高速铁路动车运用所总平面布置方式研究

张正舟 欧阳鹏

(中国国家铁路集团有限公司工程设计鉴定中心,北京 100844)

引言

动车运用所(以下简称动车所)作为高速铁路的重要配套设施[1],是动车组停放、整备、一二级修和临修作业的重要场所,是保证动车组安全、正点、高效运营的关键[2]。动车运用所总平面布置不仅关系到功能合理实现、建设投资,也关系到运营成本等[4-6]。国内已有许多学者进行研究,于永兴对郑州东动车所总图进行优化研究,认为应在保证工艺流程顺畅的前提下,尽可能压缩占地面积,减少拆迁[7];朱丽蓉等对南宁动车所进行研究,优化总平面布局,完善工艺设计,确保动车所安全、高效[8];骆燕等对成都动车段总平面进行研究,通过对线路、房屋、道路以及检修设施等布置的研究,提出一种经济合理的总平面布置方案[10]。截至2022年底,全国已建成超过70个动车所,故现阶段有必要总结动车所设计经验,系统研究总平面布置方式,为今后的动车所布置优化提供借鉴。

以下深入研究动车运用所总平面布置方式,确立以作业流程顺畅为目标、以存车场和检查库布置形式为主线的设计方法,按照总平面布置要点逐项分析确定并通过实例具体展现优选的布置形式。

1 总平面布置基本原则

动车所总平面布置的目的为系统地确定动车所所有设施的空间位置,应按设计规模,以合理代价(建设投资、运营成本、其他负担和影响等)实现作业流程、人流和物流顺畅。

一般而言,所谓作业流程顺畅,指的是前后工位顺接,其间无转折迂回,工位以及工位之间无堵塞。在动车所内,动车组受到车场线路、动车组体量、运行速度、行车控制等诸多因素影响,移动难度较大。因此,实现动车组移位顺畅,成为动车所总平面布置的关键。动车组移位方式,按前后工位串联和并列,分为纵列式和横列式(或称并列式)。其中,横列式转线作业时间和占用咽喉次数是纵列式的3倍和2倍,故动车组移位首选纵列式。

总之,实现动车所作业流程、人流和物流顺畅是总平面布置的主要目标,动车组在前、后工位之间转线顺畅是其关键。在转线次数最多的存车场与检查库(或整备库),首选纵列式布置,次选横列式。

2 总平面布置要点分析

动车所主要设施包括：存车场、检查库、轮对踏面及受电弓检测棚(以下简称“轮对检测棚”)、洗车、临修及镟轮设施、独立布置的辅助设施及相关专业设施等。其中,独立设置的辅助设施包括空压机间、滤网清洗间、材料库(含危废品库、大部件库等)和乘务员公寓等,相关专业设施包括给排水、污水处理及供电设施、信号楼、食堂和浴室等。

存车场和检查库(或整备库)是动车所体量较大的主要设施,两者定位之后,其他设施在其周围按作业流程、人流和物流需要布置[11-12]。

2.1 存车场与检查库(或整备库)布置形式

存车场与检查库(或整备库)一般按纵列式布置,纵列式布置不可行时可按横列式布置,不入检查库的动车组可停放于不直接连通检查库的存车线。

(1)纵列式布置

入库检查的动车组所在的存车场与检查库(或整备库)前后首尾相连,一般通过一个咽喉连通,用地长度不足时,可通过多个咽喉连通。

按与检查库(或整备库)纵列布置的存车场数量和出入所线连接形式,纵列式布置通常有以下6种形式。

①常规纵列式

出入所线↔存车场↔检查库(整备线)布置见图1。这是纵列式布置最常见的形式。存车场与检查库之间的咽喉,一般收拢成2～4条平行进路,需要压缩咽喉长度时可分开成多个咽喉,每个咽喉设1～2个进路。检查库侧边可并列布置少量人工洗车线,兼顾上水、卸污、存车或调车转线等功能,严寒地区可并列布置融冰除雪整备库。

图1 常规纵列式布置Fig.1 Schematic diagram of conventional vertical arrangement

②两存车场纵列式(简称两场式)

出入所线↔存车场Ⅰ↔存车场Ⅱ↔检查库布置见图2。存车场Ⅱ与检查库之间一般通过多个咽喉连通,每条检查库线连通2～4条存车线,存车场Ⅱ宜包含上水卸污的整备兼存车线。这样,动车组较快地出入检查库,但检查库也随之加宽,存车场Ⅱ中需要增加走行线,以保证动车组能够随时出入检查库,为此,每2条检查库线均连通1条走行线以提高存车能力。

图2 两存车场纵列式Fig.2 Schematic diagram of two venue layout

③整备库和检查库两库纵列式(简称两库式)

布置为出入所线↔存车场↔整备库↔检查库。该形式与两场式类同,以整备库替代存车场Ⅱ,适用于地形狭长且有融冰除雪整备库的情形。

④两端出入式(简称两端式)

出入所线Ⅰ↔存车场Ⅰ↔检查库(整备线)↔存车场Ⅱ↔出入所线Ⅱ布置见图3。检查库(整备线)可并列走行线。该形式适用于两端有出入所线的动车所。

图3 整备库和检查库两库纵列式Fig.3 Schematic diagram of two end layout

⑤倒装式

并列的出入所线和检查库↔存车场布置见图4。倒装式比常规纵列式少一个存车场咽喉区,道岔和用地相应减少,但出入所的动车组与出入检查库的共用一个咽喉、出入所高峰时段相互干扰明显。倒装式适用于规模较小、地形较短的动车所。

图4 倒装式布置Fig.4 Schematic diagram of inverted layout

⑥组合纵列式

对以上5种形式进行组合,如倒装式与两端式组合,并列的出入所线Ⅰ和检查库↔存车场↔出入所线Ⅱ,适用于两端有出入所线的动车所;两场式与两端式组合,出入所线Ⅱ分别与存车场Ⅱ或检查库并列;两库式与两端式组合,出入所线Ⅱ与整备库并列。

(2)横列式布置

存车场与检查库(或整备库)并列布置,比常规纵列式占地短(少1个存车场咽喉区),道岔和用地也相应减少,但动车组在存车场与检查库之间转线不顺畅,出入所的动车组与出入检查库的共用1个咽喉,出入所高峰时段相互干扰明显。因此,横列式仅适用于规模较小、地形短、纵列式不可行的场合。

按并列存车场和检查库一端或两端连接不同的设施,横列式通常有以下5种形式。

①简单横列式

出入所线(牵出线)↔并列的存车场和检查库布置见图5。如果出入所线不能兼作牵出线时,需单独设置牵出线。

图5 简单横列式布置Fig.5 Schematic diagram of Simple horizontal layout

②贯通横列式

出入所线(牵出线)↔并列的存车场和检查库↔牵出线(出入所线)布置见图6。其中,检查库、所有或部分存车线尾部贯通。首尾牵出线分担转线作业,以缓解出入所高峰时段咽喉紧张;完成检修作业的动车组出库后通过尾部牵出线转线、待修的动车组从头部牵出线入库,与简单横列式相比,可压缩动车组出入库的过渡时间,相应缩短检查库线空闲时间1 h/班。可在一定程度上弥补横列式的不足。

图6 贯通横列式布置Fig.6 Schematic diagram of continuous horizontal arrangement

③主体横列式

多用于并列的出入所线和少数存车线↔并列的多数存车线和检查库。部分动车组实现了纵列式布置的转线顺畅,有利于弥补横列式不足。

④库前存车横列式

多用于出入所线(牵出线)↔并列的多数存车线和纵列的少数存车线与检查库。检查库前布置存车线,每条检查库线与2条或以上存车线连通(如龙塘和海口动车所)。作业完成的动车组出库停放于走行兼存车线,待修的动车组随之从库前存车线进入检查库,这样也可压缩动车组出入库的过渡时间。

⑤组合横列式

以上有些形式可以组合,包括库前存车的主体横列式(如北京北动车所)、库前存车的贯通横列式和主体贯通横列式。

(3) 存车场与检查库不直接连通

存车线一般按一个车场集中布置,地形条件局限时可按多场布置。其中不入库检查的动车组可停放于与检查库不直接连通的存车线。

2.2 洗车设施布置

洗车设施布置经历十余年探索,从洗车库内不挂网+牵车装置+自动端洗,过渡到挡水墙+洗车线挂网+取消自动端洗,按通过式布置在存车场与检查库之间,洗车设施布置所需的直线段线路长度约110 m。据此,洗车设施可按存车场与检查库布置形式相应布置如下。

(1)对于常规纵列和两端式动车所,洗车设施一般布置在存车场与检查库之间的咽喉区、交叉渡线的延长线上(包括水平和斜向)。一般条件下,斜向布置可缩短咽喉长度。用地长度不足、存车场与检查库通过多个咽喉连通时,洗车设施仍可布置在存车场与检查库之间,但数量需相应增多,以保证每列入库的动车组均可经过洗车设施。

(2)对于两场式动车所,洗车设施一般布置在存车场Ⅰ与存车场Ⅱ之间的咽喉区。

(3)对于两库式动车所,洗车设施一般与整备库并列布置,也可置于存车场与整备库之间的咽喉区,但用地随之加长。

(4)对于倒装式动车所,洗车设施一般布置在存车场与检查库之间的咽喉区,必要时可与检查库并列布置。

(5)对于横列式动车所,洗车设施一般布置在出入所线与检查库之间的咽喉区,必要时洗车线可与出入所线并列布置并兼作牵出线。

概括而言,就是洗车设施主要服务于入库检查(或整备)的动车组,洗车作业在入所或入库时同时进行。

2.3 临修及镟轮设施布置

临修及镟轮设施布置也经历十余年的发展,从与存车场并列变成利用边角地布置,目前趋向于布置在存车场与检查库之间咽喉的一侧。与存车线并列布置的临修线和镟轮线,比常规存车线长约400 m,2线临修及镟轮库与6～7条存车线的占地宽度相当,为此,存车场长度和宽度加大。临修和镟轮每天作业频次较少,对总平面布置的要求较低,临修、镟轮工位与检查库可不直接连通,这样临修及镟轮库可置于边角地,并按实际需要占地,不会因与存车线并列而使存车场额外加长加宽。

临修及镟轮库置于边角地,除了考虑库前和库后各停放1列动车组、库后停放公铁两用车所需的线路长度,以及库前和库后与1辆车相应的直线段长度之外,其他可随地形布置,无需通长的直线。据此,临修及镟轮设施可按存车场与检查库布置形式相应布置如下。

(1)常规纵列式动车所

临修库和镟轮库通常合并设置,一般置于存车场与检查库之间咽喉的一侧,临修线、镟轮线与存车场靠边的2条或以上的存车线连通。临修及镟轮库与检查库错开布置、库后线路与检查库并列布置。库内临修线与镟轮线间距一般8 m以上,库外大部分线路的线间距可按4.6 m设计。这样,与库内外线路按一条直线布置相比,可减少用地约1 hm2。除临修和镟轮需要的道路外,其他道路不应跨越临修线和镟轮线的作业区段,以免被动车组长时间占压。

(2)对于两场式动车所,合并设置的临修及镟轮库一般置于存车场Ⅰ与存车场Ⅱ之间咽喉的一侧,分开设置时置于咽喉的一侧或两侧。

(3)对于两库式动车所,临修库和镟轮库一般置于整备库与检查库之间咽喉的一侧或两侧,也可置于存车场与整备库之间咽喉的一侧或两侧。

(4)对于两端式和倒装式动车所,临修库和镟轮库布置可参考常规纵列式的布置。

(5)对于横列式动车所,临修库和镟轮库可置于检查库前线路的一侧(与检查库边跨同侧),临修线和镟轮线尾部与检查库并列、头部与出入所线(牵出线)连通;临修库和镟轮库也可置于检查库前咽喉区一侧,库内临修线和镟轮线相对出入所线倾斜而与咽喉区线路平行布置,临修线和镟轮线整体呈S形;临修库和镟轮库也可分开置于检查库前线路或咽喉区的两侧。

概括而言,就是临修及镟轮库利用边角地布置,临修线和镟轮线(或其延伸连接的线路)与检查库前咽喉直接连通,库外临修线和镟轮线间距及其与相邻建构筑物间距按常规确定以节省用地,临修库和镟轮库一般合并设置,必要时也可分开布置。

2.4 轮对检测棚布置

早期只要求入库检查的动车组进行检测,由于地形等原因,有的轮对检测棚布置在存车场与检查库之间的咽喉(如哈尔滨西动车所)。随着动车组一级修周期延长、入所检测比例提高、检测内容增加,轮对踏面及受电弓检测逐渐演变成多项综合检测,检测设备应置于出入所线上,一般靠近存车场,需要压缩动车所占地长度时也可考虑靠近车站。

2.5 其他设施布置

动车所其他设施包括：独立设置的辅助设施及相关专业设施,其布置应考虑功能、消防、节能、环保等需要。独立设置的空压机间应靠近压缩空气用气点和变电间;滤网清洗间既要与检查库之间运输方便,也要弱化对环境的不利影响;大部件库应靠近临修库等用料点,危险品间应满足防火间距要求,废品库应弱化对环境的不利影响;乘务员公寓与检查库、存车场之间应交通方便。给水站与水源之间管道应连接便捷,并靠近用水量较大的区域;污水处理站与洗车设施、滤网清洗间和检查库等设施之间管道连接便捷;变电所应做到外电引入方便、靠近用电负荷较大的区域;信号楼应靠近存车场咽喉且方便出入;食堂应靠近人员集中的检查库及其边跨,浴室应方便下班人流,食堂和浴室宜集中布置。

以上设施没有类似车场线路连接要求的刚性约束,但需要考虑相对位置和间距、相互联系和影响等因素,虽然调整余地较大,也应以合理的代价实现作业流程、人流和物流顺畅。

2.6 车场布置重点和难点

存车场及其他线路组成的车场是动车所总平面布置的重点和难点,需多专业协同完成,既要满足工艺要求、又要符合站场等相关专业规定,还要适应各种地形限制。由此导致车场布置内容复杂、比选方案较多、设计时间较长,设计过程中局部修改一处,相关部分也需随之调整。仅仅是相关专业互相提要求和协商,会由于相互理解不充分而压缩方案优化空间、延长车场设计时间。因此,车场主要设计人员应突破专业局限,既要熟悉动车所工艺,也要掌握车场的线路和道岔布置。

3 总平面布置实例分析

上海东动车所为近年来设计理念较新、功能布局较为合理的新建动车所,为进一步系统阐释以上要点,以其为例分析动车所总平面布置,见图7。

图7 动车所总平面布置实例Fig.7 Example of the overall layout of EMU servicing depot

3.1 确定边界条件

总平面布置首先应明确设计边界,合理用足边界条件。图7中,围墙应尽量按最小间距与正线平行而不留多余的边角地。尾端围墙与城市道路按最小间距平行布置。存车场立交桥桥墩间距尽可能加大,条件允许时桥墩尽量放在咽喉区、不挤占存车场宽度。

3.2 存车场和检查库布置

按地形采用常规纵列式布置。存车场与检查库之间的咽喉远期按4条平行进路设计,居中2条进路与近期所有存车线和检查库线连通,靠边2条辅助进路1/2的存车线和所有(或部分)检查库线连通。4条平行进路的通过能力与其连接的股道数量相关,应做到基本均衡。咽喉能力可结合总图、作业流程、作业量验算,验算时考虑不均衡因素(包括通过咽喉的时间分布不均匀、有些转线作业同时占用多个进路等)并适当留有余地。按远期数据估计,每条进路平均每日占用时间约5.8 h,小于每日一级修时间10 h,咽喉能力满足需要。

3.3 洗车设施布置

洗车设施布置在检查库前咽喉的交叉渡线斜向延长线上、偏存车场一侧,当检查库线及与其并列的存车线较多时,洗车设施也可布置在偏检查库一侧。在需要适当拉长咽喉区以适应不利地形时,可在直向延长线上布置洗车设施,并采用6.5 m或更大线间距的异型交叉渡线。

3.4 临修及镟轮设施布置

临修及镟轮库置于检查库前咽喉一侧,紧靠围墙并靠近检查库。库外大部分线路的线间距为4. m,并部分采用半径400 m的曲线,与临修线和镟轮线连通的存车线为2条。

3.5 轮对检测棚及其他设施布置

轮对检测棚置于出入所线,设备按2套布置。食堂、浴室和公寓等生活房屋集中于尾部,检查库边跨朝东布置以免西晒。检查库前咽喉东侧的其他设施按功能、消防、节能、环保等需要布置,与道路间距按常规确定,针对各种线路限定的不规则地形,应统筹规划,提高土地利用率。

3.6 动车所能力和用地指标

(1)动车所能力

动车所能力包括检查库能力和存车能力,检查库能力按检查库线数量确定,存车能力按正常作业条件下、可同时停放的动车组数量确定。其中,可停放动车组的线路包括存车线(含具备整备功能的存车线)和检查库线。可停放动车组的股道中,部分股道不计入存车能力,其数量与车场之间咽喉的平行进路数量相等,当动车所长度方向有多个咽喉顺接时(如两场纵列式),按平行进路较多的咽喉确定不计入存车能力的股道数量。计算式为

A=(Ac+Ak-Ay)×2

(1)

式中,A为动车所存车能力;Ac为存车线数量;Ak为检查库线数量;Ay为动车组移位所需的走行线数量;2为折算标准组数量。

图7中,动车所近期检查库线6条,存车线28条(含走行线)、其中2条存车线按不存车计算,存车能力为64标准组。

(2)用地指标

节约用地是工程设计的重要原则之一。动车所绝大多数占地用于布置各种股道,其他设施可利用边角地布置。由于股道间距相对固定,用地面积与股道数量直接相关。因此,动车所围墙中心线内面积除以股道数量,即每条股道相应的用地面积可作为衡量动车所用地的直观指标。考虑每条检查库线、临修线和镟轮线相关用地约为存车线的2倍,计算股道数量时,检查库线、临修线和镟轮线数量加倍折算。计算式为

S=M/n

(2)

式中,S为动车所用地指标;M为动车所围墙内面积;n为股道数量。

图7中,动车所围墙内占地57.3 hm2,远期检查库线10条、存车线53条、临修镟轮线3条,按远期数据计算的用地指标为0.73 hm2/条。

4 结语

动车所总平面布置应按设计确定的规模,以合理的代价,实现动车所作业流程、人流和物流顺畅,关键是动车组在前后工位之间转线顺畅。存车场和检查库(或整备库)是动车所体量较大的主要设施,两者定位之后,其他设施在其周围按作业流程、人流和物流需要布置。存车场与检查库(整备库)一般按纵列式布置,纵列式不可行时可按横列式布置,不入检查库作业的动车组可停放于与检查库不直接连通的存车线。

洗车设施主要服务于入库检查的动车组,洗车作业在入所或入库过程中同时进行。临修及镟轮库应尽量利用边角地布置,临修线和镟轮线(或其延伸连接的线路)与检查库前咽喉直接连通,库外临修线和镟轮线间距及其与相邻建构筑物间距按常规确定。轮对踏面及受电弓检测逐渐演变成多项综合检测,检测设施应置于出入所线,一般靠近存车场。独立设置的辅助设施及相关专业设施,应按功能、消防、节能、环保等需要布置。