基于安全區段的站后雙折返線折返能力分析

陳垚 毛保華，2 李明高 趙欣苗 趙宇剛

(1.北京交通大學城市復雜系統理論與技術教育部重點實驗室 北京100044;

2.中國綜合交通研究中心 北京100044;3.鐵道部經濟規劃研究院 北京100038)

隨著我國城市軌道交通的快速發展，城市軌道交通運營組織越來越受到重視。折返能力是確定城市軌道交通線路運輸能力的基礎，是城市軌道交通運營組織的關鍵。國內外學者對折返能力進行了大量研究，主要是從車站的線路與站臺布置［1-2］、計算方法［3-5］、能力提高［6-7］等方面對折返能力進行研究，但從接車進路安全區段的角度分析折返能力的研究較不充分。接車進路安全區段與列車折返過程有直接聯系，筆者在既有研究基礎上，分析接車進路安全區段對折返作業時間的影響，建立折返出發間隔的解析計算公式，并通過算例分析不同優化方案下折返能力的變化規律。

1 折返能力分析

站后折返是指列車在前進方向的出發端利用站后盡端折返線或環線進行折返作業，站后雙折返線折返站布置形式如圖1所示。

圖1 站后雙折返線折返站布置

圖1 中，A點為列車在X1信號機未開放時需要制動的位置。B點為道岔與正線的軌道電路分界點，C點為道岔與側向直軌的軌道電路分界點，D點為車站出站信號機S1位置點，E點、F點為道岔與折返線的軌道電路分界點，G點為X2信號機位置點。靠近出發正線的折返線為折返線I，靠近進站正線的折返線為折返線Ⅱ。

列車進站時，聯鎖系統為其辦理接車進路，同時需要設置接車進路的安全區段［8］。由于列車的期望停車點在站臺端部，以供乘客上下車，因此聯鎖系統必須將接車進路的安全區段設置在X2信號機內方。當X2信號機內方的第1個軌道電路GB段大于安全防護距離時，安全區段設置到B點即可。當第1個軌道電路GB段長度不足安全防護距離時，安全區段需在信號機內方第2個軌道電路內結束，則利用折返線I折返時，聯鎖系統將安全區段設置到道岔后F點;利用折返線Ⅱ折返時，聯鎖系統將安全區段設置到道岔后E點［9］。因此，折返能力分析時分2種情況進行討論，即安全區段延伸到正線和安全區段延伸到道岔。

1.1 安全區段延伸到正線

當安全區段延伸到正線時，列車利用折返線I和折返線Ⅱ折返的作業過程相同。以折返線I為例，對站后雙折返線的折返過程進行分析。折返作業具體可以分為3個子過程:接車作業、進出折返線作業、發車作業。

1.1.1 接車作業

列車的接車作業自前行列車出清軌道電路分界點B開始進站，至全部通過B點止，其過程如圖2所示。

圖2 接車作業流程

則接車間隔時間為

式中:t接為接車間隔時間;t作業為車站辦理進路作業的時間;t反應為車載設備反應時間;t進站為列車從進站位置A運行至站臺的時間;t停站為列車在終點站的停站時間;t出清B點為列車從站臺運行至全部通過軌道電路分界點B的時間。

1.1.2 進出折返線作業

列車的進出折返線作業自前行列車出清軌道電路分界點C起開始進折返線，至全部通過C點止，其過程如圖3所示。

圖3 進出折返線作業流程

則折返間隔時間為

式中:t折為折返間隔時間;t作業為車站辦理進路作業的時間;t反應為車載設備反應時間;t進折為列車從站臺運行至折返線I的時間;t轉換為折返時列車進行駕駛室轉換的時間;t出清C點為列車從折返線I運行至全部通過軌道電路分界點C的時間。

1.1.3 發車作業

列車的發車作業自前行列車出清軌道電路分界點D起開始出折返線，至全部通過D點出站止，其過程如圖4所示。

圖4 發車作業流程

則發車間隔時間為

式中:t發為發車間隔時間;t作業為車站辦理進路作業的時間;t反應為車載設備反應時間;t出折為列車從折返線I運行至站臺的時間;t停站為列車在終點站的停站時間;t出清D點為列車從站臺運行至全部通過軌道電路分界點D的時間。

1.2 安全區段延伸到道岔

當安全區段延伸到道岔(E/F點)時，折返線I與折返線Ⅱ的折返過程不同。

1.2.1 折返線I

利用折返線I折返時，前行列車在出清E點時，BE段解鎖，開始辦理后續列車的接車進路，設置GF段為安全區段。此時，前行列車的折返進路與后續列車的接車進路無交叉。只要出站正線空閑，前行列車即可折返。因此，當安全區段延伸到道岔時，折返線I的作業過程與安全區段延伸到正線相同，只是接車過程的軌道電路分界點由B點移至E點，接車間隔計算公式為

式中:t出清E點為列車從站臺運行至全部通過軌道電路分界點E的時間。

在辦理接車進路時，由于安全區段延伸至道岔，設置安全區段時需要進行道岔轉換，作業時間會增長。

1.2.2 折返線Ⅱ

利用折返線Ⅱ折返，在前行列車在出清F點時，開始辦理后續列車的接車進路。類似地，接車間隔公式為

式中:t出清F點為列車從站臺運行至全部通過軌道電路分界點F的時間。

辦理后續列車接車進路時，將安全區段設為GE段，此時前行列車的折返進路與后續列車的接車進路存在交叉。只有在后續列車接車進路安全區段解鎖后，才能辦理前行列車的折返進路。因此，前行列車在進入折返線后必須等待后續列車進站停車、安全區段解鎖后才能辦理出折返線進路，在等待時間內可以進行駕駛室的轉換。

列車的進出折返線過程為:列車進入折返線Ⅱ，在出清F點時，辦理后續列車的接車進路。列車在折返線停穩后，進行駕駛室的轉換，同時等待后續列車的安全區段GF段解鎖。在后續列車進站停車后，GF段解鎖，開始辦理列車的出折返線進路。在駕駛室轉換及進路辦理都完成后，列車出折返線，直到出清C點。因此，折返間隔可表示為

站后折返的折返出發間隔由接車間隔、折返間隔和發車間隔的最大值決定，可以表示為

式中:t站后折發為站后折返的折返出發間隔時間。

站后折返能力可根據折返出發間隔通過下式進行計算

式中:n折返為站后折返的折返能力，列/h。

2 算例分析

2.1 折返能力計算

根據上述分析，選用DKZ4型列車與天津江灣二支路站作為研究算例，DKZ4型列車基本參數如表1所示，其牽引制動數據如表2所示。

站后折返站采用天津江灣二支路站，其簡化布置如圖5所示。

表1 DKZ4型列車參數

表2 DKZ4型列車牽引制動數據

圖5 江灣二支路站簡化布置

江灣二支路站的站臺寬度為14 m，站臺長度為144 m，車站線間距為17 m。車站站后設雙折返線用于車輛折返，采用的是9號道岔，兩折返線間距為5 m，折返線距正線6 m。X1、X2、S1、S2信號機距站臺端部5 m，軌道電路GB段長10.561 m。軌道電路分界點B、C點在道岔基本軌接頭處，距道岔中心距離BO、MC長13.839 m。道岔區側向段OP、LM長度為54.232 3 m，PQ、MN長度為45.314 2 m，道岔直向段MQ、PN長度為45.067 3 m。QE、NF段為道岔中心到道岔始端距離13.839 m。折返線有效長度為155.162 5 m。車站采用DKZ4型列車運行，正線運行速度取72 km/h，側向過岔速度取30 km/h。此外，車站安全防護距離取40 m。

車站的技術作業時間設置［10］如下:停站時間30 s，無道岔轉換的進路辦理時間取6 s，有道岔轉換的進路辦理時間取13 s，車載設備反應時間取3 s，駕駛室轉換時間取12 s。

由于GB段長度13.839 m小于車站要求的安全防護距離40 m，安全區段需要延伸到道岔。基于車站技術作業時間，根據式(2)～(8)，引入列車運行計算模型，利用Matlab計算列車在車站的運行時間，車站折返能力計算結果如表3所示。

表3 車站折返能力計算結果

從表3中可以看出，折返線Ⅰ的折返能力比折返線Ⅱ大7列，折返線Ⅰ、Ⅱ的接車間隔與發車間隔相同。折返線Ⅱ的折返間隔遠大于折返線Ⅰ的折返間隔，主要是由于駕駛室轉換時間比較短，列車在折返線Ⅱ上完成駕駛室轉換后，還需要等待后續列車進站才開始辦理出折返線進路;而在折返線Ⅰ上折返時，駕駛室轉換完后，即可出折返線。因此，折返線I的折返能力大于折返線Ⅱ的折返能力。

2.2 折返能力優化方案

車站GB段長度小于安全防護距離，安全區段延伸到道岔，導致接車間隔較大。如果改變岔線結構，加大GB段長度，使其滿足ATP(列車自動防護系統)要求的安全保護距離(即40 m)，聯鎖系統不需要將道岔區段設為安全區段，列車出清B點后即可辦理后續列車的接車進路。以折返線I為例，改變岔線結構前后的折返能力如表4所示。

表4 折返線Ⅰ的折返能力

從表4可以看出，岔線結構改變后，折返線Ⅰ的折返能力增加了1.24列/h。接車間隔減少了19 s，接車間隔的減少主要是由于加大了GB段距離，出清F點時間33 s縮至出清B點時間21 s，辦理接車作業的時間也由13 s縮至6 s。折返間隔與發車間隔都增加了4 s，這是由于GB段長度加長導致進出折返線的走行距離增加了29.439 m。安全區段延伸到正線后，折返線Ⅱ的折返能力與折返線Ⅰ相同。折返線Ⅱ的折返能力由24.79列/h增加為33.05列/h，增加了8.26列/h。

總的來說，安全區段延伸到道岔使折返線的折返能力受到一定限制。改變岔線結構后，兩折返線能力都得到了提升。值得注意的是，盡管增加GB段長度會提高折返能力，但GB段長度的增加會使車站整體長度變長，增加土建工程量，增加地鐵工程造價。因此，在實際工程中需綜合考慮折返能力需求和工程造價等因素。

優化軌道電路設計(如增設結緣節等)同樣可提高折返能力。若在O、P間設置絕緣節(如圖5中H點所示)，使GH段長度滿足安全保護距離40 m，相當于使安全區段延伸到正線，可以使后續列車進站時間提前，同時避免折返進路的交叉干擾。增設絕緣節之后的折返能力如表5所示。

表5 增設絕緣節前后的折返能力

從表5可以看出，增設絕緣節后，折返線Ⅰ與Ⅱ的折返能力分別增加了2.48和9.5列/h。增設絕緣節可以避免增大車站規模、也不會加長列車走行距離，兩折返線能力得到了更大提升。但該措施需考慮OP段長度是否夠長，以使GH段滿足安全保護距離。在站后雙折返線車站，線間距一般較大，可以滿足該條件。

3 結論

筆者針對站后雙折返線，考慮接車進路的安全區段，分析了安全區段延伸到正線和道岔兩種情況下的折返過程，得出了折返能力的計算公式，并以江灣二支路站為算例進行了分析。主要得到以下研究結論:

1)在江灣二支路站，聯鎖系統需將安全區段設置到道岔，折返線Ⅱ的折返能力比折返線Ⅰ小7列/h。可知，站后雙折返線折返站的接車進路安全區段延伸到道岔時，靠近出發正線的折返線能力要大于靠近進站正線的折返線能力。因此，在客流高峰時期，列車應該盡量采用靠近出發正線的折返線進行折返。

2)通過改變江灣二支路站的岔線結構或增設絕緣節，使安全區段延伸到正線，車站折返能力得到了提高。其中，增設絕緣節效果更佳，使折返線Ⅰ的折返能力增加了2.48列/h、折返線Ⅱ增加了9.5列/h。可知，站后雙折返線折返站的接車進路安全區段延伸到道岔，使折返線的折返能力受到一定限制，可以通過增設絕緣節或改變車站的岔線結構，使安全區段延伸到正線的方式來提升車站折返能力。

此外，可以將結論推廣至站后交叉渡線與站后單折返線。其中，當安全區段延伸至正線時，單折返線與雙折返線的折返過程一樣;當安全區段延伸至道岔時，單折返線折返能力應按站后雙折返線中靠近進站正線的折返線處理。

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