国内外城市轨道交通折返站站线布置形式案例分析∗

江志彬 韦 实(同济大学交通运输工程学院,上海,201804//第一作者,副教授)



国内外城市轨道交通折返站站线布置形式案例分析∗

江志彬 韦 实
(同济大学交通运输工程学院,上海,201804//第一作者,副教授)

摘 要在我国,折返能力已经成为限制城市轨道交通线路通过能力的主要瓶颈,其原因是在车站设计时,对折返站在运营过程的运输调整的灵活性和远期能力的适应性考虑不足。以柏林、巴黎、伦敦、莫斯科和上海等5个城市、共62条线路、100多个终端折返站为研究对象,在分析终端折返站的常见折返站型和特点的基础上,总结归纳出不同城市折返站的选型规律和特点;然后从建设成本、能力适应性、运营灵活性和发展适应性方面对不同折返模式的站线布置形式进行对比分析,并选取了两个在能力适应性和发展适应性上具有参考意义的混合折返站型;最后提出了我国城市轨道交通折返站型选择和配线设计的优化建议。

关键词城市轨道交通;折返站;站型选择;配线设计;折返形式

∗国家自然科学基金项目(61473210);中央高校基本科研业务费专项资金项目(1600219246)

Author′s address College of Transportaion Engineering, Tongji University,201804,Shanghi,China

城市轨道交通线路的通过能力主要由区间追踪能力、车站通过能力以及折返能力等因素决定。在我国,折返能力已经成为限制线路通过能力的主要瓶颈[1-2]。以上海为例,在目前已经开通运营的14条线路中,共有4条线、6座车站的折返能力已经达到饱和。折返能力可以通过改造信号、优化作业流程、压缩作业时间等方式来提高[3-5],但由于受道岔、折返线的数量及布局的影响,其能力提升的幅度非常有限,因此,上海的部分折返车站已经或正在计划进行升级改造,以提升折返能力和运营的灵活性[6]。车站的改造不仅需要投入巨大的成本,还会对线路的日常运营产生严重影响。

虽然车站配线设计优化已经在我国的地铁设计规范中加以规范[7],但目前我国大多数折返站还是主要从如何减少建设成本的角度来设计,对折返线在运营过程中的运输调整的灵活性和远期能力的适应性考虑不足。城市轨道交通折返站配线设计与线路客流特征和线路的开行方案密切相关,在线路设计和运营初期阶段是很难预估未来客流变化的。车站作为城市轨道交通系统的一项关键固定设备,是一项百年大计的工程,其规模与配线方式的选择需要在设计时充分认证评估,需要充分预留发展的空间。

国外一些国家(如德国、英国、法国、俄罗斯等)的城市轨道交通系统发展历史非常长,受客流与运输组织条件的影响,一些线路的车站在发展过程也经历了信号升级和线路改造的过程,但大部分线路的车站仍然保留着100多年前的设计方案。我国城市轨道交通发展历程不长,虽然也积累了不少的运营经验,但很遗憾的是,已经建成车站的配线方案并没有充分吸取发达国家的成功经验,还存在许多有待改进的地方。

本文以柏林、巴黎、伦敦、莫斯科和上海5个城市、共62条线路、100多个终端折返站为研究对象,在分析终端折返站的常见折返站型和特点的基础上,总结归纳出不同城市折返站的选型规律和特点;然后从建设成本、能力适应性、运营灵活性和发展适应性方面对不同折返模式的站型进行对比分析,并选取了两个在能力适应性和发展适应性上具有参考意义的混合折返站型;最后提出了我国城市轨道交通折返站型选择和配线设计的优化建议。

1　城市轨道交通站线布置常用形式

配线的合理设置是保证折返站列车安全运行,提高折返效率和运营组织灵活性的重要保证。折返线的主要功能是组织列车折返,实现列车的循环周转运行。折返线应根据行车组织交路设计确定,起、终点站和中间折返站应设置列车折返线,折返线布置应结合车站站台形式,综合考虑车站地形、工程造价等因素,并应满足列车折返能力要求[7]。

按折返形式不同,可将城市轨道交通线路中折返站的基本站型分为站前、站后、环形和混合折返4种。图1为柏林、巴黎、伦敦、莫斯科和上海这5个城市最为常用的几种折返站布局形式。

图1　折返站站线布置常用形式图示

在图1的折返站布局形式中,主要有站后折返站(图1中的a)、b)、c)、d)、e)、f))、站前折返站(图1中的g)、h)、i))和环形折返站(图1j))3种类型。从图1中可以发现,站后折返与站前折返的形式最为多样,其中最主要的区别在于站台数量和折返线的数量。这几类站型的主要特点为:

(1)站后折返。列车利用站后设置的折返线进行折返,优点是可以将上客、下客以及列车折返作业过程进行分离,客流组织顺畅、作业安全性好。但这类车站需要在车站后另设辅助线,因此通常占地面积大且造价较高。另外列车的折返过程包含一段列车进出折返线的空驶距离。

(2)站前折返。列车经由站前渡线折返,优点是列车折返作业时间比较短且无空驶、车站占地面积小且工程造价低。缺点是列车作业过程中进路交叉干扰大,上下客过程存在客流对冲。因此在客流量大、行车间隔短的条件下,会对行车安全、站台客流组织带来不利影响,并对延误条件下运营调整恢复也不利。

(3)环形折返。在车站后设置类似灯泡状的环形线,列车通过环形线,不用换端作业就可完成折返作业(类似于环线运行模式)。这种折返形式消除了进路交叉,列车折返过程只受前后行列车的追踪影响,折返能力最大。但这种折返方式缺点也比较明显,一是列车经过“灯泡线”折返,对车轮和轮轨一侧的磨损很大,二是线路长度需要大幅度增加,并且需要占用很大的空间。因此,一些线路为了充分利用占地空间,在“灯泡线”上也设置站台,并可进行上下客作业。

(4)混合折返。指同时具备2种或多种折返方式的站型。混合折返可以综合多种折返方式的优点,如站前+站后混合折返、站后+环线混合折返、环线+站前混合折返等。通过增设环线、站前或站后配线,能有效增加平行作业的进路数量、疏解进路冲突,从而能大幅度提高折返能力。但是混合折返一般车站配线设计复杂、车站规模与占地面积大、造价高。

2　各城市采用的折返站站线布置主要形式分析

根据运营需求和建设用地的要求不同,城市轨道交通的折返站布置形式多样,且在不同国家的不同城市常用的形式差异也较大。下面以柏林、巴黎、伦敦、莫斯科和上海为例,对折返站布置的几种主要形式进行了分析,表1为这几个城市的折返站站线布置形式信息汇总。

表1　各城市折返站站线布置形式信息汇总

通过进一步研究发现,各城市采用的的折返站基本站型的比例都有较大的差异,图2为各种站型在各城市中所占的比例。

图2　各城市的各类折返站型所占比例

2.1柏林折返站站线形式分析

柏林首条地铁线于1902年通车。柏林地铁线路设计的最大特点是线路的辅助线非常多。折返站多采用站后设计(占72%左右)。其中站后双折返线、三折返线或四折返线的站线形式分别占22%、39%和11%,如图3所示。部分站后折返站采用混合折返形式,在站后折返的基础上增设站前渡线,大大提高了折返能力与运营调整的灵活性。

图3　柏林站后折返站的比例分布

2.2莫斯科折返站站线形式分析

莫斯科地铁线网为典型的环状加放射线类型。由于历史政治原因,莫斯科地铁的修建考虑了战时的防护要求,大部分线路都建在地下50 m以下。莫斯科城市轨道交通与上海有着不少相似之处,它的站型设计和配线设置比较简单,折返站以站前双到发线和站后双折返线(四存车线)的站线形式为主(分别占23%和59%,如图4所示)。

2.3伦敦折返站站线形式分析

伦敦地铁是世界上最古老的地下铁路。终端折返站大多采用多模式的站前折返方式,比例高达78%。站前折返方式中,站前双到发线、三到发和四到发线的比例分别占39%,22%和17%,如图5所示。由于车站内设置的折返线与道岔较多,一般采用侧式站台或岛式(多站台)设计,列车平行作业进路较多,折返能力也较大。

图4　莫斯科折返站的比例分布

图5　伦敦站前折返站的比例分布

2.4巴黎折返站站线形式分析

巴黎地铁折返站站型最为复杂。与其他城市相比,其主要特点是大量采用环形折返方式,占到47.9%左右,站前折返站的比例非常小,仅占9.5%。同时也比较多地采用站后折返的方式。在一些采用站后折返形式的折返站设计中,会将折返线额外延伸一段作为存车线使用。

2.5上海折返站站线形式分析

与上述几个国外城市相比,上海的轨道交通起步晚。虽然在近年来新建的线路中开始尝试采用多折返线或混合站线形式,但总体上仍采用最简单的站前、站后双折返线(部分车站带四存车线)设计。与其他几个城市相比较,无论从车站规模还是配线数量都存在较大的差距。这些站线形式的折返能力都十分有限,且存车线数量有限,已经成为各条线路能力提升的瓶颈。

3　几种典型折返站站型特点及评价

能力适应性、工程实现难易度、经济性、运营灵活性、发展适应性是评估折返站设计方案的5个关键指标。能力适应性指折返能力在满足基本折返作业的基础上,应对突发客流或故障的适应能力。工程实现难易度指配线设计方案建设的难易程度,比如对地形条件的要求、线路的复杂程度等。经济性指车站的占地、建设和维护成本。运营组织灵活性指配线设计适应不同运营组织方案和运营调整的能力。路网发展适应性指折返站配线满足目前其在线路中的定位和未来线路发展需要的能力。

由上面的分析可以看出,不同城市的站后折返站型选择各有偏重,如柏林的站后四折返线(d),莫斯科和上海的站后双折返线(四存车线)(c),伦敦的站前三到发线(i),巴黎的环形折返线(j),上海最多采用的站前双折返线(h)和站后双折返线(a)。上述的5种站型布置在能力适应性、工程实现难易度、经济性、运营灵活性、发展适应性等方面都有其各自的特点。按优良程度由低到高为差、一般、较优、优对各项指标进行评价,得出上述的几种典型站型的的评价,如表2所示。

表2　几种主要折返站的评价表

由表2可以看出,站后双折返线站的a型虽然在工程难易与经济上达到优以外,在能力适应性、运营灵活性和发展适应性上不佳。站后双折返线(四存车线)的c型较a型多设置了2条存车线,有利于存放备车,在远期发展中也可以延伸作为正线使用,使其运营灵活性和发展适应性都提高了很多,因此在运营灵活性和发展适应性上有很大提升。四折返线站后折返d型相比较c型,增设了两组渡线,虽然车站规模有所增加,但四条折返线均可以用来折返或存车,大大提升了折返的能力和运营的灵活性。站前三到发线折返i型较站前双到发线h型增加了一站台和一到发线,因此平行进路的组合数大幅增加,车站大部分接发列车作业的交叉干扰可以疏解,但仍然存在某些列车接发作业车的冲突,因此在运营灵活性和发展适应性上都不佳。环形折返站型(j)的最突出优点是将列车的接车与发车作业转化为列车追踪过程,因此在能力适应性和运营灵活等方面是最优的,但在经济上没有优势。

4　满足高密度行车要求的混合折返站站线形式分析

为了使各种折返站站线形式的优点能得到充分发挥,很多车站被设计成混合型折返站,如站后+站前、环形+站前、环形+站后等,这些车站除了车站规模与占地面积较大外,在能力适应性、运营灵活性和发展适应性方面具有突出优势。随着我国城市轨道交通客流量的猛增,部分线路行车密度越来越高,混合折返站站线形式在这些线路上使用最为合适。下面选取柏林的Alt-Tegel站(见图6)和巴黎的Porte des Lilas站(见图7)两个典型的混合型车站进行详细分析。

柏林地铁Alt-Tegel站为四到发线+四站后折返线+站前双渡线的混合站型(I+b)。在该站线形式条件下,车站设计了2座站台、4条到发线和4条折返线(带存车功能)。在行车密度不高时,列车可以选择任一到发线进行站前折返(也可交替使用);在行车密度高时,可以选择4条站后折返线进行折返作业;在运营发生紊乱时,可以同时采用站前与站后进行混合折返作业。该站线形式条件下,车站可以存放多列备用车底,且备用车底的取送过程非常方便,对正常运营的列车影响非常小。同时,该站线形式具有很好的路网发展适应性,在接入新线或线路延伸时仅需要将Ⅲ、Ⅳ到发线和1、4折返线作为延伸的正线使用,2、3折返线仍然可以作为折返线使用,延伸后该站可以作为中间折返站使用。

图6　柏林地铁Alt-Tegel站(站后+站前混合站型)的配线图

图7　巴黎地铁的Porte des Lilas站(环形+站后+站前)的配线图

巴黎地铁的Porte des Lilas站为双环形线+站前渡线+站后渡线的混合站型(i+l)。在该站线形式条件下,列车具备站前、站后和环形折返3种折返方式。在行车密度不高时,列车可以利用到发线2进行站前折返作业;较高密度行车条件下,列车可以利用环线1进行站后折返;高密度行车条件下,列车可以利用环线1或2折返;在运营发生紊乱时,可以站前、站后与环形折返混合使用。另外在环线2上,可以根据环线长度设置若干条存车线,可以供多列车同时存放。这类站线形式兼顾各种折返方式在能力适应性和运用灵活性的优点,对于我国的城市轨道交通车站设计具有很高的参考价值。

5　结语

城市轨道交通折返站配线的设计需要综合考虑建设成本、能力适应性、运营灵活性和发展适应性等因素。国外的站后多折返线设计、环形折返线设计以及混合折返站型设计等都值得借鉴学习。我国的城市轨道交通车站设计过多注重建设成本,车站规模与配线方案都过于简单,以至很多线路在较短的运营时间内就面临着折返的能力瓶颈。车站作为一项百年大计的工程,在设计时就需要调整思维模式,应根据线路的地形条件、未来的客流规模、运输组织方案要求以及运营调整要求等因素来综合考虑,尤为重要的是,需要将能力适应性和运营灵活性作为考量的主要因素。

参考文献

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Case Study on Rail Transit Turn-back Station Layout in the World

Jiang Zhibin,Wei Shi

AbstractIn China,the turn-back capacity has became the main bottleneck that confines the line capacity in urban rail transit,today.One of the main reasons is the insufficient consideration of the flexibile operation rescheduling and the adaptability to long-term capacity on the design stage. Based on more than 100 terminal turn-back stations of 62 urban rail transit lines in Berlin,Paris,London,Moscow and Shanghai,the common station layout modes and their characteristics are introduced,the selection rules and characters of different cities are summarized.The turn-back station layout modes are compared from the aspects of construction cost,capacity adaptability,operation flexibility as well as development adaptability,two mixed turn-back station layout cases are selected as examples,their capacity adaptability and development adaptability are analyzed in detail.Finally,an improved recommendation of station layout selection and siding design suitable for urban rail transit in China is put forward.

Key wordsurban rail transit;turn-back station;station type selection;track design;turn-back form

(收稿日期:2015-03-26)

DOI:10.16037/j.1007-869x.2016.02.008

中图分类号U 231.4