地铁线路扩能提升工程中的车辆关键技术研究

王 璐，施炳娴，赵川宇

（1.北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037；2.北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100068）

1 引言

截至2022 年底，北京市、上海市已形成超大地铁线网规模，广州市、深圳市等5 座城市的地铁运营线路长度也已超过500 km[1]。随着地铁不断发展与创新，已建成的线路在运营过程中逐渐暴露出一些问题。以北京市为例，自20 世纪60 年代建成第一条地铁线路，已经超过50 多年发展，城市规划不断优化，各线路建设时期和建设标准不同，地铁线路在线网中功能定位随之进行调整，面对不断增长的客流压力和更高的服务水平要求，部分线路已难以适应现在地铁发展态势。地铁客流量初、近期与远期预测和实际客流相差较大，为解决暴露出的问题，并顺应时代趋势践行地铁线网互联互通、跨线运行理念，北京市持续进行既有线的更新改造工程，并开展互联互通专题研究。

2 扩能改造中车辆问题

北京地铁在50 多年建设与运营中，逐渐暴露出车辆存在的问题，由于车辆生产年代较早，北京地铁1号、13 号线车体结构强度与现行标准不一致，随着列车运力提升、运营间隔缩短，列车运行工况也恶劣于早期。北京地铁10 号线客流量大，早高峰部分车站需进行限流措施，车辆载客能力不满足高峰期客流需求，因此采取拆除部分列车座椅的解决方案。

车辆扩能改造方案需结合线路实际需求、既有线条件、供电能力、信号系统等统筹分析。针对北京地铁13 号线扩能改造工程采取对既有线进行拆分方式，形成13A、13B 2 条线，在新龙泽站设置跨线运行条件[2]。首先以提升运输能力为核心，实现新购、既有列车混跑、跨线运行、互联互通；其次是工程实施难度大，新建线路存在34‰大坡度，线路条件相对苛刻；最后既有线供电能力不足，限制了列车牵引能力。北京地铁13 号线扩能改造涉及的车辆改造方案覆盖全面，且结合当今地铁互联互通、跨线运营等发展趋势，文章以北京地铁13 号线车辆扩能改造为基点，并由点到面，辐射到车辆扩能改造中需要注意的问题，为其他线路车辆扩能改造方案提供解决措施。

3 车辆关键技术解决措施

3.1 列车连挂与救援能力

3.1.1 问题梳理

（1）牵引救援能力不足。北京地铁13 号线13A 线正线最大坡度34‰，新购的8B 型、6B 型编组列车与既有6B 型列车混跑。如果发生车辆需要救援的情况，既有列车为3 动3 拖编组型式，列车牵引能力不足，不满足救援要求，救援工况如表1 所示。

表1 北京地铁13 号线救援工况

（2）车钩强度不足。北京地铁13 号线既有列车车钩连挂采用为CG-5 连挂系统，列车车钩压缩最大阻抗力为250 kN，拉伸最大阻抗力为150 kN。现行规范中要求B型车压缩屈服强度为800 kN，拉伸屈服强度640 kN。既有车辆强度远低于现行规范中的要求，依据列车坡道救援不同工况的纵向动力学仿真结果，各种救援工况下，车钩需要承受的断面最大拉力均大于北京地铁13 号线既有列车的能力，即既有列车参与救援时，均不满足救援要求。

3.1.2 解决方案

结合北京地铁13 号线运营方案列车无法实施救援的工况仅在在高平峰转换段发生，发生概率极小，如既有6B 型列车救援8B 型列车概率极小，仅为0.028%。概率计算包括以下几方面：①列车故障概率参考既有列车救援发生次数，约为1.8%；②牵引救援能力不足，根据牵引仿真计算在19‰以上坡道既有6B 型列车牵引救援8B 型能力不满足，线路条件中超过19‰的坡长占全线长度比例为17.13%；③根据全日行车计划，列出不同时段在线列车数量，计算8B 型列车对既有6B 型列车无法实施救援的概率为9.1%。因此在发生概率极小的前提下，应尽可能避免既有车辆参与救援，可以从运营组织调配与既有车钩能力匹配2 个方向实施。

（1）运营组织调配措施。针对表1 中工况3、工况 6，可将线路对向8B 型或6B 型列车清客后，通过车站渡线转线运行至故障点实施救援，列车组织救援示意如图1 所示。对13A 线全线渡线的设置情况梳理，最长配线间距为大钟寺渡线 — 上地区间约7 km，考虑清客、救援操作流程等，可将救援时间控制在30 min 内。

图1 上行方向利用对向8B 列车组织救援示意图

（2）既有车钩能力匹配。无法实施救援的薄弱点为既有列车车钩、车体强度，以此为输入条件模拟列车救援工况可实施的救援动作。模拟计算对最不利的救援工况下车钩力变化情况分析，结果显示对于表1 中工况7、工况8、工况9，将救援列车启动加速度限制为0.1 m/s2，推送救援新购6B 型编组的超员载荷故障列车，各断面最大车钩力均为拉钩力，最大力小于车体的抗拉屈服极限，满足救援要求。

3.1.3 连挂与救援思考

北京地铁13 号线针对既有线扩能改造中连挂救援能力不足的问题提出解决方案，由此衍生出对列车救援方面的一些思考：①地铁既有线扩能改造项目中，面临线路条件变化、车辆性能不匹配等可能存在的问题，以及对地铁列车在故障情况下的救援工况，亟需提出解决方案；②在新建地铁线路中，互联互通、大小编组混行的线路必然是发展趋势，互联互通线路间车辆救援、小编组救援大编组列车成为不可避免且需要面临的问题，因此提出列车救援解决方案的几个方向供借鉴。

（1）核实既有列车参与救援工况中，不同年代制造的列车车钩、车体条件。车钩安装高度、车钩型式应满足连挂要求；车钩、车体强度应满足救援工况下的最大车钩力，否则应尽量避免年代较早的列车作为救援车参与救援。

（2）利用对向满足救援要求的列车、通过前方车站的渡线实现列车转线，将故障列车牵拉出区间的救援方式，故在配线设计过程中应考虑列车转线救援需求，减小配线间距，缩短救援时间。

（3）既有制造年代较早的列车不可避免发生故障后，应以既有列车的车钩、车体强度能力为输入，救援时司机限制起动加速度，通过缓慢操作、避免紧急制动等方式实施救援，使连挂救援后产生的断面最大力在既有列车车钩、车体的实际强度可承载范围内。

3.2 列车供电需求与供电能力

3.2.1 问题梳理

北京地铁13 号线采用DC750V 接触轨上部接触的供电制式，扩能改造工程采用新购的8B 型列车，因此具有牵引网电压等级低、电流大、车辆牵引负荷大、行车间隔小的特点，DC750V 牵引制式的供电能力与8 辆编组车辆供电需求之间的矛盾突出。即使不考虑建设规模与投资，通过增加牵引所数量实现大双边情况下供电，线路短路、电流过大与没有满足要求的直流开关设备之间也存在矛盾。

3.2.2 解决方案

随着地铁车辆技术更新迭代，相关技术已实现质的飞跃，相应的设计标准也随之更新，北京地铁13 号线新购车辆采用了更高的动拖比提升运能，考虑供电设计能力不足，新购车辆设置了2 种牵引模式：①充分发挥车辆牵引能力，启动加速度达1.0 m/s2；②限制车辆牵引启动加速度至0.83 m/s2，实现列车启动时降低网侧电流的目的。供电系统也应提升供电能力，寻求供电能力与建设投资的平衡点，北京地铁13 号线采用3 套机组的方案，在常规变电所主接线方案基础上，增加第3 套整流机组[3]，并设置单独的直流开关柜和10 kV 进线开关柜，该方案仅用在中间一座牵引所解列退出相邻所大双边供电时不满足2 min 发车间隔的运行。采用3 机组方案可将导致牵引变电所解列故障工况的概率降低为3%，而3%的极端故障工况在北京地铁实际运营过程中从未发生过。

3.3 列车受流器集电靴与接触轨材质

3.3.1 问题梳理

接触轨材质包括钢铝复合轨和低碳钢，现阶段应用趋势为钢铝复合轨，与之匹配的列车受流器集电靴材质为浸金属碳，有少量线路或区段也存在受流器集电靴材质采用铜滑块的方式。北京地铁13 号线接触轨材质采用低碳钢，与之匹配的集电靴材质为铜滑块。北京地铁13 号线扩能提升工程中将正线接触轨材质全部更换为钢铝复合轨，但基于投资等因素综合考虑，既有回龙观车辆段的接触轨材质未更换。北京地铁13 号线新购车辆集电靴材质为浸金属碳可与正线钢铝复合轨材质匹配，并将既有列车集电靴材质改为浸金属碳。则列车在回龙观车辆段运行时存在低碳钢的接触轨材质与浸金属碳的集电靴材质不匹配问题，其取流、磨耗相关的运营数据相对较少。

3.3.2 问题分析

经过调研北京地铁2 号线，开展低碳钢接触轨与浸金属碳集电靴相关试验。结果表明列车取流情况正常，但浸金属碳集电靴的磨耗量明显偏高。在同等走行距离及运营条件下，低碳钢接触轨与浸金属碳集电靴匹配，更换次数约为钢铝复合轨的2 倍，耗材费用约2 倍。

北京地铁13 号线既有车辆段第三轨为低碳钢材质，列车平均每日走行公里约378 km，列车出入段次数按4 次（一进一出算2 次）计算，在低碳钢接触轨走行距离每日约3.2 km，占全日走行里程的0.8%；且列车在车辆段内运行速度低，不会产生高速运行下集电靴与接触轨冲击导致的磨耗，可以判断对集电靴整体磨耗量影响较小。

3.4 车辆与供电系统匹配

面对当前地铁互联互通、跨线运行发展趋势以及线网网络化配车理念的提出，车辆与供电系统的匹配为实现的基础条件。以北京地铁13 号线为例已从供电能力、材质匹配角度进行分析，除供电能力的核实、受电器型式及材质匹配外，还有供电制式的匹配。

接触轨集电靴供电制式线路，供电电压包括DC750V、DC1500V，2 种供电电压接触轨安装位置不同；接触轨与集电靴又包括上部接触与下部接触2 种方式，安装方式也不同，故对接触轨线路间的跨线运行，建议供电制式保持一致。

对于接触轨与接触网供电制式之间的跨线运行，可以购置接触轨、接触网多种受流方式的车辆，如广州地铁4 号线[4]车辆在车辆段内以柔性接触网受电弓方式受电，在隧道内、高架线路区段采用接触轨下部接触受流方式。这种转换方式可以推广至互联互通、跨线运行的线路中，实现轨网不同供电制式之间的跨线，需要对轨 -网转换条件、时间、过渡方式进一步研究。此外，还可以在接触网线路轨旁增设接触轨，实现接触轨车辆单方向跨线至接触网线路。

最后一种被广泛讨论并在重庆市江跳线[5]已经实现的互联互通方式，即接触网供电满足AC25kV 与DC1500V 2 种供电电压的情况。列车设置2 种供电电压的双流供电制式以适应不同线路的供电条件，双流供电制式列车应在保证舒适度的前提下尽可能压缩车辆落弓高度，适应DC1500V 接触网供电线路隧道断面，减少工程投资。在设计过程中还要着重注意交-直流转换段的设计，协调线路、供电、信号多个专业之间的协同，完成列车转换过程。

3.5 其他

北京地铁13 号线扩能改造工程车辆还涉及与既有线路信号系统匹配、站台门系统对位、车辆乘客信息系统、广播系统、电子动态地图的改造等其他车辆关键问题，文章不再一一赘述。

4 总结

北京地铁已发展50 余年，随着北京地铁网络化规模不断扩大，线网结构持续优化。由于设计经验的丰富、技术的进步，暴露出既有线建设与运营中的许多问题，因此面临既有线提升改造的迫切需要。既有地铁线路通常为“单线”的建设和运营模式，采用互联互通、跨线运行的方式，能减少轨网换乘次数、缓解换乘压力，降低高峰期大客流的运营风险，更好地匹配地铁系统供给与需求，优化资源配置。北京地铁13 号线扩能提升改造工程很好的结合既有线改造与跨线运行的方案，而得以实现的前提即是提升改造后的车辆能够满足要求。文章以北京地铁13 号线为案例，提出了存在的问题及解决方案，以车辆改造方案为出发点，由点及面提出了普适化的解决思路，为未来其他既有线的改造提供策略与方法。