王瀟驍 虞 翊 劉 循

(1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，201804，上海；2.同濟(jì)大學(xué)國(guó)家磁浮交通工程技術(shù)研究中心，201804，上海；3.上海申通地鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，201103，上海//第一作者，工程師)

1 軌道交通常見(jiàn)道岔

1.1 常見(jiàn)道岔型號(hào)與使用環(huán)境

道岔是軌道連接的重要設(shè)備，在引導(dǎo)車(chē)輛由一條軌道順利進(jìn)入另一條軌道的同時(shí)，還承受并傳遞車(chē)輛運(yùn)行中產(chǎn)生的各種荷載[1]。國(guó)家鐵路的正線道岔以12號(hào)道岔為主，車(chē)場(chǎng)線以9號(hào)、7號(hào)道岔為主。城市軌道交通的正線道岔基本以9號(hào)道岔為主，車(chē)場(chǎng)線以7號(hào)道岔為主，也有較少正線使用了12號(hào)道岔。因用地面積受限等因素，對(duì)于是否在車(chē)場(chǎng)線使用6號(hào)道岔，由設(shè)計(jì)單位按照具體情況而定。由于城市軌道交通站間距離小、運(yùn)行時(shí)間短，提速的可能性不大，因此仍以9號(hào)道岔為主。即使郊區(qū)鐵路，提速的幅度也不可能太大，最大一般應(yīng)用至12號(hào)道岔已足以滿足列車(chē)側(cè)向運(yùn)行需求[2]。例如上海軌道交通2號(hào)線廣蘭路站安裝有一組12號(hào)道岔。不同轍叉號(hào)道岔其側(cè)向允許通過(guò)速度不同，采用大號(hào)道岔可以提高列車(chē)過(guò)岔速度。但與此同時(shí)也帶來(lái)了更大的占地空間、更高的造價(jià)等問(wèn)題。因此，道岔號(hào)數(shù)的選用要因地制宜，要因線而異，不可一概而論。

1.2 常見(jiàn)道岔限速設(shè)置

對(duì)一組單開(kāi)道岔來(lái)說(shuō)，側(cè)向過(guò)岔速度包括轉(zhuǎn)轍部分、導(dǎo)曲線、轍叉部分和連接曲線的通過(guò)速度。從轍叉的強(qiáng)度條件分析，道岔的允許速度大于導(dǎo)曲線的允許速度；岔后的連接曲線半徑一般大于道岔導(dǎo)曲線半徑，所以道岔的允許速度也大于導(dǎo)曲線允許速度。故控制道岔側(cè)向通過(guò)速度的部位主要是轉(zhuǎn)轍器和導(dǎo)曲線[2]。從限速計(jì)算方法上說(shuō)，道岔側(cè)向限速應(yīng)根據(jù)導(dǎo)曲線半徑、未被平衡橫向加速度進(jìn)行控制計(jì)算[3]，主要的計(jì)算結(jié)論如表1所示。

表1 道岔側(cè)向限速表

2 站后雙折返線站型能力分析

2.1 計(jì)算前提

本文以常用站后雙折返線站型為例，分析不同道岔限速對(duì)站后折返能力的影響，采用的主要計(jì)算參數(shù)和條件如下[4]：

1) 信號(hào)系統(tǒng)制式為移動(dòng)閉塞系統(tǒng)；

2) 道岔為城市軌道交通正線常用的9號(hào)道岔, 道岔的臨界限速分別為35 km/h、38 km/h、40 km/h；

3) 全線為平直股道, 土建限速為85 km/h, 站臺(tái)限速為60 km/h；

4) 含道岔轉(zhuǎn)換的進(jìn)路辦理時(shí)間為13 s, 無(wú)道岔轉(zhuǎn)換的進(jìn)路辦理時(shí)間為2 s；

5) 列車(chē)編組為6節(jié)A型車(chē), 列車(chē)長(zhǎng)度為140 m；

6) 基于舒適度控制的列車(chē)加速度和常用制動(dòng)減速度為0.8 m/s2, 保障緊急制動(dòng)率為0.85 m/s2。

7) 列車(chē)運(yùn)行曲線為等級(jí)一，即最高運(yùn)行效率曲線。

2.2 計(jì)算方法

2.2.1 追蹤方式

在道岔區(qū)域，CBTC(基于通信的列車(chē)控制)系統(tǒng)采用計(jì)軸設(shè)備替代傳統(tǒng)的軌道電路。后車(chē)移動(dòng)授權(quán)最遠(yuǎn)可延伸至前車(chē)尾部安全防護(hù)包絡(luò)末端，前后兩列列車(chē)距離間隔根據(jù)后車(chē)運(yùn)行速度動(dòng)態(tài)變化[5]。

2.2.2 接車(chē)干擾點(diǎn)

接車(chē)干擾點(diǎn)是指在前、后列車(chē)無(wú)擾運(yùn)行條件下，前車(chē)逐步出清站臺(tái)安全防護(hù)區(qū)段、后車(chē)準(zhǔn)備進(jìn)站作業(yè)過(guò)程中，后車(chē)可以接近站臺(tái)的極限位置。

2.2.3 站臺(tái)安全防護(hù)區(qū)段

站臺(tái)安全防護(hù)區(qū)段是指為保證列車(chē)安全接車(chē)進(jìn)站，在列車(chē)運(yùn)行方向站臺(tái)外側(cè)預(yù)留的安全區(qū)段。只有當(dāng)站臺(tái)安全防護(hù)區(qū)段空閑時(shí)，列車(chē)具備無(wú)擾進(jìn)站條件。對(duì)于站后折返路徑，可選的站臺(tái)接車(chē)安全防護(hù)區(qū)段有直向防護(hù)及側(cè)向防護(hù)。為簡(jiǎn)化描述，本文所討論的站臺(tái)安全防護(hù)區(qū)段均為直向防護(hù)。

2.2.4 折返瓶頸點(diǎn)分析方法

第一步：確定折返路徑及分段走行時(shí)間。該步驟將列車(chē)整個(gè)折返路徑以關(guān)鍵設(shè)備或者關(guān)鍵位置(干擾點(diǎn)、安全防護(hù)區(qū)段末端等)為分割點(diǎn)，根據(jù)牽引計(jì)算結(jié)果，得出每段列車(chē)的走行時(shí)間及走行距離。

第二步：確定折返瓶頸點(diǎn)。通常可將折返過(guò)程分為站臺(tái)接車(chē)作業(yè)、折返軌作業(yè)及站臺(tái)發(fā)車(chē)作業(yè)3個(gè)階段。列出3個(gè)階段進(jìn)路開(kāi)放條件并統(tǒng)計(jì)列車(chē)間隔時(shí)間。

第三步：根據(jù)最大瓶頸點(diǎn)確定列車(chē)折返對(duì)數(shù)。比較折返過(guò)程3個(gè)階段前后車(chē)由于進(jìn)路開(kāi)放條件限制形成的時(shí)間間隔，確定最大瓶頸時(shí)間I(s)，計(jì)算出每小時(shí)列車(chē)折返對(duì)數(shù)N(對(duì)/h)，N為正整數(shù)。計(jì)算公式為：N折返=3 600 s/I。

2.3 折返軌3的折返能力分析

2.3.1 折返路徑概述

使用折返軌3進(jìn)行折返能力分析，道岔的臨界限速為35 km/h，折返路徑如圖1中帶箭頭粗線所示。為方便后文描述，將列車(chē)由下行站臺(tái)發(fā)車(chē)至折返軌3進(jìn)行換端的折返路徑簡(jiǎn)稱(chēng)為“短進(jìn)長(zhǎng)出”折返路徑。具體折返過(guò)程為：列車(chē)由示例站下行站臺(tái)接車(chē)干擾點(diǎn)運(yùn)行至示例站下行站臺(tái)停穩(wěn)，走行距離為134.40 m，走行時(shí)間為20.09 s；示例站臺(tái)下行停站時(shí)間為30.00 s；列車(chē)經(jīng)10號(hào)道岔反位至尾部出清AC02計(jì)軸，走行距離為264.66 m，走行時(shí)間為48.34 s；列車(chē)由尾部出清AC02計(jì)軸至折返軌3停車(chē)點(diǎn)SSPO1停車(chē)，走行距離為5.00 m，走行時(shí)間為4.24 s；列車(chē)換端時(shí)間為20.00 s；列車(chē)由折返軌3停車(chē)點(diǎn)SSP02經(jīng)2/4號(hào)道岔反位，至尾部出清AC08計(jì)軸，走行距離為216.59 m，走行時(shí)間為40.19 s；列車(chē)由尾部出清AC08計(jì)軸，經(jīng)12號(hào)道岔反位，至示例站上行站臺(tái)，走行距離為53.32 m，走行時(shí)間為13.53 s；列車(chē)在示例站臺(tái)上行側(cè)停站時(shí)間為30.00 s；列車(chē)由上行站臺(tái)發(fā)車(chē)至出清站臺(tái)安全防護(hù)區(qū)段，走行距離為191.13 m，走行時(shí)間為22.78 s。

圖1 “短進(jìn)長(zhǎng)出”折返路徑

2.3.2 折返瓶頸點(diǎn)分析

1) 下行站臺(tái)接車(chē)作業(yè)條件：前車(chē)出清AC02計(jì)軸，13.00 s(道岔動(dòng)作)后，10號(hào)道岔轉(zhuǎn)至定位。此時(shí)后車(chē)由示例站下行站臺(tái)接車(chē)干擾點(diǎn)運(yùn)行至站臺(tái)停車(chē)，停站30.00 s后，列車(chē)由站臺(tái)發(fā)車(chē)至出清AC02計(jì)軸。因此下行站臺(tái)接車(chē)作業(yè)時(shí)間T下行站臺(tái)=20.09 s+30.00 s+48.34 s+13.00 s=111.43 s。

2) 折返軌作業(yè)條件：前車(chē)出清AC08計(jì)軸,后車(chē)辦理由示例站下行站臺(tái)至折返軌3的進(jìn)路。13.00 s后，10號(hào)道岔轉(zhuǎn)至反位，2/4號(hào)道岔轉(zhuǎn)至定位。此時(shí)后車(chē)由示例站下行站臺(tái)至SSP01停車(chē)。停站20.00 s后，列車(chē)由SSP02發(fā)車(chē)至出清AC08計(jì)軸。因此折返軌作業(yè)時(shí)間T折返軌=48.34 s+4.24 s+20.00 s+40.19 s+13.00 s=125.77 s。

3) 上行站臺(tái)發(fā)車(chē)作業(yè)條件：前車(chē)出清示例站上行站臺(tái)安全防護(hù)區(qū)段，后車(chē)進(jìn)路辦理至示例站上行站臺(tái)。13.00 s后，2/4號(hào)道岔轉(zhuǎn)至反位。后車(chē)由SSP02經(jīng)2/4號(hào)道岔反位、12號(hào)道岔反位運(yùn)行至示例站上行站臺(tái)停車(chē)。停站30 s停站后，列車(chē)由示例站上行側(cè)站臺(tái)發(fā)車(chē)至出清站臺(tái)安全防護(hù)區(qū)段。因此上行站臺(tái)發(fā)車(chē)作業(yè)時(shí)間T上行站臺(tái)=40.19 s+13.53 s+30.00 s+22.78 s+13.00 s=119.5 s。

由上述分析可知：在整個(gè)列車(chē)折返過(guò)程中，折返瓶頸點(diǎn)發(fā)生在折返軌作業(yè)，最大瓶頸時(shí)間I=125.77 s，與此相應(yīng)的每小時(shí)列車(chē)折返對(duì)數(shù)N折返=3 600 s/125.77 s=28對(duì)。圖2為“短進(jìn)長(zhǎng)出”折返路徑折返時(shí)序折線圖。

圖2 “短進(jìn)長(zhǎng)出”折返路徑折返時(shí)序折線圖

2.4 折返軌4的折返能力分析

2.4.1 折返路徑概述

使用折返軌4進(jìn)行折返能力分析，道岔的臨界限速為35 km/h，折返路徑如圖3中帶箭頭粗線所示。為方便后文描述，將列車(chē)由下行站臺(tái)發(fā)車(chē)至折返軌4進(jìn)行換端的折返路徑簡(jiǎn)稱(chēng)為“長(zhǎng)進(jìn)短出”折返路徑。具體折返過(guò)程為列車(chē)由示例站下行站臺(tái)接車(chē)干擾點(diǎn)運(yùn)行至下行站臺(tái)停穩(wěn)，走行距離為134.40 m，走行時(shí)間為20.09 s；示例站臺(tái)下行停站時(shí)間為30.00 s；列車(chē)由示例站下行站臺(tái)經(jīng)10號(hào)道岔反位至出清AC04計(jì)軸，走行距離為264.92 m，走行時(shí)間為48.97 s；列車(chē)由出清AC04計(jì)軸至折返軌4停車(chē)點(diǎn)SSPO3停車(chē)，走行距離為5.00 m，走行時(shí)間為4.24 s；列車(chē)換端時(shí)間為20.00 s，期間6/8號(hào)道岔轉(zhuǎn)至定位，12號(hào)道岔轉(zhuǎn)至反位；列車(chē)由折返軌4停車(chē)點(diǎn)SSP04經(jīng)6/8號(hào)道岔定位，行駛至出清AC08計(jì)軸，走行距離為216.34 m，走行時(shí)間為40.11 s；列車(chē)由出清AC08計(jì)軸，經(jīng)12號(hào)道岔反位運(yùn)行至示例站上行站臺(tái)停穩(wěn)，走行距離為53.32 m，走行時(shí)間為13.53 s；列車(chē)在示例站臺(tái)上行側(cè)停站時(shí)間為30.00 s；列車(chē)由示例站上行站臺(tái)起動(dòng)至出清站臺(tái)安全防護(hù)區(qū)段，走行距離為191.65 m，走行時(shí)間為22.78 s。

圖3 “長(zhǎng)進(jìn)短出”折返路徑

2.4.2 折返瓶頸點(diǎn)分析

1) 下行站臺(tái)接車(chē)作業(yè)條件：前車(chē)出清AC04計(jì)軸,13.00 s(道岔動(dòng)作)后，10號(hào)道岔轉(zhuǎn)至定位。此時(shí)后車(chē)由示例站下行站臺(tái)接車(chē)干擾點(diǎn)運(yùn)行至站臺(tái)停車(chē)。停站30.00 s后，列車(chē)由站臺(tái)發(fā)車(chē)至出清AC04計(jì)軸。因此下行站臺(tái)接車(chē)作業(yè)時(shí)間T下行站臺(tái)=20.09 s+30.00 s+48.97 s+13.00 s=112.06 s。

2) 折返軌作業(yè)條件：前車(chē)出清AC04計(jì)軸,后車(chē)辦理由示例站下行站臺(tái)至折返軌4的進(jìn)路。13.00 s后10號(hào)道岔轉(zhuǎn)至反位，6/8號(hào)道岔轉(zhuǎn)至反位。此時(shí)后車(chē)由示例站下行站臺(tái)行駛至SSP03停車(chē)。20.00 s(列車(chē)換端)后，列車(chē)由SSP04發(fā)車(chē)至出清AC08計(jì)軸。因此折返軌作業(yè)時(shí)間T折返軌=48.97 s+4.24 s+20.00 s+40.11 s+13.00 s=126.32 s。

3) 上行站臺(tái)發(fā)車(chē)作業(yè)：前車(chē)出清示例站上行站臺(tái)安全防護(hù)區(qū)段，后車(chē)進(jìn)路辦理至示例站上行站臺(tái)的。13.00 s后，6/8號(hào)道岔轉(zhuǎn)至定位。列車(chē)由SSP04經(jīng)6/8號(hào)道岔定位、2/4號(hào)道岔定位、12號(hào)道岔反位運(yùn)行至示例站上行站臺(tái)停車(chē)。停站30 s后，列車(chē)由站臺(tái)發(fā)車(chē)至出清站臺(tái)安全防護(hù)區(qū)段。因此上行站臺(tái)發(fā)車(chē)作業(yè)時(shí)間T上行站臺(tái)=40.11 s+13.53 s+30.00 s+22.78 s+13.00 s=119.42 s。

由上述分析可知：在整個(gè)折返過(guò)程中折返瓶頸點(diǎn)發(fā)生在折返軌作業(yè)，最大瓶頸時(shí)間I=126.32 s，與此相應(yīng)的每小時(shí)列車(chē)折返對(duì)數(shù)N折返=3 600 s/126.32 s=28對(duì)。圖4為“長(zhǎng)進(jìn)短出”折返路徑折返時(shí)序折線圖。

圖4 “長(zhǎng)進(jìn)短出”折返路徑折返時(shí)序折線圖

3 道岔提速后能力對(duì)比分析

在現(xiàn)有軌道交通線路設(shè)計(jì)中，9號(hào)道岔的臨界限速大多都統(tǒng)一設(shè)置為35 km/h。根據(jù)表1，當(dāng)滿足曲線半徑200 m，且道岔采用彈性可彎尖軌的情況下，對(duì)現(xiàn)有9號(hào)道岔進(jìn)行提速，則可縮短列車(chē)的過(guò)岔時(shí)間，進(jìn)而提升折返能力。表2以站后短進(jìn)長(zhǎng)出折返為例，給出了不同道岔限速條件下站臺(tái)接車(chē)作業(yè)、折返軌作業(yè)和站臺(tái)發(fā)車(chē)作業(yè)的間隔時(shí)間，以及折返作業(yè)瓶頸點(diǎn)和折返能力的比較結(jié)果。從比較結(jié)果看，在滿足相應(yīng)規(guī)范[4]條件下，如果將站后折返的道岔臨界速度由35 km/h提升到40 km/h，則可在不增加任何工程改造的情況下，將對(duì)應(yīng)于本文示例的站后折返能力提高7.1%以上，即每小時(shí)增加2對(duì)列車(chē)。

4 結(jié)論

1) 對(duì)于常用站后折返方式，無(wú)論是采用長(zhǎng)進(jìn)短出還是短進(jìn)長(zhǎng)出的折返路徑，折返能力是基本相同的，ATS(列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控)系統(tǒng)可以根據(jù)折返軌的空閑狀態(tài)智能選擇合適的折返軌進(jìn)行折返作業(yè)。

2) 對(duì)于9號(hào)道岔，在土建、限界專(zhuān)業(yè)許可的情況下，提升其側(cè)向通過(guò)速度可帶來(lái)較好的折返能力提升。當(dāng)?shù)啦砼R界限速由35 km/h提高至38 km/h時(shí)，連續(xù)折返能力可提高約1對(duì)/h；當(dāng)?shù)啦韨?cè)向通過(guò)臨界限速提升至40 km/h時(shí)，連續(xù)折返能力可提高約2對(duì)/h。

3) 不是所有類(lèi)型9號(hào)道岔均有提速空間，曲線半徑200 m且采用彈性可彎尖軌的9號(hào)道岔，其臨界速度可提升至40 km/h。在此條件下，將有助于提升列車(chē)折返能力。

表2 不同道岔臨界限速下折返能力對(duì)比

4) 本文開(kāi)展的道岔提速研究，對(duì)于既有線折返站折返能力提升而言，相比傳統(tǒng)的土建、線路等改造方式，具有不停運(yùn)、投資小、周期短等優(yōu)勢(shì)，并可有效提高線路高峰時(shí)段的客流運(yùn)輸能力。

5) 在保障安全的前提下，建議信號(hào)供貨商、車(chē)輛供貨商進(jìn)一步協(xié)作研究ATP(列車(chē)自動(dòng)保護(hù))頂篷速度與ATO(列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行)目標(biāo)速度間速度差關(guān)系。通過(guò)縮小兩者間的速度差，可在不提升道岔臨界速度的基礎(chǔ)上提高列車(chē)實(shí)際過(guò)岔速度，從而提升折返能力。