許珂

（廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010）

1 概述

隨著城市的日益發(fā)展，土地成為最緊缺的資源之一。為較好解決車輛基地占地與城市用地規(guī)劃發(fā)展協(xié)調(diào)問題，在線路平面設(shè)計時，各相鄰道岔的布置，應(yīng)在保障規(guī)定的列車運行速度及作業(yè)組織安全的要求下，力求排列緊湊，使相鄰兩道岔之間的距離最短，并根據(jù)不同車輛制式車型選用合理的曲線半徑，有效縮短車輛基地咽喉區(qū)或股道連接的長度，減少地鐵車輛在段場內(nèi)走行距離，達到節(jié)省工程用地投資及運營維護費用、提高列車運行安全性的作用。本文在分析廣州地鐵5 號線魚珠地鐵車輛段相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，從線路運行條件分析、工況模擬計算的角度對線路最小曲線半徑以及最短夾直線長度標(biāo)準及其選用建議進行論述。

2 魚珠車輛段項目概況

2.1 工程概況

廣州地鐵5 號線魚珠車輛段設(shè)在黃埔區(qū)魚珠街，位于5 號線魚珠站和茅崗站之間，黃埔大道以北，中山大道以西的地塊內(nèi)，總平面圖如圖1所示。魚珠車輛段占地面積約25.7hm2，于2009年建成投入使用，是廣州軌道交通第一個L 型車大架修基地，主要負責(zé)廣州地鐵4 號線、5 號線及6 號線的車輛大架修工作，大架修4 列位。

圖1 魚珠車輛段總平面示意圖

車輛段總體運用、檢修呈串聯(lián)式布置。停車列檢線按照1 線2 列位盡端布置，共28 股道；六日檢線按照1 線2 列位布置，共6 股道；大架修庫設(shè)于運用庫西側(cè)，內(nèi)含2 條靜調(diào)線、1 條臨修線、4 條大架修線。

2.2 主要線路技術(shù)標(biāo)準

車場線最小曲線半徑65m，線路外股不設(shè)超高，軌距加寬15mm，其中標(biāo)準軌距1450mm，縱斷面一般設(shè)計為平坡。

兩相鄰曲線間夾直線長度一般情況下為4.508m，困難時不小于3m。

道岔采用50kg/m 鋼軌5 號道岔，道岔全長16.269m，其中道岔前端長7.073m（簡稱A 趾），道岔后端長9.196m（簡稱B 趾），道岔前后至曲線端部的距離按不小于3m，并滿足曲線局部加寬遞減率的要求。

3 咽喉區(qū)運行條件分析

在曲線布置時，在股道線間距固定不變的情況下，反向S 形曲線兩端道岔岔心位置與曲線股道長度息息相關(guān)，有時為了加設(shè)較長的夾直線段，需要調(diào)整兩端道岔岔心中交位置，以確保相鄰2 股道最小線間距要求，不影響地鐵車輛的正常運行，提高運行平穩(wěn)性。

在兩相鄰道岔連續(xù)鋪設(shè)時，按列車通過道岔時的行駛方向又可分為逆向過岔和順向過岔兩種情況。當(dāng)列車運行方向為道岔尖軌至心軌處時，稱之為逆向過岔；反之，稱之為順向過岔。由于輪對側(cè)順向通過轉(zhuǎn)轍器時的爬軌過程是在基本軌上完成的，因此輪對側(cè)逆向通過轉(zhuǎn)轍器時的脫軌風(fēng)險要明顯高于側(cè)順向通過轉(zhuǎn)轍器。

地鐵車輛基地內(nèi)由于車輛不載客、低速運行，因此不存在旅客舒適度的相關(guān)要求，設(shè)計階段往往采用低線路標(biāo)準。魚珠車輛段因用地長度短、線路數(shù)量多等條件限制，所以咽喉區(qū)主要采用復(fù)式梯線布置，以使進入各條線路的車輛經(jīng)過的道岔數(shù)相等或者相差不多，解決場地用地條件不足等問題，但也造成線路幾何條件復(fù)雜，道岔及曲線數(shù)量多等情況，即便在選用小尺寸5 號道岔、65m 小半徑曲線等技術(shù)標(biāo)準，依舊存在部分諸如連續(xù)側(cè)逆向過岔、S 形反向曲線、連續(xù)C型曲線等不利于線路車輛行駛的工況，且設(shè)計忽略了夾直線長度的重要性，局部線路夾直線長度僅3m，大大降低列車運行平穩(wěn)性及安全性。

因列車運行入庫基本為逆向行駛，后續(xù)內(nèi)容主要針對輪對側(cè)逆向過岔時的線路運行條件進行分析。

4 車輛通過夾直線反向平面曲線時幾何曲線能力分析

根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》（GB 50157—2013）[1]要求，夾直線是為車輛段在前一個曲線產(chǎn)生的震動衰減后再進入第二個曲線，不致兩個曲線的震動疊加，需要的震動衰減時間的距離，由于車輛段內(nèi)屬于低速運行地段，需節(jié)省用地面積，夾直線在困難條件下宜取一個轉(zhuǎn)向架長度3m。

同時，在魚珠車輛段咽喉區(qū)線路布局中，地鐵車輛行駛時有遇到反向平面曲線的運行工況。當(dāng)反向平面曲線半徑很小、所夾直線長度也較短時，對于定距較長的車輛，需充分校核其通過這類幾何曲線的能力，以確保運輸安全。

從線路幾何關(guān)系入手，分析、推導(dǎo)兩輛車連掛時，行駛車輛在連續(xù)道岔或曲線的運行過程中，在滿足線路幾何條件情況下，計算驗證實際車鉤最大偏移角與車鉤允許最大偏移角之間的差值，通過適當(dāng)調(diào)整夾直線、曲線半徑等因素，對后續(xù)車輛段線路優(yōu)化方案進行指導(dǎo)。

4.1 假設(shè)與參數(shù)說明

第一，此次復(fù)核將兩組連續(xù)布置的5 號單開道岔近似模擬為兩股65m 反向定圓平面曲線，以下簡稱為“S 形曲線”，道岔間夾直線長為4.10m。

第二，在直線區(qū)段，車體中心線與線路中心線重合。在曲線區(qū)段，車輛心盤的中心位于線路中心線上。

第三，2 條相鄰連掛車輛車鉤的中心線位于同一條直線上。

第四，兩輛車連掛后，一前一后順序通過S 形曲線。其中前車（擬采用N0511-GPC 系列軌道平車）用1 代表，后車（擬采用G511 工程車-GCY300 型重型軌道車）用2 代表，兩輛車連掛通過S 形曲線時的模擬位置關(guān)系[2]如圖2所示，參數(shù)代號及意義[3]如圖3所示。

圖2 兩輛車連掛通過“S 形曲線”時的模擬位置關(guān)系示意圖

圖3 參數(shù)代號及示意

第五，參數(shù)表中車鉤偏移角α 為此次假設(shè)最終計算成果，意為兩輛連掛車在通過“S 形曲線”時列車間車鉤實際最大偏移角。

4.2 工況模擬及計算成果

4.2.1 車輛參數(shù)

其一，G511 車體總長為14.66m、車輛定距為7.2m，采用2 號車鉤、ST 型緩沖器。N0511 車輛總長為13.0m、車輛定距為8.6m，采用2 號車鉤、ST 型緩沖器。

其二，假定在牽引狀態(tài)下兩輛車的緩沖器均無壓縮，此時鉤尾框保持不動，車鉤連掛面與旋轉(zhuǎn)中心左端接觸。由于尾銷呈圓形，在鉤尾框安裝孔的約束下，車鉤將繞尾銷橫截面左邊的圓弧中心旋轉(zhuǎn)，2 號車鉤轉(zhuǎn)動中心到車鉤連接點的距離為0.788m。

4.2.2 計算成果分析

根據(jù)以上假設(shè)，由于車鉤實際最大偏移角計算公式中因包含大量三角函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、多元函數(shù)的復(fù)合運算，需借助計算機求解，難以用手工計算得到結(jié)果，因此不再贅述計算過程，車鉤理論最大偏移角計算結(jié)果見表1。

表1 車鉤最大偏移角計算結(jié)果

比較表1計算結(jié)果，列車連掛行駛通過假設(shè)工況“S 形曲線”的過程中，計算結(jié)論中車鉤實際最大偏移角為26.077o，略大于車鉤理論最大擺角25o，運行過程中由于車鉤無法達到其實際需求的幾何擺角，后車對前車產(chǎn)生較大的橫向壓力，使得前車后輪與軌道接觸時輪緣接觸力激增，容易產(chǎn)生車鉤斷裂甚至列車脫軌等重大風(fēng)險。

4.3 不同夾直線、曲線條件下的車鉤最大擺角分析

為進一步研究不同夾直線、曲線半徑情況下兩輛列車連掛通過上述“S 形曲線”過程中車鉤最大擺角，表2給出了在保持夾直線長度為4.1m 不變的情況下，通過調(diào)整曲線半徑大小，也可近似類比為通過調(diào)整道岔型號以增大曲線半徑，來對比研究車鉤實際最大偏移角與車鉤最大擺角之間的關(guān)系[4]。

表2 不同曲線半徑下車鉤最大偏移角計算結(jié)果

從表2中可以看出，隨著曲線半徑或道岔型號的增大，計算車鉤實際最大偏移角α 逐漸減小，當(dāng)曲線半徑取值為100m 時，計算車鉤最大偏移角僅為16.86o，顯著小于2 號車鉤允許最大擺角25o。因該模型未考慮到軌道動力學(xué)、軌道幾何不平順、輪軌型面磨耗以及車輛和道岔狀態(tài)不良等多種因素對車輛通過“S 形曲線”時安全性的不利影響，初步認為當(dāng)夾直線長4.1m 時，相鄰夾直線兩側(cè)反向曲線半徑宜設(shè)置在100m 以上，以此保障連掛車輛通過曲線時具備足夠的安全性，同時這對延長軌道壽命也是十分有利的。

與此同時，表3給出在保持曲線半徑為65m，也可近似類比為保持道岔型號不變的情況下，通過調(diào)整夾直線長度來對比研究車鉤實際最大偏移角與擺角之間的關(guān)系。

從表3可以看出，在保持曲線半徑或道岔型號不變的前提下，隨曲線間夾直線長度的增大，計算車鉤實際最大偏角在逐漸減小，當(dāng)夾直線長度大于5m 時，車鉤最大偏角可以控制在25o以下。分析認為岔前半徑65m 時，增大夾直線長度可在一定程度上增加連掛車輛過彎能力，但提升效應(yīng)不明顯，當(dāng)曲線半徑65m無法調(diào)整時，曲線間或道岔間夾直線宜設(shè)置在5m 以上，車輛通過S 彎時才具備足夠的安全性。

表3 不同夾直線長度下車鉤最大偏移角計算結(jié)果

結(jié)合以上分析，對咽喉區(qū)曲線半徑或道岔型號進行優(yōu)化是提高車輛段咽喉區(qū)通過能力、提升運營平穩(wěn)性和安全性的關(guān)鍵因素。增長夾直線對線路優(yōu)化影響有限，在用地條件受限，無法采用大半徑曲線時可考慮適當(dāng)增長夾直線。

5 運用庫咽喉區(qū)線路優(yōu)化方案簡述

5.1 線路優(yōu)化原則

第一，該方案僅考慮線路平面布局相關(guān)優(yōu)化。

第二，按原功能、等規(guī)模復(fù)建原則，不對出入段線區(qū)間做調(diào)整，僅對段內(nèi)咽喉區(qū)線路進行優(yōu)化。

第三，針對既有運營線路的運行條件，解決既有線路設(shè)計痛點，提升設(shè)計標(biāo)準。

5.2 優(yōu)化方案

針對連續(xù)側(cè)逆向過岔、S 形反向曲線、連續(xù)C 型曲線等不利于線路車輛行駛的工況，提出以下優(yōu)化建議方案[5]：

第一，取消原道岔L45～L55 渡線，優(yōu)化運用庫1咽喉區(qū)線路，將原有L-26～L-41 停車線（合計32 列位）庫前咽喉區(qū)5 號道岔均調(diào)整為7 號道岔，岔后曲線半徑均采用150m。

第二，道岔及曲線間夾直線長度按照《地鐵設(shè)計規(guī)范》（GB 50157—2013）第6.2.4 條規(guī)定：兩組道岔間應(yīng)設(shè)置直線段鋼軌連接，車場線鋼軌長度一般地段不應(yīng)小于4.5m，困難地段不應(yīng)小于3.0m。L-22～L-25周月檢線（合計4 列位）庫前咽喉區(qū)道岔型號及曲線半徑不做調(diào)整，仍采用5 號道岔、65m 曲線半徑，增加兩道岔之間夾直線長度，其最小長度由4.1m 增長至6.258m。

第三，為盡量減少線路優(yōu)化改造期間對運營組織的影響，充分保障運營安全，線路方案以一組單開道岔、兩庫房線路為改造基本單元，自咽喉區(qū)最外側(cè)線路向內(nèi)分步改造，應(yīng)選擇利用天窗期或客流較少時開展改造工作，縮短優(yōu)化線路的停運時間。優(yōu)化后的平布置面圖如圖4所示。

圖4 咽喉區(qū)線路優(yōu)化平布置面圖

6 結(jié)論

首先，針對魚珠車輛段現(xiàn)狀運營條件進行歸納剖析，建立近似情況下的最不利工況線路模型，復(fù)核不同夾直線長度、線路曲線半徑條件下的運行通過能力，通過控制變量法，定量修改線路尺寸，計算車鉤實際最大偏移角與車鉤理論性能參數(shù)進行直觀對比，從而給出咽喉區(qū)線路優(yōu)化時平面夾直線長度和曲線半徑的推薦值。

其次，在建立幾何曲線模型時，將車輪、軌道結(jié)構(gòu)、列車車鉤均假定為剛性個體，忽略了其柔性變形。除此之外，由于考慮到道岔其本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及列車運行特點，利用相同半徑曲線簡單替代道岔結(jié)構(gòu)的假設(shè)考慮不全面，與實際工況條件不符，具體計算結(jié)論還應(yīng)進一步結(jié)合軌道扣件及軌道動力學(xué)仿真計算結(jié)構(gòu)統(tǒng)籌考慮，結(jié)論僅供參考使用。

最后，從技術(shù)角度詳細闡述了在改造空間受限的車輛基地線路設(shè)計原則及改造步驟。該案例分析表明：在車輛基地設(shè)計期間，應(yīng)充分考慮線路平面幾何關(guān)系，預(yù)留足夠用地條件，以滿足線路布置的基本需求，在困難條件下無法采用大半徑曲線時可考慮適當(dāng)增長夾直線長度，并做好風(fēng)險分析論證及運營組織對策。