城市軌道交通與高速鐵路互聯模式的思考

李法勝

(中國鐵建股份有限公司 北京 100855)

1 研究背景

2018年東南亞某國通過國際招標，計劃修建一條高速鐵路。通過高速鐵路建設，一是為了解決本國交通出行難的問題，二是通過高鐵的建設帶動沿線經濟快速發展。由于該國在市內已有一條新修建的城市軌道，且土地資源緊張，招標要求新修建的高速鐵路線必須利用既有的城市軌道交通引入市內客運站，且鐵路的運輸能力必須滿足業主要求。

結合該項目研究成果，發現高速鐵路與城市軌道交通由于運營需求不同，行車速度不一致、車型及限界有差異，導致兩者的運營模式相差較大。本次對城市軌道交通和高速鐵路所要求的基礎設施和系統設備的差異性進行研究，分析城市軌道交通和高速鐵路互聯共運營的可行性，為類似項目提供參考。

2 既有線概況[1]

既有機場鐵路有1座地下車站、7座高架車站，運營速度為160 km/h，最小線間距4.0 m，采用西門子LZB列控系統(地鐵模式)，見圖1。

圖1 項目平面

采用SIMENS公司的車輛，在平直道上動態輪廓(最大寬度位置)值為1 645 mm，高度4 310 mm，見圖2。

圖2 既有機場鐵路動態限界(單位:mm)

3 新建高速鐵路[1]

新建高鐵設計速度為250 km/h，最小線間距4.5 m，采用CTCS3.0列控系統及中車四方的標準動車組，基礎設施按照中國標準設計，見圖3。

圖3 城際鐵路基本建筑限界(單位:mm)

4 互聯運營模式分析

既有城鐵與高速鐵路是否能互聯互通涉及到多個專業領域，經前期調查初步判斷，既有城鐵通信系統、票務系統和供電系統并不是制約兩者互聯互通的關鍵因素，而在信號系統、行車能力、車站布局、接觸軌、線間距、限界等方面[2]影響較大，需要進行針對性分析。

4.1 限界分析

中國標準動車組的主要尺寸與既有車輛尺寸有較大差異，對照見表1。

表1 寬窄體車主要尺寸對照

通過對比可知，標準車輛與既有車輛尺寸相差較大，需要對既有車站的站臺及站臺上的輔助設施進行改造，同時限界高度相差僅250 mm，而中國高速鐵路隧道內接觸網基礎一般采用預埋槽道[3]，需要對地下車站的接觸網支架進行特殊設計，降低接觸網的支架高度，可以滿足標準車的限界高度。改造后既有城鐵橋隧限界基本上可以滿足標準動車組的限界要求。

4.2 線間距分析

既有機場鐵路直線段線間距4.0 m，區間有一處R-180 m的小曲線高架橋地段，橋梁斷面寬10.2 m，線間距為4.2 m，兩側接觸網內側距離軌道中心2 550 mm，不滿足標準車輛通行，需要對橋梁斷面寬度和線間距進行加寬處理[4－5]。

式中:W1、W2分別為曲線內外側加寬量(mm)；H為軌頂面至計算點的高度(mm)；h為外軌超高(mm)；R為曲線半徑(m)。

根據式(1)和式(2)計算可知，既有線間距需要調整至4.6 m，建筑內側需要在原有基礎上加寬0.7 m。

根據車輛模擬運營結果，標準車體在線間距為4 m的直線段以時速160 km會車時，直線上車輛間橫向最小間距尺寸為423.5 mm[6]，在半徑180 m的曲線上兩列車之間的間距要比在直線上增大600.3 mm[6]，才能滿足安全距離要求，見圖4。

圖4 線路改建示意

4.3 軌道結構分析

高速鐵路要求鋼軌表面尤其軌頭表面基本無原始缺陷，幾何尺寸精度高，平直度好[7]。既有城鐵軌道采用UIC 60 kg鋼軌，軌底坡為1∶40；新建高鐵采用中國標準的CN60 kg鋼軌，并設置1∶40軌底坡。

由圖5可知，兩種鋼軌在鋼軌高度及軌頭尺寸上差異不大，CN比UIC斷面高4 mm，可以在接軌處設置異型軌連接。為了保證高鐵運營安全，需根據車輛均衡特點和線路具體特征，對高速車輛懸掛參數進行適應性調整[6]。

圖5 接觸軌對比

4.4 列控系統分析[1]

4.4.1 疊加模式

為減少對既有城鐵的影響，滿足高速鐵路車輛和既有城鐵車輛能夠在既有城鐵線路上兼容運行，既有城鐵信號控制系統維持不變，新建高鐵線采用CTCS-3級信號控制系統，既有城鐵LZB信號控制系統開放與CTCS-3級信號控制系統接口，LZB信號控制系統疊加CTCS信號控制系統，既有城鐵線仍納入既有OCC控制，新建高鐵線路OCC控制中心，見圖6。

圖6 LZB信號控制系統疊加CTCS信號控制系統方案

4.4.2 更新模式

若LZB信號控制系統不能開放與CTCS-3級信號控制系統接口，則既有的LZB信號控制系統需要全部拆除，全線新建統一制式的CTCS-3級信號控制系統，所有線路均納入新建高鐵OCC控制中心，見圖7。

圖7 CTCS信號控制系統方案

4.5 運營模擬[8]

既有城鐵車站配置均預留高鐵線路的接入條件，需要解決高鐵與既有城鐵共線運行導致運輸能力不足的問題。通過研究發現，影響本項目系統能力的幾個關鍵因素為:一是起點站折返問題，二是機場車站與高鐵接軌平面交叉問題。

4.5.1 起點站折返模擬

通過運營模擬，采用站后折返方式，只需要在起點站將尾部折返線上存放的熱備動車組改為動態熱備模式，提供足夠短的列車折返時間，能夠提高起點車站折返作業效率，更好地為車站客運組織創造良好條件，不會產生旅客上下車流向的交叉干擾，也能夠滿足業主要求的高峰小時內5對既有城鐵和7對高速列車通行需求，見圖8。

圖8 站后折返示意

4.5.2 接軌車站運營模擬

在接軌區域，機場站存在3種進路交叉、接軌站接發車存在2種進路交叉、高鐵線存在1種進路交叉，即在上述3個交通節點共存在6種進路交叉。這些進路交叉均會對正常行車間隔產生影響。經模擬運營測算，在這3種交叉進路疊加的情況下辦理接發車，每小時只能辦理8對完整的接發列車作業，見圖9、圖10。

圖9 接軌示意

圖10 機場站接發車能力圖解

為了疏解平面交叉帶來的能力緊張情況，最大限度滿足客流需求，盡量減少高鐵列車在機場站折返的數量，把不需要進入機場站的客流采用直通列車進行運輸。

根據預測的客流量，合理分配高鐵客流和城市客流(見表2)，可以滿足業主要求的高峰小時內5對既有城鐵和7對高速列車通行需求。

表2 高鐵車與城市軌道交通車客流比例預測

根據模擬運營結果，優化既有城市軌道交通起點車站的折返條件，合理組織高鐵與城鐵的機場車站平面交叉運輸，可解決高鐵車輛和既有城市軌道交通共線運營需求。運營模擬結果顯示，在營業時間段，全日滿能力運行圖線路通過能力最大為184對，其中既有城鐵列車88對，高鐵折角41對、直通55對，能夠滿足全日及高峰時段列車開行要求，達到項目業主要求。

5 結論

根據高速鐵路與既有城市軌道交通的限界對比，從兩者運輸差異性進行分析，通過對既有車站站臺及其輔助設施進行改造、適當加大區間小曲線地段的線間距、接觸網支架進行特殊設計以降低地下車站內接觸網支架高度等措施，改造后既有城鐵橋隧限界基本上可以滿足標準動車組的限界要求。改善既有城市軌道交通的車站配置、優化高鐵與城鐵的接軌條件、合理組織高鐵與城鐵的共線運輸，解決了因土地資源緊張，高鐵線路利用城市軌道交通線路引入市內客運樞紐站的問題，社會效益和經濟效益明顯。