王 璐，施炳嫻，趙川宇

（1.北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037；2.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100068）

1 引言

截至2022 年底，北京市、上海市已形成超大地鐵線網(wǎng)規(guī)模，廣州市、深圳市等5 座城市的地鐵運營線路長度也已超過500 km[1]。隨著地鐵不斷發(fā)展與創(chuàng)新，已建成的線路在運營過程中逐漸暴露出一些問題。以北京市為例，自20 世紀(jì)60 年代建成第一條地鐵線路，已經(jīng)超過50 多年發(fā)展，城市規(guī)劃不斷優(yōu)化，各線路建設(shè)時期和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不同，地鐵線路在線網(wǎng)中功能定位隨之進(jìn)行調(diào)整，面對不斷增長的客流壓力和更高的服務(wù)水平要求，部分線路已難以適應(yīng)現(xiàn)在地鐵發(fā)展態(tài)勢。地鐵客流量初、近期與遠(yuǎn)期預(yù)測和實際客流相差較大，為解決暴露出的問題，并順應(yīng)時代趨勢踐行地鐵線網(wǎng)互聯(lián)互通、跨線運行理念，北京市持續(xù)進(jìn)行既有線的更新改造工程，并開展互聯(lián)互通專題研究。

2 擴(kuò)能改造中車輛問題

北京地鐵在50 多年建設(shè)與運營中，逐漸暴露出車輛存在的問題，由于車輛生產(chǎn)年代較早，北京地鐵1號、13 號線車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)不一致，隨著列車運力提升、運營間隔縮短，列車運行工況也惡劣于早期。北京地鐵10 號線客流量大，早高峰部分車站需進(jìn)行限流措施，車輛載客能力不滿足高峰期客流需求，因此采取拆除部分列車座椅的解決方案。

車輛擴(kuò)能改造方案需結(jié)合線路實際需求、既有線條件、供電能力、信號系統(tǒng)等統(tǒng)籌分析。針對北京地鐵13 號線擴(kuò)能改造工程采取對既有線進(jìn)行拆分方式，形成13A、13B 2 條線，在新龍澤站設(shè)置跨線運行條件[2]。首先以提升運輸能力為核心，實現(xiàn)新購、既有列車混跑、跨線運行、互聯(lián)互通；其次是工程實施難度大，新建線路存在34‰大坡度，線路條件相對苛刻；最后既有線供電能力不足，限制了列車牽引能力。北京地鐵13 號線擴(kuò)能改造涉及的車輛改造方案覆蓋全面，且結(jié)合當(dāng)今地鐵互聯(lián)互通、跨線運營等發(fā)展趨勢，文章以北京地鐵13 號線車輛擴(kuò)能改造為基點，并由點到面，輻射到車輛擴(kuò)能改造中需要注意的問題，為其他線路車輛擴(kuò)能改造方案提供解決措施。

3 車輛關(guān)鍵技術(shù)解決措施

3.1 列車連掛與救援能力

3.1.1 問題梳理

（1）牽引救援能力不足。北京地鐵13 號線13A 線正線最大坡度34‰，新購的8B 型、6B 型編組列車與既有6B 型列車混跑。如果發(fā)生車輛需要救援的情況，既有列車為3 動3 拖編組型式，列車牽引能力不足，不滿足救援要求，救援工況如表1 所示。

表1 北京地鐵13 號線救援工況

（2）車鉤強(qiáng)度不足。北京地鐵13 號線既有列車車鉤連掛采用為CG-5 連掛系統(tǒng)，列車車鉤壓縮最大阻抗力為250 kN，拉伸最大阻抗力為150 kN。現(xiàn)行規(guī)范中要求B型車壓縮屈服強(qiáng)度為800 kN，拉伸屈服強(qiáng)度640 kN。既有車輛強(qiáng)度遠(yuǎn)低于現(xiàn)行規(guī)范中的要求，依據(jù)列車坡道救援不同工況的縱向動力學(xué)仿真結(jié)果，各種救援工況下，車鉤需要承受的斷面最大拉力均大于北京地鐵13 號線既有列車的能力，即既有列車參與救援時，均不滿足救援要求。

3.1.2 解決方案

結(jié)合北京地鐵13 號線運營方案列車無法實施救援的工況僅在在高平峰轉(zhuǎn)換段發(fā)生，發(fā)生概率極小，如既有6B 型列車救援8B 型列車概率極小，僅為0.028%。概率計算包括以下幾方面：①列車故障概率參考既有列車救援發(fā)生次數(shù)，約為1.8%；②牽引救援能力不足，根據(jù)牽引仿真計算在19‰以上坡道既有6B 型列車牽引救援8B 型能力不滿足，線路條件中超過19‰的坡長占全線長度比例為17.13%；③根據(jù)全日行車計劃，列出不同時段在線列車數(shù)量，計算8B 型列車對既有6B 型列車無法實施救援的概率為9.1%。因此在發(fā)生概率極小的前提下，應(yīng)盡可能避免既有車輛參與救援，可以從運營組織調(diào)配與既有車鉤能力匹配2 個方向?qū)嵤?/p>

（1）運營組織調(diào)配措施。針對表1 中工況3、工況 6，可將線路對向8B 型或6B 型列車清客后，通過車站渡線轉(zhuǎn)線運行至故障點實施救援，列車組織救援示意如圖1 所示。對13A 線全線渡線的設(shè)置情況梳理，最長配線間距為大鐘寺渡線 — 上地區(qū)間約7 km，考慮清客、救援操作流程等，可將救援時間控制在30 min 內(nèi)。

圖1 上行方向利用對向8B 列車組織救援示意圖

（2）既有車鉤能力匹配。無法實施救援的薄弱點為既有列車車鉤、車體強(qiáng)度，以此為輸入條件模擬列車救援工況可實施的救援動作。模擬計算對最不利的救援工況下車鉤力變化情況分析，結(jié)果顯示對于表1 中工況7、工況8、工況9，將救援列車啟動加速度限制為0.1 m/s2，推送救援新購6B 型編組的超員載荷故障列車，各斷面最大車鉤力均為拉鉤力，最大力小于車體的抗拉屈服極限，滿足救援要求。

3.1.3 連掛與救援思考

北京地鐵13 號線針對既有線擴(kuò)能改造中連掛救援能力不足的問題提出解決方案，由此衍生出對列車救援方面的一些思考：①地鐵既有線擴(kuò)能改造項目中，面臨線路條件變化、車輛性能不匹配等可能存在的問題，以及對地鐵列車在故障情況下的救援工況，亟需提出解決方案；②在新建地鐵線路中，互聯(lián)互通、大小編組混行的線路必然是發(fā)展趨勢，互聯(lián)互通線路間車輛救援、小編組救援大編組列車成為不可避免且需要面臨的問題，因此提出列車救援解決方案的幾個方向供借鑒。

（1）核實既有列車參與救援工況中，不同年代制造的列車車鉤、車體條件。車鉤安裝高度、車鉤型式應(yīng)滿足連掛要求；車鉤、車體強(qiáng)度應(yīng)滿足救援工況下的最大車鉤力，否則應(yīng)盡量避免年代較早的列車作為救援車參與救援。

（2）利用對向滿足救援要求的列車、通過前方車站的渡線實現(xiàn)列車轉(zhuǎn)線，將故障列車牽拉出區(qū)間的救援方式，故在配線設(shè)計過程中應(yīng)考慮列車轉(zhuǎn)線救援需求，減小配線間距，縮短救援時間。

（3）既有制造年代較早的列車不可避免發(fā)生故障后，應(yīng)以既有列車的車鉤、車體強(qiáng)度能力為輸入，救援時司機(jī)限制起動加速度，通過緩慢操作、避免緊急制動等方式實施救援，使連掛救援后產(chǎn)生的斷面最大力在既有列車車鉤、車體的實際強(qiáng)度可承載范圍內(nèi)。

3.2 列車供電需求與供電能力

3.2.1 問題梳理

北京地鐵13 號線采用DC750V 接觸軌上部接觸的供電制式，擴(kuò)能改造工程采用新購的8B 型列車，因此具有牽引網(wǎng)電壓等級低、電流大、車輛牽引負(fù)荷大、行車間隔小的特點，DC750V 牽引制式的供電能力與8 輛編組車輛供電需求之間的矛盾突出。即使不考慮建設(shè)規(guī)模與投資，通過增加牽引所數(shù)量實現(xiàn)大雙邊情況下供電，線路短路、電流過大與沒有滿足要求的直流開關(guān)設(shè)備之間也存在矛盾。

3.2.2 解決方案

隨著地鐵車輛技術(shù)更新迭代，相關(guān)技術(shù)已實現(xiàn)質(zhì)的飛躍，相應(yīng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)也隨之更新，北京地鐵13 號線新購車輛采用了更高的動拖比提升運能，考慮供電設(shè)計能力不足，新購車輛設(shè)置了2 種牽引模式：①充分發(fā)揮車輛牽引能力，啟動加速度達(dá)1.0 m/s2；②限制車輛牽引啟動加速度至0.83 m/s2，實現(xiàn)列車啟動時降低網(wǎng)側(cè)電流的目的。供電系統(tǒng)也應(yīng)提升供電能力，尋求供電能力與建設(shè)投資的平衡點，北京地鐵13 號線采用3 套機(jī)組的方案，在常規(guī)變電所主接線方案基礎(chǔ)上，增加第3 套整流機(jī)組[3]，并設(shè)置單獨的直流開關(guān)柜和10 kV 進(jìn)線開關(guān)柜，該方案僅用在中間一座牽引所解列退出相鄰所大雙邊供電時不滿足2 min 發(fā)車間隔的運行。采用3 機(jī)組方案可將導(dǎo)致牽引變電所解列故障工況的概率降低為3%，而3%的極端故障工況在北京地鐵實際運營過程中從未發(fā)生過。

3.3 列車受流器集電靴與接觸軌材質(zhì)

3.3.1 問題梳理

接觸軌材質(zhì)包括鋼鋁復(fù)合軌和低碳鋼，現(xiàn)階段應(yīng)用趨勢為鋼鋁復(fù)合軌，與之匹配的列車受流器集電靴材質(zhì)為浸金屬碳，有少量線路或區(qū)段也存在受流器集電靴材質(zhì)采用銅滑塊的方式。北京地鐵13 號線接觸軌材質(zhì)采用低碳鋼，與之匹配的集電靴材質(zhì)為銅滑塊。北京地鐵13 號線擴(kuò)能提升工程中將正線接觸軌材質(zhì)全部更換為鋼鋁復(fù)合軌，但基于投資等因素綜合考慮，既有回龍觀車輛段的接觸軌材質(zhì)未更換。北京地鐵13 號線新購車輛集電靴材質(zhì)為浸金屬碳可與正線鋼鋁復(fù)合軌材質(zhì)匹配，并將既有列車集電靴材質(zhì)改為浸金屬碳。則列車在回龍觀車輛段運行時存在低碳鋼的接觸軌材質(zhì)與浸金屬碳的集電靴材質(zhì)不匹配問題，其取流、磨耗相關(guān)的運營數(shù)據(jù)相對較少。

3.3.2 問題分析

經(jīng)過調(diào)研北京地鐵2 號線，開展低碳鋼接觸軌與浸金屬碳集電靴相關(guān)試驗。結(jié)果表明列車取流情況正常，但浸金屬碳集電靴的磨耗量明顯偏高。在同等走行距離及運營條件下，低碳鋼接觸軌與浸金屬碳集電靴匹配，更換次數(shù)約為鋼鋁復(fù)合軌的2 倍，耗材費用約2 倍。

北京地鐵13 號線既有車輛段第三軌為低碳鋼材質(zhì)，列車平均每日走行公里約378 km，列車出入段次數(shù)按4 次（一進(jìn)一出算2 次）計算，在低碳鋼接觸軌走行距離每日約3.2 km，占全日走行里程的0.8%；且列車在車輛段內(nèi)運行速度低，不會產(chǎn)生高速運行下集電靴與接觸軌沖擊導(dǎo)致的磨耗，可以判斷對集電靴整體磨耗量影響較小。

3.4 車輛與供電系統(tǒng)匹配

面對當(dāng)前地鐵互聯(lián)互通、跨線運行發(fā)展趨勢以及線網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)化配車?yán)砟畹奶岢?，車輛與供電系統(tǒng)的匹配為實現(xiàn)的基礎(chǔ)條件。以北京地鐵13 號線為例已從供電能力、材質(zhì)匹配角度進(jìn)行分析，除供電能力的核實、受電器型式及材質(zhì)匹配外，還有供電制式的匹配。

接觸軌集電靴供電制式線路，供電電壓包括DC750V、DC1500V，2 種供電電壓接觸軌安裝位置不同；接觸軌與集電靴又包括上部接觸與下部接觸2 種方式，安裝方式也不同，故對接觸軌線路間的跨線運行，建議供電制式保持一致。

對于接觸軌與接觸網(wǎng)供電制式之間的跨線運行，可以購置接觸軌、接觸網(wǎng)多種受流方式的車輛，如廣州地鐵4 號線[4]車輛在車輛段內(nèi)以柔性接觸網(wǎng)受電弓方式受電，在隧道內(nèi)、高架線路區(qū)段采用接觸軌下部接觸受流方式。這種轉(zhuǎn)換方式可以推廣至互聯(lián)互通、跨線運行的線路中，實現(xiàn)軌網(wǎng)不同供電制式之間的跨線，需要對軌 -網(wǎng)轉(zhuǎn)換條件、時間、過渡方式進(jìn)一步研究。此外，還可以在接觸網(wǎng)線路軌旁增設(shè)接觸軌，實現(xiàn)接觸軌車輛單方向跨線至接觸網(wǎng)線路。

最后一種被廣泛討論并在重慶市江跳線[5]已經(jīng)實現(xiàn)的互聯(lián)互通方式，即接觸網(wǎng)供電滿足AC25kV 與DC1500V 2 種供電電壓的情況。列車設(shè)置2 種供電電壓的雙流供電制式以適應(yīng)不同線路的供電條件，雙流供電制式列車應(yīng)在保證舒適度的前提下盡可能壓縮車輛落弓高度，適應(yīng)DC1500V 接觸網(wǎng)供電線路隧道斷面，減少工程投資。在設(shè)計過程中還要著重注意交-直流轉(zhuǎn)換段的設(shè)計，協(xié)調(diào)線路、供電、信號多個專業(yè)之間的協(xié)同，完成列車轉(zhuǎn)換過程。

3.5 其他

北京地鐵13 號線擴(kuò)能改造工程車輛還涉及與既有線路信號系統(tǒng)匹配、站臺門系統(tǒng)對位、車輛乘客信息系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、電子動態(tài)地圖的改造等其他車輛關(guān)鍵問題，文章不再一一贅述。

4 總結(jié)

北京地鐵已發(fā)展50 余年，隨著北京地鐵網(wǎng)絡(luò)化規(guī)模不斷擴(kuò)大，線網(wǎng)結(jié)構(gòu)持續(xù)優(yōu)化。由于設(shè)計經(jīng)驗的豐富、技術(shù)的進(jìn)步，暴露出既有線建設(shè)與運營中的許多問題，因此面臨既有線提升改造的迫切需要。既有地鐵線路通常為“單線”的建設(shè)和運營模式，采用互聯(lián)互通、跨線運行的方式，能減少軌網(wǎng)換乘次數(shù)、緩解換乘壓力，降低高峰期大客流的運營風(fēng)險，更好地匹配地鐵系統(tǒng)供給與需求，優(yōu)化資源配置。北京地鐵13 號線擴(kuò)能提升改造工程很好的結(jié)合既有線改造與跨線運行的方案，而得以實現(xiàn)的前提即是提升改造后的車輛能夠滿足要求。文章以北京地鐵13 號線為案例，提出了存在的問題及解決方案，以車輛改造方案為出發(fā)點，由點及面提出了普適化的解決思路，為未來其他既有線的改造提供策略與方法。