道岔限速对站后折返站型折返能力影响分析*

2019-08-21王潇骁

城市轨道交通研究 2019年8期

王潇骁虞翊刘循

(1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，201804，上海；2.同济大学国家磁浮交通工程技术研究中心，201804，上海；3.上海申通地铁集团有限公司技术中心，201103，上海//第一作者，工程师)

1 轨道交通常见道岔

1.1 常见道岔型号与使用环境

道岔是轨道连接的重要设备，在引导车辆由一条轨道顺利进入另一条轨道的同时，还承受并传递车辆运行中产生的各种荷载[1]。国家铁路的正线道岔以12号道岔为主，车场线以9号、7号道岔为主。城市轨道交通的正线道岔基本以9号道岔为主，车场线以7号道岔为主，也有较少正线使用了12号道岔。因用地面积受限等因素，对于是否在车场线使用6号道岔，由设计单位按照具体情况而定。由于城市轨道交通站间距离小、运行时间短，提速的可能性不大，因此仍以9号道岔为主。即使郊区铁路，提速的幅度也不可能太大，最大一般应用至12号道岔已足以满足列车侧向运行需求[2]。例如上海轨道交通2号线广兰路站安装有一组12号道岔。不同辙叉号道岔其侧向允许通过速度不同，采用大号道岔可以提高列车过岔速度。但与此同时也带来了更大的占地空间、更高的造价等问题。因此，道岔号数的选用要因地制宜，要因线而异，不可一概而论。

1.2 常见道岔限速设置

对一组单开道岔来说，侧向过岔速度包括转辙部分、导曲线、辙叉部分和连接曲线的通过速度。从辙叉的强度条件分析，道岔的允许速度大于导曲线的允许速度；岔后的连接曲线半径一般大于道岔导曲线半径，所以道岔的允许速度也大于导曲线允许速度。故控制道岔侧向通过速度的部位主要是转辙器和导曲线[2]。从限速计算方法上说，道岔侧向限速应根据导曲线半径、未被平衡横向加速度进行控制计算[3]，主要的计算结论如表1所示。

表1 道岔侧向限速表

2 站后双折返线站型能力分析

2.1 计算前提

本文以常用站后双折返线站型为例，分析不同道岔限速对站后折返能力的影响，采用的主要计算参数和条件如下[4]：

1) 信号系统制式为移动闭塞系统；

2) 道岔为城市轨道交通正线常用的9号道岔, 道岔的临界限速分别为35 km/h、38 km/h、40 km/h；

3) 全线为平直股道, 土建限速为85 km/h, 站台限速为60 km/h；

4) 含道岔转换的进路办理时间为13 s, 无道岔转换的进路办理时间为2 s；

5) 列车编组为6节A型车, 列车长度为140 m；

6) 基于舒适度控制的列车加速度和常用制动减速度为0.8 m/s2, 保障紧急制动率为0.85 m/s2。

7) 列车运行曲线为等级一，即最高运行效率曲线。

2.2 计算方法

2.2.1 追踪方式

在道岔区域，CBTC(基于通信的列车控制)系统采用计轴设备替代传统的轨道电路。后车移动授权最远可延伸至前车尾部安全防护包络末端，前后两列列车距离间隔根据后车运行速度动态变化[5]。

2.2.2 接车干扰点

接车干扰点是指在前、后列车无扰运行条件下，前车逐步出清站台安全防护区段、后车准备进站作业过程中，后车可以接近站台的极限位置。

2.2.3 站台安全防护区段

站台安全防护区段是指为保证列车安全接车进站，在列车运行方向站台外侧预留的安全区段。只有当站台安全防护区段空闲时，列车具备无扰进站条件。对于站后折返路径，可选的站台接车安全防护区段有直向防护及侧向防护。为简化描述，本文所讨论的站台安全防护区段均为直向防护。

2.2.4 折返瓶颈点分析方法

第一步：确定折返路径及分段走行时间。该步骤将列车整个折返路径以关键设备或者关键位置(干扰点、安全防护区段末端等)为分割点，根据牵引计算结果，得出每段列车的走行时间及走行距离。

第二步：确定折返瓶颈点。通常可将折返过程分为站台接车作业、折返轨作业及站台发车作业3个阶段。列出3个阶段进路开放条件并统计列车间隔时间。

第三步：根据最大瓶颈点确定列车折返对数。比较折返过程3个阶段前后车由于进路开放条件限制形成的时间间隔，确定最大瓶颈时间I(s)，计算出每小时列车折返对数N(对/h)，N为正整数。计算公式为：N折返=3 600 s/I。

2.3 折返轨3的折返能力分析

2.3.1 折返路径概述

使用折返轨3进行折返能力分析，道岔的临界限速为35 km/h，折返路径如图1中带箭头粗线所示。为方便后文描述，将列车由下行站台发车至折返轨3进行换端的折返路径简称为“短进长出”折返路径。具体折返过程为：列车由示例站下行站台接车干扰点运行至示例站下行站台停稳，走行距离为134.40 m，走行时间为20.09 s；示例站台下行停站时间为30.00 s；列车经10号道岔反位至尾部出清AC02计轴，走行距离为264.66 m，走行时间为48.34 s；列车由尾部出清AC02计轴至折返轨3停车点SSPO1停车，走行距离为5.00 m，走行时间为4.24 s；列车换端时间为20.00 s；列车由折返轨3停车点SSP02经2/4号道岔反位，至尾部出清AC08计轴，走行距离为216.59 m，走行时间为40.19 s；列车由尾部出清AC08计轴，经12号道岔反位，至示例站上行站台，走行距离为53.32 m，走行时间为13.53 s；列车在示例站台上行侧停站时间为30.00 s；列车由上行站台发车至出清站台安全防护区段，走行距离为191.13 m，走行时间为22.78 s。

图1 “短进长出”折返路径

2.3.2 折返瓶颈点分析

1) 下行站台接车作业条件：前车出清AC02计轴，13.00 s(道岔动作)后，10号道岔转至定位。此时后车由示例站下行站台接车干扰点运行至站台停车，停站30.00 s后，列车由站台发车至出清AC02计轴。因此下行站台接车作业时间T下行站台=20.09 s+30.00 s+48.34 s+13.00 s=111.43 s。

2) 折返轨作业条件：前车出清AC08计轴,后车办理由示例站下行站台至折返轨3的进路。13.00 s后，10号道岔转至反位，2/4号道岔转至定位。此时后车由示例站下行站台至SSP01停车。停站20.00 s后，列车由SSP02发车至出清AC08计轴。因此折返轨作业时间T折返轨=48.34 s+4.24 s+20.00 s+40.19 s+13.00 s=125.77 s。

3) 上行站台发车作业条件：前车出清示例站上行站台安全防护区段，后车进路办理至示例站上行站台。13.00 s后，2/4号道岔转至反位。后车由SSP02经2/4号道岔反位、12号道岔反位运行至示例站上行站台停车。停站30 s停站后，列车由示例站上行侧站台发车至出清站台安全防护区段。因此上行站台发车作业时间T上行站台=40.19 s+13.53 s+30.00 s+22.78 s+13.00 s=119.5 s。

由上述分析可知：在整个列车折返过程中，折返瓶颈点发生在折返轨作业，最大瓶颈时间I=125.77 s，与此相应的每小时列车折返对数N折返=3 600 s/125.77 s=28对。图2为“短进长出”折返路径折返时序折线图。

图2 “短进长出”折返路径折返时序折线图

2.4 折返轨4的折返能力分析

2.4.1 折返路径概述

使用折返轨4进行折返能力分析，道岔的临界限速为35 km/h，折返路径如图3中带箭头粗线所示。为方便后文描述，将列车由下行站台发车至折返轨4进行换端的折返路径简称为“长进短出”折返路径。具体折返过程为列车由示例站下行站台接车干扰点运行至下行站台停稳，走行距离为134.40 m，走行时间为20.09 s；示例站台下行停站时间为30.00 s；列车由示例站下行站台经10号道岔反位至出清AC04计轴，走行距离为264.92 m，走行时间为48.97 s；列车由出清AC04计轴至折返轨4停车点SSPO3停车，走行距离为5.00 m，走行时间为4.24 s；列车换端时间为20.00 s，期间6/8号道岔转至定位，12号道岔转至反位；列车由折返轨4停车点SSP04经6/8号道岔定位，行驶至出清AC08计轴，走行距离为216.34 m，走行时间为40.11 s；列车由出清AC08计轴，经12号道岔反位运行至示例站上行站台停稳，走行距离为53.32 m，走行时间为13.53 s；列车在示例站台上行侧停站时间为30.00 s；列车由示例站上行站台起动至出清站台安全防护区段，走行距离为191.65 m，走行时间为22.78 s。

图3 “长进短出”折返路径

2.4.2 折返瓶颈点分析

1) 下行站台接车作业条件：前车出清AC04计轴,13.00 s(道岔动作)后，10号道岔转至定位。此时后车由示例站下行站台接车干扰点运行至站台停车。停站30.00 s后，列车由站台发车至出清AC04计轴。因此下行站台接车作业时间T下行站台=20.09 s+30.00 s+48.97 s+13.00 s=112.06 s。

2) 折返轨作业条件：前车出清AC04计轴,后车办理由示例站下行站台至折返轨4的进路。13.00 s后10号道岔转至反位，6/8号道岔转至反位。此时后车由示例站下行站台行驶至SSP03停车。20.00 s(列车换端)后，列车由SSP04发车至出清AC08计轴。因此折返轨作业时间T折返轨=48.97 s+4.24 s+20.00 s+40.11 s+13.00 s=126.32 s。

3) 上行站台发车作业：前车出清示例站上行站台安全防护区段，后车进路办理至示例站上行站台的。13.00 s后，6/8号道岔转至定位。列车由SSP04经6/8号道岔定位、2/4号道岔定位、12号道岔反位运行至示例站上行站台停车。停站30 s后，列车由站台发车至出清站台安全防护区段。因此上行站台发车作业时间T上行站台=40.11 s+13.53 s+30.00 s+22.78 s+13.00 s=119.42 s。

由上述分析可知：在整个折返过程中折返瓶颈点发生在折返轨作业，最大瓶颈时间I=126.32 s，与此相应的每小时列车折返对数N折返=3 600 s/126.32 s=28对。图4为“长进短出”折返路径折返时序折线图。

图4 “长进短出”折返路径折返时序折线图

3 道岔提速后能力对比分析

在现有轨道交通线路设计中，9号道岔的临界限速大多都统一设置为35 km/h。根据表1，当满足曲线半径200 m，且道岔采用弹性可弯尖轨的情况下，对现有9号道岔进行提速，则可缩短列车的过岔时间，进而提升折返能力。表2以站后短进长出折返为例，给出了不同道岔限速条件下站台接车作业、折返轨作业和站台发车作业的间隔时间，以及折返作业瓶颈点和折返能力的比较结果。从比较结果看，在满足相应规范[4]条件下，如果将站后折返的道岔临界速度由35 km/h提升到40 km/h，则可在不增加任何工程改造的情况下，将对应于本文示例的站后折返能力提高7.1%以上，即每小时增加2对列车。