北京轨道交通13号线扩能提升工程跨线运营设计与思考

2022-07-20邱丽丽王少楠张春来

城市轨道交通研究 2022年7期

邱丽丽王少楠鞠昕张春来

(1.北京城建设计发展集团股份有限公司， 100037，北京； 2.北京市基础设施投资有限公司， 100101，北京∥第一作者，高级工程师)

近几年，随着北京轨道交通三期建设规划编制、城市副中心及雄安新区的建设，北京市领导、各委办局代表多次赴日本等城市考察轨道交通建设。参照日本东京JR(日本铁路)线、私营铁路线与城区地铁线路之间跨线运营组织模式[1]，对北京轨道交通不同线路之间也逐步开展了跨线运营的研究和尝试，如北京轨道交通1号线与八通线、昌平线与8号线、房山线与9号线、亦庄线与5号线等。本文以北京轨道交通13号线扩能提升工程为例，分析了该线拆分成两条线路(13A、13B)并在两线间实现跨线运营的必要性、制约因素和组织复杂程度，提出了各专业为实现跨线运营需设置的必要技术条件。

1 北京轨道交通13号线跨线运营的提出

1.1 扩能提升工程概况

北京轨道交通13号线(以下简为“13号线”)列车采用6节编组B型车(以下简称“6B”)，该线采用750 V第三轨供电方式，固定闭塞信号系统。

在《北京市城市轨道交通第二期建设规划调整(2019—2022)》中，将13号线从西二旗站—回龙观站区段一分为二，形成两条线路：13A线和13B线，如图1所示。拆分后，13A线从车公庄站至天通苑东站，采用8节编组B型车列车(以下简称“8B”)及少量的6节编组B型车列车(以下简称“6B”)，能满足远期4.8万人次/h的预测客流需求；13B线从马连洼站至东直门站，采用6B列车，能满足远期3.3万人次/h的预测客流需求；两条线路的最高运行速度均为80 km/h。目前，本工程可行性研究报告已经获得北京市发改委的批复，工程正在建设中。

图1 13号线扩能提升改造前后线路走向图[2]Fig.1 Diagram of line direction before and after capacity expanding of Line 13[2]

1.2 跨线运营的必要性分析

1.2.1 客流需求分析

13A线可实现回龙观、天通苑两大居住组团与中关村就业岗位的交通联系，13B线可实现回龙观、天通苑与上地就业岗位的交通联系。两线在新龙泽站具备跨线运营条件。

选取两线新龙泽站东侧区间东向西方向远期高峰小时客流预测数据进行分析。如图2 a)所示，远期13A线回龙观西站至新龙泽站区间高峰小时断面客流量为26 057人次/h。其中：约有75.5%的客流乘坐13A线前往车公庄站方向；约有13.6%的客流换乘至13B线的马连洼方向。如图2 b)所示，远期13B线还建龙泽站至新龙泽站区间高峰小时断面客流量为25 625人次/h。其中：约有64.1%的客流乘坐13B线前往马连洼方向；约有15.3%客流换乘至13A线的车公庄站方向。

a) 13A线

从图2可看出，13A线、13B线两条线路之间有跨线运营的客流需求。

本文分别对13A、13B线两条线路远期的小时进出站量进行分析。

如图3所示，在07：00—08:00内，13A线的小时进出站量占全日进出站量的17.34%，13B线的小时进出站量占全日进出站量的17.95%。进一步对于客流的早高峰时段(7:30—9:30)和晚高峰时段(17:30—19:30)4个小时的合计进出站量进行分析，13A线早晚高峰时段的合计进出站量占全日进出站量的47%，13B线早晚高峰时段的合计进出站量占全日进出站量的49%。

a) 13A线

由图3还可看出，13A线高峰时段与非高峰时段的小时断面客流差异非常大，高峰时段的客流量为非高峰时段的4倍以上。13B线也是如此。由此可以认为，两线均为典型的通勤线路，早晚高峰时段以服务通勤客流为主，在非高峰时段有必要减少上线列车的编组数。

1.2.2 具备车辆段资源共享的条件

13A线新增停车场选址困难、占地规模小，不具备独立设置架修的场地条件。因此，将13号线既有车辆基地架修库内的临修线改建为架修线，并新增临修库，用以满足拆分后两条线路所有列车架修的需求。另外，两线可共享车辆维修及调配资源，具有按一条线路进行运营指挥的天然基础。线路扩能提升后，两线的运营控制中心和备用的运营控制中心，以及车辆段架修管理、维修团队均可以合并设置。

1.2.3 设备更新为跨线运营提供契机

13号线建成至今已运营了17年，结合本次扩能提升同步对供电、通信、信号、FAS(火灾报警系统)、BAS(环境与设备监控系统)、综合监控等系统进行全面更新改造。改造时，两线的设备系统选型在有条件的情况下应选择一致，从而为改造后两线的跨线运营提供了统一的设备标准和统一的管理基础。

1.2.4 线路拆分为跨线运营提供通路

13号线扩能提升工程需废弃西二旗站—回龙观站的既有线区段，13A线的西二旗站至回龙观西站，一直向东至天通苑东站，以及13B线的回龙观站至后厂村站，一直向西至马连洼站均需新建。如图4所示，两线在局部新建段至新龙泽站的区段具备设置双岛四线车站的条件，为两线的跨线运营提供了较好的过轨通路条件。

图4 既有13号线西二旗站—回龙观站拆分改造方案Fig.4 Splitting scheme between Xi′erqi Station and Huilongguan Station of existing Line 13

2 跨线运营方案分析

2.1 两线跨线运营方案

考虑到回龙观、天通苑等大型居住社区的乘客均存在前往中关村及上地工作的出行需求，本文对两线互通方案进行了研究，其中：两线双向互通运营方案如图5 a)所示；两线的单向互通运营方案如图5 b)所示，单向互通是指进城方向仅可由13B线进入13A线，出城方向仅可由13A线进入13B线。

a) 双向互通运营方案

2.1.1 互通运营能力计算分析

受新龙泽站两端线路条件限制，联络线与正线无法实现立交接轨，只能采用交叉渡线方案。如图6 a)所示，设tt为道岔转换时间；设t司机为司机反应时间，tB2,出清H为B2车从站台1起动并运行出清岔区H所需的时间；t1为B2列车进入13A线占用道岔区的总时间，则有t1=t司机+tB2,出清H。另设tA2，出清C为A2车从站台1起动并运行出清岔区C所需的时间；t2为A2列车进入13B线占用道岔区的总时间，则有t2=t司机+tA2,出清C。

a) 双向互通运营方案

按照北京轨道交通的司机操作时间和设备运行时间，取t司机=4.0 s，tt=15.0 s，tB2,出清H=41.2 s，tA2,出清C=45.7 s。由此可计算出t1=45.2 s，t2=49.7 s。考虑预留运行裕量25 s，则新龙泽站的最小发车间隔为149.9 s。由此，当两线采用双向互通运营方案时，该站的平均行车间隔取150 s，则该站的最大发车能力仅为24对/h。

如图6 b)所示，设tA1,出清H为A1车从站台1起动并运行出清岔区H所需的时间；t1为A2列车进入占用道岔区的总时间(不跨线)，则有t1=t司机+tA1,出清H；另设tB2，出清H为B2车从站台1起动并运行出清岔区H所需的时间；t2为B2列车进入13A线占用道岔区的总时间，则有t2=t司机+tB2,出清H。取t司机=4 s，tA1,出清H=30 s，tt=15 s，tB2，出清H=41.2 s。由此可计算出t1=34 s，t2=45.2 s。考虑预留运行裕量10 s(单向插车余量可适度减小)，则新龙泽站的最小发车间隔为119.2 s。由此可知，当两线采用单向互通运营方案时，可实现13A线局部区段30对/h的系统发车能力。

a) 13A线

2.1.2 互通运营存在问题

通过上述能力计算可知，线路拆分后，两线若采用双向互通运营方案，其线路通过能力将有所降低；若采用单向互通运营方案，线路通过能力虽可达30对/h，但需要采取精细化运营措施，这对管理水平提出了更高的要求；两线均设定本线列车与跨线列车的开行比例为5∶1，跨线列车的运行间隔较长，随之乘客需在站台等候较长的时间。此外，本线列车存在站台等候时间长、乘客投诉多、运营管理人员增加等一系列问题。

2.2 跨线运营方案的确定

本文借鉴了广州地铁14号线主线、14号线支线及21号线三线互联互通[3]运营的实践经验。针对站台等候时间长、乘客投诉较多和运营管理人员增加等问题，广州地铁经历了从运营初期三线互联互通至目前各线独立运营的过程。因此，北京轨道交通13号线扩能提升工程在设计阶段，对两线的互通运营仅预留了线路互通条件。

根据客流特征和既有车辆的情况，考虑到13A线沿线为建成区，客流基本稳定，为减少8B列车的购置规模、节省投资，13A线推荐新购8B列车，采购少量的6B列车；13B线推荐使用既有6B列车。在客流高峰时段，两线独立运营，其运营方案如图7所示。该方案可满足两线的运力需求。

在客流非高峰时段，线路的客流量减小，13A线8B列车收车回库，只保留6B列车在线上运行；13B线部分6B列车在新龙泽站清客后运行至13A线，实现13A线在客流的非高峰时段采用6B列车运营，如图8所示。据预测，在非高峰时段采用该运营方案，每年可节约走行公里数约182万车km，降低了运营成本。

图8 13A、13B线客流非高峰时段运营组织方案Fig.8 Operation organization scheme of Line 13A and 13B during off peak hours

2.3 跨线运营的优势

跨线运营的优势主要是可实现资源共享，降低工程投资，提高运营灵活性。

2.3.1 车辆共享

车辆互为备用，可降低运营初期的购车成本，提高车辆调配的灵活性。13号线扩能提升后，原13号线既有的56列6B列车归13B线使用。而按照初期运营计划，13B线的列车配属数富余3列，可作为13A线的备用列车。采用此共享方案，相对于13A线新采购3列6B列车，可降低投资约1亿元。

2.3.2 车辆段资源共享

车辆段检修设备资源及运营维护人员共享，可降低车场占地规模，提高设备利用率和运维人员的劳动效率。若13A线仅新增停车场，13B线利用既有13号线的车辆段，并对既有车辆段进行局部改建，可满足两线车辆的架修需求。与13A线新增车辆段满足自身架修需求相比，车辆段资源共享后停车场占地面积可节省约8万m2。

2.3.3 运营控制中心资源共享

跨线运营的两条或多条线路共用运营控制中心，各设备系统可共用中心级设备(含备用中心、网管、培训、维护管理系统等)。调度人员共用一套调度指挥系统，有利于调度人员对跨线运营线路的调度控制、运营管理及维护，实现调度运营管理集约化，降低投资。13号线扩能提升后，13A线、13B线共用运营控制中心，相对于两线完全独立设置各自的运营控制中心，约可节省投资1.55亿元。

3 跨线运营的设计要点

3.1 跨线运营的基础条件

3.1.1 设置联络线是跨线运营的通路条件

跨线运营的两条线路间应设有联络线，实现两线跨线过轨条件。13号线扩能提升后新建的新龙泽站站型设计为双岛四线，两线之间设置交叉渡线，具备双向互联互通的条件，如图9所示。

图9 新建新龙泽站配线图Fig.9 Diagram of new Xinlongze Station auxiliary lines

3.1.2 车辆限界、轨道、供电制式一致

两线的限界、轨道、供电制式一致，是跨线运营的必要条件。车辆、轨道、供电应采用统一标准，使得列车运行的土建、设备限界一致，车辆集电靴和供电三轨衔接一致，以保证不同线路之间顺利跨线和节约投资。

3.1.3 信号系统相同或兼容

要实现跨线运营，满足列车高效、安全的运行，信号系统应首选采用统一标准，但也可采取互联互通方案或双套车载方案。互联互通方案需要跨线线路的不同信号厂家统一车载设备，开放接口协议，且传输等系统实现相互兼容。13号线扩能提升工程的信号系统恰好结合既有线信号系统更新的契机，两线有条件形成统一的技术标准。

3.2 车辆是跨线运营的关键因素

车辆是城市轨道交通系统的核心设备。跨线运营应处理好两线车辆车型不同时与线路、供电、站台门等的匹配问题。

1) 车辆性能应与线路条件相匹配。既有13号线在建设时，车辆按照最大纵坡24‰进行采购。线路扩能提升完成后，13A线的最大线路纵坡达到34‰，因此，利用既有6B列车实现跨线、在13A线上运行时，需要核实既有6B列车在34‰纵坡下的牵引、制动及救援的工况是否可以满足列车运行的要求。经核实，既有6B列车在大于29‰的纵坡上救援8B列车时，列车的牵引能力不能满足救援要求。建议借鉴东京地铁的案例，若故障列车前后均为6B列车时，可采用故障列车前后两列6B车一推一拉的救援方案。由此在后续的设计中，应由车辆及信号两个专业共同解决前后2列6B列车同步起动的问题。

2) 车辆性能应与供电能力相匹配。13号既有线采用750 V三轨供电，若在不中断运营的情况下，对13A线实施1 500 V供电改建，工程实施风险及后期运营风险均较高。此外，为实现两线的跨线运营，拆分后两线均采用与既有13号线相同的750 V三轨供电制式，而8B列车采用DC 750 V等级供电极其罕见。为此，拆分后的13A线通过在牵引变电所内增加了第三套整流机组，以提高故障情况下双边供电的可靠性，如图10所示。同时，新购的8B列车采用0.83 m/s2的起动加速度，在相邻牵引变电房所解列退出时，在大双边供电方式下线路最大运力由30对/h降为20对/h，以解决8B列车采用750 V牵引供电制式引起的电流大的问题。

图10 新增第三套整流机组的牵引变电所主接线图Fig.10 Main wiring diagram of traction substation of the new rectifier unit 3

3) 列车车门应与站台门对位一致。既有13号线6B列车的车门为非等间距，头车的车门间距与中间车的车门间距不同，二者的差值为900 mm。为规避既有6B列车跨线运行至13A线产生站台门与车门错位900 mm的问题，推荐6B列车和8B列车均采用站中对齐的方式，且新购8B列车的第2节车和第7节车与6B列车的头尾车在车门间距尺寸上保持一致，如图11所示，以消除8B列车与6B列车门中心间距差值所产生的车门与站台门对位问题。

4 结语

不同线路之间具备互联互通条件后反复交叉跨线运营，虽可提高乘客的直达性，但也可能发生乘客因识别列车目的地而在站台上滞留、等候时间增加的情况；此外，反复交叉多次跨线运营的列车运行图铺画比较困难，且会加大线路调度及车站运营管理的难度。

北京轨道交通13号线扩能提升后，13A线、13B线跨线运营的优势体现在利用既有的6B列车实现两线在客流非高峰时段的6B化运营，仅在客流的高峰时段和非高峰时段的过渡期间存在列车跨线过轨，降低了列车的走行公里数，减小了运营成本；同时，13A线、13B线的建设标准统一，可充分共享资源，其建设及运营成本较低。结合既有13号线的扩能提升工程进行线路的跨线运营，在设备改造上降低了建设成本，建成后的运营成本也较低。

对于其它已建成运营的不同线路，如要在线路之间要实现跨线运营，应结合线路的实际情况，因地制宜分析其跨线运营的必要性、跨线改建的时机，从既有工程改建难度、工程投资等角度进行综合分析，谨慎决策，并选择合理的改造方案。