喬玘珂

(中鐵十一局集團(tuán)有限公司勘察設(shè)計(jì)院, 430070,武漢//高級(jí)工程師)

由于受自然條件的限制，地鐵線(xiàn)路穿越江河湖泊的區(qū)間(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“越江區(qū)間”)站間距較一般站間距長(zhǎng)。如武漢地鐵2號(hào)線(xiàn)越江區(qū)間積玉橋站—江漢路站長(zhǎng)3 285 m，武漢站4號(hào)線(xiàn)越江區(qū)間復(fù)興路站—攔江路站長(zhǎng)3 278 m，長(zhǎng)沙軌道交通3號(hào)線(xiàn)湘江阜埠河站—書(shū)院路站長(zhǎng)2 823 m，而一般地鐵線(xiàn)路平均站間距為1 km左右。

為保證在越江區(qū)間內(nèi)列車(chē)運(yùn)行安全，在隧道內(nèi)運(yùn)行的同一方向上的兩列車(chē)不能同時(shí)處于由兩個(gè)風(fēng)井或由風(fēng)井與車(chē)站端部機(jī)械風(fēng)孔組成的區(qū)段內(nèi)。因此，越江區(qū)間風(fēng)井的設(shè)置有可能導(dǎo)致列車(chē)追蹤時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，進(jìn)而對(duì)通過(guò)能力產(chǎn)生一定的影響，導(dǎo)致城市軌道交通系統(tǒng)輸送能力降低。

1 相關(guān)規(guī)范對(duì)越江區(qū)間的規(guī)定

建標(biāo)[2008]57號(hào)《城市軌道交通工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》第九章第78條規(guī)定：“在長(zhǎng)大區(qū)間隧道內(nèi)，應(yīng)充分研究最不利情況下的救援和疏散模式。按設(shè)計(jì)運(yùn)行密度計(jì)算，出現(xiàn)在同一區(qū)間、同一方向上有2列或3列車(chē)同時(shí)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)在區(qū)間中間設(shè)置中間風(fēng)道或直通地面的專(zhuān)用疏散出口，或其他安全疏散措施?！贬槍?duì)該條規(guī)定，條文說(shuō)明解釋為：當(dāng)站間距在2 km以上的區(qū)間隧道內(nèi)，列車(chē)運(yùn)行密度達(dá)30對(duì)/h及以上時(shí)，需核算高峰小時(shí)段內(nèi)該區(qū)間同時(shí)運(yùn)行的列車(chē)數(shù)量；如果在同一方向上有2列或3列車(chē)同時(shí)運(yùn)行，應(yīng)充分研究當(dāng)前列車(chē)突遇故障停運(yùn)在區(qū)間時(shí)，后續(xù)列車(chē)也被迫停運(yùn)在區(qū)間的最不利情況下，如何保證在車(chē)輛阻塞條件下送進(jìn)足夠新風(fēng)，如何救援和疏散乘客。

2 越江區(qū)間列車(chē)安全的要求

越江區(qū)間隧道方案一般有兩種：一種為大洞方案，即上下行線(xiàn)路置于一個(gè)隧道內(nèi)；另一種為小洞方案，即上下行線(xiàn)路分別置于兩個(gè)獨(dú)立的隧道內(nèi)。

對(duì)地鐵系統(tǒng)而言，最為緊急和危險(xiǎn)的情況為列車(chē)發(fā)生火災(zāi)。列車(chē)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，必須將乘客的生命安全放在第一位。而最為不利、最為危險(xiǎn)的運(yùn)行狀態(tài)為：前行列車(chē)在隧道區(qū)間發(fā)生火災(zāi)，后續(xù)運(yùn)行列車(chē)已出站駛?cè)胨淼绤^(qū)間。

為保證隧道通風(fēng)及列車(chē)安全，長(zhǎng)大區(qū)間隧道內(nèi)均設(shè)有通風(fēng)系統(tǒng)，保證不論在何種情況下，在由車(chē)站和風(fēng)井構(gòu)成的幾個(gè)區(qū)段內(nèi)，每個(gè)區(qū)段只能有一列車(chē)。

對(duì)于大洞方案而言，越江區(qū)間隧道內(nèi)設(shè)一個(gè)風(fēng)道，風(fēng)道上設(shè)置多個(gè)排煙口，在由車(chē)站和排煙口或排煙口與排煙口構(gòu)成的區(qū)段內(nèi)，完全可以保證每個(gè)區(qū)段內(nèi)一個(gè)方向上僅有一列車(chē)運(yùn)行。而小洞方案，風(fēng)井設(shè)在江兩岸或江的一端，一個(gè)區(qū)間被風(fēng)井分割為三段或兩段，會(huì)出現(xiàn)同一區(qū)間、同一方向上有2列或3列車(chē)同時(shí)運(yùn)行的情況。因此，本次研究?jī)H針對(duì)小洞方案的越江長(zhǎng)區(qū)間設(shè)置風(fēng)井對(duì)通過(guò)能力的影響。

3 越江區(qū)間能力的要求

通常情況下，地鐵系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力要求不小于30對(duì)/h，最小行車(chē)間隔不大于2 min。越江地鐵線(xiàn)路，在越江段設(shè)置中間風(fēng)井。為保證安全，在由兩個(gè)中間風(fēng)井或風(fēng)井與車(chē)站組成的區(qū)間內(nèi)僅允許有1列車(chē)運(yùn)行，在這種情況下，越江區(qū)間2列車(chē)的行車(chē)間隔可能會(huì)大于2 min，區(qū)間通過(guò)能力小于30對(duì)/h，該越江區(qū)間會(huì)成為整個(gè)地鐵系統(tǒng)的限制區(qū)間，對(duì)通過(guò)能力造成影響。

4 越江區(qū)間移動(dòng)閉塞列車(chē)運(yùn)行方式

由于對(duì)地鐵系統(tǒng)的運(yùn)行能力要求較高，目前設(shè)計(jì)的地鐵線(xiàn)路，信號(hào)系統(tǒng)一般均采用現(xiàn)階段最先進(jìn)的CBTC(基于通信的列車(chē)控制)移動(dòng)閉塞系統(tǒng)。以下是基于移動(dòng)閉塞情況下的分析。

系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，如有列車(chē)在由風(fēng)井組成的區(qū)間內(nèi)運(yùn)行，則后續(xù)運(yùn)行列車(chē)的移動(dòng)授權(quán)點(diǎn)在越江隧道的風(fēng)井外方，如沒(méi)有列車(chē)在由風(fēng)井組成的區(qū)間內(nèi)運(yùn)行，則后續(xù)列車(chē)的移動(dòng)授權(quán)設(shè)置在前行車(chē)的尾部。為保證列車(chē)在越江隧道區(qū)間的正常運(yùn)行，風(fēng)井的設(shè)置應(yīng)保證當(dāng)前行列車(chē)在由風(fēng)井組成的區(qū)間內(nèi)運(yùn)行時(shí)，不影響后行列車(chē)的正常運(yùn)行曲線(xiàn)和導(dǎo)致后行列車(chē)制動(dòng)。越江區(qū)間信號(hào)系統(tǒng)控制方式見(jiàn)圖1。

圖1 越江區(qū)間信號(hào)系統(tǒng)控制方式示意圖

5 越江區(qū)間能力檢算分析

對(duì)安全行車(chē)最不利的情況為：當(dāng)前行列車(chē)為火災(zāi)列車(chē)，列車(chē)尾部正處于前方風(fēng)井位置時(shí)，后行列車(chē)得到實(shí)施制動(dòng)的指令，經(jīng)過(guò)t舒(通信容忍中斷時(shí)間)走行的距離為L(zhǎng)舒;此時(shí)列車(chē)以該點(diǎn)速度經(jīng)過(guò)t空(空走時(shí)間)的空走距離為L(zhǎng)空，以該速度實(shí)施常用制動(dòng),經(jīng)過(guò)t制(制動(dòng)時(shí)間)的制動(dòng)距離為L(zhǎng)制，列車(chē)恰好停在風(fēng)井外方距風(fēng)井為L(zhǎng)安(安全防護(hù)距離)處的位置。此時(shí)列車(chē)的追蹤時(shí)間I追最短，為越江區(qū)間的最小追蹤間隔，同時(shí)也為越江區(qū)間最小追蹤距離。列車(chē)在越江區(qū)間追蹤運(yùn)行情況見(jiàn)圖2。

圖2 列車(chē)在越江區(qū)間追蹤運(yùn)行示意圖

L追=L舒+L空+L制+L列+L安+L風(fēng)井

在追蹤距離內(nèi),列車(chē)運(yùn)行的時(shí)間為追蹤時(shí)間t追。

在地鐵設(shè)計(jì)中，L安取50 m，t舒取3.0 s，t空取1.6 s。

越江區(qū)間通過(guò)能力：n=3 600/t追(對(duì)/h)

在進(jìn)行追蹤距離的計(jì)算時(shí)，由于速度v是一個(gè)變化著的參數(shù)，確定追蹤間隔存在著一定的難度。但可以轉(zhuǎn)換思維方式，把復(fù)雜問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)單處理。

以30對(duì)/h作為地鐵系統(tǒng)通過(guò)能力，運(yùn)行間隔為2 min，后方風(fēng)井不做為移動(dòng)授權(quán)點(diǎn)，仍將前方列車(chē)尾部做為移動(dòng)授權(quán)點(diǎn)，以2 min作為前后兩列車(chē)的運(yùn)行間隔。當(dāng)前行列車(chē)尾部處于前方風(fēng)井時(shí)，判斷與前行列車(chē)間隔2 min的后行列車(chē)在區(qū)間內(nèi)的位置:如后行列車(chē)此時(shí)還未從后方車(chē)站出發(fā)，則風(fēng)井的設(shè)置對(duì)系統(tǒng)能力無(wú)影響;如后行車(chē)已從后方車(chē)站出發(fā)進(jìn)入越江區(qū)間，則需分析越江區(qū)間的通過(guò)能力。越江區(qū)間的通過(guò)能力分析可從以下三個(gè)步驟進(jìn)行：

第一步，先判斷后行列車(chē)與前行列車(chē)間隔2 min時(shí)后行列車(chē)在區(qū)間中的位置。

第二步，后行列車(chē)得到實(shí)施常用制動(dòng)指令后，又進(jìn)行了時(shí)間為3.0 s的舒適駕駛，這時(shí)列車(chē)的速度為v，列車(chē)以該速度經(jīng)過(guò)1.6 s的空走距離后開(kāi)始實(shí)施常用制動(dòng)，停在越江區(qū)間中。

第三步，判斷后行制動(dòng)列車(chē)在越江區(qū)間中的位置，如處于兩個(gè)風(fēng)井組成的區(qū)段內(nèi)，則越江區(qū)間通過(guò)能力不能滿(mǎn)足30對(duì)/h的要求；如處于后方風(fēng)井外，后行列車(chē)頭部距后方風(fēng)井距離小于50 m的安全距離，則越江區(qū)間通過(guò)能力亦不能滿(mǎn)足30對(duì)/h的要求；如處于后方風(fēng)井外，后行列車(chē)頭部距后方風(fēng)井距離大于或等于50 m的安全距離，則越江區(qū)間通過(guò)能力能滿(mǎn)足30對(duì)/h的要求。如越江區(qū)間通過(guò)能力不能滿(mǎn)足30對(duì)/h的要求，可通過(guò)調(diào)整風(fēng)井的設(shè)置位置來(lái)滿(mǎn)足。

6 本研究成果在城市軌道交通設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

本研究成果在武漢地鐵2號(hào)線(xiàn)一期、4號(hào)線(xiàn)二期、長(zhǎng)沙軌道交通3號(hào)線(xiàn)、南京地鐵4號(hào)線(xiàn)等多個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)中成功地進(jìn)行了應(yīng)用，確保了越江區(qū)間通過(guò)能力不小于30對(duì)/h,從而保證了系統(tǒng)通過(guò)能力。

現(xiàn)以目前已開(kāi)通運(yùn)營(yíng)的武漢地鐵4號(hào)線(xiàn)二期越江區(qū)間攔江路站—復(fù)興路站為例。攔江路站—復(fù)興路站區(qū)間長(zhǎng)3 278 m，為長(zhǎng)大越江區(qū)間，兩風(fēng)井間距下行方向?yàn)? 796 m,上行方向?yàn)? 786 m。4號(hào)線(xiàn)采用B型車(chē)6輛編組,最高運(yùn)行速度為80 km/h，設(shè)計(jì)的列車(chē)最小運(yùn)行間隔為2 min。通過(guò)列車(chē)運(yùn)行模擬計(jì)算，列車(chē)以最大速度、正常速度運(yùn)行情況下的運(yùn)行時(shí)間,下行分別為2 min 57 s、3 min 10 s，上行分別為2 min 56 s、3 min 9 s，均大于2 min、不超過(guò)4 min。因此，該區(qū)間內(nèi)最多有兩列車(chē)在同時(shí)運(yùn)行。以30對(duì)/h作為4號(hào)線(xiàn)通過(guò)能力，運(yùn)行間隔為2 min。

下行列車(chē)以最高速度運(yùn)行情況下，通過(guò)上述方法檢算，車(chē)頭距離攔江路風(fēng)井端366 m，減去50 m的安全距離后尚余316 m，因此完全可以保證后行列車(chē)的安全。詳見(jiàn)圖3。

下行列車(chē)以正常速度運(yùn)行情況下，通過(guò)上述方法檢算，車(chē)頭距離攔江路風(fēng)井端133 m，減去50 m的安全距離后尚余83 m，因此完全可以保證后行列車(chē)的安全。詳見(jiàn)圖4。

上行列車(chē)以最高速度運(yùn)行情況下，通過(guò)上述方法檢算，車(chē)頭距離復(fù)興路風(fēng)井端178 m，減去50 m的安全距離后尚余128 m，因此完全可以保證后行列車(chē)的安全。詳見(jiàn)圖5。

上行列車(chē)以正常速度運(yùn)行情況下，通過(guò)上述方法檢算，車(chē)頭距離復(fù)興路風(fēng)井端59 m，減去50 m的安全距離后尚余9 m，因此可以保證后行列車(chē)的安全。詳見(jiàn)圖6。

通過(guò)檢算可見(jiàn)，風(fēng)井設(shè)置可以滿(mǎn)足越江長(zhǎng)區(qū)間攔江路站—復(fù)興路站通過(guò)能力不小于30對(duì)/h的要求。

圖4 下行列車(chē)以正常速度運(yùn)行時(shí)風(fēng)井設(shè)置檢算示意圖

圖5 上行列車(chē)以最高速度運(yùn)行時(shí)風(fēng)井設(shè)置檢算示意圖

圖6 上行列車(chē)以正常速度運(yùn)行時(shí)風(fēng)井設(shè)置檢算示意圖