張雨潔,王文波

(1.蘭州交通大學(xué)交通運輸學(xué)院,蘭州 730070； 2.中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司,天津 300308)

引言

地鐵具有運量大、準點率高、舒適、安全、自動化程度高的優(yōu)勢，在解決大城市交通擁堵提高公共交通水平方面具有重大的現(xiàn)實意義[1-2]。地鐵運量等級為高、大運量系統(tǒng)，即每小時能達到2.5萬人以上的運輸能力[3]，作為采用移動閉塞信號制式的地鐵，其系統(tǒng)能力主要受折返站折返能力、車輛基地出入段能力、車站追蹤能力影響，其中最大影響因素就是起終點折返站折返能力，關(guān)系到整個軌道交通線網(wǎng)能否高效運營和是否可以發(fā)揮其良好功能[4-7]。

基于折返站折返能力的分解流程和模擬計算，以典型地鐵設(shè)計折返站為例，對折返站站型進行了對比和適應(yīng)性分析，充分考慮折返站設(shè)計時的諸多因素，研究特殊情況下可靈活采用的配線圖。

1 典型折返站

1.1 國內(nèi)外折返主要形式

國內(nèi)外城市軌道交通經(jīng)過100多年的發(fā)展，形成了4種不同的折返站形式。

(1)站后折返[8]。列車利用站后設(shè)置的折返線進行折返，優(yōu)點是可以將上下客以及列車折返作業(yè)過程進行分離，客流組織順暢、作業(yè)安全性好。但這類車站需要在車站后另設(shè)輔助線，因此通常占地面積大且造價較高。另外列車的折返過程包含一段列車進出折返線的空駛距離。

(2)站前折返[9-10]。列車經(jīng)由站前渡線折返，優(yōu)點是列車折返作業(yè)時間比較短且無空駛、車站占地面小且工程造價低。缺點是列車作業(yè)過程中進路交叉干擾大，上下客過程存在客流對沖。因此在客流量大、行車間隔短的條件下，會對行車安全、站臺客流組織帶來不利影響，并對延誤條件下運營調(diào)整恢復(fù)也不利。

(3)環(huán)形折返[11]。在車站后設(shè)置類似燈泡狀的環(huán)形線，列車通過環(huán)形線，不用換端作業(yè)就可完成折返作業(yè)(類似于環(huán)線運行模式)。因為這種折返形式使車輛在環(huán)道上行駛的車流方向一致，所以消除了進路交叉，列車折返過程只受前后行列車的追蹤影響，折返能力最大。但這種折返方式缺點也比較明顯，一是列車經(jīng)過“燈泡線”折返，對車輪和輪軌一側(cè)的磨損很大，二是由于車輛繞行環(huán)線距離長而導(dǎo)致占地面積大，從而增加了修建和運營費用，線路長度需要大幅度增加，并且需要占用很大空間。因此，一些線路為了充分利用占地空間，在“燈泡線”上也設(shè)置站臺，并可進行上下客作業(yè)。環(huán)形折返實質(zhì)上取消了折返過程，變?yōu)閰^(qū)間運行，有利于列車運行速度的發(fā)揮，消除了因折返作業(yè)形成的線路通過能力限制條件，是一種對提高運營效率有利的折返方法。

(4)混合折返。指同時具備兩種或多種折返方式的站型。混合折返可以綜合多種折返方式的優(yōu)點，如站前+站后混合折返、站后+環(huán)線混合折返、環(huán)線+站前混合折返等。通過增設(shè)環(huán)線、站前或站后配線，能有效增加平行作業(yè)的進路數(shù)量、疏解進路沖突，從而能大幅度提高折返能力。但是混合折返一般車站配線設(shè)計復(fù)雜、車站規(guī)模與占地面積大、造價高。

這4種主要形式在國內(nèi)外均有應(yīng)用[12]，見表1。

表1 國內(nèi)外典型城市地鐵折返方案比例

根據(jù)GB50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》，折返線布置應(yīng)結(jié)合車站站臺形式確定，可采用站前折返或站后折返，并應(yīng)滿足列車折返能力要求。一般情況下，折返站有站前折返島式車站、站后折返島式車站、站前折返側(cè)式車站、站后折返側(cè)式車站4類。其余折返站形式基本是這幾種典型折返的變形及組合。

1.2 站前折返島式車站

如圖1所示，為典型站前折返島式車站設(shè)計示意，站前設(shè)交叉渡線。

圖1 典型站前折返島式車站設(shè)計示意

折返步驟有兩種。

①列車經(jīng)A線進車站停車辦理旅客上下車作業(yè)，中間辦理列車發(fā)車業(yè)務(wù)，經(jīng)交叉渡線a轉(zhuǎn)向B線行車。

②列車由A線經(jīng)交叉渡線b轉(zhuǎn)向B線停車辦理旅客上下車作業(yè)，中間辦理列車發(fā)車業(yè)務(wù)，然后發(fā)車。

一般情況下，在本站沒有故障停車功能配線的情況下，采用A線留作故障列車停車，折返作業(yè)通過方案②實現(xiàn)。

1.3 站前折返側(cè)式車站

如圖2所示，為典型站前折返側(cè)式車站示意，站前設(shè)交叉渡線。

圖2 典型站前折返側(cè)式車站示意

折返步驟有以下兩種。

①列車經(jīng)A線進車站停車辦理旅客上下車作業(yè)，中間辦理列車發(fā)車業(yè)務(wù)，經(jīng)交叉渡線a轉(zhuǎn)向B線行車。

②列車由A線經(jīng)交叉渡線b轉(zhuǎn)向B線停車辦理旅客上下車作業(yè)，中間辦理列車發(fā)車業(yè)務(wù)，然后發(fā)車。

一般情況下，在本站沒有故障停車功能配線的情況下，采用A線留作故障列車停車，折返作業(yè)通過方案②實現(xiàn)。

1.4 站后折返島式車站

如圖3所示，為典型站后折返島式車站示意，站后設(shè)折返線。

圖3 典型站后折返島式車站示意

站后折返步驟有兩種。

①列車經(jīng)A進入車站停車辦理旅客下車業(yè)務(wù)，同時辦理進入折返業(yè)務(wù)，經(jīng)交叉渡線a進入D線停車，再辦理發(fā)車業(yè)務(wù)，經(jīng)交叉渡線b進入B線辦理旅客上車業(yè)務(wù)。

②列車經(jīng)A進入車站停車辦理旅客下車業(yè)務(wù)，同時辦理進入折返業(yè)務(wù)，經(jīng)交叉渡線a進入C線停車，再辦理發(fā)車業(yè)務(wù)，經(jīng)交叉渡線b進入B線辦理旅客上車業(yè)務(wù)。

一般情況下，在本站沒有故障停車功能配線的情況下，采用C線留作故障列車停車，折返作業(yè)通過方案①實現(xiàn)。

1.5 站后折返側(cè)式車站

如圖4所示，為典型站后折返側(cè)式車站示意，站后設(shè)折返線。

圖4 典型站后折返側(cè)式車站示意

站后折返步驟有以下兩種。

①列車經(jīng)A進入車站停車辦理旅客下車業(yè)務(wù)，同時辦理進入折返業(yè)務(wù)，經(jīng)交叉渡線b線折返停車，再辦理發(fā)車業(yè)務(wù)，進入B線辦理旅客上車業(yè)務(wù)。

②列車經(jīng)A進入車站停車辦理旅客下車業(yè)務(wù)，同時辦理進入折返業(yè)務(wù)，經(jīng)交叉渡線a線折返停車，再辦理發(fā)車業(yè)務(wù)，進入B線辦理旅客上車業(yè)務(wù)。

一般情況下，在本站沒有故障停車功能配線的情況下，采用C線留作故障列車停車，折返作業(yè)通過方案①實現(xiàn)。

1.6 小結(jié)

由于站前折返是兩條正線交互接車，如采用島式站臺，乘客可乘先開的列車，可縮短乘客在站臺上的候車時間。如采用側(cè)式站臺，乘客無法預(yù)先知道哪個站臺的列車先到站，無法乘坐先開的列車，勢必延長乘客候車時間。終點站采用站前折返的優(yōu)勢，在于其較站后折返節(jié)省2條折返線，以便為了縮短接駁換乘距離或者站后工程條件差導(dǎo)致站后折返線設(shè)置受限；且由于是兩正線交互接車，就地折返，列車無需轉(zhuǎn)線，但順接和順發(fā)存在平行進路，反接和反發(fā)受限；列車行車間隔時間等于前后兩列車接車或發(fā)車其中最大的間隔時間，一般不受乘客人數(shù)限制，有利于縮短折返時間，提高折返能力，但由于平行進路，難以達到30對/h的折返能力要求。站前折返在一側(cè)有故障車停放時，折返能力受到影響。例如北京地鐵6號線海淀五路居站(圖5)，采用站前島式交叉渡線折返的方案，主要是由于該站同時為車輛段接軌站，可交叉折返提高能力；客流不大時，載客進入折返線的舒適度可滿足要求，安全可保證；且西延工程已準備籌建并在2018年12月30日貫通，海淀五路居站自2012年12月30日作為北京地鐵6號線一期工程(海淀五路居站至草房站)一期起點開始采用站前折返運營了6年，初期客流尚沒超過設(shè)計流量，影響較小。故站前折返方案常用于臨時起終點站或者客流量不大的永久起終點站[13-14]。

圖5 北京地鐵6號線海淀五路居站示意

站后和站前折返比較見表2。站后折返不存在帶客進入折返線的作業(yè)情況，旅客舒適度較好；且由于在車站僅辦理上客或者下客作業(yè)，停站時間較短，折返能力較強；正線都是單向行車，安全和能力都較好，通常設(shè)計經(jīng)常推薦采用站后折返。

表2 站前、站后折返對比

2 主要影響折返能力的參數(shù)[15-16]

2.1 系統(tǒng)能力

在《城市軌道交通工程建設(shè)標準》中規(guī)定了折返能力儲備。規(guī)定各折返站配線的折返能力、支線或車輛出入線接軌站的通過能力，應(yīng)與正線設(shè)計行車密度相匹配，并留有10%～15%的儲備量(對/h)。目前地鐵一般都要求折返能力大于30對/h，折返能力在保留一定富余的情況下應(yīng)滿足此能力。

2.2 線路條件

線路條件直接反映在列車各項作業(yè)的走行距離，第一種是站臺端部到道岔前端長度和線間距，一般是出站列車控制距離；第二種為安全距離，一般取50 m，第三種是進出站線路條件較差采用曲線時，對于速度的限制，例如《地鐵設(shè)計規(guī)范》中，若進出站為300 m半徑的曲線，緩和曲線長度為50 m時，速度限制為16 m/s，這樣就不影響進出站速度和能力；而緩和曲線長度由于條件限制采用20，25 m，速度限制為9 m/s和11 m/s，勢必會造成速度降低，影響折返能力。

2.3 道岔型號

正線道岔是控制行車速度的關(guān)鍵設(shè)備，道岔型號應(yīng)滿足遠期運營的需要，道岔直向允許通過速度不應(yīng)小于區(qū)間設(shè)計速度，側(cè)向容許通過速度應(yīng)滿足列車通過能力的需要，即在對道岔通過能力要求高的地段，可采用大于9號的道岔。

道岔型號影響列車過岔的速度和不同線間距列車走行的距離，正線道岔一般采用9號道岔，側(cè)向通過限速為9 m/s核算，走行距離為道岔岔心之間長度，一般情況下近似等于站間距乘以道岔型號；另外，站臺端部至道岔前端長度，主要為出站列車控制距離，可由以下分配距離構(gòu)成。

①站臺端—出站信號機距離：為司機對信號的瞭望距離，一般為3.5～5.0 m，通常采用上限5 m。

②出站信號機—計軸器磁頭距離：為車輛轉(zhuǎn)向架的后輪至車輛端部距離，A型車為1.9 m，B型車為2.2 m。統(tǒng)一取值為2.2 m。

③計軸器磁頭—道岔基本軌縫中心距離：為1.2 m(計軸器磁頭免受軌縫接頭的振動影響)。

④列車停車誤差，已經(jīng)在站臺有效長度內(nèi)包含，不再另加。

⑤以上合計為 4.7 m+2.2 m+1.2 m=8.1 m

結(jié)論：道岔中心至站臺端距離8.1 m+13.839 m=21.939 m，取值為22.0 m(此處數(shù)據(jù)13.839 m根據(jù)查閱9號道岔參數(shù)表前長a所得)。

2.4 車輛參數(shù)

不同編組條件下列車長度不同，所需站臺長度也不同；其次，列車的啟動制動參數(shù)直接影響列車的折返效率，目前基本要求車輛應(yīng)達到以下參數(shù)：

平均啟動加速度(0～10 m/s) ≥1.0 m/s2；

平均加速度(0～22 m/s) ≥0.6 m/s2；

倒行最高運行速度 2 m/s；

最大常用制動平均減速度(22～0 m/s) 1.0 m/s2；

緊急制動平均減速度(22～0 m/s) 1.3 m/s2；

沖動極限 0.75 m/s3。

在實際計算中，列車牽引計算應(yīng)在線路條件和車輛性能的基礎(chǔ)上，確定合理的站間運行速度、運行時間和能源消耗量，以及旅行速度。正常情況下，計算起動加速度、制動減速度不宜大于最大加速度、常用減速度的90%，且計算列車起、制動加速度均不宜大于0.9 m/s2，并應(yīng)充分利用惰行。

2.5 車站型式

島式和側(cè)式車站站間距不同，不同道岔型號帶來的列車走行距離受控制。目前國內(nèi)側(cè)式車站一般只要保證道岔在5 m線間距即可，而一般島式站臺寬度一般為10～15 m，導(dǎo)致線間距更大，走行距離更長，折返能力較弱。

2.6 停站時間

2.6.1 開門時間

從列車進站停穩(wěn)，到列車車門和屏蔽門打開時間。

列車開門過程由一系列動作組成，列車停穩(wěn)后，ATO向列車和站臺屏蔽門發(fā)出開門指令，控制系統(tǒng)首先檢查車速是否為零、停站位置是否正確，再經(jīng)過電氣傳動時間，車門才能打開。根據(jù)資料顯示，帶有屏蔽門的車站，列車到達的開門時間按4 s考慮。

2.6.2 乘客上下車時間

乘客上下車時間，主要取決于上下車人數(shù)、列車的車門數(shù)量、車門寬度、乘客到達的不均衡系數(shù)，以及乘客上下車速度。

車站上下車人數(shù)取最大方向數(shù)值，乘客上下車速度參照國內(nèi)城市軌道交通經(jīng)驗，按每上下乘客0.6 s/人(上下客數(shù)量懸殊較大時取0.5 s/人)計算。

2.6.3 關(guān)門時間

從最后一名乘客走進車廂，到車門、站臺屏蔽門全部關(guān)閉的一段時間。

2.6.4 計算公式

t開門+t關(guān)門+t預(yù)留

式中n系數(shù)——超高峰系數(shù)；

t開門、t關(guān)門、t預(yù)留——開門時間3 s、關(guān)門時間6 s、預(yù)留時間7 s；

N列車、N輛、N車門——高峰小時單向列車數(shù)(列)、列車編組輛數(shù)、單列車車門數(shù)；

T停——列車停站時間，s。

2.7 其他因素

列車在各折返站折返作業(yè)采用有司機監(jiān)控下ATO自動駕駛方式，包含人工和系統(tǒng)的反應(yīng)時間，通常取3 s。

3 折返能力模擬計算

3.1 典型站后島式折返站折返能力[17]

3.1.1 設(shè)計參數(shù)

以典型站后島式折返車站(留有正線延伸條件)為例，在對部分參數(shù)進行科學(xué)合理的假設(shè)以補充完整所有缺失的信息，主要標準參數(shù)如下：

線路站臺端至道岔距離22 m，安全距離按照50 m控制；

正線線間距為15 m，折返線間距為5 m；

車輛采用A型車6輛編組，站臺長度為140 m；

道岔采用9號道岔；

停站時間按照30 s考慮；

計軸點按照進站、折返、出站四個地方控制。

各段走行距離如圖6所示。

3.1.2 折返過程

(1)接車間隔

辦理列車進站→列車ATP、ATO響應(yīng)延遲→列車離開JZ1進站→列車在A線停站下客→辦理折返列車進折返近路→折返列車ATP、ATO響應(yīng)延遲→折返列車尾部離開JZ2→辦理下一列車進站。

圖6 典型島式車站示意(單位：m)

(2)折返間隔

辦理折返列車進折返近路→折返列車ATP、ATO響應(yīng)延遲→折返列車尾部離開JZ2→列車進入折返軌停車→辦理折返列車出折返線進路→折返列車ATP、ATO響應(yīng)延遲→折返列車出折返軌JZ3點→辦理下一列車折返。

(3)發(fā)車間隔

辦理折返列車出折返線進路(前車發(fā)車)→折返列車ATP、ATO響應(yīng)延遲→折返列車出折返軌JZ3點→折返列車進入在B線停穩(wěn)→折返列車在B線停站上客→辦理列車出站→折返列車辦理徑路響應(yīng)延遲→折返列車出發(fā)JZ4→辦理下一列車發(fā)車。

3.1.3 折返能力計算圖

各作業(yè)流程時間及折返能力計算見圖7。

圖7 典型站后島式折返站折返能力計算示意

3.1.4 折返能力分析

列車折返能力由接車間隔、站后咽喉折返間隔和發(fā)車間隔的最大值決定，計算過程中接車間隔為103 s、折返間隔為90 s、發(fā)車間隔為106 s，按照預(yù)留10%的能力核算，滿足折返能力時間小于120 s、折返能力大于30對/h。

3.2 典型站前側(cè)式折返站折返能力[18-19]

3.2.1 設(shè)計參數(shù)

以典型站前折返側(cè)式車站(一側(cè)正線作為故障停車使用)為例，在對部分參數(shù)進行科學(xué)合理的假設(shè)以補充完整所有缺失的信息，主要標準參數(shù)如下：

線路站臺端至道岔距離22 m；安全距離按照50 m控制；

線間距為5 m；

車輛采用A型車6輛編組，站臺長度為140 m；

道岔采用9號道岔；

停站時間由于上下車均在一側(cè)站臺，按照45 s考慮；

計軸點按照進站、出站控制。

各段走行距離如圖8所示，虛線為列車開行方向。

3.2.2 折返過程

(1)第一列車

辦理列車進站→列車ATP、ATO響應(yīng)延遲→列車離開JZ1進站→列車在B線停站時間上下客→辦理列車出站→列車ATP、ATO響應(yīng)延遲→出站列車尾部離開JZ2→辦理下一列車進站。

(2)第二列車

辦理第二輛車進站→折返列車ATP、ATO響應(yīng)延遲→第二列車離開JZ1進站→第二列車在B線停站時間上下客→辦理列車出站→第二列車辦理徑路響應(yīng)延遲→第二列車尾部離開JZ2→辦理下車列進站。

3.2.3 折返能力計算圖

各作業(yè)流程時間及折返能力計算見圖9。

圖8 典型側(cè)式車站示意(單位：m)

圖9 典型站前側(cè)式折返站折返能力計算示意

采用單側(cè)折返時，前行列車出站后才可辦理后行列車進站，故折返間隔時間與一列車從進站至出站的時間一致。

3.2.4 折返能力分析

由于站前折返存在正線的敵對進路，按照單側(cè)折返時折返能力和一列車進出站時間一致。折返能力約為119 s，按照預(yù)留10%的能力核算，滿足折返能力時間小于133 s、折返能力約為27對/h。

4 提高折返能力的站前折返線路圖

在車站站后折返實現(xiàn)不了的情況下，站前折返由于能力存在限制，需要對車站配線進行必要的改造。

4.1 站前折返增加停車線

采用站前折返時，由于正線存在敵對進路，影響折返能力，故可采用增加一條故障列車停車線的方法，雙站臺進行折返來增加折返能力，見圖10、圖11。

圖10 增加故障列車停車線的雙島車站示意

圖11 增加故障列車停車線的一島一側(cè)車站示意

此兩種方案，單獨設(shè)計停車線并配置站臺，故障列車可直接停在該處下客等待救援，采用正線交替收發(fā)車來提高能力。一般適用于遠離車輛段或者站后建筑條件受限制時使用。

4.2 采用12號道岔代替9號道岔

站前折返采用的交叉渡線道岔，應(yīng)根據(jù)折返能力需要設(shè)計成9號道岔或12號道岔(圖12)。其側(cè)向容許過岔速度：直線尖軌9號道岔為8 m/s，曲線尖軌9號道岔為9 m/s，曲線尖軌12號道岔為13 m/s。在側(cè)式車站線間距為5 m的情況下，雖然12號道岔走行距離要比9號道岔多15 m，但可以提高過岔速度，減少進站時間提高折返能力。

圖12 側(cè)式車站提高道岔型號示意

4.3 改變線路連接方式提高折返能力

通過改造島式站臺，前端折返線部分線間距降低(圖13)，縮短了岔區(qū)距離，減少對道岔區(qū)的占用時間，從而減少敵對作業(yè)時間，提高折返能力。

圖13 改造島式站臺以減少岔前走行距離折返示意

4.4 廣州地鐵5號線滘口站

以上改造方案在廣州地鐵5號線起點站滘口站[20]得到了一定程度的應(yīng)用，該站為高架一島一側(cè)車站(圖14)，受站后條件限制，采用站前折返。

圖14 滘口站帶信號機布置

但是在實際運營中，該站客流量較大，在早高峰下行方向滿載率基本超過120%，且受限于人員操作水平、客流等外力因素影響，列車不能做到等間隔運營，實際運行情況下該站的最小折返間隔為132s，在工作日或周六日高峰期間，滘口站發(fā)生設(shè)備故障影響站前折返只能采取單股道折返時或不能組織折返時，必須利用其余車站配線組織臨時交路。因此，滘口站雖然對站前折返進行了一定程度的優(yōu)化，但運營管理復(fù)雜，且實際運營中尤其是大客流車站還會存在諸如為哄搶座位造成上下車乘客沖撞等種種意外因素，故受多種限制因素而被迫選擇站前折返方案時，必須慎重抉擇并結(jié)合現(xiàn)場條件予以優(yōu)化。

5 結(jié)語

地鐵系統(tǒng)運輸能力是決定其服務(wù)水平的重要因素，通過對典型折返站設(shè)計的研究，對影響折返能力的線路條件、道岔型號、配線方案等因素進行詳細研究，提出折返站應(yīng)優(yōu)先推薦采用站后折返形式；分期建設(shè)線路如采用站前折返時宜盡快延伸；并提出了幾種可改進的站前折返線設(shè)計情況，諸如增加停車線來改進折返流程、提高道岔型號以提高折返速度，以及減少線間距縮短道岔區(qū)占用時間以提高系統(tǒng)能力等方案，實際工程中可根據(jù)具體情況靈活選用。