.2.2 具備車輛段資源共享的條件

13A線新增停車場選址困難、占地規(guī)模小，不具備獨(dú)立設(shè)置架修的場地條件。因此，將13號線既有車輛基地架修庫內(nèi)的臨修線改建為架修線，并新增臨修庫，用以滿足拆分后兩條線路所有列車架修的需求。另外，兩線可共享車輛維修及調(diào)配資源，具有按一條線路進(jìn)行運(yùn)營指揮的天然基礎(chǔ)。線路擴(kuò)能提升后，兩線的運(yùn)營控制中心和備用的運(yùn)營控制中心，以及車輛段架修管理、維修團(tuán)隊(duì)均可以合并設(shè)置。

1.2.3 設(shè)備更新為跨線運(yùn)營提供契機(jī)

13號線建成至今已運(yùn)營了17年，結(jié)合本次擴(kuò)能提升同步對供電、通信、信號、FAS(火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng))、BAS(環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng))、綜合監(jiān)控等系統(tǒng)進(jìn)行全面更新改造。改造時，兩線的設(shè)備系統(tǒng)選型在有條件的情況下應(yīng)選擇一致，從而為改造后兩線的跨線運(yùn)營提供了統(tǒng)一的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)一的管理基礎(chǔ)。

1.2.4 線路拆分為跨線運(yùn)營提供通路

13號線擴(kuò)能提升工程需廢棄西二旗站—回龍觀站的既有線區(qū)段，13A線的西二旗站至回龍觀西站，一直向東至天通苑東站，以及13B線的回龍觀站至后廠村站，一直向西至馬連洼站均需新建。如圖4所示，兩線在局部新建段至新龍澤站的區(qū)段具備設(shè)置雙島四線車站的條件，為兩線的跨線運(yùn)營提供了較好的過軌通路條件。

圖4 既有13號線西二旗站—回龍觀站拆分改造方案Fig.4 Splitting scheme between Xi′erqi Station and Huilongguan Station of existing Line 13

2 跨線運(yùn)營方案分析

2.1 兩線跨線運(yùn)營方案

考慮到回龍觀、天通苑等大型居住社區(qū)的乘客均存在前往中關(guān)村及上地工作的出行需求，本文對兩線互通方案進(jìn)行了研究，其中：兩線雙向互通運(yùn)營方案如圖5 a)所示；兩線的單向互通運(yùn)營方案如圖5 b)所示，單向互通是指進(jìn)城方向僅可由13B線進(jìn)入13A線，出城方向僅可由13A線進(jìn)入13B線。

a) 雙向互通運(yùn)營方案

2.1.1 互通運(yùn)營能力計(jì)算分析

受新龍澤站兩端線路條件限制，聯(lián)絡(luò)線與正線無法實(shí)現(xiàn)立交接軌，只能采用交叉渡線方案。如圖6 a)所示，設(shè)tt為道岔轉(zhuǎn)換時間；設(shè)t司機(jī)為司機(jī)反應(yīng)時間，tB2,出清H為B2車從站臺1起動并運(yùn)行出清岔區(qū)H所需的時間；t1為B2列車進(jìn)入13A線占用道岔區(qū)的總時間，則有t1=t司機(jī)+tB2,出清H。另設(shè)tA2，出清C為A2車從站臺1起動并運(yùn)行出清岔區(qū)C所需的時間；t2為A2列車進(jìn)入13B線占用道岔區(qū)的總時間，則有t2=t司機(jī)+tA2,出清C。

a) 雙向互通運(yùn)營方案

按照北京軌道交通的司機(jī)操作時間和設(shè)備運(yùn)行時間，取t司機(jī)=4.0 s，tt=15.0 s，tB2,出清H=41.2 s，tA2,出清C=45.7 s。由此可計(jì)算出t1=45.2 s，t2=49.7 s。考慮預(yù)留運(yùn)行裕量25 s，則新龍澤站的最小發(fā)車間隔為149.9 s。由此，當(dāng)兩線采用雙向互通運(yùn)營方案時，該站的平均行車間隔取150 s，則該站的最大發(fā)車能力僅為24對/h。

如圖6 b)所示，設(shè)tA1,出清H為A1車從站臺1起動并運(yùn)行出清岔區(qū)H所需的時間；t1為A2列車進(jìn)入占用道岔區(qū)的總時間(不跨線)，則有t1=t司機(jī)+tA1,出清H；另設(shè)tB2，出清H為B2車從站臺1起動并運(yùn)行出清岔區(qū)H所需的時間；t2為B2列車進(jìn)入13A線占用道岔區(qū)的總時間，則有t2=t司機(jī)+tB2,出清H。取t司機(jī)=4 s，tA1,出清H=30 s，tt=15 s，tB2，出清H=41.2 s。由此可計(jì)算出t1=34 s，t2=45.2 s。考慮預(yù)留運(yùn)行裕量10 s(單向插車余量可適度減小)，則新龍澤站的最小發(fā)車間隔為119.2 s。由此可知，當(dāng)兩線采用單向互通運(yùn)營方案時，可實(shí)現(xiàn)13A線局部區(qū)段30對/h的系統(tǒng)發(fā)車能力。

a) 13A線

2.1.2 互通運(yùn)營存在問題

通過上述能力計(jì)算可知，線路拆分后，兩線若采用雙向互通運(yùn)營方案，其線路通過能力將有所降低；若采用單向互通運(yùn)營方案，線路通過能力雖可達(dá)30對/h，但需要采取精細(xì)化運(yùn)營措施，這對管理水平提出了更高的要求；兩線均設(shè)定本線列車與跨線列車的開行比例為5∶1，跨線列車的運(yùn)行間隔較長，隨之乘客需在站臺等候較長的時間。此外，本線列車存在站臺等候時間長、乘客投訴多、運(yùn)營管理人員增加等一系列問題。

2.2 跨線運(yùn)營方案的確定

本文借鑒了廣州地鐵14號線主線、14號線支線及21號線三線互聯(lián)互通[3]運(yùn)營的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。針對站臺等候時間長、乘客投訴較多和運(yùn)營管理人員增加等問題，廣州地鐵經(jīng)歷了從運(yùn)營初期三線互聯(lián)互通至目前各線獨(dú)立運(yùn)營的過程。因此，北京軌道交通13號線擴(kuò)能提升工程在設(shè)計(jì)階段，對兩線的互通運(yùn)營僅預(yù)留了線路互通條件。

根據(jù)客流特征和既有車輛的情況，考慮到13A線沿線為建成區(qū)，客流基本穩(wěn)定，為減少8B列車的購置規(guī)模、節(jié)省投資，13A線推薦新購8B列車，采購少量的6B列車；13B線推薦使用既有6B列車。在客流高峰時段，兩線獨(dú)立運(yùn)營，其運(yùn)營方案如圖7所示。該方案可滿足兩線的運(yùn)力需求。

在客流非高峰時段，線路的客流量減小，13A線8B列車收車回庫，只保留6B列車在線上運(yùn)行；13B線部分6B列車在新龍澤站清客后運(yùn)行至13A線，實(shí)現(xiàn)13A線在客流的非高峰時段采用6B列車運(yùn)營，如圖8所示。據(jù)預(yù)測，在非高峰時段采用該運(yùn)營方案，每年可節(jié)約走行公里數(shù)約182萬車km，降低了運(yùn)營成本。

圖8 13A、13B線客流非高峰時段運(yùn)營組織方案Fig.8 Operation organization scheme of Line 13A and 13B during off peak hours

2.3 跨線運(yùn)營的優(yōu)勢

跨線運(yùn)營的優(yōu)勢主要是可實(shí)現(xiàn)資源共享，降低工程投資，提高運(yùn)營靈活性。

2.3.1 車輛共享

車輛互為備用，可降低運(yùn)營初期的購車成本，提高車輛調(diào)配的靈活性。13號線擴(kuò)能提升后，原13號線既有的56列6B列車歸13B線使用。而按照初期運(yùn)營計(jì)劃，13B線的列車配屬數(shù)富余3列，可作為13A線的備用列車。采用此共享方案，相對于13A線新采購3列6B列車，可降低投資約1億元。

2.3.2 車輛段資源共享

車輛段檢修設(shè)備資源及運(yùn)營維護(hù)人員共享，可降低車場占地規(guī)模，提高設(shè)備利用率和運(yùn)維人員的勞動效率。若13A線僅新增停車場，13B線利用既有13號線的車輛段，并對既有車輛段進(jìn)行局部改建，可滿足兩線車輛的架修需求。與13A線新增車輛段滿足自身架修需求相比，車輛段資源共享后停車場占地面積可節(jié)省約8萬m2。

2.3.3 運(yùn)營控制中心資源共享

跨線運(yùn)營的兩條或多條線路共用運(yùn)營控制中心，各設(shè)備系統(tǒng)可共用中心級設(shè)備(含備用中心、網(wǎng)管、培訓(xùn)、維護(hù)管理系統(tǒng)等)。調(diào)度人員共用一套調(diào)度指揮系統(tǒng)，有利于調(diào)度人員對跨線運(yùn)營線路的調(diào)度控制、運(yùn)營管理及維護(hù)，實(shí)現(xiàn)調(diào)度運(yùn)營管理集約化，降低投資。13號線擴(kuò)能提升后，13A線、13B線共用運(yùn)營控制中心，相對于兩線完全獨(dú)立設(shè)置各自的運(yùn)營控制中心，約可節(jié)省投資1.55億元。

3 跨線運(yùn)營的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 跨線運(yùn)營的基礎(chǔ)條件

3.1.1 設(shè)置聯(lián)絡(luò)線是跨線運(yùn)營的通路條件

跨線運(yùn)營的兩條線路間應(yīng)設(shè)有聯(lián)絡(luò)線，實(shí)現(xiàn)兩線跨線過軌條件。13號線擴(kuò)能提升后新建的新龍澤站站型設(shè)計(jì)為雙島四線，兩線之間設(shè)置交叉渡線，具備雙向互聯(lián)互通的條件，如圖9所示。

圖9 新建新龍澤站配線圖Fig.9 Diagram of new Xinlongze Station auxiliary lines

3.1.2 車輛限界、軌道、供電制式一致

兩線的限界、軌道、供電制式一致，是跨線運(yùn)營的必要條件。車輛、軌道、供電應(yīng)采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，使得列車運(yùn)行的土建、設(shè)備限界一致，車輛集電靴和供電三軌銜接一致，以保證不同線路之間順利跨線和節(jié)約投資。

3.1.3 信號系統(tǒng)相同或兼容

要實(shí)現(xiàn)跨線運(yùn)營，滿足列車高效、安全的運(yùn)行，信號系統(tǒng)應(yīng)首選采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但也可采取互聯(lián)互通方案或雙套車載方案?；ヂ?lián)互通方案需要跨線線路的不同信號廠家統(tǒng)一車載設(shè)備，開放接口協(xié)議，且傳輸?shù)认到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)相互兼容。13號線擴(kuò)能提升工程的信號系統(tǒng)恰好結(jié)合既有線信號系統(tǒng)更新的契機(jī)，兩線有條件形成統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 車輛是跨線運(yùn)營的關(guān)鍵因素

車輛是城市軌道交通系統(tǒng)的核心設(shè)備?？缇€運(yùn)營應(yīng)處理好兩線車輛車型不同時與線路、供電、站臺門等的匹配問題。

1) 車輛性能應(yīng)與線路條件相匹配。既有13號線在建設(shè)時，車輛按照最大縱坡24‰進(jìn)行采購。線路擴(kuò)能提升完成后，13A線的最大線路縱坡達(dá)到34‰，因此，利用既有6B列車實(shí)現(xiàn)跨線、在13A線上運(yùn)行時，需要核實(shí)既有6B列車在34‰縱坡下的牽引、制動及救援的工況是否可以滿足列車運(yùn)行的要求。經(jīng)核實(shí)，既有6B列車在大于29‰的縱坡上救援8B列車時，列車的牽引能力不能滿足救援要求。建議借鑒東京地鐵的案例，若故障列車前后均為6B列車時，可采用故障列車前后兩列6B車一推一拉的救援方案。由此在后續(xù)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)由車輛及信號兩個專業(yè)共同解決前后2列6B列車同步起動的問題。

2) 車輛性能應(yīng)與供電能力相匹配。13號既有線采用750 V三軌供電，若在不中斷運(yùn)營的情況下，對13A線實(shí)施1 500 V供電改建，工程實(shí)施風(fēng)險及后期運(yùn)營風(fēng)險均較高。此外，為實(shí)現(xiàn)兩線的跨線運(yùn)營，拆分后兩線均采用與既有13號線相同的750 V三軌供電制式，而8B列車采用DC 750 V等級供電極其罕見。為此，拆分后的13A線通過在牽引變電所內(nèi)增加了第三套整流機(jī)組，以提高故障情況下雙邊供電的可靠性，如圖10所示。同時，新購的8B列車采用0.83 m/s2的起動加速度，在相鄰牽引變電房所解列退出時，在大雙邊供電方式下線路最大運(yùn)力由30對/h降為20對/h，以解決8B列車采用750 V牽引供電制式引起的電流大的問題。

圖10 新增第三套整流機(jī)組的牽引變電所主接線圖Fig.10 Main wiring diagram of traction substation of the new rectifier unit 3

3) 列車車門應(yīng)與站臺門對位一致。既有13號線6B列車的車門為非等間距，頭車的車門間距與中間車的車門間距不同，二者的差值為900 mm。為規(guī)避既有6B列車跨線運(yùn)行至13A線產(chǎn)生站臺門與車門錯位900 mm的問題，推薦6B列車和8B列車均采用站中對齊的方式，且新購8B列車的第2節(jié)車和第7節(jié)車與6B列車的頭尾車在車門間距尺寸上保持一致，如圖11所示，以消除8B列車與6B列車門中心間距差值所產(chǎn)生的車門與站臺門對位問題。

4 結(jié)語

不同線路之間具備互聯(lián)互通條件后反復(fù)交叉跨線運(yùn)營，雖可提高乘客的直達(dá)性，但也可能發(fā)生乘客因識別列車目的地而在站臺上滯留、等候時間增加的情況；此外，反復(fù)交叉多次跨線運(yùn)營的列車運(yùn)行圖鋪畫比較困難，且會加大線路調(diào)度及車站運(yùn)營管理的難度。

北京軌道交通13號線擴(kuò)能提升后，13A線、13B線跨線運(yùn)營的優(yōu)勢體現(xiàn)在利用既有的6B列車實(shí)現(xiàn)兩線在客流非高峰時段的6B化運(yùn)營，僅在客流的高峰時段和非高峰時段的過渡期間存在列車跨線過軌，降低了列車的走行公里數(shù)，減小了運(yùn)營成本；同時，13A線、13B線的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，可充分共享資源，其建設(shè)及運(yùn)營成本較低。結(jié)合既有13號線的擴(kuò)能提升工程進(jìn)行線路的跨線運(yùn)營，在設(shè)備改造上降低了建設(shè)成本，建成后的運(yùn)營成本也較低。

對于其它已建成運(yùn)營的不同線路，如要在線路之間要實(shí)現(xiàn)跨線運(yùn)營，應(yīng)結(jié)合線路的實(shí)際情況，因地制宜分析其跨線運(yùn)營的必要性、跨線改建的時機(jī)，從既有工程改建難度、工程投資等角度進(jìn)行綜合分析，謹(jǐn)慎決策，并選擇合理的改造方案。

單位：mm圖11 既有6B列車與新增8B列車車門、站臺門對位Fig.11 Alignment between existing 6B and new 8B train door and platform door