摘 要 地鐵安全線在日常運營中對保障運營安全有著重要意義。目前《地鐵設計規范》中對安全線長度的規定比較宏觀,不能滿足所有工程的需要。如何根據實際的運營需要,選擇合理的安全線長度,在工程中有著重要的意義。從工程實踐出發,探討了不同情況下的折返線長度計算。建議在修訂《地鐵設計規范》時應對安全線的設置作出更詳細的規定,并制訂可行的計算方法。
關鍵詞 地鐵;安全線;計算方法
1 安全線的功能
安全線是列車運行隔開設備之一。安全線設置的主要目的是為了防止在車輛段出入線、折返線和支線(岔線)上運行的列車未經允許進入正線與正線列車發生沖突;或者由于進路沒有開通時列車冒進導致列車擠占道岔而發生列車出軌事故。在折返線上設置安全線(本文將折返線上設置的超過列車長度的部分也歸于安全線的范疇),除了防止與正線列車沖突外,還可以保證列車具有較高速度,以提高線路通過能力。
安全線長度的準確設置不但可以保證日常運營安全,也可以使工程控制在合理的規模,以節約工程投資。
2 安全線設置
安全線通常在以下情況下設置:
1) 當車輛段(場)出入線上的列車在進入正線前需要一度停車,且停車信號機至警沖標的間距小于制動距離時,宜設置安全線(見圖1)。該規定適用于出入段線從區間接正線的情況。
2) 當折返線末端與正線接通時,宜設置道岔隔開設備。在通常情況下,道岔隔開設備主要指安全線(見圖2)。
3)岔線(支線)在站內接軌,當與正線間為島式站臺,且站臺端至警沖標的距離大于或者等于60m時,可不設列車運行隔開設備(見圖3);若為側式站臺,宜設置道岔隔開設備(見圖4)。
此外,線路末端也需要根據實際列車運營需要設置足夠的安全線長度。站前折返以北京地鐵亦莊線宋家莊為例,見圖5;站后折返以成都地鐵1號線廣都站為例,見圖6。
3 列車運行模式
地鐵列車在日常運營中涉及以下四種運行模式:
1)ATO(列車自動運行)模式:ATO系統根據ATP(列車自動保護)提供的地面速度限制信息,自動駕駛列車運行,由司機進行監督。
2)ATP模式:由司機人工駕駛列車,按ATP的速度信息運行,一旦超速將實行緊急制動,以保證運營安全。
3)非限制模式:列車由人工駕駛,依靠地面顯示信號,按照線路允許速度運行,由司機保證運行安全。ATP系統大面積故障時用此模式。
4)限速人工駕駛模式:該模式用于無ATP地面速度信息的地點或者正線地面設備故障時的超速防護,列車由人工駕駛,按限速25km/h運行。一旦超速,車載ATP即實行緊急制動。
非限制模式完全由人工來保證安全,需要司機具有很高的職業素質。這種運行模式下,司機工作強度比較大,發車密度低,一般采用站間閉塞方式行車;在實踐中這種運行模式也不作為常用模式,無法給出明確的安全線理論計算長度。
限速人工駕駛模式下,車輛運營安全也有賴于司機操作,且由于速度比較低,行車安全能夠得到保證。這種模式同樣不作為正線常用模式,其安全保證需要司機的謹慎駕駛。
ATO模式、ATP模式是日常運營的列車運行模式,列車在安全系統保護下自動運行或者人工駕駛。安全線的設置應為其日常運營提供安全保障,并使整個系統保持比較高的運行效率,以發揮最大的通過能力。
4 設計規范對安全線長度的規定
《地鐵設計規范》(以下簡為《規范》)對安全線長度的規定如下:“安全線的長度一般不小于40m。在困難條件下,可設置脫軌道岔”。對折返線的有效長度,規定為:“遠期列車長度加40m(不含車檔長度)”。
在《規范》的條文說明中,沒有對安全線的長度作出明確的解釋,但是對折返線的有效長度作出如下說明。
”折返線的有效長度主要從以下因素考慮:
1)停車線端距道岔基本軌端留有必要的距離,該距離太短,將影響列車加速,從而影響列車折返能力;
2)列車進入折返線通過最后一組道岔時,不希望降低速度以便盡快給其他線開通進路,為此折返線的長度不能太短。
根據以上情況分析,折返線留有足夠的長度對保證列車折返安全和折返能力是必要的。原規范根據北京地鐵一、二期工程設置折返線的經驗,其長度定位列車長加24m。……集多年建設和運營經驗,為保證線路折返能力和行車安全,本規范規定折返線有效長度由原遠期列車長度加24m,改為加安全距離40m……”
《規范》規定安全線的長度為40m,雖然能夠保證安全線正常發揮作用,但是在某些情況下,會造成工程規模的浪費。
《規范》中關于折返線有效長度的規定主要是針對進行站后折返的情況,對于站前折返(例如圖5中宋家莊站)及《規范》未明確規定的情況并不適用。此時通過牽引計算,考慮信號系統工作特性來確定安全線長度,應該是更為可行的方法。
5 安全線長度分析
5.1 車場線接正線
在這種情況下設置安全線(見圖1)主要是防止出入段線列車在未經允許情況下沖入正線,與正線列車發生沖突。出段列車在車輛段轉換軌處已經完成控制信號的轉換,此時的列車采用ATO模式或者ATP防護下的人工駕駛模式。列車每次投入運營時都需要在停車信號機前進行一度停車。安全線需要長度的計算與圖5中站前折返的情形應該是一樣的。在滿足道岔結構長度后,也需要滿足緊急制動要求,避免車輛撞擊車檔(只有在困難條件下,才允許車輛以不大于15km/h的速度撞擊車檔)。
5.2 折返線末端接正線
如圖2所示,安全線長度取40m,這不但考慮運營安全,也考慮列車保持足夠的速度,從而保證折返能力。從軌道結構看,折返線末端通過道岔與正線連接,道岔全長大約30m,這也限制了安全線的最小長度。如果列車采用ATP防護下的人工駕駛模式,根據實際運營經驗,為了給司機預留足夠的距離,避免車速過低影響折返能力,40m的'長度是合適的。如果列車采用ATO駕駛模式,列車自動折返,則此距離偏長;實際使用中可以根據車輛制動性能、信號設置及結構計算等綜合給以確定。
5.3 岔線在站內接軌
《規范》規定:當與正線間為島式站臺,且站臺端至警沖標的距離大于或者等于60m時,可不設列車運行隔開設備(見圖3)。但是,如果線路采用地下方式敷設,列車望條件比較差,列車在非限制駕駛模式或者限速人工駕駛模式時,島式站臺岔線接軌形式反而不易保證絕對安全,工程條件允許時仍然應該設置安全線。若為側式站臺,該距離一般小于40m(見圖4)。
5.4 線路末端站前折返
如圖5所示,列車進站需要在站內定位停車。無論采用ATO駕駛模式還是ATP保護下的人工駕駛模式,站后安全線的作用都是在進站無法停車時為緊急制動提供制動距離。即使采用ATP保護下的人工駕駛模式,安全距離也不用考慮司機心理因素的影響。
現以圖5的亦莊線宋家莊站為例,計算站后安全線的長度。計算中重點考慮ATO和ATP兩種駕駛模式。計算的主要思路是:根據列車牽引曲線,在列車速度超過某一地點正常速度5km/h時ATP啟動緊急制動,制動平均加速度為-1.2m/s2。ATP反應時間按照2s考慮。列車側向過岔速度按照曲線尖軌限速35km/h計。
計算方法:首先對正常進站列車進行牽引計算,得到牽引計算曲線;當ATP啟動緊急制動時,列車速度超過正常速度5km/h,由此得到緊急制動啟動的速度曲線(見圖7);根據該曲中某一里程及其對應的速度,利用速度、加速度與距離關系公式,可以得到在該里程緊急制動時需要的制動距離;該距離減去正常制動距離即是該點需要的安全距離。實際計算中,可以利用牽引計算的過程數據,對各里程分別計算需要的安全距離(見表1),并取其最大值作為最終安全線長度。
這種計算方式對ATO和ATP模式都是適用的,能夠使安全線長度足以保證列車的運營安全。
由表1可知,考慮ATO和ATP兩種行車模式下的站后安全線距離至少需要17.6m(不計車檔距離)。《規范》雖規定車檔可以允許列車以15km/h速度撞擊,但實際上由于宋家莊站為站前折返,列車內一般都載有乘客,為保證乘客安全,不考慮列車沖撞車檔。
宋家莊站為地下車站,線路條件受氣候影響相對較小。如果線路在地面或者高架橋上,因受雨雪天氣影響,列車黏著系數會有所降低,此時安全線的長度確定需要考慮這一因素而適當加長。
上述計算結果適合亦莊線宋家莊站情況。在具體的工程案例中,要根據采用的車輛性能、線路平縱斷面等情況計算確定安全線長度。
5.5 線路末端站后折返
如圖6所示的線路末端站后折返與折返線末端接正線情況(見圖2)類似,但是由于折返線末端沒有與正線聯通,安全線設置完全是為了提高折返能力。在人工駕駛時,考慮為司機提供更好的工作條件,規范中根據實際運營經驗規定安全線長度為40m是合適的;如果列車采用自動駕駛,可以參考前述計算方法來確定安全線長度。
6 結語
安全線在高密度行車的地鐵中對行車安全具有重要意義。地鐵在城市中修建,工程投資巨大,場地條件受到周邊建筑、管線等限制。合理的安全線長度有助于保證安全,控制投資規模。根據不同的運營需要決定安全線長度,在工程實踐中十分必要。鑒于目前對于安全線長度的計算沒有統一的方法和參數取值,建議在今后修訂規范時對安全線的設置作出更為詳細準確的規定,并制定可行的計算方法。
參考文獻
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