广州地铁5号线鱼珠车辆段线路几何曲线能力分析及咽喉区线路优化研究

许珂

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广东 广州 510010）

1 概述

随着城市的日益发展，土地成为最紧缺的资源之一。为较好解决车辆基地占地与城市用地规划发展协调问题，在线路平面设计时，各相邻道岔的布置，应在保障规定的列车运行速度及作业组织安全的要求下，力求排列紧凑，使相邻两道岔之间的距离最短，并根据不同车辆制式车型选用合理的曲线半径，有效缩短车辆基地咽喉区或股道连接的长度，减少地铁车辆在段场内走行距离，达到节省工程用地投资及运营维护费用、提高列车运行安全性的作用。本文在分析广州地铁5 号线鱼珠地铁车辆段相关资料的基础上，从线路运行条件分析、工况模拟计算的角度对线路最小曲线半径以及最短夹直线长度标准及其选用建议进行论述。

2 鱼珠车辆段项目概况

2.1 工程概况

广州地铁5 号线鱼珠车辆段设在黄埔区鱼珠街，位于5 号线鱼珠站和茅岗站之间，黄埔大道以北，中山大道以西的地块内，总平面图如图1所示。鱼珠车辆段占地面积约25.7hm2，于2009年建成投入使用，是广州轨道交通第一个L 型车大架修基地，主要负责广州地铁4 号线、5 号线及6 号线的车辆大架修工作，大架修4 列位。

图1 鱼珠车辆段总平面示意图

车辆段总体运用、检修呈串联式布置。停车列检线按照1 线2 列位尽端布置，共28 股道；六日检线按照1 线2 列位布置，共6 股道；大架修库设于运用库西侧，内含2 条静调线、1 条临修线、4 条大架修线。

2.2 主要线路技术标准

车场线最小曲线半径65m，线路外股不设超高，轨距加宽15mm，其中标准轨距1450mm，纵断面一般设计为平坡。

两相邻曲线间夹直线长度一般情况下为4.508m，困难时不小于3m。

道岔采用50kg/m 钢轨5 号道岔，道岔全长16.269m，其中道岔前端长7.073m（简称A 趾），道岔后端长9.196m（简称B 趾），道岔前后至曲线端部的距离按不小于3m，并满足曲线局部加宽递减率的要求。

3 咽喉区运行条件分析

在曲线布置时，在股道线间距固定不变的情况下，反向S 形曲线两端道岔岔心位置与曲线股道长度息息相关，有时为了加设较长的夹直线段，需要调整两端道岔岔心中交位置，以确保相邻2 股道最小线间距要求，不影响地铁车辆的正常运行，提高运行平稳性。

在两相邻道岔连续铺设时，按列车通过道岔时的行驶方向又可分为逆向过岔和顺向过岔两种情况。当列车运行方向为道岔尖轨至心轨处时，称之为逆向过岔；反之，称之为顺向过岔。由于轮对侧顺向通过转辙器时的爬轨过程是在基本轨上完成的，因此轮对侧逆向通过转辙器时的脱轨风险要明显高于侧顺向通过转辙器。

地铁车辆基地内由于车辆不载客、低速运行，因此不存在旅客舒适度的相关要求，设计阶段往往采用低线路标准。鱼珠车辆段因用地长度短、线路数量多等条件限制，所以咽喉区主要采用复式梯线布置，以使进入各条线路的车辆经过的道岔数相等或者相差不多，解决场地用地条件不足等问题，但也造成线路几何条件复杂，道岔及曲线数量多等情况，即便在选用小尺寸5 号道岔、65m 小半径曲线等技术标准，依旧存在部分诸如连续侧逆向过岔、S 形反向曲线、连续C型曲线等不利于线路车辆行驶的工况，且设计忽略了夹直线长度的重要性，局部线路夹直线长度仅3m，大大降低列车运行平稳性及安全性。

因列车运行入库基本为逆向行驶，后续内容主要针对轮对侧逆向过岔时的线路运行条件进行分析。

4 车辆通过夹直线反向平面曲线时几何曲线能力分析

根据《地铁设计规范》（GB 50157—2013）[1]要求，夹直线是为车辆段在前一个曲线产生的震动衰减后再进入第二个曲线，不致两个曲线的震动叠加，需要的震动衰减时间的距离，由于车辆段内属于低速运行地段，需节省用地面积，夹直线在困难条件下宜取一个转向架长度3m。

同时，在鱼珠车辆段咽喉区线路布局中，地铁车辆行驶时有遇到反向平面曲线的运行工况。当反向平面曲线半径很小、所夹直线长度也较短时，对于定距较长的车辆，需充分校核其通过这类几何曲线的能力，以确保运输安全。

从线路几何关系入手，分析、推导两辆车连挂时，行驶车辆在连续道岔或曲线的运行过程中，在满足线路几何条件情况下，计算验证实际车钩最大偏移角与车钩允许最大偏移角之间的差值，通过适当调整夹直线、曲线半径等因素，对后续车辆段线路优化方案进行指导。

4.1 假设与参数说明

第一，此次复核将两组连续布置的5 号单开道岔近似模拟为两股65m 反向定圆平面曲线，以下简称为“S 形曲线”，道岔间夹直线长为4.10m。

第二，在直线区段，车体中心线与线路中心线重合。在曲线区段，车辆心盘的中心位于线路中心线上。

第三，2 条相邻连挂车辆车钩的中心线位于同一条直线上。

第四，两辆车连挂后，一前一后顺序通过S 形曲线。其中前车（拟采用N0511-GPC 系列轨道平车）用1 代表，后车（拟采用G511 工程车-GCY300 型重型轨道车）用2 代表，两辆车连挂通过S 形曲线时的模拟位置关系[2]如图2所示，参数代号及意义[3]如图3所示。

图2 两辆车连挂通过“S 形曲线”时的模拟位置关系示意图

图3 参数代号及示意

第五，参数表中车钩偏移角α 为此次假设最终计算成果，意为两辆连挂车在通过“S 形曲线”时列车间车钩实际最大偏移角。

4.2 工况模拟及计算成果

4.2.1 车辆参数

其一，G511 车体总长为14.66m、车辆定距为7.2m，采用2 号车钩、ST 型缓冲器。N0511 车辆总长为13.0m、车辆定距为8.6m，采用2 号车钩、ST 型缓冲器。

其二，假定在牵引状态下两辆车的缓冲器均无压缩，此时钩尾框保持不动，车钩连挂面与旋转中心左端接触。由于尾销呈圆形，在钩尾框安装孔的约束下，车钩将绕尾销横截面左边的圆弧中心旋转，2 号车钩转动中心到车钩连接点的距离为0.788m。

4.2.2 计算成果分析

根据以上假设，由于车钩实际最大偏移角计算公式中因包含大量三角函数、指数函数、多元函数的复合运算，需借助计算机求解，难以用手工计算得到结果，因此不再赘述计算过程，车钩理论最大偏移角计算结果见表1。

表1 车钩最大偏移角计算结果

比较表1计算结果，列车连挂行驶通过假设工况“S 形曲线”的过程中，计算结论中车钩实际最大偏移角为26.077o，略大于车钩理论最大摆角25o，运行过程中由于车钩无法达到其实际需求的几何摆角，后车对前车产生较大的横向压力，使得前车后轮与轨道接触时轮缘接触力激增，容易产生车钩断裂甚至列车脱轨等重大风险。

4.3 不同夹直线、曲线条件下的车钩最大摆角分析

为进一步研究不同夹直线、曲线半径情况下两辆列车连挂通过上述“S 形曲线”过程中车钩最大摆角，表2给出了在保持夹直线长度为4.1m 不变的情况下，通过调整曲线半径大小，也可近似类比为通过调整道岔型号以增大曲线半径，来对比研究车钩实际最大偏移角与车钩最大摆角之间的关系[4]。

表2 不同曲线半径下车钩最大偏移角计算结果

从表2中可以看出，随着曲线半径或道岔型号的增大，计算车钩实际最大偏移角α 逐渐减小，当曲线半径取值为100m 时，计算车钩最大偏移角仅为16.86o，显著小于2 号车钩允许最大摆角25o。因该模型未考虑到轨道动力学、轨道几何不平顺、轮轨型面磨耗以及车辆和道岔状态不良等多种因素对车辆通过“S 形曲线”时安全性的不利影响，初步认为当夹直线长4.1m 时，相邻夹直线两侧反向曲线半径宜设置在100m 以上，以此保障连挂车辆通过曲线时具备足够的安全性，同时这对延长轨道寿命也是十分有利的。

与此同时，表3给出在保持曲线半径为65m，也可近似类比为保持道岔型号不变的情况下，通过调整夹直线长度来对比研究车钩实际最大偏移角与摆角之间的关系。

从表3可以看出，在保持曲线半径或道岔型号不变的前提下，随曲线间夹直线长度的增大，计算车钩实际最大偏角在逐渐减小，当夹直线长度大于5m 时，车钩最大偏角可以控制在25o以下。分析认为岔前半径65m 时，增大夹直线长度可在一定程度上增加连挂车辆过弯能力，但提升效应不明显，当曲线半径65m无法调整时，曲线间或道岔间夹直线宜设置在5m 以上，车辆通过S 弯时才具备足够的安全性。

表3 不同夹直线长度下车钩最大偏移角计算结果

结合以上分析，对咽喉区曲线半径或道岔型号进行优化是提高车辆段咽喉区通过能力、提升运营平稳性和安全性的关键因素。增长夹直线对线路优化影响有限，在用地条件受限，无法采用大半径曲线时可考虑适当增长夹直线。

5 运用库咽喉区线路优化方案简述

5.1 线路优化原则

第一，该方案仅考虑线路平面布局相关优化。

第二，按原功能、等规模复建原则，不对出入段线区间做调整，仅对段内咽喉区线路进行优化。

第三，针对既有运营线路的运行条件，解决既有线路设计痛点，提升设计标准。

5.2 优化方案

针对连续侧逆向过岔、S 形反向曲线、连续C 型曲线等不利于线路车辆行驶的工况，提出以下优化建议方案[5]：

第一，取消原道岔L45～L55 渡线，优化运用库1咽喉区线路，将原有L-26～L-41 停车线（合计32 列位）库前咽喉区5 号道岔均调整为7 号道岔，岔后曲线半径均采用150m。

第二，道岔及曲线间夹直线长度按照《地铁设计规范》（GB 50157—2013）第6.2.4 条规定：两组道岔间应设置直线段钢轨连接，车场线钢轨长度一般地段不应小于4.5m，困难地段不应小于3.0m。L-22～L-25周月检线（合计4 列位）库前咽喉区道岔型号及曲线半径不做调整，仍采用5 号道岔、65m 曲线半径，增加两道岔之间夹直线长度，其最小长度由4.1m 增长至6.258m。

第三，为尽量减少线路优化改造期间对运营组织的影响，充分保障运营安全，线路方案以一组单开道岔、两库房线路为改造基本单元，自咽喉区最外侧线路向内分步改造，应选择利用天窗期或客流较少时开展改造工作，缩短优化线路的停运时间。优化后的平布置面图如图4所示。

图4 咽喉区线路优化平布置面图

6 结论

首先，针对鱼珠车辆段现状运营条件进行归纳剖析，建立近似情况下的最不利工况线路模型，复核不同夹直线长度、线路曲线半径条件下的运行通过能力，通过控制变量法，定量修改线路尺寸，计算车钩实际最大偏移角与车钩理论性能参数进行直观对比，从而给出咽喉区线路优化时平面夹直线长度和曲线半径的推荐值。

其次，在建立几何曲线模型时，将车轮、轨道结构、列车车钩均假定为刚性个体，忽略了其柔性变形。除此之外，由于考虑到道岔其本身结构的复杂性及列车运行特点，利用相同半径曲线简单替代道岔结构的假设考虑不全面，与实际工况条件不符，具体计算结论还应进一步结合轨道扣件及轨道动力学仿真计算结构统筹考虑，结论仅供参考使用。

最后，从技术角度详细阐述了在改造空间受限的车辆基地线路设计原则及改造步骤。该案例分析表明：在车辆基地设计期间，应充分考虑线路平面几何关系，预留足够用地条件，以满足线路布置的基本需求，在困难条件下无法采用大半径曲线时可考虑适当增长夹直线长度，并做好风险分析论证及运营组织对策。